两种立地土壤水分物理性质对火烧的即时响应.doc

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.xx.04.005：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，05cm土层的指标变率均大于510cm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。 关键词：点烧试验；火强度；水分物理性质；林地土壤 Immediateresponseinedaphichydro?physicalpropertiesundertwositeconditionsafteranexperimentalfire ZHANGShuifeng，ZHANGSiyu，ZHANGJinchi，MAOLijun，DIAOJiaojiao，LIWeizheng，LIUXin Abstract：Inordertounderstandtheinfluencesoffireonedaphichydro?physicalpropertie，wedeterminedandparedtheedaphichydro?physicalpropertiesunderthepoplarsforestandbarelandbetweenpre?fireandpost?fire.Resultsshowedthatunderthedifferenttwositeconditions，thesoilbulkdensityincreased，whilethetotalporosity，waterholdingcapacityandsaturatedwaterstoragecapacitydecreasedwiththedeepnessofsoildeepening.Aftertheexperimentalfire，thevariationrangeofindexesin0-5cmsoillayerweregreaterthanthatinthe5-10cmsoillayer，sothedifferencerangeabilityofindexesbetweenthesoillayersincreased.Thesoilbulkdensityofpoplarforestswaslowerthanthatofthebareland，whilethewaterholdingcapacityandtotalporositywerehigherthanthoseofthebareland.Asawhole，soildensityofpoplarforestandbarelandincreasedafterfirebutairpermeability，waterpermeabilityandtheregulatingfunctionofsoilporo?sitydecreased.Instantinterferenceonsoilbulkdensityofpoplarforestandwaterholdingcapacitycausedbyfirewerehigherthanthatofthebareland，andtheinterferencedegreeincreasedwiththeenhancementofthefireintensity.Thisresearchprovidesreferenceforimprovingedaphichydro?physicalpropertiesbyfire. Keywords：experimentfire；fireintensity；hydro?physicalproperties；timberedsoil Firstauthorsaddress：NanjingForestPoliceCollege，Nanjing210023，China ：xx-10-09 修回日期：xx-11-23 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（LGYBxx02）；国家林业局“948”项目（xx-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：zsf0511126. 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11892，北纬3211，海拔610m，属于亚热带季风气候，雨量充沛，年降水约1200mm，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0.50.7，林下灌木盖度20%30%，枯落物盖度80%，枯落物厚度58cm，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10cm向中心逐渐均匀增加到40cm。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10cm的可燃物，并向中心逐渐均匀加厚到40cm。另外，杨树林和裸地的各个小样地中心插上了长度6m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。 xx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45d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xx年5月3日、试验结束24h后的xx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4m6m的小样地和13块3m3m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（05，510cm）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MicrosoftExcelxx程序对试验所得数据进行基本的处理和分析，采用SPSS19.0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（1.55g/cm3）杨树林（1.44g/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05cm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（P0.01）；510cm土层在高强度火烧干扰下均呈现差异显著（P0.05）。而裸地土壤05cm土层，仅在高强度火烧下的各指标差异极显著（P0.01），中强度火烧下各指标的差异显著（P0.05），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05cm到510cm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132.60g/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=10000hp。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05cm土层大于510cm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05cm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（P0.01），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 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05到510cm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05cm土层的指标变率均510cm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。 参考文献 1俞新妥，杨玉盛.林火与水土流失J.世界林业研究，1992（3）：30-35. 2杨玉盛，陈光水，谢锦升.南方林业经营措施与土壤侵蚀J.水土保持通报，2000，20（6）：55-59. 3张敏，胡海清，马鸿伟.林火对土壤结构的影响J.自然灾害学报，xx，11（2）：138-143. 4田大伦，陈书军.樟树人工林土壤水文-物理性质特征分析J.中南林学院学报，xx，25（2）：1-6. 5胡海清，刘洋，孙龙，等.火烧对不同林型下森林土壤水分物理性质的影响J.水土保持学报，xx，22（2）：162-165. 6韩钊龙，胡慧蓉，黄铄淇.林火干扰对土壤理化性质的影响J.西南林业大学学报，xx，34（3）：46-50. 7张玉红，覃炳醒，孙铭隆，等.林火对大兴安岭典型林型林下植被与土壤的影响J.北京林业大学学报，xx，34（2）：7-13. 8张玉红，孙铭隆，