火烧强度对西南亚热带林地土壤理化性质的影响

冉益倩, 周 俊, 张茜彧, 范建容, 李孝龙, 马月伟

(1.西南林业大学地理与生态旅游学院, 云南 昆明 650224; 2. 中国科学院、 水利部成都山地灾害与环境研究所, 四川 成都 610299)

森林生态系统是陆地最重要的碳库,但常受到火烧的扰动[1-2]。与1984年之前相比,近四十年来全球森林过火面积增加了一倍[3-4]。尽管林火是pH值、容重、养分含量及其有效性等土壤理化性质的重要影响因素[5-9],但上述指标随火烧程度的变化趋势和程度仍存在较大争议。例如,部分研究发现火烧使土壤无机元素含量升高[10-12]或有机酸变性[13],从而导致土壤pH值升高,但是,也有研究发现pH值在火烧后保持不变[14]。同样,林火干扰导致土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)含量升高、不变和降低的研究结果也大量存在[15-17]。尽管多个研究发现火烧使土壤氮(Nitrogen,N)直接挥发,导致土壤全氮(Total nitrogen,TN)含量显著降低[18],但也有研究发现轻度和中度火烧后土壤TN含量并未显著降低。相反,由于轻度和中度火烧导致养分随灰分物质进入土壤,因此,土壤TN含量增加[19]。此外,还有研究发现尽管火烧未明显改变土壤磷(Phosphorus,P)的总量,但可导致土壤有效P含量升高[20]。上述不一致的研究结果基于不同气候区的火烧迹地得到,表明林火对不同气候区土壤性质的影响可能显著不同,但其中的差异和机制尚待揭示。

尽管亚热带地区林火发生的数量是北方地区的数倍[21],但是目前大多数研究在北方林区火烧迹地展开,对亚热带季风区林火影响的研究较少[20]。由于温度和降水等气候条件的差异,亚热带季风区森林土壤的凋落物和有机质层厚度不及北方林区,火烧后未燃烧完全的有机物以及随灰分进入土壤的矿质元素均相对较少,导致火烧后亚热带森林表层土壤的有机碳和矿质元素的含量变化不显著,而N等易因高温而挥发的元素含量则可能会显著降低,因此,推测林火对森林土壤性质的影响在两个地区可能存在显著差异。

四川省凉山彝族自治州西昌市位于我国西南地区,属于典型亚热带西南季风气候区,林分为云南松和桉树。2020年的“3·30”火灾导致西昌市经久乡人工林受到不同强度的火烧干扰,是研究亚热带林火对土壤影响的理想区域。本文以西昌“3·30”火灾地区未过火、低度、中度和重度火烧迹地土壤为实验对象,研究不同火烧强度对土壤容重、pH值、有机碳和主要矿质养分的影响,并与国内外已有研究结果进行对比分析,探究不同火烧强度对亚热带西南季风区森林土壤有机碳库和养分状况的影响程度。研究成果不仅有助于认清亚热带西南季风林区不同火烧强度对森林土壤的影响,阐明林火干扰对我国森林土壤影响的空间格局,而且可为该区域火烧迹地植被恢复的养分管理提供科学依据,具有较明确的科学意义和一定的应用价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省凉山彝族自治州西昌市经久乡(27°46′51″～21°53′21″ N,102°11′55″～102°17′55″ E)。经久乡以山地为主,海拔在1 500～2 510 m之间,气候为典型的西南季风,年均温为17℃,年均降雨量为1 013.5 mm,日最大降雨量为199.5 mm。雨季为5月至10月,降雨主要以夜间暴雨为主,约占年全降雨量的90%。2020年“3·30”火灾前,研究区森林植被覆盖率超过90%,优势物种为云南松和桉树,土壤主要为紫色土和黄壤。样地土壤为紫色土,属风化发育较浅的矿质土壤,由中生代紫色砂页岩风化而成,常见于四川盆地;凋落物层厚度不超过3 cm,土壤有机质含量较低、结构性差、蓄保水能力较弱。

