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(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：為了探討森林火災(zāi)對(duì)土壤抗沖性的影響，以大興安嶺地區(qū)三種不同火燒強(qiáng)度的火燒跡地為研究對(duì)象，采用原狀土沖刷法對(duì)土壤抗沖性進(jìn)行測(cè)定，并結(jié)合枯落物蓄積、持水性能及植物根系差異變化進(jìn)行綜合對(duì)比分析，結(jié)果表明：火燒跡地的土壤抗沖性顯著低于未過(guò)火地段(P<0.01)，隨著火燒強(qiáng)度的增加，土壤的抗沖性能逐漸減弱，抗沖系數(shù)總體變化趨勢(shì)為：重度火燒跡地<中度火燒跡地<輕度火燒跡地<未過(guò)火天然林。四種樣地類(lèi)型的枯落物蓄積量總體趨勢(shì)為輕度火燒跡地<中度火燒跡地<重度火燒跡地<未過(guò)火天然林。4種樣地類(lèi)型的枯落物最大持水率及有效攔蓄率皆表現(xiàn)為重度火燒跡地<中度火燒跡地<輕度火燒跡地<未過(guò)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(zhǎng)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(xiàn)最優(yōu)，重度火燒跡地的土壤抗沖性能最弱，應(yīng)與及時(shí)治理與植被恢復(fù)。

關(guān)鍵詞：大興安嶺；火燒跡地；火燒強(qiáng)度；土壤抗沖性

中圖分類(lèi)號(hào)：S 714.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD08B02);東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310225017)

作者簡(jiǎn)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(duì)其機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的性能，是土壤侵蝕機(jī)理研究的一個(gè)重要方面。在一定的徑流作用下，土壤的抗沖性大小反應(yīng)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(qū)是我國(guó)北方森林集中典型分布區(qū)，在改善和維持森林生態(tài)平衡方面起著重要作用，在保持我國(guó)森林覆蓋率和木材生產(chǎn)方面功不可沒(méi)[2]，同時(shí)也是森林火災(zāi)的高發(fā)區(qū)[3]。林火導(dǎo)致森林生態(tài)環(huán)境劇烈改變，對(duì)土壤產(chǎn)生很大的擾動(dòng)，不僅影響土壤的滲透性能[4]、容重等物理性質(zhì)[5]，也顯著地改變了土壤的化學(xué)以及生物學(xué)特性[6-11]。在1987年大興安嶺特大森林火災(zāi)后，不同地段已出現(xiàn)不同程度的土壤侵蝕[12]。因此，深入研究大興安嶺地區(qū)火燒對(duì)土壤抗沖性的影響十分有必要，有利于保護(hù)大興安嶺地區(qū)的水土資源，為火燒跡地植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大興安嶺北坡的阿木爾林業(yè)局，南與呼中林業(yè)局、內(nèi)蒙的滿歸林業(yè)局接壤，西與圖強(qiáng)林業(yè)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(biāo)為北緯52°15′～53°33′，東經(jīng)122°38′～124°05′，平均海拔高為500～800 m。屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短暫而濕熱，年平均氣溫為-5℃，年降水量約432 mm，年無(wú)霜期為90～120 d。本區(qū)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(shù)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(fā)生火燒的落葉松天然林為研究對(duì)象，選取毗鄰的立地條件基本一致的未火燒天然林作為對(duì)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(shè)置3塊面積為20×30 m的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行樣地調(diào)查(表1)?；馃龝r(shí)地被物基本燒毀，重度火燒跡地地表裸露，植被無(wú)恢復(fù)；中度火燒跡地有少量草本生長(zhǎng)，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(zhǎng)。

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

2.2　土壤抗沖性測(cè)定

土壤抗蟲(chóng)性試驗(yàn)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(guī)格為20 cm(長(zhǎng))×3 cm(寬)×4 cm(高)，配有活動(dòng)上下蓋，取樣器下端開(kāi)有刃口，以方便取樣[13]。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)用采樣器采集4～6個(gè)0～10 cm層原狀土試驗(yàn)樣品，沖刷架為可調(diào)節(jié)坡度支架，根據(jù)試驗(yàn)地坡度將沖刷坡度設(shè)置為10°，通過(guò)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(nèi)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(shù)(K)來(lái)衡量，定義為每沖走單位干土重(M)所需的水量(Q)和時(shí)間(t)之乘積，即

K=(Q/M)·t[14]。

2.2　植物根系測(cè)定

土壤抗沖性實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)量不同徑級(jí)的根系數(shù)量，總長(zhǎng)度及干重[15]。

2.3　枯落物蓄積量及持水量測(cè)定

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)50 cm×50 cm的樣方，測(cè)量并記錄每個(gè)樣方內(nèi)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?shí)驗(yàn)室后即刻稱(chēng)重，然后在80℃下烘干至恒重，再次稱(chēng)重。以干物質(zhì)質(zhì)量推算不同火燒跡地枯落物的含水率及蓄積量。采用室內(nèi)浸泡法，將烘干后的枯落物裝入網(wǎng)袋，并浸入盛有清水的容器中浸泡24 h，稱(chēng)重后計(jì)算其持水量。根據(jù)枯落物的最大持水率和平均自然含水率計(jì)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(jié)果與分析

