火干扰对人工林土壤团聚体结构稳定性的影响

张水锋 彭徐剑 张思玉

（南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

自泥盆纪晚期以来，森林野火一直是森林生态系统重要的干扰因子之一[1]。森林土壤是人类赖以生存的关键自然资源之一，火干扰对森林土壤生态系统的影响则不容忽视，因此亟需须系统地开展林火对森林土壤系统的影响研究，以保障森林土壤资源的可持续性利用和管理。火干扰对森林土壤生态系统影响错综复杂，而土壤系统结构的变化则是受干扰的重要特征之一，良好的土壤结构是维持我国林业生产力和保持环境质量的重要指标。土壤系统结构常用其稳定性来定义，土壤系统结构的稳定性则表示不同应力条件下保持其结构排列的能力[2-3]。团聚体的稳定性是土壤结构稳定与退化评估的重要指标，Arshad 等[4]曾提出团聚体稳定性可作为土壤系统质量评价的重要指标，Hortensius 等[5]将团聚体稳定性纳入了国际土壤质量测量标准指标体系。

土壤团聚体稳定性主要取决于所处地理环境土壤背景条件，但也较大程度受干扰因子的影响，包括自然干扰和人为干扰。已有研究表明，施肥、植被恢复和植物工程措施等土地管理经营措施有利于土壤团聚体稳定性的提高[6-8]，而火灾对森林土壤团聚体稳定性的影响则是不确定的[9]。火干扰主要通过加热和氧化等作用引起土壤理化性质和生物环境的改变，从而影响了土壤系统的稳定性[10-11]。Jordán 等[12]研究了林火对墨西哥火山土斥水性与团聚体稳定性的影响，结果表明高强度火烧降低了土壤团聚体稳定性；Thomaz[13]以实验火灾为例研究了林火温度对土壤团聚体不同粒级的影响发现，土壤表层的高温主要对 ＞ 4 mm的土壤团聚体增幅较大；Filialuna 等[14]发现火烧迹地在初期恢复过程中嗜热真菌的快速繁殖提高了土壤的团聚性，增强了水分保持和抗蚀能力。而国内关于林火对森林土壤团聚体稳定性影响的研究不多，原烨等[15]探讨比较了草地植被恢复中火烧与刈割耙除对土壤团聚体影响，结果表明两者均可显著降低土壤大于0.25 mm 团聚体的含量。此外，关于森林土壤团聚体稳定性的研究主要侧重于不同区域林分类型对土壤团聚体的影响方面[16-18]。

据统计，2020 年我国森林覆盖率仅23.04%，1950—2019 年我国共发生森林火灾8.18 × 104起，年均1.17 × 104余起[19]。2020 年，我国共发生森林火灾1 153 起，重大森林火灾7 起，受灾的森林面积约为8 526 hm2[20]，因此我国是一个少林且森林火灾频发的国家。马尾松（Pinus massoniana）因含有丰富的松脂，商业价值较大，已成为南方林区的主要经济树种之一，然而，松脂的易燃性导致马尾松人工林成为北亚热带林区受火灾损害最严重的林型之一。本研究以北亚热带马尾松人工林为研究对象，旨在阐明其林下生态系统中土壤团聚体结构稳定性对火干扰的响应机制，为有效防控火烧迹地的土壤退化、水土流失等次生灾害提供参考。

1 研究区概况

研究区位于我国北亚热带太湖流域丘陵区，多年平均降雨量约1 100 mm，且其雨量主要集中在汛期（5—9 月），年平均气温约16 ℃，自北向南递增。该区域丘陵山地成土母质主要为石英砂岩，少部分为花岗岩及石灰岩，形成自然黄棕壤、石质土，土壤呈弱酸性，pH 值为5.0～6.0，海拔200～500 m，主要树种包括马尾松、杉木（Cunninghamia lanceolata）、黑松（Pinus thunbergii）、湿地松（Pinus elliottii）、火炬松（Pinus taeda）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、杨梅（Myrica rubra）、麻栎（Quercus acutissima）、板栗（Castanea mollissima）、油桐（Vernicia fordii）、桂花（Osmanthus fragrans）、毛竹（Phyllostachys heterocycla）、刚竹（Phyllostachys sulphurea）与淡竹（Lophatherum gracile）等。研究区以马尾松人工林与杉木人工林覆盖为主，但其林分结构单一，整体人工林生态系统免疫力低下，林下地表可燃物载荷较大，因此，其火灾发生的风险较高，尤其马尾松人工林更易发生和蔓延火灾。