1.2 研究方法

1.2.1样地设置 本研究于2021年3月选取海拔、坡度和坡向相似的火烧迹地设置5 m×5 m的样地。根据火烧程度将样地分为低度火烧(L)、中度(M)、重度(H)火烧迹地,同时选择临近未过火区域设置对照样地。每个强度设置5个重复。火干扰强度划分依据为乔灌草烧伤的比例、火焰高度、植物燃烧程度、土壤有机质层的被影响程度[22-23],详见表1。

1.2.2样品采集 采用五点取样法在每块样地上采集土样,土壤采集深度为0～20 cm。

每个样方中的样品混匀为一个样品,得到的土样使用干净的自封袋保存,储存于0～4℃的保温箱中。土壤样品采集完成后立刻带回实验室过2 mm筛。用于测定容重的样品经105℃烘干;用于测定其他理化指标的样品低温(35℃)烘干。

1.3 样品分析

分别采用环刀法和电位法(METTLER TOLEDO S210)测定土壤容重和pH值。采用元素分析仪(Elementar Trace SN cube)测定土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)和全氮含量。对钾(Kalium,K)、钙(Calcium,Ca)、镁(Magnesium,Mg)和P等养分元素,经微波消解后,采用火焰光度法测定全K,Ca和Mg的含量,采用钼锑抗比色法测定全磷(Total phosphorus,TP)含量。分别采用碱解扩散法、乙酸铵浸提-火焰光度法和碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定碱解N、速效K和速效P含量[24]。

1.4 数据分析

使用SPSS 20.0进行数据统计分析,测试指标采用均值±标准差的形式呈现。采用单因素方差法(ANOVA)分析不同火烧程度对土壤性质的影响。采用LSD方法进行两两差异检验。数据的残差满足正态分布、方差齐性和独立性等ANOVA分析的前提条件。对呈正态分布的土壤指标,采用Pearson系数表征各指标之间的相关性。由于Ca和Mg进行对数转换后仍不满足正态分布,因此,采用Spearman法分析pH值与三种碱基离子(Ca,Mg和K)之间的相关性。除特别说明,显著性水平设置为P=0.05。采用OriginPro2022(学生版)绘制图件。

2 结果与分析

2.1 土壤容重和pH值

尽管轻度和中度火烧对土壤容重的影响不显著,但是重度火烧迹地的土壤容重极显著高于对照、轻度和中度火烧样地(P<0.01,图1a),分别增加了12.0%,9.0%和10.0%。重度火烧后土壤容重增加的趋势与北半球大多数火烧迹地的结果一致(图2a)。三个火烧程度对土壤pH的影响均不显著(图1b),与热带和亚热带大多数样点的变化趋势一致,但与北温带部分火烧迹地pH升高的趋势不一致(图2b)。

图1 不同火干扰下土壤容重(a)和pH值(b)

图2 不同火干扰强度对土壤容重(a)和pH值(b)的影响

2.2 土壤有效养分

火烧显著增加了土壤速效P和速效K的含量,显著降低了土壤碱解N含量(图3a,b,c)。轻度、中度和重度火烧迹地的土壤速效P含量分别比对照样地增加了142%,197%和183%,但三种火烧迹地的速效P含量无显著差异(图3a)。火烧程度对土壤速效K含量具有显著影响。随着火烧程度的增加,土壤速效K含量呈逐渐升高的趋势,重度火烧迹地速效K含量是对照样地的1.9倍(图3c)。与土壤速效P和速效K相反,火烧导致土壤碱解N含量显著下降。轻度、中度和重度火烧迹地碱解N相较对照分别显著减少了34.6%,27.7%和45.7%(图3b),但土壤碱解N的含量在三种火烧程度间无显著差异。火烧导致西昌林地土壤速效P和速效K增加的趋势则与北半球大多数样点的趋势一致(图4a,c),而碱解N减少的趋势与北半球中纬度地区大多数火烧迹地的趋势相反(图4b)。

