两种立地土壤水分物理性质对火烧的即时响应

doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.005中图分类号：S714.2

张水锋1， 2，张思玉1*，张金池2，毛丽君1，刁娇娇2，李卫正2，刘鑫2

（1. 南京森林警察学院，南京210023；2. 南京林业大学）

摘要：为了了解火烧对土壤水分物理性质的影响，通过杨树林和裸地两种立地的林火点烧试验，对火烧前后样地土壤的水分物理性质进行了测定和比较研究。结果表明：在两种不同的立地中，随着土壤深度的增加，土壤体积密度增加，总孔隙度、持水量和饱和贮水能力减小。火烧后，0～5 cm土层的指标变率均大于≥5～10 cm土层的指标变率，因此土壤层间指标差值增大。杨树林的土壤体积密度低于裸地土壤体积密度，而其持水能力和总孔隙度均高于裸地。总体来看，火烧后的两种不同立地土壤的紧实度增加，通气透水性减弱，土壤孔隙的调节功能也随之减弱。杨树林土壤体积密度和持水能力受到火烧的即时干扰程度高于裸地，且其干扰程度随着火强度的增大而增强。

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关键词：点烧试验；火强度；水分物理性质；林地土壤

Immediate response in edaphic hydro?physical properties under two site conditions after an experimental fire

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ZHANG Shuifeng，ZHANG Siyu，ZHANG Jinchi，MAO Lijun，DIAO Jiaojiao，LI Weizheng，LIU Xin

Abstract： In order to understand the influences of fire on edaphic hydro?physical propertie， we determined and compared the edaphic hydro?physical properties under the poplars forest and bare land between pre?fire and post?fire. Results showed that under the different two site conditions， the soil bulk density increased ，while the total porosity， water holding capacity and saturated water storage capacity decreased with the deepness of soil deepening. After the experimental fire， the variation range of indexes in 0-5 cm soil layer were greater than that in the ≥5-10 cm soil layer， so the difference rangeability of indexes between the soil layers increased. The soil bulk density of poplar forests was lower than that of the bare land， while the water holding capacity and total porosity were higher than those of the bare land. As a whole， soil density of poplar forest and bare land increased after fire but air permeability， water permeability and the regulating function of soil poro?sity decreased. Instant interference on soil bulk density of poplar forest and water holding capacity caused by fire were higher than that of the bare land， and the interference degree increased with the enhancement of the fire intensity. This research provides reference for improving edaphic hydro?physical properties by fire.

Key words：experiment fire； fire intensity； hydro?physical properties；timbered soil

First author’s address： Nanjing Forest Police College， Nanjing 210023，China

收稿日期：2014-10-09

修回日期：2014-11-23

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（LGYB201402）；国家林业局“948”项目（2013-4-65）。

作者简介：张水锋（1986-），男，助教，主要从事火烧迹地土壤侵蚀与控制研究。通信作者：张思玉，男，教授。 E?mail： zsf0511@126.com

长期以来，人们一直把森林火生态因子与灾害联系在一起，但随着对火行为及火生态的大量研究工作的开展，火的工具属性得到进一步体现，火生态因子被成功引入农、林、牧等经营管理系统。火对森林生态系统水文循环的影响主要通过烧毁林冠层、林下植被、凋落物、伐区剩余物及直接对表层土壤的灼烧，改变各水文作用层的功能［1］。火烧能直接导致土壤黏性土壤胶体团聚大大减弱，使土壤中水稳性团粒含量降低，体积密度增加，土壤分散率和侵蚀率增大，土壤抗蚀性下降［2-3］。森林土壤水分指重力、分子吸力和毛管力保持在林地土壤中的水分，它是森林植物养分运转的载体和溶剂、通气性的调节剂以及土壤中有毒物质的稀释剂，也是土壤径流的供源［4］，森林火烧过程中产生的高温对森林土壤水分状况产生直接的影响。

