計劃燒除對云南松林土壤抗剪性能的影響

楊馥羽, 陳奇伯,2, 黎建強, 楊 波,2, 付釔珊, 趙 月, 徐紅運

(1.西南林業大學 生態與環境學院, 昆明 650224; 2.西南林業大學 石漠化研究院, 昆明 650224)

云南省經過長期飛播造林建設,形成了大面積的云南松人工林[1]。隨著人們對森林資源的保護與重視,林下可燃物不斷堆積,長期未受人為干擾的林地火險等級較高,使云南松林長期處于森林火災高發區[2]。云南松松針含有大量油脂,再加上云南特殊的氣候條件,入冬后干燥少雨,林下蓄積大量凋死地被物,一旦有林火發生,將削弱森林涵養水源和水土保持能力,對生態環境造成嚴重破壞[3]。火是陸地生態系統進化發展的重要因素,在生態系統的進化與發展中十分重要[4],適當強度和頻次的林火干擾利于森林生態系統修復與更新,在一定程度上促進生態系統的物質循環和能量流動。與森林火災不同,計劃燒除是針對適宜林種,在規定范圍用低強度地表火燒除林內可燃物,達到降低火險、提高森林防火能力的技術性措施[5]。周期性計劃燒除能減少病蟲害,增強土壤碳穩定性,促進森林的生長與更新,對森林群落演替和保護生態環境具有重要作用。長期的林火干擾促進云南松林的繁衍與進化,在不斷的進化中,產生了對周期性火的適應,使計劃燒除工作能在云南松林內大面積開展,并成為云南松林地防火的有效手段。各林業先進國家相繼開展火燒對生態系統演化發展研究,19世紀末美國首先提出“計劃火燒”這個概念,20世紀40年代起,計劃火燒被推廣應用,技術和體系逐漸發展成熟,至今仍作為各國森林防火和經營管理的有效手段[6]。而我國計劃燒除工作開展較晚,研究內容主要集中在計劃燒除對于森林防火的積極作用以及長期林火干擾下對森林生態系統、群落結構的影響等[7-8]。

國內外學者對土壤抗剪性能做了大量研究,并系統地分析了土壤理化指標對土壤抗剪性能的影響機制。Yildiz等[9]總結了前人的研究結果,認為根系在土壤中交錯穿插來提高土體結構的穩定性;朱春鵬等[10]的研究表明土壤抗剪強度與pH值呈正相關關系;Fan等[11]研究發現,土壤抗剪強隨土壤含水率增加而呈現下降趨勢。計劃燒除后降雨直接沖刷裸露地表,表層土壤團粒結構改變,土體間力學機制必然會受到影響。目前,國內外學者針對林火干擾后泥石流、滑坡等多發的自然地質現象開展了深入研究,Vega[12]和王麗[13]等在火燒跡地開展研究,結果表明林地水文特征受火燒強度影響較大,較高強度林火干擾下植被生長受到嚴重影響,地表凋落物層燒毀,土壤表層的持水能力下降,導致地表徑流的增加;Bolan[14]和胡卸文[15]等研究發現,高強度林火發生后,地表大面積裸露,難以抵御降雨和水流的直接沖擊與破壞。關于火燒對土壤力學機制的影響已有報道,但主要集中在林火發生的頻次和強度不固定的火災區,在指定樹種林區內開展周期性計劃燒除是否存在水土流失風險尚不明確,因此探究計劃燒除對林內土壤抗剪性能的影響,以期揭示計劃燒除對土壤侵蝕、森林生態環境的影響,并對森林的可持續經營、優化林區計劃燒除制度以及防治計劃燒除可能會引發的水土流失提供可靠的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于滇中高原玉溪市新平縣南部的照壁山(24°2′38″—24°2′41″N,102°0′7″—102°0′8″E),照壁山的云南松純林為次生林經飛播造林后經營改造而成,海拔1 990～2 050 m,典型高原山地丘陵地貌,代表性土壤為紅壤,是云南省亞熱帶北部與亞熱帶南部的過渡地帶,多年平均降水量1 050 mm,降水主要集中在5—10月,最高氣溫32℃,最低氣溫1℃,年平均氣溫15℃。林區內以云南松林(Pinusyunnanensis)為主,樹齡約為30 a,灌木主要有羊耳菊(Inulacappa)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)等,草本主要有紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)、貫眾(Cyrtomiumfortunei)、四脈金茅(Eulaliaquadrinervis)等。20世紀90年代末期,該區域制訂了相對完善的計劃燒除制度,并于每年1月下旬開展計劃燒除工作,至今20余年從未間斷。