2 材料与方法

2.1 样地设置

根据林火管理部门相关档案记录与野外调研，在研究区遴选了3 块2018 年受林火干扰的马尾松人工林火烧迹地试验样地，分别为4 月受林火干扰的样地1（中强度，120°25′24″E，31°18′47″N，坡度17°）、样地3（高强度，120°14′51″E，31°6′12″N，坡度15°）及5 月受林火干扰样地2（低强度，120°32′14″E，31°14′22″N，坡度14°），并在样地1～3 附近选取了相同林分结构的未火烧对照样地1C、2C 和 3C。

2.2 样品采集

为减少降雨等其他环境因子的影响，本实验选择在雨后6 d 的晴朗天气进行土壤取样，时间为2019 年9 月14 日。根据本研究试验设计，在每块试验样地设置10 m × 10 m 的采样单元各3 个，而后采用S 型取样方法在各采样单元选择5 个样点，且在土壤样点的0～5、5～10 cm 和10～20 cm 采集各土层土样各500 g。为保持原状土壤结构，除去样品中的粗根及小石块，装入大铝制盒带回实验室风干。

2.3 土壤指标测定

2.3.1 基本理化指标测定

根据林业行业标准（LY/T 1225—1999[21]、LY/T 1228 —1999[22]、 LY/T 1237 —1999[23]和LY/T 1239—1999[24]），通过实验室测定不同火烧强度样地0～10 cm 土层样品（同样地不同样点的混合样）的pH、全氮（TN）、有机质含量及土壤颗粒组成等基本理化指标，结果见表1。

表 1 不同火烧强度样地土壤基本理化指标Table 1 Basic physical and chemical indexes of soil under different burning intensities

2.3.2 土壤团聚体测定

本研究采用Le Bissonnais 法[25]对土壤团聚体进行实验研究，模拟其在暴雨、小雨和扰动等3 种不同降雨条件下的破碎机制。根据前人对Le Bissonnais 法的应用研究[26-27]，取3～5 mm 干筛团聚体，放入40 ℃烘箱内烘24 h 使土壤含水量保持一致。使用Le Bissonnais 法中快速湿润筛分法（FW）、慢速湿润筛分法（SW）与湿润振荡筛分法（WS）3 种处理方式进行模拟，将烘干后的土壤团聚体经不同湿润破碎处理后再对破碎处理后的团聚体进行粒径分级，见表2。

实验过程中，对破碎处理后的团聚体进行粒级分级的步骤如下：1）湿润处理→移入50 μm 孔筛→95% 酒精浸没→振幅2～3 cm、次数20～25 次；2）移入40 ℃烘箱15～20 min（至酒精挥发完）→分别装入已称重铝盒，移回烘箱，保持40 ℃烘箱14～16 h→取出称重；3）将烘干土壤依次过筛（孔径包括3、2、1、0.5、0.25、0.1 mm和0.05 mm）→分别称重后获得各粒级质量。

表 2 不同降雨条件的Le Bissonnais 湿润处理模拟方法Table 2 Simulation methods of Le Bissonnais wetting treatment under different rainfall conditions

2.4 土壤团聚体稳定性评价指标

土壤团聚体稳定性一般可通过水稳性团聚体（WSA）、团聚体平均重量直径（MWD）与几何平均直径（GMD），以及水分散性粘土（WDC）等指标进行量化评价[25-28]。其中，最常用于评价团聚体稳定性的指标是MWD，且MWD 值越大表示团聚体的平均团聚度越高，土壤稳定性越强[29]。因此，本研究采用MWD 指标评价北亚热带马尾松人工林土壤6 块样地的团聚体的结构稳定性。研究中的不同处理之间的MWD 差异性比较分析采用SPSS 17.0 软件进行LSD 统计检验。