目前，关于林火对土壤水分物理性质影响方面的研究不多，胡海清等［5］研究分析了大兴安岭松岭林区白桦林、落叶松林以及白桦落叶松混交林的当年高强度火烧迹地与对照样地的土壤水分物理性质的差异；韩钊龙等［6］分析了林火干扰对昆明近郊华山松和柏木人工林林地土壤理化性质的影响，发现华山松和柏木林下土壤密度相对火烧前均增加，土壤自然含水量、饱和持水量、毛管持水量、总孔隙度以及毛管孔隙度等指标则均分别下降；张玉红等［7-8］利用大兴安岭南瓮河保护区典型林型的样方调查资料，研究了林火对大兴安岭典型林型林下植被状况与土壤理化性质的影响。然而，有关林火对土壤水分物理性质的即时影响研究很少。本研究通过对杨树林和裸地样地的林火点烧试验，对火烧前、后样地的土壤水分物理性质进行了测定和比较研究，旨在揭示林火与土壤水分物理性质之间的关系，为我国森林资源的科学管理和合理利用提供火生态系统方面的科学依据。

1材料与方法

1.1试验地设置

试验地位于南京市栖霞区，地处东经118°92′，北纬32°11′，海拔6～10 m，属于亚热带季风气候，雨量充沛，年降水约1 200 mm，四季分明，年平均气温15.4 ℃，年极端气温最高39.7 ℃，最低-13.1 ℃。春季风和日丽，梅雨时节阴雨绵绵，夏季炎热，秋天干燥凉爽，冬季寒冷、干燥。

林火点烧试验地点位于南京森林警察学院校内后山的杨树林和相邻裸地。杨树林为人工纯林，土壤类型为黄棕壤，林冠郁闭度为0.5~0.7，林下灌木盖度20%~30%，枯落物盖度80%，枯落物厚度5～8 cm，表层枯落物较干燥易燃。为在试验中实现不同火强度分级的目标，在杨树林下增铺了可燃物，增铺可燃物的厚度从样地边缘的10 cm向中心逐渐均匀增加到40 cm。可燃物主要为附近阔叶林地收集的已晒干的枯枝落叶。相邻裸地土壤类型亦为黄棕壤，表面基本无可燃物覆盖，需大量铺设干燥可燃物才能达到试验目标，因此，在样地边缘铺设厚度10 cm的可燃物，并向中心逐渐均匀加厚到40 cm。另外，杨树林和裸地的各个小样地中心插上了长度6 m且涂有白漆和红色刻度线的铁质标杆，并将火烧后的熏黑高度作为火焰高度记录。

2014年5月4日，在百余名森林防火队员严密监控下实施了点烧试验。试验过程，同时对火行为进行了多角度监控录像。

1.2样品采集

为减少其他环境因子的影响，本试验选择在雨后至少4~5 d的晴朗天气进行采样。土壤取样时间为林火点烧试验实施前2014年5月3日、试验结束24 h后的2014年5月5日，分别对杨树林和裸地试验样地进行取样。按照典型性、代表性原则，结合杨树林和裸地样地的地形和面积，分别将其划分为12块4 m×6 m的小样地和 13块3 m×3 m的小样地（图1）。选择过火前的杨树林、裸地为研究对照。将各个小样地均匀划分成4个方格子，以环刀法在格子的中心分层（0～5，≥5～10 cm）取样，回实验室进行分析。

1.3土样土壤水分物理性质分析测定

土壤体积密度、饱和持水量、毛管持水量、总孔隙度及毛管孔隙度测定采用环刀法。各指标的测定执行《中华人民共和国林业行业标准》中相关指标的测定和计算方法。

1.4数据处理

运用Microsoft Excel 2013程序对试验所得数据进行基本的处理和分析，采用spss 19.0程序配对样本t检验分析研究火烧干扰对土壤水分物理性质的即时影响，P<0.01为差异极显著，0.01<P< 0.05为差异显著。