1.2 樣地布設與樣品采集

在照壁山上對該區域內林分類型、地質地貌及自然條件進行系統的調查,選擇立地條件相似,平均樹齡為30 a且長勢較好云南松林地為研究對象。以防火通道為分界分別布設計劃燒除與未燒除的對照樣地,在兩個大樣地內分別設置3塊20 m×20 m標準樣地,每個樣地設置3個采樣點。將每個采樣點地表凋落物和植被根系去除,按0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm和40—60 cm土層分層取樣,每層取1 kg鮮土用于土壤基本理化性質測定,用61.8 mm×20 mm直剪環刀采集直剪試驗樣品。土壤根系采用小樣方挖掘法進行調查,在計劃燒除和未燒除兩塊大樣地內,選擇4～5棵長勢較好的云南松林木為幾何中心,距樹干至少1.5 m,分層挖掘,從上至下按土層依次取長、寬、高為20 cm×20 cm×10 cm土樣,挑揀出土樣內根系,帶回實驗室測定。

1.3 試驗方法

土壤根系測定:將根系置于0.25 mm篩子中沖洗,洗出后于65℃條件下烘干至恒重,用游標卡尺三段法將根系按照徑級(粗根5～10 mm;中根2～5 mm;細根0～2 mm)分類,用直接法測量根系長度,分別稱重并計算根系生物量密度和根長密度。

土壤基本理化性質采用常規法進行測定:土壤容重采用環刀法測定,土壤含水率采用烘干法,土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法,土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體采用干篩法和濕篩法,土壤pH值采用電極法。

土壤抗剪性能測定:采用室內應變控制式直剪儀來測定。試驗剪切速率為0.8 mm/min,分別設置不同的垂直壓力為50,100,150,200 kPa,記錄試樣在上、下盒的剪切面上產生剪切變形直至破壞過程中最大剪切力,若剪切力沒有出現峰值,則設定剪切時間為10 min。根據試驗數據,繪制土壤抗剪強度與垂直壓力關系圖,根據摩爾庫侖定律計算土壤黏聚力、內摩擦角,計算公式如下:

τ=C0×R0×10/A0

(1)

式中:τ為土壤抗剪強度(kPa);R0為計量表讀數(0.01 mm);C0為測力環系數;A0為剪切盒面積(cm2)。

根據公式(1)計算出土壤抗剪強度,并繪制土壤抗剪強度與垂直壓力關系圖,根據摩爾庫侖定律計算土壤黏聚力、內摩擦角。

τ=σtanφ+C

(2)

式中:τ為土壤抗剪強度(kPa);σ為垂直荷載(kPa);φ為土壤內摩擦角(°);C為土壤黏聚力(kPa)。

1.4 數據處理與分析

采用Excel和SPSS 21.0進行數據統計分析,并用Origin 9.0和Canoco 5.0繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 計劃燒除對土壤根系分布的影響

2.1.1 計劃燒除對土壤根系生物量密度分布特征的影響 根系生物量密度表示單位體積土壤中根系干重,是評價森林群落結構與功能的重要指標。長期林火干擾使林下灌草生長發育受到影響,森林群落結構改變,植物根系生長發育受到影響。如圖1所示,計劃燒除和未燒除樣地中各徑級根系生物量密度隨著土層深度增加逐漸減小;各土層中均呈現粗根(5—10 mm)生物量密度最大,0—20 cm土層細根(0—2 mm)生物量密度次之,中根(2—5 mm)生物量密度最小,20—60 cm土層中根生物量密度次之,細根生物量密度最小。與未燒除樣地相比,各土層粗根生物量密度分布無顯著差異,0—20 cm土層中根和細根生物量分布顯著降低,20—60 cm土層差異不顯著。

注:不同小寫字母表示在不同土層相同徑級根系差異顯著(p<0.05),下同。圖1 土壤根系生物量密度分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of soil root biomass density

