文献参数: 谢兴龙, 魏亚娟, 侯红蕊.林火干扰对云南松林土壤养分和生态化学计量特征的影响[J].水土保持通报,2026,46(1):67-75. Citation:Xie Xinglong, Wei Yajuan, Hou Hongrui. Effects of fire disturbance on soil nutrients and ecological stoichiometric characteristics in Pinus yunnanensis forest [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2026,46(1):67-75.
作为自然界重要的生态因子,林火干扰通过改变森林生态系统的植物类型和凋落物中的营养物质
[1],进而改变土壤理化性质和生物学性质,从而调控养分元素在土壤中的重新分配
[2]。谷会岩等
[3]对大兴安岭偃松-兴安落叶松林土壤养分研究得出,林火干扰加速了土壤养分流失,且土壤养分元素流失速率与火烧强度呈正相关;李炳怡等
[4]对河北平泉油松林研究发现,火烧强度与土壤pH值呈极显著正相关,且重度火烧有利于土壤有机碳增加;但是,王毅雯等
[5]对滇中云南松林研究得出,土壤总孔隙度、土壤含水率、土壤全氮和土壤有机碳随着火烧强度增加而降低,而土壤容重和碱解氮随火烧强度的增加而增大。孙龙等
[6]对白桦落叶松混交林研究发现,中度火烧导致土壤孔隙度和含水率降低,却导致土壤密度增加;冉益倩等
[7]对西南亚热带林地土壤理化性质研究发现,火烧干扰降低了土壤全氮和碱解氮含量,但对土壤有机碳、全氮、全磷和pH值无显著影响。综上所述,由于森林生态系统的异质性和复杂性,林火干扰下的土壤理化性质变化存在较大差异
[8]。
生态化学计量是研究生物地球化学过程能量平衡和元素限制的重要科学
[9]。碳(C)、氮(N)和磷(P)是森林生态系统中物种演替、生产和可持续管理不可或缺的元素
[10]。土壤作为森林生态系统的重要组成和元素碳库,且土壤养分与外界环境之间相互作用具有复杂性,故其中C, N,P等营养元素的生态化学计量比可以作为认识森林生态系统物质循环过程和反馈机制的有效预测指标
[11]。林阳
[12]得出火烧干扰有利于大兴安岭白桦林和落叶松林土壤C/P和N/P提高。Hu Mengjun等
[13]对亚热带针阔混交林研究发现,火烧干扰减轻了亚热带-暖温带生态林中植物生长的P限制。Wang Yuzhe等
[14]研究发现林火作用在短期内增加了TN矿化速率。由于研究区域、植被类型和火烧强度的异质性,揭示林火干扰对元素生物地球化学过程,尤其是主要生源要素(C, N,P)循环的内在调控规律,已成为生态系统物质循环研究领域的重点科学议题。
云南松(
Pinus yunnanensis)是中国西南地区主要的树种类型,在云南省分布面积多达5.00×10
6 hm
2,占云南省林地总面积的52.00%,在水土保持和碳蓄积方面发挥着重要作用
[15]。云南省是中国森林火灾频发的重点区域之一,云南松作为林火干扰的主要影响对象,由于云南松富含大量的松脂松香,若发生林火,极易造成毁灭性影响
[16]。森林火灾不仅直接破坏林木,还会显著改变土壤理化性质,进而影响生态系统的恢复进程与养分循环
[17]。基于此,本研究以云南松为研究对象,分析不同火烧强度土壤理化性质及其化学计量特征。研究目的包括: ①不同火烧强度土壤理化性质的变化规律; ②不同火烧强度土壤C, N,P生态化学计量特征; ③不同火烧强度土壤理化性质与碳氮磷生态化学计量比之间的相关关系。以期为该区域植被恢复和养分循环提供数据和理论支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于云南省玉溪市红塔山自然保护区内,地理位置为24°09′—24°34′N,102°18′—102°42′E,海拔高度为1 600~2 400 m。