大興安嶺火燒跡地土壤抗沖性研究

大興安嶺火燒跡地土壤抗沖性研究

陳璐，辛穎，趙雨森*，劉邵宇，李昂

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

摘要：為了探討森林火災對土壤抗沖性的影響，以大興安嶺地區三種不同火燒強度的火燒跡地為研究對象，采用原狀土沖刷法對土壤抗沖性進行測定，并結合枯落物蓄積、持水性能及植物根系差異變化進行綜合對比分析，結果表明：火燒跡地的土壤抗沖性顯著低于未過火地段(P<0.01)，隨著火燒強度的增加，土壤的抗沖性能逐漸減弱，抗沖系數總體變化趨勢為：重度火燒跡地<中度火燒跡地<輕度火燒跡地<未過火天然林。四種樣地類型的枯落物蓄積量總體趨勢為輕度火燒跡地<中度火燒跡地<重度火燒跡地<未過火天然林。4種樣地類型的枯落物最大持水率及有效攔蓄率皆表現為重度火燒跡地<中度火燒跡地<輕度火燒跡地<未過火天然林。在淺層土壤中，重度火燒跡地的根密度及根系總長度均值皆為四者中最小。研究表明：未火燒天然林的土壤抗沖性表現最優，重度火燒跡地的土壤抗沖性能最弱，應與及時治理與植被恢復。

關鍵詞：大興安嶺；火燒跡地；火燒強度；土壤抗沖性

中圖分類號：S 714.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)03-0021-04

Abstract：In order to explore the effects of forest fire on soil anti-scourability，the burned areas under three different fire intensities in Greater Xing’an Mountains were selected.Soil anti-scourability was determined through original soil scouring method.Furthermore，comprehensive analysis was made through the difference of litter accumulation，water holding capacity and the change of plant root.The results showed that：Soil anti-scourability of burned areas was significantly lower than unburned areas(P<0.01).As fire intensity increased，the overall trend of soil anti-scourability was severe

Keywords：Greater Xing’an Mountains；burned areas；fire intensity；soil anti-scourability

收稿日期：2014-11-11

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAD08B02);東北林業大學大學生創新訓練計劃項目(201310225017)

作者簡介：第一陳璐，碩士研究生。研究方向：水土保持與荒漠化防治。

通訊作者：`*趙雨森 ，碩士，教授。研究方向：水土保持與荒漠化防治。E-mail:zhaoys1957@163.com

Study on Soil Anti-scourability of BurnedArea in Greater Xing’an Mountains

Chen Lu，Xin Ying，Zhao Yusen*，Liu Shaoyu,Li Ang

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：陳璐，辛穎，趙雨森，等.大興安嶺火燒跡地土壤抗沖性研究[J].森林工程，2015，31(3)：21-24.

土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對其機械破壞和推動下移的性能，是土壤侵蝕機理研究的一個重要方面。在一定的徑流作用下，土壤的抗沖性大小反應了土壤抵抗徑流沖刷侵蝕的能力，土壤抗沖性越大，土壤抵抗徑流侵蝕的能力就越大[1]。大興安嶺林區是我國北方森林集中典型分布區，在改善和維持森林生態平衡方面起著重要作用，在保持我國森林覆蓋率和木材生產方面功不可沒[2]，同時也是森林火災的高發區[3]。林火導致森林生態環境劇烈改變，對土壤產生很大的擾動，不僅影響土壤的滲透性能[4]、容重等物理性質[5]，也顯著地改變了土壤的化學以及生物學特性[6-11]。在1987年大興安嶺特大森林火災后，不同地段已出現不同程度的土壤侵蝕[12]。因此，深入研究大興安嶺地區火燒對土壤抗沖性的影響十分有必要，有利于保護大興安嶺地區的水土資源，為火燒跡地植被恢復提供理論依據。

1研究區概況

研究區位于大興安嶺北坡的阿木爾林業局，南與呼中林業局、內蒙的滿歸林業局接壤，西與圖強林業局毗鄰，北以黑龍江主航道為界與俄羅斯隔江相望。地理坐標為北緯52°15′～53°33′，東經122°38′～124°05′，平均海拔高為500～800 m。屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長而嚴寒，夏季短暫而濕熱，年平均氣溫為-5℃，年降水量約432 mm，年無霜期為90～120 d。本區地帶性土壤為棕色針葉林土，此外還有暗棕壤、草甸土、沼澤土、泥炭土等。喬木樹種主要有興安落葉松(Larixgmelini)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等。灌木主要有興安杜鵑(RhododendrondauricumL.)、越橘(Vacciniumvitis-idaeaL.)、刺玫(RosadavuricaPall.)、杜香(Ledumpalustrevar.dilatatum)等。

