云霧山典型草原火燒不同恢復年限土壤化學性質變化

李 媛，程積民，，* ，魏 琳，陳芙蓉

(1.西北農林科技大學動物科技學院，楊凌 712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;3.西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100)

半干旱地區草原頻繁發生火災是一種普遍現象。火燒對養分的循環和利用具有顯著影響。火燒消耗了地上生物量、枯落物、以及土壤有機物，并將這些有機養分轉換為無機形式［1］，或者以氣體的形式揮發，或者以灰分的形式回歸到生態系統中。然而，由于火燒的優點不明顯，通常會夸大火燒的缺點，如增加土壤侵蝕、優良牧草的損失、毒草和適口性差的禾草的密度增加［2］。

火燒的利弊，主要依賴于草地的植被類型和當地的氣候條件，植被類型的不同，氣候條件的變化，火燒后土壤的性質出現了變化。土壤是生態系統可持續性的重要組成成分，它為植物生長提供各種養分和支持。火燒以后，土壤的各種性質會發生較大變化，原因是火向土壤中施加了熱量、灰燼，并且改變了土壤環境和微氣候，土壤性質也可因植被和生物活性的改變而發生相應的變化［3］。土壤化學性質的變化與耕作、土地利用方式以及經營措施等人為因素也密切相關［4］。土壤的水分、酸度、溫度和枯落物的輸入是土壤物理性質和化學循環的重要推動者［5］。而火燒干擾對這些因素的改變，最終影響了土壤的化學性質和養分循環。以往，在草地生態系統中，放牧、開墾、火燒、刈割、旅游開發等是最常見的干擾方式［6］，而關于黃土高原地區的典型草原，經歷火燒干擾后土壤理化性質方面的研究相對較少，尤其是火燒后不同恢復年限土壤化學性質的變化就更少。

火燒能影響土壤的物理性質、化學性質、礦物學與生物學特性，這種影響可以是短期的、長期的或者永久性的，影響的程度主要取決于火的性質、火燒強度和火燒頻率［7］。本文以黃土高原云霧山典型草原為研究對象，比較了火燒后不同恢復年限土壤化學性質的變化，主要從火燒強度、土壤類型、立地條件和氣候條件等方面揭示其影響機制，對黃土高原地區今后的火生態研究提供基礎依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

本試驗區位于寧夏固原東北部的云霧山草原自然保護區，東經106°24'—106°28'，北緯36°13'—36°19'，面積為4000 hm2，海拔1800—2100 m，年平均氣溫5℃。年降雨量400—450 mm，一般豐水年占28.0%，平水年占35.5%，枯水年占36.5%，7—9月份降雨量占全年降雨量的65%—75%。蒸發量1330—1640 mm，≥10℃積溫2100—3200℃，干燥度1.5—2.0。地勢為南低北高，陽坡平緩，陰坡較陡，屬溫涼半干旱黃土覆蓋的低山丘陵區，無霜期112—140 d，土壤分為山地灰褐土和黑壚土兩類。保護區主要植物類型以本氏針茅(Stipa bungeana)、大針茅(Stipa grandis)、白穎苔草(Carex rigesaens)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)、百里香(Thymus mongolicus)為主，伴生類型以星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、賴草(Leymus secalinus)、花苜蓿(Melissitus ruthenicus)、扁穗冰草為主(Agropyron cristatum)［8］。

1.2 試驗樣地情況

本研究在寧夏固原市云霧山草原自然保護區的核心區進行。由于人為原因曾多處著火，于2011年9月，選擇3塊火燒強度(燒死草比例約30%)、坡度、坡向、海拔基本一致、原始自然植被均為本氏針茅群落的火燒跡為研究對象，3個火燒跡地相距1.5—2 km，分別于2011年(新燒)、2009年(火燒后3a)、2000年(火燒后11a)各火燒1次。一塊鄰近的沒有受到火燒影響的本氏針茅草地作為對照樣地。試驗樣地的基本情況見表1。