图4 不同火干扰对土壤(a)速效磷、(b)碱解氮和(c)速效钾的影响

2.3 土壤养分全量

火烧显著降低了土壤TN含量,且随着火烧程度的增加,TN含量逐渐降低(图5a)。重度火烧后土壤TN含量较对照减少了44.7%。三种火烧程度均未显著改变土壤Ca,Mg,K,P和SOC的含量(图5b,5c,5d,5e,5f)。土壤无机P和有机P含量均未受到火烧强度的显著影响(图6a,6b)。西昌火烧迹地SOC含量未显著变化的趋势与北半球部分火烧迹地的趋势一致(图7a)。目前对火烧导致SOC含量变化的趋势尚未取得一致认识(图7a)。重度火烧迹地土壤TN含量减少的趋势与北温带大多数已有研究结果基本一致,轻度和中度火烧迹地中TN不变的趋势与亚热带和热带的研究结果一致(图7b)。与SOC相同,火烧程度对土壤TP的影响也尚无较为一致的结论(图7c)。

图5 不同火干扰下泸山土壤全氮(a)、全钙(b)、全镁(c)、全钾(d)、全磷(e)和有机碳(f)含量

图6 西昌“3·30”火烧迹地土壤无机磷(a)和有机磷(b)含量

图7 不同火烧程度对土壤有机碳(a)、全氮(b)和全磷(c)的影响

2.4 土壤理化指标之间的关系

土壤容重与碱解N含量呈极显著负相关关系,与速效K含量呈极显著正相关关系(表2)。速效P与速效K含量呈显著正相关关系,但与TP、有机P和无机P含量无显著相关关系。TN与碱解N含量之间呈显著正相关关系。土壤pH值与3种碱基离子(Ca,Mg和K)含量之间无显著相关关系(数据未在表2中展示)。

表2 土壤理化指标之间的Pearson相关系数

3 讨论

3.1 土壤容重和pH值

火烧使土壤容重增加的原因主要包括使土壤孔隙变小[12]、破坏土壤团聚体和土壤有机质大量流失[44]。由于本研究中三种程度的火烧均未导致SOC显著降低(图5f),因此,容重的变化很有可能是火烧对土壤物理结构的影响造成的。轻和中度火烧尚不足以对矿质土壤层的孔隙等物理结构造成影响,可能是这两种火烧强度下土壤容重未发生变化的主要原因。

西昌“3·30”火烧迹地土壤pH值对三种火烧强度的响应都不显著,可能与纬度导致的气候和土壤理化性质的差异有关。目前的研究认为灰分中的Ca和Mg离子等进入土壤中导致土壤碱性阳离子含量增加[12-13,39],土壤有机酸在火灾中发生变性和凋落物在燃烧过程中脂肪族化合物的释放是火烧导致土壤pH值增大的主要原因[43,45]。与年均温相对较低的北方林区相比,亚热带西南季风区的森林土壤风化程度更高,凋落物和有机质层更薄,有机酸含量也更低,如本研究区土壤有机质层仅0～3 cm,使得上述三个增加pH值的机制在亚热带地区发挥的作用较为有限。本文发现火烧后三种碱基离子(Ca,Mg和K)的含量均未显著升高(图5b,5c,5d)也可证明火烧后随灰分进入土壤的碱性阳离子相对较少。此外,pH值与三种碱基离子之间无显著相关性也说明北方林区发现的火干扰对土壤pH值的作用机制不适用于西南亚热带林区。

3.2 土壤有机碳

火烧强度对土壤SOC含量无显著影响(图2 d)也可能与纬度引起的气候条件的不同具有一定关系。对前人研究结果的总结发现,火烧扰动后,从赤道到南半球的样点,土壤SOC总体减少;而北半球的情况与之相反,随着纬度增加,更多样点的SOC趋向增加,少部分不变或减少(图7a)。与本文纬度接近的西班牙东北部萨拉戈萨市的火烧迹地[36],其SOC含量有所降低。先前的研究认为,火烧后未完全燃烧凋落物进入土壤后会导致土壤SOC含量增加[31,40,46-47]。这可能主要由于其研究区多位于纬度较高、相对寒冷的地区,凋落物层和有机质层较厚。由于本文研究区温度较高,凋落物分解速率较快,火烧前凋落物层较薄,火烧造成的未完全燃烧的凋落物含量较少,因此,未完全燃烧凋落物向土壤输入的SOC较为有限。另一方面,火烧导致土壤完全裸露,本文采样时间为火烧后一年,雨季时径流还会导致SOC流失。综上,较高的温度、较薄的有机质层和较集中的降雨可能是未观测到火烧强度对土壤SOC有显著影响的主要原因。