2研究方法

2.1　樣品采集

以2011年發生火燒的落葉松天然林為研究對象，選取毗鄰的立地條件基本一致的未火燒天然林作為對照。2013年8月，按照火燒程度的不同分別選取輕度、中度和重度火燒跡地，分別設置3塊面積為20×30 m的臨時標準樣地進行樣地調查(表1)?；馃龝r地被物基本燒毀，重度火燒跡地地表裸露，植被無恢復；中度火燒跡地有少量草本生長，主要為小葉章(CalamagrostisangustifoliaKom.)、羊胡子苔草(CarexcallitrichosV.Krecz)等；輕度火燒跡地草本植物已更新，草本多為小葉章、羊胡子苔草、大葉柴胡(BupleurumlongiradiatumTurcz.)，有少量興安杜鵑、越橘等灌木矮小幼苗生長。

表1　試驗樣地基本概況 Tab.1 Basic situation of the experimental field

2.2　土壤抗沖性測定

土壤抗蟲性試驗采用原狀土抗沖槽沖刷法，抗沖性樣品采集工具為矩形取樣器，其規格為20 cm(長)×3 cm(寬)×4 cm(高)，配有活動上下蓋，取樣器下端開有刃口，以方便取樣[13]。每個標準地內用采樣器采集4～6個0～10 cm層原狀土試驗樣品，沖刷架為可調節坡度支架，根據試驗地坡度將沖刷坡度設置為10°，通過特制供水桶控制流量，沖刷流量為1.7 L/min，為保持壓力恒定，供水桶內水面高度不得低于桶高的三分之一。土壤的抗沖性用土壤抗沖系數(K)來衡量，定義為每沖走單位干土重(M)所需的水量(Q)和時間(t)之乘積，即

K=(Q/M)·t[14]。

2.2　植物根系測定

土壤抗沖性實驗結束后，將剩余土樣置于孔徑為0.25 mm的土壤篩中沖洗，將洗出的根系置于105℃條件下烘干，測量不同徑級的根系數量，總長度及干重[15]。

2.3　枯落物蓄積量及持水量測定

在每個標準地內分別設置3個50 cm×50 cm的樣方，測量并記錄每個樣方內枯落物未分解層和半分解層厚度，并分別收集樣方中的枯落物?？萋湮飵Щ貙嶒炇液蠹纯谭Q重，然后在80℃下烘干至恒重，再次稱重。以干物質質量推算不同火燒跡地枯落物的含水率及蓄積量。采用室內浸泡法，將烘干后的枯落物裝入網袋，并浸入盛有清水的容器中浸泡24 h，稱重后計算其持水量。根據枯落物的最大持水率和平均自然含水率計算最大攔蓄率，公式為：

最大攔蓄率=最大持水率-平均自然含水率

有效攔蓄率=0.85×最大持水率-平均自然含水率

有效攔蓄量公式為：

W =(0.85Rm-Ro)M

式中：W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；Ro為平均自然含水率(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)[16]。

3結果與分析

3.1　不同強度火燒跡地土壤抗沖性的差異

由圖1可知，不同強度火燒跡地的土壤抗沖性差異極顯著(P<0.01)，隨著火燒強度的增強，土壤的抗沖性能明顯減弱，綜合四種土地類型對比分析：重度火燒跡地的土壤抗沖性最弱，其次為中度火燒跡地，輕度火燒跡地為再次，未火燒天然林土壤抗沖性為最優，且顯著高于火燒跡地。重度火燒跡地土壤的抗沖系數最小，只有0.40 L·min/g。未發生火燒的天然林土壤抗沖系數為10.29 L·min/g，是重度火燒跡地土壤抗沖性的25.5倍。中度火燒跡地土壤抗沖系數為0.51 L·min/g，稍強于重度火燒跡地，是其抗沖系數的1.3倍，但仍極顯著低于未發生火燒的天然林(P<0.01)，僅為對照樣地的1/20。輕度火燒跡地的土壤抗沖系數為2.03 L·min/g，分別為重度火燒跡地和中度火燒跡地土壤抗沖性的5倍和4倍，但是仍遠遠小于對照樣地，其抗沖系數為對照樣地的1/5。

圖1 不同強度火燒跡地土壤抗沖性 Fig.1 Soil anti-scourability of burned areas under different fire intensities

高強度的火燒不僅將地表植被燒毀，使其化為灰分，地下火也同時將淺層土壤中的根系、土壤動物及微生物燃燒殆盡，土壤失去地被物的覆蓋變得裸露，根系無法固結土壤，從而使土壤的理化性質發生了改變，因此土壤的抗沖性能發生了顯著變化。而輕度火燒對森林植被的燒毀程度較輕，只燒毀了地表枯落物、草本植物及部分灌木，一部分植物根系并未化為灰燼，對土壤仍然起著一定的固持作用，降低了雨水擊濺及徑流沖刷對土壤的侵蝕。而輕度火燒下土壤中存活下來的土壤動物及微生物，能夠改善土壤的理化性質，促進地表植被更新，從而減輕林火對土壤抗沖性的影響。