表1 試驗樣地的基本情況Table 1 The status of experimental field

1.3 樣本采集與處理

在每個樣地內隨機選擇3個30 m×30 m的小區。分別在每個小區內呈“X”形，取5個50 cm×50 cm的小樣方，每個小樣方的地上植被齊地面剪掉，然后分0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm土層進行多點(3個)混合取樣，土壤采集后將其中的根系等植物殘體去除，混合均勻后自然風干，備用。

1.4 測定方法與原理

土壤有機C的測定采用重鉻酸鉀氧化法-外加熱法;土壤全N的測定采用半微量凱氏法;土壤全P的測定采用酸溶-鉬銻抗比色法;土壤速效K的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法;土壤pH值的測定:電位法。

采用單因素方差分析(SPSS16.0軟件)研究火燒干擾對土壤化學性質的影響，多重比較采用 Post-hoc LSD檢驗，顯著水平設定為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤有機C的變化

4個樣地SOC含量主要集中在土壤表層(0—10 cm)，且0—50 cm范圍內，各土層SOC含量從上到下遞減梯度很明顯(表2)。土壤0—10 cm，新燒地SOC含量顯著高于火燒后3 a、11 a和對照樣地(P＜0.05)，說明火燒顯著增加0—10 cm范圍內SOC含量，但這種增加只是暫時的，火燒后3 a、11 a表層土壤有機C含量和對照差異并不顯著(P＞0.05)。土壤10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm，SOC含量的變化趨勢相同，表現為新燒和火燒后11 a樣地SOC含量顯著高于對照(P＜0.05)，而火燒后3 a與對照差異不顯著(P＞0.05)。

0—50 cm范圍內，新燒地各土層SOC含量都顯著高于對照(P＜0.05)，火燒后3 a和對照差異不顯著(P＞0.05)，火燒后11 a，除0—10 cm外，其它土層SOC含量也顯著高于對照(P＜0.05)。

表2 火燒不同恢復年限不同深度土壤有機C含量的變化/(g/kg)Table 2 Soil organic carbon concentrations at different depths after different burning years

2.2 土壤全N的變化

和SOC一樣，4個樣地土壤全N也主要集中在表層(0—10 cm)。土壤0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm，新燒地土壤全N含量顯著高于火燒后3 a、11 a和對照樣地(P＜0.05)(表3)，火燒后3 a和對照差異不顯著(P＞0.05)，但火燒后11 a顯著高于火燒后3 a和對照樣地(P＜0.05)。土壤40—50 cm，全N含量表現為新燒地和火燒后11 a樣地顯著高于對照(P＜0.05)，火燒后3 a與對照差異不顯著(P＞0.05)，新燒地和火燒后11 a差異不顯著(P＞0.05)。

0—50 cm范圍內，新燒地和火燒后11 a各土層全N含量都顯著高于對照(P＜0.05)，而火燒后3 a和對照無顯著差異(P＞0.05)。

表3 火燒不同恢復年限不同深度土壤全N含量的變化/(g/kg)Table 3 Soil total N concentrations at different depths after different burning years

2.3 土壤全P的變化

4個樣地0—50 cm范圍內，各土層全P含量呈遞減趨勢，但變化幅度不大(表4)。土壤0—10 cm，新燒地土壤全P含量顯著高于火燒后3 a和對照樣地(P＜0.05)，火燒后3 a和11 a與對照都無顯著差異(P＞0.05)。土壤10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm，新燒地和火燒后11 a樣地土壤全P含量顯著高于對照(P＜0.05)，火燒后3 a和對照無顯著差異(P＞0.05)，新燒地和火燒后11 a無顯著差異(P＞0.05)。

0—50 cm范圍內，新燒地土壤各層全P含量都顯著高于對照(P＜0.05)。火燒后11 a，除了0—10 cm，其它土層全P含量都顯著高于對照(P＜0.05)，火燒后3 a土壤各層全P含量和對照差異不顯著(P＞0.05)。