式中：xi为土壤粒级的平均直径（mm），ωi为不同土壤粒级团聚体占总团聚体的比例。

3 结果与分析

3.1 不同破碎机制下团聚体分散后的粒级分布

由图1 可知，在不同湿润处理破碎机制下，不同火强度干扰的马尾松人工林下土壤团聚体破碎程度表现不同。FW 处理下，火烧迹地样地1、2 和3 相对于未火烧对照样地1C、2C 和 3C 的土壤0～5 cm 土层 ＞ 0.5 mm 的水稳性团聚体比例均有增加，其中样地3 增幅最大，为7.74%，样地1 次之，为3.31%，样地2 增幅最小，为1.97%；而5～10 cm 土层 ＞ 0.5 mm 的水稳性团聚体比例均有降低，样地3 降幅最大（25.99%），样地1的降幅为12.73%，样地2 则基本不变，10～20 cm土层与5～10 cm 土层的变化规律类似。SW 处理下，火烧迹地各层 ＞ 0.5 mm 土壤水稳性团聚体比例均有降低，中火烧强度迹地样地1 的0～5 cm土层降幅相对最大，为11.36%，中火烧强度迹地样地2 的10～20 cm 土层降幅最小，为2.17%，此外不同强度火烧迹地各土层降幅均为0～5 cm ＜5～10 cm ＜10～20 cm。WS 处理下的0～5 cm 土层中 ＞ 0.5 mm 的水稳性团聚体占比表现为中火烧强度迹地样地1 和低火烧强度迹地样地2 相对未过火对照样地呈增加趋势，但增幅不大，分别为2.85%和1.32%，高火烧强度迹地样地3 呈降低趋势，降幅为19.57%；3 个火烧迹地样地的5～10 cm土层中 ＞ 0.5 mm 的水稳性团聚体比例均降低，其中，低火烧强度迹地样地2 降幅相对最小。

不同湿润处理破碎机制下火烧迹地样地的大团聚体含量分布特征略显不同。在SW 处理下，火烧迹地样地1、2 和3 中0～5 cm 土层 ＞ 0.5 mm的大团聚体含量分布比例为 ＞ 75%，5～10 cm 土层 ＞ 0.5 mm 的大团聚体含量分布比例为 ＞ 51%，10～20 cm 土层 ＞ 0.5 mm 的大团聚体含量分布比例为 ＞ 32%； ＞ 0.25 mm 的大团聚体含量在0～5、5～10 cm 和10～20 cm 土层分别为86.71%、73.43%和61.17%。因此，3 种不同湿润处理方式中SW处理下 ＞ 0.5 mm 的团聚体所占比例相对最大，表明SW 处理对火烧迹地土壤团聚破坏性较小。FW 处理后土壤团聚体的粒径分布相对较为分散，但在0.1～0.25、0.05～0.1 mm 和 ＜0.05 mm粒级水平占比有明显优势，WS 处理与FW 有类似的规律。在3 种处理方式下，SW 处理下 ＞0.25 mm 团聚体含量最高说明其对土壤的团聚体稳定性破坏最小。在FW、SW 和WS 处理下，低火烧强度迹地样地2 土壤 ＞ 0.25 mm 的水稳性团聚体显著大于其他样地，其中FW 相对略小。此外，不同火强度干扰迹地在FW、SW 与WS 处理下的差异显著性表现各异。除样地2 的0～5 cm和10～20 cm 土层外，样地1、2 和3 土壤各层的SW 处理与FW、WS 处理的均表现为差异性显著（P＜0.05），样地3 的各层FW 处理与WS 处理均表现为差异显著（P＜0.05），样地1 和2 土壤各层的FW 处理与WS 处理均表现为差异不显著。

图 1 不同破碎机制下3～5 mm 团聚体破碎后的粒级分布Fig. 1 Distribution of 3-5 mm aggregates under different fragmentations

3.2 不同破碎机制下的团聚体平均重量直径分析

由图2 可知，在中火烧强度迹地样地1 各层土壤在SW 处理下MWD 均为最小，而其对照未过火样地1C 表现不同，SW 处理下各层土壤的MWD 均为最大，且LSD 检验表明，样地1 与对照样地1C 中0～5 cm 和10～20 cm 土层均表现为SW、WS 与FW 处理间差异显著（P＜0.05）。样地1 和对照样地1C 在SW 和WS 两种不同处理下 的MWD 值 均 表 现 为0 ～5 cm ＞ 5～10 cm ＞10～20 cm。样地1 的MWD 值在FW 处理下呈增大趋势，而SW 处理下的MWD 值却呈现降低的趋势，WS 处理下MWD 值在0～5 cm 土层表现为增大，而在5～10 cm 和10～20 cm 表现为降低。低强度火烧迹地样地2 与对照样地2C 的0～5、5～10 cm 和10～20 cm 土层的MWD 值在3 种不同处理两两之间差异均表现为不显著。其中，0～5 cm 土壤的MWD 值相对于对照样地2C 变化不大，在5～10 cm 和10～20 cm 土层则在FW 和SW 处理下小于对照样地2C。在WS 处理下，10～20 cm 土壤与0～5 cm 和5～10 cm 表现不同，MWD 值小于对照样地2C。此外，高强度火烧迹地样地3 与对照样地3C 中0～5、5～10 cm 和10 ～20 cm 土 层 均 表 现 为SW、WS 与FW 处理间差异显著（P＜0.05）。在FW 处理下，0～5 cm 和5～10 cm 的土壤MWD 值变化略有不同，在SW 处理下，3个层次土壤的MWD 值变化趋势一致，均为过火样地小于对照样地，而在WS 处理下，10～20 cm的土壤MWD 值不同于0～5 cm 和5～10 cm 的土壤，表现为过火样地的土壤MWD 值更大。