计算不同立地小样地各指标值的算术平均值，得到样地土壤体积密度和孔隙度背景均值（表1），以及样地土壤水分特征背景均值（表2）。

2结果与分析

2.1不同样地火强度分类分级

林火强度是林火行为重要指标之一，而评价林火的生态效应，需要根据火强度的大小评定火对地被物、林木、土壤、微生物、野生动物等的危害程度。由于火焰长度不易测准，而火焰高度易测准，则通过测量火焰高度来提高估测精度［9］。火焰高度是指火焰顶端与地面间的垂直距离。本研究采用1983年卡姆特尔提出用火焰高度来估测火强度的公式［10］：I= 273h2.17。式中：I——火线强度（kW/m）；h——火焰高度（m）。

另外，根据森林火中的地表火和树冠火的火焰高度和火线强度的资料，采用根据森林火扑救的需要将森林火强度划分为4级的分级标准（表3）［11］。

将林火点烧试验中记录的各小样地的火焰高度代入以上计算公式，经计算，样地火强度分为低、中、高3个等级，无超高强度，各样地火强度分类见表4。

2.2火烧对土壤水分物理性质的影响

2.2.1火烧前后土壤体积密度和孔隙度的变化

土壤体积密度和孔隙度变化情况见表5。由表5可知，在两种不同立地样地中，火烧后的土壤体积密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及总孔隙度从0～5 cm到≥5～10 cm土层的变化趋势相同，即随着土壤深度的增加，体积密度和毛管孔隙度增加，非毛管孔隙度和总孔隙度减小。由于林地土壤表层有机质和腐殖质的集中，其含量随着土层的加深而逐渐减少，因此，随着土层深度的增加土壤体积密度逐渐增加。但总体上看，经过火烧后，虽然随土壤深度的变化趋势不变，但其在不同火强度下的变化差异表现各异（高>中>低强度）。

土壤体积密度反映土壤透水性、通气性以及根系伸展时阻力的大小［12］。由表1可见，土壤平均体积密度为裸地（1.55 g/cm3）>杨树林（1.44 g/cm3），因此，杨树林土壤较裸地土壤疏松。而不同火强度干扰下的土壤体积密度的变率不同，低强度下平均增幅为杨树林（1.77%）>裸地（0.53%），中强度下平均增幅为杨树林（5.41%）>裸地（1.28%），高强度下平均增幅为杨树林（9.44%）>裸地（3.65%）（表5）。因此，火烧使两种立地的土壤体积密度均增加，且杨树林土壤体积密度的平均增幅约为裸地土壤体积密度平均增幅的3.05倍。

土壤孔隙状况是影响土壤通气透水性和根系穿插难易程度的关键，对土壤中水、肥、气、热和微生物活性的调节起着重要作用［13-14］。由表5可见，在两种不同立地样地中，总孔隙度的平均值为杨树林（39.81%）>裸地（27.51%）。由此可见，杨树林土壤通气性比裸地好。火烧后，两种立地土壤总孔隙度均减小，杨树林土壤总孔隙度平均减小1.71%，裸地土壤总孔隙度平均减小0.49%。

对火烧前后土壤体积密度和孔隙度的指标值进行配对t检验，如表5所示，杨树林0~5 cm土层，除低强度火烧下的毛管孔隙度指标外，3种火烧强度下的各指标差异均非常显著（P<0.01）；≥5~10 cm土层在高强度火烧干扰下均呈现差异显著（P<0.05）。而裸地土壤0~5 cm土层，仅在高强度火烧下的各指标差异极显著（P<0.01），中强度火烧下各指标的差异显著（P<0.05），低强度火烧下土壤体积密度和孔隙度的指标值差异不显著。由此可见，高强度火烧对两种立地的土壤体积密度和孔隙度指标的影响程度最大，随土壤深度的增加，火烧的影响程度减小，且火烧对杨树林土壤体积密度和孔隙度指标的影响程度大于裸地。