2.4 土壤速效K的變化

4個樣地中土壤速效K含量在表層最高，且0—50 cm范圍內，各土層速效K含量呈遞減趨勢，變化幅度明顯(表5)。土壤0—10 cm，新燒地土壤速效K含量顯著高于對照(P＜0.05)，火燒后3 a和11 a樣地與對照差異不顯著(P＞0.05)。土壤10—20 cm，新燒地和火燒后11 a樣地速效K含量顯著高于對照(P＜0.05)，而火燒后3 a和對照差異不顯著(P＞0.05)，新燒地和火燒后11 a差異不顯著(P＞0.05)。20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm，新燒地和火燒后11 a樣地速效K含量顯著高于對照(P＜0.05)，而火燒后11 a顯著高于新燒地(P＜0.05)，火燒后3 a和對照無顯著差異(P＞0.05)。

表5 火燒不同恢復年限不同深度土壤速效K含量的變化/(mg/kg)Table 5 Available K concentrations at different depths after different burning years

2.5 土壤pH值的變化

4個樣地火燒后，土壤表層0—10 cm的平均pH值為:火燒后3 a(8.5)＞未燒地(8.2)＞火燒后11 a(8.0)＞新燒地(7.9)，但各火燒樣地和未燒地土壤pH值差異均不顯著(P＞0.05)，而且4個樣地土壤都偏堿性。

3 討論

測定火燒后SOC的含量是研究土壤、判斷土壤肥力狀況以及恢復情況的一項重要工作。火后SOC含量的變化沒有統一的結論，既有升高的報道，也有降低的報道，還有維持不變的報道［9］，這主要和火燒強度和火燒地土壤類型有關。Giacomo Certini指出火燒對有機質的影響包括輕度揮發、碳化作用和完全氧化，這主要依賴于火燒強度［7］。而本研究新燒地土壤各層有機碳含量顯著高于未燒地，主要由于輕度火燒并未使有機質以氣體形式大量揮發，相反，火燒后土壤溫度升高，增加土壤生物活性和枯落物的分解，有利于改善土壤養分。Schmidt認為火燒在黑鈣土黑土層的形成中可能起到了十分重要的作用［10］，而這些黑土層的厚度在一定程度上代表了SOC的變化。本研究火燒跡地土壤都屬于灰褐土，可以看到新燒地土壤各層SOC、土壤全N、全P和速效K含量都顯著高于未燒地，這可能與灰褐土本身的物理特性有很大關系。本研究表明，火燒后3 a土壤各層SOC含量和未燒地差異不顯著，可能由于火燒后氣候干燥，風速等原因使土壤缺乏水分、灰分沉積減少及微生物量減小等，最終影響了土壤化學性質。但是隨著時間的推移，生物體燃燒后的殘體形成土壤黑碳，有助于形成穩定的土壤有機碳庫［11］。火燒后11 a土壤經歷了長期的演替，土壤黑炭很有可能影響到40—50 cm土層。同時地上植被逐漸恢復，而凋落物也會逐漸增加，從而加速了SOC的恢復速度，因此火燒后11 a SOC含量除了表層差異不顯著，其它土層均顯著增加。表層SOC的這種特殊變化，可能與樣地的坡度有一定關系。由表1可知火燒后11 a樣地坡度比未燒地稍陡，由于黃土高原地區雨水多以暴雨出現，所以坡度越陡，表層養分的流失現象可能越嚴重，而且本試驗在9月份中旬采樣，基本經歷了大部分雨季。

由于植物種類不同，火燒后土壤氮礦化度不同，土壤N含量變化不同。關于火燒后土壤全N含量的變化也沒有統一的研究結果。宋啟亮等［12］指出大興安嶺土壤全N的含量在火燒后初期增加，隨著時間的推移有所降低，后期又再次上升，并且含量超過火燒前的水平。本研究與其結果比較一致，發現新燒地土壤全N含量顯著增加，但火燒后3 a全N含量和對照差異不顯著，火燒后11 a全N含量顯著高于對照，說明隨著時間推移火燒對土壤全N含量產生影響。然而，由于火燒后N最容易揮發，也有報道指出火燒后土壤N含量減小。王麗［13］對山地林火燒跡地土壤養分的動態變化研究指出火燒后土壤各層全N含量下降。商麗娜［14］對濕地生態研究表明無論火燒當年還是次年，土壤草根層與腐殖質層全N含量都較未燒濕地低。導致這種截然不同結論的原因可能與火燒強度、火燒類型、立地條件、可燃物數量和質量以及火燒時的氣候條件等因素有關。