2.1.2 計劃燒除對土壤根長密度分布特征的影響 根長密度表示單位體積土壤中根系總長度,直接反映土壤中根系分布的多少。周期性計劃燒除使林區內灌草覆蓋度小,土壤中根系分布隨之改變。如圖2所示,計劃燒除和未燒除樣地中各徑級根長密度隨著土層深度增加逐漸減小;各土層中細根根長密度最大,未燒除樣地0—10 cm土層中根根長密度次之,粗根根長密度最小,其余均呈現粗根根長密度次之,中根根長密度最小。與未燒除樣地相比,各土層粗根根長密度無顯著差異,0—20 cm土層中根和細根根長密度顯著降低,20—60 cm土層差異不顯著。

圖2 土壤根長密度分布特征Fig. 2 Characteristics of soil root density distribution

2.2 計劃燒除對土壤理化性質的影響

林火干擾后地表土壤溫濕條件直接改變,土壤生境平衡被打破,土壤植被和土壤內生物數量明顯減少,土壤理化性質受到影響。表1是計劃燒除后土壤基本理化性質變化表。

表1 土壤基本理化性質性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

林火干擾后地表溫度升高,燃燒剩余灰燼堵塞土壤孔隙,土壤結構改變。從表1可以看出,計劃燒除和未燒除樣地土壤容重均呈現隨土層深度增加先減小后增大的趨勢。與未燒除樣地相比,多年連續計劃燒除使土壤0—20 cm土層容重顯著增大,而20—60 cm土層容重無明顯變化。林火干擾后,燃燒剩余灰分堵塞土壤孔隙,而未燒除樣地林內植被覆蓋度高,有利于微生物活動,土質疏松,最終導致計劃燒除樣地土壤表層容重顯著增加。凋落物覆蓋能很大程度上減少土壤水分蒸發,未燒除樣地地表覆蓋大量凋落物,使0—40 cm土層土壤含水率顯著高于計劃燒除樣地。表明計劃燒除后地表裸露,土壤失去凋落物層的覆蓋作用,表層土壤中水分散失,含水率降低,深層土壤也因土壤孔隙堵塞,影響水分流通而降低了土壤中的水分含量。

土壤表層凋落物和植物是土壤有機質的重要來源,對土壤的物理和化學性質產生直接影響。火燒后林下灌草植物稀少,地表凋落物層燒毀,有機質含量發生變化。計劃燒除后土壤0—60 cm土層有機質均減小,其中0—10 cm土層有機質含量顯著減小,在10—60 cm土層有機質差異不顯著。凋落物和植被根系能有效增強土壤的團聚作用,土壤中有機質的膠結作用也能有效促進土壤團聚體的形成。與未燒除樣地相比,計劃燒除樣地0—10 cm土層機械穩定性團聚體含量顯著增加,10—60 cm土層無顯著差異;而0—20 cm土層水穩性團聚體含量顯著減少,20—60 cm土層無顯著差異。

適宜的酸堿度有利于微生物活動,提高土壤中的酶活性,有效促進林木的生長與更新。計劃燒除樣地0—20 cm土層土壤pH值顯著高于未燒除樣地,計劃燒除樣地pH值比未燒除樣地高0.45,對其他土層無顯著影響。可見火燒后地表裸露,凋落物和腐殖質層被燒毀,土壤水分流失,土壤酸性下降,堿性增強,pH值增加。

2.3 計劃燒除對土壤抗剪強度的影響

2.3.1 計劃燒除對土壤抗剪強度的影響 土壤抗剪強度是表征土壤力學特性的指標,受土壤結構、土體根系等影響。周期性計劃燒除后地表凋落物蓄積量減少,根系受損,土體結構改變,土壤抗剪強度發生變化。

圖3顯示,計劃燒除和未燒除樣地抗剪強度總體上隨土層深度增加而呈下降趨勢。與未燒除的對照樣地相比,計劃燒除樣地0—10,10—20,20—40,40—60 cm土壤抗剪強度(200 kPa)分別減小了4.22,3.61,0.63,0.04 kPa。可見計劃燒除使土壤0—20 cm土層抗剪強度減小,越往深層這種影響逐漸減小,20—60 cm土層基本無影響。

圖3 土壤法向應力-抗剪強度關系Fig. 3 Relationship between normal stress and shear strength of soil