图 2 不同破碎机制下的土壤团聚体平均质量直径变化Fig. 2 Changes in mean weight diameter(MWD) of soil aggregates under different fragmentations

4 结论与讨论

本研究应用Le Bissonnais 法的3 种湿润处理破碎机制模拟研究了林火对北亚热带马尾松人工土壤团聚体结构稳定性的影响。总体来看，FW导致的破碎程度最大，WS 次之， SW 处理的破碎程度相对最小，即暴雨或大雨对土壤团聚体的破坏性最大，小雨次之，而机械扰动的破坏性最小，这与曾全超等[26]的研究结果相似。而从林火角度来看，林火后土壤中的大于0.5 mm 的大团聚体数量增加，小团聚体的数量相对减少，使得土壤的总孔隙度上升，其保水能力增强，这与刘发林等[30]的研究类似。FW 与WS 处理下，低、中强度火烧迹地表层土壤大于0.5 mm 的水稳性团聚体含量高于对照样地增加，SW 处理下不同强度火烧迹地各层大于0.5 mm 土壤水稳性团聚体比例均有降低。这表明低、中强度火烧迹地土壤团聚体水稳定性在暴雨与小雨条件下的高于未过火对照样地，而在扰动条件下则低于未过火对照样地。3 种不同湿润处理下，对土壤团聚体MWD 值的分析表明，SW 破碎机制对火烧迹地土壤团聚破坏性较小，主要影响大于2 mm 的土壤团聚体，而FS 和WS 破碎机制处理对小于0.1 mm 的团聚体有类似的规律，破坏性较小。不同湿润处理破碎机制下的团聚体分散后的粒级分布分析结果表明，在FS 和WS 破碎机制下，不同火强度干扰后的马尾松人工林各层土壤的稳定性均高于未火烧对照样地。其中，在WS 破碎机制下，经低、中强度林火干扰的马尾松人工林表层土壤的稳定性大于高强度林火干扰迹地。在SW 破碎机制下，不同火强度干扰后的马尾松人工林各层土壤的稳定性均低于未过火样地。

综上所述，林火干扰后的马尾松人工林表层土壤在不同破碎机制下的稳定性均高于下层土壤，这表明表层土壤的抗侵蚀能力相对较强。林火干扰后，马尾松人工林下表层土壤的抗侵蚀能力更强与表层土壤的有机质含量高有关，与前人的研究结果一致[13,31-32]。土壤有机质和生物活性起着关键作用，通过干扰其他土壤性质直接影响植被覆盖的再生，间接影响土壤侵蚀和退化[9]。火强度对团聚体的影响很大，这取决于受影响的土壤类型和特定土壤中颗粒团聚方式，尤其高强度火烧大幅降低了土壤表层的有机质含量，增加了土壤颗粒密度，从而也降低了团聚体稳定性[12-13]。植被的恢复过程有利于提高土壤的团聚体的稳定性[33-35]，初期恢复过程中嗜热真菌的快速繁殖提高了土壤的团聚性，增强了水分保持和抗蚀能力[14,32-34]，这是由于火烧迹地土壤中有大量的枯枝落叶分解成有机质后增加了土壤微生物群落的养分来源，有利于促进土壤微团聚体与大团聚体的形成，从而提高土壤结构的稳定性。由于北亚热带马松人工林火烧迹地在汛期（5—10月）常受到大雨或暴雨的影响，引起严重的土壤侵蚀。可通过基于对火烧迹地受林火干扰的强度的不同针对性地进行植树恢复或其他水土保持措施，降低对土壤团聚体的破坏，从而增强林下土壤的抗水蚀和径流冲刷能力。