3.2　不同強度火燒跡地枯落物持水性能的差異

森林火災將林地原有的枯枝落葉全部燒毀，只有火燒后新凋落的枯落物，枯落物的組成、厚度和儲量發生了很大的變化。由表2可看出，未發生火燒天然林內枯落物的厚度、含水量與總蓄積量均高于過火地段。對照樣地枯落物蓄積量分別是重度火燒跡地、中度火燒跡地、輕度火燒跡地的3.1、7.5及9.4倍。由于林火發生時火焰未將所有高大喬木的樹冠燒毀，火燒后第二年調查時，大量燒死木的枯枝凋落到地表，形成未分解枯落物層，導致重度火燒跡地的枯落物蓄積量為三種火燒跡地中最大。未火燒天然林枯落物層較厚實，含水量較大。

表2　不同強度火燒跡地枯落物蓄積量 Tab.2 Litter storage capacity of burned areas under different fire intensities

枯落物的持水能力一般用干物質的最大持水率、最大持水量表示?？萋湮镒畲蟪炙渴怯善渥畲蟪炙屎托罘e量決定的，反映了林分的持水能力。從表3可看出，未發生火燒天然林枯落物持水能力高于火燒跡地，其最大持水率分別為重、中、輕度火燒跡地的2.9、2.7和1.9倍。火燒使林地枯落物儲量發生了很大的變化，從而影響了枯落物有效攔蓄率。火燒程度越大，火燒跡地枯落物有效攔蓄率越小。雖然重度火燒跡地的枯落物最大持水率，最大攔蓄率及有效攔蓄率卻為最低，分別為對照樣地的0.35、0.36和0.37倍，但是由于其枯落物蓄積量大，導致最大持水量、最大攔蓄量及有效攔蓄量也為三種火燒跡地中最大。

表3　不同強度火燒跡地枯落物持水能力 Tab.3 Water-holding capacity of burned areas under different fire intensities

林下枯落物的存在可以有效地抑制水流對土壤的沖刷?？萋湮锟梢酝ㄟ^改良林地土壤結構、影響植物根系含量強化土壤的抗沖效應。林火發生時，地被物被燒毀，枯落物層被碳化為灰燼，成為火燒跡地地表碳層的主要成分。當枯落物失去其作用時，雨水直接接觸地表對其沖刷。碳層疏松多孔且攔蓄能力極低，易于沖走，使得雨水與土壤直接接觸，造成土壤侵蝕。

3.3　不同強度火燒跡地植物根系狀況的差異

植物根系的固土機制，是植被抑制水土流失的一個重要功能。植物根系通過對土壤纏繞、固結，阻止土粒分散，并改善其理化性質，來提高土壤的抗沖性[17-18]。在土壤表層中，細跟分布較為廣泛，其主要來源于矮小灌木及草本植物[19]。林火發生時，地表火將枯落物層及表層細小根系燒毀，導致表層土壤中根含量較少，對照樣地的根密度顯著(P<0.01)高于火燒跡地(見表4)。由于土壤中細小根系更容易被燒毀，因此未火燒樣方內的小于0.2 cm徑級的根系生物量及總長度均高于火燒跡地。

表4　不同強度火燒跡地植物根系特征 Tab.4 The characteristics of plant roots in burned areas under different fire intensities

在表層土壤根系分布中，四種樣地類型的小于0.2 cm徑級的根生物量及總長度均大于0.2～0.5 cm徑級。通過4種樣地類型的不同徑級根系含量百分比的比較中可以看出，細根須根比粗大根系更能起到固持土壤的作用。其中重度火燒跡地中小于0.2 cm徑級的根生物量占根總生物量百分比最低，僅為88.49%，而其他3種樣地類型的百分比都在90%以上。雖然中度火燒跡地的小于0.2 cm徑級的根生物量占根總生物量百分比最高，達到93.93%，但是其小于0.2 cm徑級根總長度占總根長度均值百分比較低，由于較長根系在林火發生時被破壞，短小根系對土粒的盤繞作用較弱，導致了土壤的抗沖性能降低。在小于0.2 cm徑級根總長度占總根長度均值百分比中，重度火燒跡地的比值與中度跡地基本持平，但仍低于輕度和未火燒樣地的1%左右。在表層土壤中，無論是火燒跡地還是未火燒林地，主要都是由廣布分散的細根、須根通過對土壤的盤繞固結來起到固持作用，從而增強土壤的抗沖性；而未火燒天然林內的表層土壤中根系分布更為緊密，根密度、總生物量及總長度也高于火燒跡地，因此土壤的抗沖性能更加優異。

4結論

森林火災發生后，土壤的抗沖性能顯著降低，重度火燒跡地的抗沖性能最弱，抗沖系數僅為0.40 L·min/g，未火燒天然林的抗沖系數為10.29 L·min/g，是重度火燒跡地土壤抗沖性的25.5倍。林火使地表枯落物層被燒毀，蓄積量減小，其對降水的攔蓄作用也隨之大幅度減弱，使地表土壤失去了枯落物未分解層和半分解層的有效保護，變得裸露、易沖刷。土壤淺層根系遭到破壞，使總根系生物量和總長度減小，導致對土壤的盤結、固持作用降低，削弱了土壤的抗沖性能，加大了土壤侵蝕發生的可能性。因此，對于森林火燒跡地應予及時的治理與植被恢復，防止水土流失的發生。

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[責任編輯：李洋]