2.3.2 計劃燒除對土壤黏聚力和內摩擦角的影響 土壤黏聚力和內摩擦角反映土粒間的各種物理化學作用力,主要反映相對位移發生面上土壤顆粒之間的摩擦力和咬合力,土壤黏聚力和內摩擦角越大,土樣發生相對滑動越難。圖4是計劃燒除對土壤黏聚力和內摩擦角的影響。

圖4表明,計劃燒除和未燒除樣地土壤黏聚力和內摩擦角隨著土層深度增加均呈現下降趨勢。多年連續計劃燒除樣地0—10,10—20,20—40,40—60 cm土壤內摩擦角與未燒除樣地相比分別減小了0.55°,0.46°,0.16°,0.01°,但并無顯著差異,土壤黏聚力分別減小了2.22,1.95,0.04,0.01 kPa。其中,0—20 cm土層土壤黏聚力顯著減小,可見計劃燒除使0—20 cm土層土壤黏聚力和內摩擦角減小,對深層土壤無顯著影響。

2.4 計劃燒除對土壤抗剪性能影響因素分析

土壤抗剪性能受多種因素的綜合影響,根據試驗結果,選擇土壤容重、含水率、有機質、中根根長密度、細根根長密度,采用約束性排序方法分析不同處理下土壤基本理化性質、根系指標與土壤抗剪強度、土壤黏聚力、土壤內摩擦角之間的關系,如圖5所示。RDA分析表明,未燒除樣地和計劃燒除樣地,土壤理化性質及根系指標對土壤抗剪強度指標的總解釋度分別為87.78%,78.85%;其中,在未燒除樣地中,土壤抗剪強度、土壤內摩擦角與土壤容重呈極顯著(p<0.01)負相關關系,土壤黏聚力與含水率呈顯著(p<0.05)正相關關系,土壤抗剪強度、土壤黏聚力與土壤有機質、細根根長密度呈極顯著(p<0.01)正相關關系,土壤內摩擦角與土壤有機質、細根根長密度呈顯著(p<0.05)正相關關系;在進行周期性計劃燒除樣地中,土壤抗剪強度、土壤黏聚力、土壤內摩擦角與土壤有機質、細根根長密度呈極顯著(p<0.01)正相關關系。兩種處理結果均顯示土壤抗剪強度、土壤黏聚力、土壤內摩擦角與土壤有機質、細根根長密度呈顯著(p<0.05)正相關關系,細根根長密度在2種處理中均是解釋度最高的因子,分別為81.9%,72.0%。可見長期的林火干擾使細根分布顯著減少,也是造成土壤抗剪強度減小的主要原因。

注:τ為土壤抗剪強度;φ為土壤內摩擦角;C為土壤黏聚力;ρb為土壤容重;θg為土壤含水率;SOM為土壤有機質;DR1為細根根長密度;DR2為中根根長密度;UB為未燒除的對照樣地;PB為計劃燒除樣地。圖5 土壤抗剪強度指標與土壤理化因子及其土壤根系分布的關系Fig. 5 Relationship between soil shear strength index, soil physicochemical factors and soil root distribution

3 討 論

3.1 計劃燒除對土壤抗剪強度的影響

本研究發現,隨著垂直載荷增加,土壤抗剪強度增大,這是由于垂直壓力的增加會減少土壤間孔隙,從而提高了土壤的抗剪強度,與宋鵬帥等[16]的研究結果基本一致。已有研究表明,土體內部結構在林火干擾下會遭到破壞,使土壤表層黏聚力降低,土壤內摩擦角呈現衰減趨勢[17],本研究結果表明,周期性計劃燒除后燃燒剩余灰燼堵塞土壤孔隙,土壤持水能力下降,土壤抗剪強度指標呈下降趨勢,其中土壤表層黏聚力顯著降低,抗剪強度隨之減小,與前人研究結果相似[18]。計劃燒除屬于低強度地表火,一般來說對土壤表層影響較大,隨土層深度增加這種影響逐漸減弱,在本研究中也有類似結論,計劃燒除對土壤抗剪強度、土壤黏聚力、土壤內摩擦角的影響隨土層深度增加而減小。