火燒后P通過揮發和淋溶損失的部分很少，很多研究指出火燒對土壤全P含量沒有顯著影響。宋啟亮等［12］指出大興安林火燒對土壤全P含量沒有明顯的影響。火燒對森林地表覆蓋物和表層礦質土壤中全 P濃度一般沒有明顯影響，只有火燒強度很大時會有一定的影響［15］。但本研究表明，新燒地和火燒后11 a土壤全P含量顯著高于未燒地，這可能與火燒跡地植被類型有關，有待進一步研究。

K在土壤中流動性比較強，土壤速效鉀含量水平是決定鉀肥肥效的重要指標之一。國內的一些研究也證實了火燒后土壤中速效 K含量會顯著上升［16-19］。孫明學［20］指出中度火燒的土壤速效K含量高于未燒、輕度、重度火燒地。因此土壤速效K的含量也與火燒強度有關。本研究屬于輕度火燒，結果表明當年火燒和火燒后11 a的土壤速效K含量比未燒地顯著增加，可能由于火燒時有機物釋放的基礎陽離子較多，或者火燒后灰分的沉積和有機物的礦化作用，土壤表層溫度升高都有利于速效K含量的逐漸增加［21］。但也有報道指出，火燒后速效K含量減小。周道瑋［18］指出火燒地土壤速效K在剖面的各層上都低于未燒地。谷會巖等［22］指出火燒20 a后，0—10 cm，10—20 cm土壤K的含量逐漸降低。孫毓鑫等［23］指出火燒3 a后，桉林速效鉀含量明顯降低，可能由于火燒強度和氣候條件的不同造成的。宋啟亮等［12］指出大興安林火燒對土壤速效K含量沒有明顯的影響，且在不同火燒年限跡地之間無顯著差異。本研究發現，只有火燒后3 a土壤剖面各層速效K含量和未燒地差異不顯著，其它火燒年限土壤速效K含量和未燒地相比均有顯著變化。

大量研究表明火燒后土壤pH值有所增加［24-25］，這種增加現象是由于土壤加熱后導致有機酸變性造成的［7］。本試驗對0—10 cm表層土壤pH值研究表明，新燒地、火燒后3 a和火燒后11 a與未燒地差異不顯著，和前人研究結果不一致。可能由于雨季后調查，使得這種增加不持久［26］。

總之，火燒對土壤養分的影響取決于火燒強度、土壤類型、立地條件和氣候條件等多種綜合因素，同時當地氣候、植被、地形等又決定火燒跡地土壤養分的恢復速度。本研究發現火燒當年和火燒后11 a土壤性質有所改善，只有火燒后3 a和對照無顯著差異。主要原因，本試驗屬于輕度火燒，當年火燒后有機質不會以氣體的形式大量揮發損失，相反火燒向土壤中施加了熱量、殘留了灰燼，并且改變了土壤基質的狀況，有利于枯落物分解，向土壤輸入養分。需要指出的是火燒當年土壤40—50 cm養分的增加，可能是由于土壤空間異質性造成的，也可能是由于火燒后，土壤物理性質，如孔隙度、容重的改變、雨水作用等綜合因素影響到土壤深層養分的變化，最終結論需要經過動態監測，有待進一步研究。火燒后3 a，由于火燒時氣候干燥、風速等原因使土壤水分、灰分及微生物量減小等，導致土壤養分有所損失，所以土壤養分含量和對照差異不顯著。火燒后11 a，土壤養分和對照相比有所改善，主要由于火燒能影響生態系統中養分的濃度、有效性以及遷移性，并最終影響植物生長，植物逐漸恢復，枯落物隨之增加，最終改善了土壤養分狀況。