2.2.2火烧前后土壤水分特征的变化

土壤持水性能直接影响土壤抗水蚀能力，因而它是反映土壤生态功能的一个重要指标［15］。林地土壤的水分状况与气候、植被、地形、土壤性质等自然因素有关，不同森林类型林冠层、林下木或地被物层、凋落物层的结构组成都存在一定的差异，因而影响林地截留降水、储蓄水分和调节径流的功能，导致不同森林类型涵养水土的能力有所差异［16-17］。由火烧后土壤水分特征变化情况（表6）可见，无论是杨树林还是裸地的饱和持水量、毛管持水量以及田间持水量，从0～5 cm 到≥5～10 cm土层均呈减小趋势。火烧后，土壤持水量各指标均呈现减小的趋势。杨树林和裸地土壤饱和含水量、毛管持水量、田间持水量的减幅平均值分别为3.80%， 3.15%，4.19%和1.92%，1.44%，1.79%。比较两种立地下土壤持水的平均值发现：无论是火烧前还是火烧后，都是杨树林的土壤持水量平均值最大。毛管持水量与饱和持水量的比值是衡量土壤水分供应状况的重要指标。由表6可以看出，杨树林和裸地土壤饱和持水量与毛管持水量的平均值分别是280.00，216.62和132.60 g/kg，说明杨树林土壤的供水能力较裸地土壤强。

林地土壤的饱和贮水能力主要取决于总孔隙度指标，它是评价水资源涵养效能和水分循环调节能力的重要指标。林地土壤的饱和贮水能力可以通过以下公式计算得出：S=10 000 hp。式中：S—土壤的饱和贮水能力（t/hm2）；h—土层厚（m）；p—总孔隙度（%）。

　经计算，土壤饱和贮水能力0～5 cm土层大于≥5～10 cm土层；杨树林土壤饱和贮水能力的平均值大于裸地土壤饱和贮水能力的平均值（表6）。但这种贮水能力的一部分是由非毛管孔隙度体现的，它仅仅是土壤水分达到饱和时的瞬时水量，在重力的作用下会不断向土壤深处渗透，被称为重力水，因此，这种饱和贮水能力中的重力水部分实际上是暂时的。对火烧前后各土壤水分特征指标值进行配对t检验，如表6所示，杨树林0～5 cm土层，高强度火烧下的各土壤水分特征指标值差异均极显著（P<0.01），低、中强度火烧下除毛管与饱和含水量比值外的各指标差异均显著（0.01<P<0.05）。裸地0～5 cm土层，在高强度火烧下，除田间持水量指标值差异显著（0.01<P<0.05）外，其他土壤水分特征指标值的差异均极显著（P<0.01），中强度火烧下的饱和贮水能力指标值差异极显著（P<0.01），其他土壤水分特征指标值的差异均显著（0.01<P<0.05）；≥5～10 cm土层在不同火强度下的差异不明显。由此可见，杨树林的土壤水分特征指标值仅在高强度火烧下影响程度大于裸地，随着土壤深度的增加，火烧对两种立地各土壤水分特征指标值的影响程度总体呈现减小的趋势。

3结论与讨论

在两种立地样地中，土壤体积密度、总孔隙度、持水量以及饱和贮水能力从0～5到≥5～10 cm土层的变化趋势相同，即随着土壤深度的增加，体积密度增加，总孔隙度、持水量和饱和贮水能力减小。火烧后，这种随深度变化的趋势并没有改变，但由于0～5 cm土层的指标变率均≥5～10 cm土层的指标变率，因此土壤层间各指标的差值增大。

杨树林的土壤体积密度低于裸地土壤体积密度，而其持水能力和总孔隙度均高于裸地。总体看，对照火烧前的样地，随着火烧后土壤体积密度增大和总孔隙度减小，杨树林和裸地土壤的紧实度增加，通气透水性减弱，土壤孔隙的调节功能也随之减弱。其中，火烧后的杨树林土壤体积密度和持水能力受到的干扰程度高于裸地，且随着火强度的增大，其干扰程度也越大。

在我国，森林火烧现象较为普遍，它能在短时间内剧烈改变环境状况，包括快速改变森林土壤的理化性质，影响森林生态系统的养分循环和分配。而林火具有三重基本的属性：自然属性、灾害属性和工具属性［18］，它对生态系统作用有利或是有害，主要取决于火作用的时间和强度。因此，在以后的实验中将加强火烧对土壤化学、微生物等性质的影响方面的研究，充分掌握火烧对土壤性质的影响，进一步做到科学合理用火、保护森林环境。

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