3.1　不同強(qiáng)度火燒跡地土壤抗沖性的差異

由圖1可知，不同強(qiáng)度火燒跡地的土壤抗沖性差異極顯著(P<0.01)，隨著火燒強(qiáng)度的增強(qiáng)，土壤的抗沖性能明顯減弱，綜合四種土地類(lèi)型對(duì)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(yōu)，且顯著高于火燒跡地。重度火燒跡地土壤的抗沖系數(shù)最小，只有0.40 L·min/g。未發(fā)生火燒的天然林土壤抗沖系數(shù)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(shù)為0.51 L·min/g，稍強(qiáng)于重度火燒跡地，是其抗沖系數(shù)的1.3倍，但仍極顯著低于未發(fā)生火燒的天然林(P<0.01)，僅為對(duì)照樣地的1/20。輕度火燒跡地的土壤抗沖系數(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)照樣地，其抗沖系數(shù)為對(duì)照樣地的1/5。

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

高強(qiáng)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(shí)將淺層土壤中的根系、土壤動(dòng)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(wú)法固結(jié)土壤，從而使土壤的理化性質(zhì)發(fā)生了改變，因此土壤的抗沖性能發(fā)生了顯著變化。而輕度火燒對(duì)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(duì)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(duì)土壤的侵蝕。而輕度火燒下土壤中存活下來(lái)的土壤動(dòng)物及微生物，能夠改善土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)地表植被更新，從而減輕林火對(duì)土壤抗沖性的影響。

3.2　不同強(qiáng)度火燒跡地枯落物持水性能的差異

森林火災(zāi)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(chǔ)量發(fā)生了很大的變化。由表2可看出，未發(fā)生火燒天然林內(nèi)枯落物的厚度、含水量與總蓄積量均高于過(guò)火地段。對(duì)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(fā)生時(shí)火焰未將所有高大喬木的樹(shù)冠燒毀，火燒后第二年調(diào)查時(shí)，大量燒死木的枯枝凋落到地表，形成未分解枯落物層，導(dǎo)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(shí)，含水量較大。

表2　不同強(qiáng)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(zhì)的最大持水率、最大持水量表示。枯落物最大持水量是由其最大持水率和蓄積量決定的，反映了林分的持水能力。從表3可看出，未發(fā)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(chǔ)量發(fā)生了很大的變化，從而影響了枯落物有效攔蓄率?；馃潭仍酱螅馃E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(duì)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(dǎo)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(qiáng)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(duì)土壤的沖刷?？萋湮锟梢酝ㄟ^(guò)改良林地土壤結(jié)構(gòu)、影響植物根系含量強(qiáng)化土壤的抗沖效應(yīng)。林火發(fā)生時(shí)，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(dāng)枯落物失去其作用時(shí)，雨水直接接觸地表對(duì)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(qiáng)度火燒跡地植物根系狀況的差異

植物根系的固土機(jī)制，是植被抑制水土流失的一個(gè)重要功能。植物根系通過(guò)對(duì)土壤纏繞、固結(jié)，阻止土粒分散，并改善其理化性質(zhì)，來(lái)提高土壤的抗沖性[17-18]。在土壤表層中，細(xì)跟分布較為廣泛，其主要來(lái)源于矮小灌木及草本植物[19]。林火發(fā)生時(shí)，地表火將枯落物層及表層細(xì)小根系燒毀，導(dǎo)致表層土壤中根含量較少，對(duì)照樣地的根密度顯著(P<0.01)高于火燒跡地(見(jiàn)表4)。由于土壤中細(xì)小根系更容易被燒毀，因此未火燒樣方內(nèi)的小于0.2 cm徑級(jí)的根系生物量及總長(zhǎng)度均高于火燒跡地。

表4　不同強(qiáng)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(lèi)型的小于0.2 cm徑級(jí)的根生物量及總長(zhǎng)度均大于0.2～0.5 cm徑級(jí)。通過(guò)4種樣地類(lèi)型的不同徑級(jí)根系含量百分比的比較中可以看出，細(xì)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(jí)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(lèi)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(jí)的根生物量占根總生物量百分比最高，達(dá)到93.93%，但是其小于0.2 cm徑級(jí)根總長(zhǎng)度占總根長(zhǎng)度均值百分比較低，由于較長(zhǎng)根系在林火發(fā)生時(shí)被破壞，短小根系對(duì)土粒的盤(pán)繞作用較弱，導(dǎo)致了土壤的抗沖性能降低。在小于0.2 cm徑級(jí)根總長(zhǎng)度占總根長(zhǎng)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(wú)論是火燒跡地還是未火燒林地，主要都是由廣布分散的細(xì)根、須根通過(guò)對(duì)土壤的盤(pán)繞固結(jié)來(lái)起到固持作用，從而增強(qiáng)土壤的抗沖性；而未火燒天然林內(nèi)的表層土壤中根系分布更為緊密，根密度、總生物量及總長(zhǎng)度也高于火燒跡地，因此土壤的抗沖性能更加優(yōu)異。

4結(jié)論

森林火災(zāi)發(fā)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(shù)僅為0.40 L·min/g，未火燒天然林的抗沖系數(shù)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(duì)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(hù)，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(zhǎng)度減小，導(dǎo)致對(duì)土壤的盤(pán)結(jié)、固持作用降低，削弱了土壤的抗沖性能，加大了土壤侵蝕發(fā)生的可能性。因此，對(duì)于森林火燒跡地應(yīng)予及時(shí)的治理與植被恢復(fù)，防止水土流失的發(fā)生。

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[責(zé)任編輯：李洋]