4 結論

典型草原火燒后不同恢復年限土壤各層養分含量差異較大。表現為:新燒地和火燒后11 a土壤剖面各層SOC、全N、全P和速效K含量都有增加趨勢，而火燒后3 a土壤剖面各層SOC、全N、全P和速效K含量變化不顯著。不同火燒年限，土壤表層pH值無顯著變化。總之，當年火燒和火燒后11 a，在一定程度上都會改善土壤養分，而火燒后3 a土壤養分無顯著變化，所以從草原的長遠發展來看，火燒對土壤的發展是有利的。致謝:感謝云霧山國家自然保護區管理處在樣品采集過程中給予的支持和幫助。

［1］Certini G.Effects of fire on properties of forest soil.Oecologia，2005，143(1):1-10.

［2］Leigh J H，Noble J C.The role of fire in the management of rangelands in Australia//Gill A M，Groves R H，Noble I R eds.Fire and the Australian Biota.Canberra:Australian Academy of Science，1981:471-495.

［3］Jiang Y，Zhuge Y P，Liang C，Zhang X D.Influences of vegetation burning on soil properties.Chinese Journal of Soil Science，2003，34(1):65-69.

［4］Schoenholtz S H，van Miegroet H，Burger J.A review of chemical and physical properties as indicators of forest soil quality:challenges and opportunities.Forest Ecology and Management，2000，138(1/3):335-356.

［5］Walse C，Berg B，Sverdrup H.Review and synthesis of experimental data on organic matter decomposition with respect to the effect of temperature，moisture，and acidity.Environmental Review，1998，6(1):25-40.

［6］Zheng W，Zhu J Z，Pan C D.The multi-scale response of grassland plant diversity on human interference.Grassland Science，2009，26(8):72-80.

［7］Certini G.Effects of fire on properties of forest soils:a review.Oecologia，2005，143(1):1-10.

［8］The Management Office of Grassland Natural Reservation in Ningxia Yunwu Mountains.A Collected Works on Scientific Investigation and Management in Ningxia Yunwu Reservation.Yinchuan:Ningxia People Press，2001.

［9］González P J A，González V F J，Almendrosb G，Knicker H.The effect of fire on soil organic matter.Environment International，2004，30(6):855-870.

［10］Schmidt M W I，Skjemstad J O，Gehrt E，K?gel-Knabner I.Charred organic carbon in German chernozemic soils.European Journal of Soil Science，1999，50(2):351-365.

［11］Baldock J A，Smernik R J.Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa(Red pine)wood.Organic Geochemistry，2002，33(9):1093-1109.

［12］Song Q L，Dong X B，Li Y，Liu J M.Impacts of burning and logging disturbance on soil chemical properties of forest in Daxing'anling mountain region.Forest Engineering，2010，26(5):4-7.

［13］Wang L.Research on the dynamic change of soil nutrients in the burned area of mountain forest.Bulletin of Soil and Water Conservation，2008，28(1):81-84.

［14］Shang L N，Wu F Z，Yang Q，Jiang M，Liu J P.The effects of fire on the nutrient status of wetland soil in Sanjiang plain.Wetland Science，2004，2(1):54-60.

［15］Dyrness C T，van Cleve K，Levison J D.The effect of wildfire on soil chemistry in four forest types in interior Alaska.Canadian Journal of Forest Research，1989，19(11):1389-1396.

［16］Chen H K.Fertilize//Zhu X M eds.China Agricultural Soil Proceedings.Shanghai:Shanghai Science and Technology Press，1962:275-296.

［17］Zhou R L，Zhang P J，Xu C L.Effect of burning turf on nutrient contents and enzymatic activities of alpine meadow soil and its grey relationship analysis.Acta Pedologica Sinica，1997，34(1):89-96.

［18］Zhou D W，Jiang S C，Tian H Y，Zhou W.Burning effects on soil water content following grassland burning in a Hulunbeier steppe.Journal of Northeast Normal University，1999，(1):112-117.