研究證明,林火會促進林木根系生物量的增加:張敏等[19]研究表明,火燒跡地的細根系生物量均有所增加;向澤宇等[20]也發現火燒后高寒草甸土壤表層根土比顯著增加。而在本研究中發現,低強度高頻率的林火干擾下,對粗根生物量無顯著影響,但卻顯著降低了0—20 cm土層中根和細根生物量。這是由于低強度地表火對云南松林生長影響不大,對其根系分布也無影響,卻能直接將草本植物燒毀,影響灌木生長發育,高頻率的林火干擾也使林下草本根系無法向下延伸,灌草層植被覆蓋度降低。而采樣時距離本年度計劃燒除工作已半年有余,雖然計劃燒除樣地部分草本植物恢復生長,但植株較短,根系不發達,僅分布于土壤淺層,導致計劃燒除樣地0—20 cm土層中根和細根生物量顯著低于未燒除樣地,20 cm以下土層細根分布減少,因此20 cm以下土層細根分布無顯著差異,與Ryu等[21]研究結果相似。

3.2 計劃燒除對土壤抗剪強度影響因素分析

土壤抗剪強度受多種因素共同影響。土壤根系分布、土壤有機質、容重、含水量、酸堿度等均會影響土壤抗剪強度。根系在土壤中不斷盤根錯節固持土壤,根系分泌物產生大量的膠結物質,促進土壤團聚體的形成,也能增強土壤顆粒間的結合強度,在本研究中同樣發現,長期的林火干擾下,0—20 cm土層中根和細根的生物量顯著降低,且根系生物量密度、根長密度與土壤抗剪強度、土壤黏聚力、土壤內摩擦角呈極顯著的正相關關系。本研究結果顯示,土壤抗剪強度指標與土壤有機質、細根根長密度呈顯著正相關關系。林地內地表凋落物、腐殖質層、微生物等都是有機質的主要來源,王瑞等[22]在森林火災區巖土體物理力學特性研究中發現,火燒后地表裸露,土壤團粒結構遇到雨水沖刷容易解體,有機質流失,本研究也有類似結論,計劃燒除使林下地被物燒毀,植被根系受損,土壤結構發生變化,導致土壤黏聚力降低,同時土壤有機質含量減少,土壤顆粒間的膠結作用減弱,抗剪強度隨之減小。團聚體結構穩定性亦直接正向影響土壤的抗剪強度,地表覆蓋物的攔蓄作用以及植物根系的膠結作用能有效減緩降雨雨滴擊濺帶來的土壤侵蝕,提高水穩性團聚體含量,增強土體結構穩定性,火燒后地表裸露,根系受損,土壤有機質減少,不利于大團聚體的形成,最終導致土壤團粒結構容易解體,抗剪強度減小,與前人研究結果一致[23]。大部分研究認為,含水量增加會導致土壤抗剪強度和黏聚力下降[24-25],但在本研究中發現土壤含水量與抗剪強度呈正相關關系,這是由于含水率對土壤抗剪強度的影響存在一個臨界值,土壤中過多的水分才會分解水穩性團聚體,使顆粒間的相互移動變得容易,朱龍祥等[26]也發現當含水率高于25%時,粗顆粒周圍的黏粒會發生分散。土壤酸堿性對抗剪強度也有一定影響,隨著酸度增加,土壤抗剪強度降低[27],本研究結果與之相反,本研究發現土壤抗剪強度隨酸度增加而增大,未經火燒的林地內有大量植物根系與微生物活動的分泌物會使土壤酸化,而計劃燒除樣地大量草本被燒毀,微生物活動受到抑制,降雨發生時雨滴直接沖刷裸露地表,土壤中的鹽基離子向下淋溶,導致pH值升高,土壤內部化合物的膠結狀態被破壞。同時植被根系、有機質、水穩性團聚體含量減少等共同作用的結果,最終導致計劃燒除樣地土壤抗剪強度有減小的趨勢。

4 結 論

(1) 與未燒除樣地相比,各土層粗根生物量密度和根長密度無顯著差異,0—20 cm土層中根和細根生物量密度和根長密度顯著降低,20—60 cm土層差異不顯著。

(2) 計劃燒除后,0—20 cm土層土壤抗剪強度、土壤黏聚力顯著均減小,20—60 cm土層無明顯變化。

(3) 兩種處理下土壤抗剪強度、土壤黏聚力、土壤內摩擦角與土壤有機質、細根根長密度呈顯著(p<0.05)正相關關系,細根根長密度在兩種處理中均是貢獻度最高的因子,分別為81.9%,72.0%。