3.3 土壤养分

土壤温度超过200℃,土壤N会直接挥发到空气而发生损耗;当土壤温度超过500℃,土壤N几乎全部消失[48]。因此,林火不仅可导致土壤中原有的N因高温挥发,而且会引起植物和凋落物燃烧过程中N的挥发,导致随灰分输入土壤的N数量较少,进而导致火烧后土壤TN含量降低。强度越大的火烧干扰,持续时间更长,可能导致土壤中更多的N流失。因此,我们观察到随着火烧强度的增加,土壤TN显著降低(图5a)。此外,火烧常导致土壤有机N转化为无机N[11,39],而无机N的溶解性较高,易随径流流失,导致土壤N含量进一步较少[49]。尽管部分研究发现火干扰并未降低土壤TN和碱解N含量[29,32,34],但这些研究的数量相对较少(图7b)。

与N不同,高温条件下P不易挥发。土壤对P的吸附作用较强,使得P随径流流失的量也较为有限。这些可能是西昌火烧迹地土壤TP含量变化较小的主要原因。速效P含量的增加一方面是由于植物和凋落物燃烧后灰分中的无机P进入土壤[47,50,51],另一方面则是火烧促进土壤有机P转化为无机P[51]。不过,由于速效P的最大增幅仅15 mg·kg-1左右(图2a),占未过火土壤TP的比例不到6%,因此,速效P的增加并未导致TP含量显著升高。此外,速效P与TP、无机P和有机P之间无显著相关性(表2),也说明速效P的变化对TP的影响有限。

与TP的变化类似,三种强度的火烧均未导致土壤K含量发生显著变化(图5d),与Badía、刘冠宏等的结果一致[33,36],但纬度更高的大多数研究均发现各个火烧强度下K含量有所升高[18,31]。这种差异可能是由于北方地区凋落物更多,燃烧后向土壤输入的K更多造成的。不过,尽管研究区的凋落物相对较少,但其完全燃烧后仍可向土壤输入一定量的K,因此,高强度火烧迹地的速效K含量显著高于未过火样地(图3c)。重度火烧导致土壤速效K含量增加的这种趋势,与绝大多数研究的结果较为一致(图4c)。轻度火烧样地中速效K并未增高一方面可能是由于随灰分输入的K更少,另一方面可能是相较于重度火干扰,轻度火烧迹地保存着较好植被,火烧后植被生长过程中需吸收大量速效K[39]。

三种火烧程度对土壤Ca和Mg含量的影响不显著,可能是由于亚热带季风气候导致研究区土壤风化程度较高,pH值较低,土壤Ca和Mg含量与北方地区相比较低,部分未过火样地土壤的Ca浓度甚至低于检测限(图5b,5c),植物和凋落物中Ca和Mg含量也较低,因此,随灰分返回土壤的Ca和Mg含量均较为有限。此外,由于Ca和Mg等碱基离子较易随水流流失,而本研究是在火烧一年后采集样品,因此,Ca和Mg未显著变化也可能与雨季导致碱基离子的流失有关[52]。尽管部分研究发现火烧后土壤Ca和Mg含量均显著上升[39],但这些研究均位于纬度更高、凋落物和有机质层更厚的北方地区,其更丰富的燃烧物和相对更少的降水更可能导致土壤Ca和Mg含量增加。

4 结论

本研究利用四川西昌“3·30”火烧迹地和文献数据对比分析了不同纬度火烧迹地土壤理化性质的变化,揭示了林火对亚热带与北方针叶林区土壤显著不同的干扰特征。与北方针叶林相比,火烧强度对西南亚热带森林土壤SOC,Ca,Mg,K和P含量以及pH的影响不显著,但是,与北方林区一致,林火显著降低了易随高温挥发的土壤TN和碱解N的含量。本文的研究结果不仅丰富了林火生态学的研究案例,而且可为亚热带地区森林火烧迹地植被恢复过程中的养分管理提供科学依据。