［19］Li Z H，Jiang Q.The effects of fire on the nutrient states of Steppe soil.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Neimongol，1994，25(4):444-449.

［20］Song M X，Jia W W，Wu Y.Effect of forest fire on soil chemical properties in northern Daxing'an mountains.Journal of Northeast Forestry University，2009，37(5):33-35.

［21］Kennard D K，Gholz H L.Effects of high-and low-intensity fires on soil properties and plant growth in a Bolivian dry forest.Plant and Soil，2001，234(1):119-129.

［22］Gu H Y，Jin J B，Chen X W，Wang en，Zhou Y Y，Chai Y F.The long-term impacts on chemical properties of Larix gmelini forest on the northern slope of greater Hinggan mountains from a forest fire of varying fire intensity.Journal of Natural Resources，2010，25(7):1115-1121.

［23］Song Y X，Wu J P，Zhou L X，Lin Y B，Bo S L.Changes of soil nutrient contents after prescribed burning of forestland in Heshan city，Guangdong province.Chinese Journal of Applied Ecology，2009，20(3):513-517.

［24］Tang J L，Ou G J.Influence of fire on soil property under the canopy of Yunnan Pine.Journal of Beijing Forestry University，1995，17(2):44-49.

［25］Liang Y J，Ma W G，Zhang S，Liu W L，Yin Y M.Effect of burning on the chemical properties of soil in protective ground.Journal of Yanbian University，2006，28(3):177-181.

［26］Ulery A L，Graham R C，Amrhein C.Wood-ash composition and soil pH following intense burning.Soil Science，1993，156(5):358-364.

參考文獻:

［3］姜勇，諸葛玉平，梁超，張旭東.火燒對土壤性質的影響.土壤通報，2003，34(1):65-69.

［6］鄭偉，朱進忠，潘存德.草地植物多樣性對人類干擾的多尺度響應.草業科學，2009，26(8):72-80.

［8］寧夏云霧山草原自然保護區管理處.寧夏云霧山自然保護區科學考察與管理文集.銀川:寧夏人民出版社，2001.

［12］宋啟亮，董希斌，李勇，劉繼明.采伐干擾和火燒對大興安嶺森林土壤化學性質的影響.森林工程，2010，26(5):4-7.

［13］王麗，嶋一徹.山地林火燒跡地土壤養分的動態變化.水土保持通報，2008，28(1):81-85.

［14］商麗娜，吳正方，楊青，姜明，劉吉平.火燒對三江平原濕地土壤養分狀況的影響.濕地科學，2004，2(1):54-60.

［16］陳華癸.施肥 //朱顯謨.中國農業土壤論文集.上海:上海科技出版社，1962:275-296.

［17］周瑞蓮，張普金，徐長林.高寒山區火燒土壤對其養分含量和酶活性的影響及灰色關聯分析.土壤學報，1997，34(1):89-96.

［18］周道瑋，姜世成，田洪艷，周維.草原火燒后土壤水分含量的變化.東北師大學報:自然科學版，1999，(1):112-117.

［19］李政海，絳秋.火燒對草原土壤養分狀況的影響.內蒙古大學學報:自然科學版，1994，25(4):444-449.

［20］孫明學，賈煒瑋，吳瑤.大興安嶺北部地區林火對土壤化學性質的影響.東北林業大學學報，2009，37(5):33-35.

［22］谷會巖，金靖博，陳祥偉，王恩姮，周一楊，柴亞凡.不同強度林火對大興安嶺北坡興安落葉松林土壤化學性質的長期影響.自然資源學報，2010，25(7):1115-1121.

［23］孫毓鑫，吳建平，周麗霞，林永標，傅聲雷.廣東鶴山火燒跡地植被恢復后土壤養分含量變化.應用生態學報，2009，20(3):513-517.

［24］唐季林，歐國菁.林火對云南松林土壤性質的影響.北京林業大學學報，1995，17(2):44-49.

［25］梁運江，馬文革，張爽，劉文利，尹英敏.灼燒對保護地土壤化學性質的影響.延邊大學學報，2006，28(3):177-181.