研究区属于典型的亚热带半湿润冷冻高原季风气候,呈干湿季节分明的气候特征。多年平均降水量为800~1 000 mm,年平均气温为17 ℃,全年日照时数为2 395 h,年均无霜期为312 d,该区域属于云南森林火灾的高发区与重灾区。研究区内植被类型主要以乔木树种云南松(P. yunnanensis)为主,灌木树种包括:铁仔(Myrsine africana)、马缨杜鹃(Rhododendron delavayi)和余甘子(Phyllanthus emblica)等。土壤主要以山地红壤土为主,土壤土层瘠薄。2023年4月11日在江川区发生的森林火灾属于人为引起,过火面积达56.50 hm2。
1.2 样地设置与样品采集
采用空间替代时间的方法进行样地设置。于火灾同年(2023年)11月中旬,在云南省玉溪市红塔山自然保护区内,依据
表1的火烧强度划分标准
[5],分别选取具有代表性的轻度火烧、中度火烧和重度火烧迹地各3个。各样地相距50~200 m,以相临近的未过火区域作为对照,共设置12个10 m×10 m的样地。所有样地均设置在海拔、坡向与坡度等生境条件基本一致的云南松纯林内,以确保样地间的可比性。在每个样地内,利用五点法分别布设5个土壤采样方,去除表层燃烧残渣后,用环刀分别采集0—20 cm土层和20—40 cm土层的原状土用于土壤容重(BD)、土壤含水量(SM)和土壤总孔隙度(STP)的测定。然后,利用四分法将不同采样点同一土层深度均匀混合后放入塑封袋带回实验室,去除杂质后用于土壤pH值、有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和碱解氮(AN)测定,具体测定方法参照《土壤农化分析》
[18]。
1.3 数据处理
采用Excel 2010,SPSS 22.0和Origin 2025等软件对数据进行分析和绘图。并采用单因素方差(one-way ANOVA)对不同火烧强度土壤理化性质和生态化学计量比进行显著性分析;利用Origin 2025对不同火烧强度土壤理化性质和生态化学计量比进行相关分析。图表中数据均采用“平均值±标准差”的形式。
2 结果与分析
2.1 云南松林土壤理化性质和生态化学计量比与火烧强度和土层深度的关系
由
表2可知,火烧强度对土壤STP, SOC, TP, C/N, C/P和N/P影响显著(
p<0.05),对土壤TN和AN影响极显著(
p<0.01);土层深度对土壤SM, SOC, TP, C/N, C/P和N/P影响显著(
p<0.05),对土壤AN影响极显著(
p<0.01);两者的交互作用对土壤C/N, C/P和N/P影响显著(
p<0.05),对土壤AN影响极显著(
p<0.01)。
2.2 不同火烧强度对土壤物理性质的影响
由
图1可知,同一土层不同火烧强度,0—20 cm土层,重度火烧土壤容重与未火烧差异显著(
p<0.05);20—40 cm土层,中度火烧和重度火烧土壤容重与未火烧差异显著(
p<0.05)。0—20 cm土层,各火烧强度土壤含水率与未火烧差异显著(
p<0.05);20—40 cm土层,重度火烧土壤含水率与未火烧差异显著(
p<0.05)。0—20 cm和20—40 cm土层,各火烧强度土壤总孔隙度与未火烧差异显著(
p<0.05);不同火烧强度土壤容重依次表现为:重度火烧(1.32 g/cm
3)>中度火烧(1.27 g/cm
3)>轻度火烧(1.24 g/cm
3)>未火烧(1.21 g/cm
3);而土壤总孔隙度和土壤含水量依次表现为:未火烧(57.52%,4.87%)>轻度火烧(53.92%,4.65%)>中度火烧(53.60%,4.62%)>重度火烧(51.92%,4.14%),说明土壤容重随着火烧强度逐渐增加,而土壤含水量和土壤总孔隙度与之相反。不同火烧强度土壤容重表现为20—40 cm>0—20 cm,而土壤含水量和土壤总孔隙度与之相反。
2.3 不同火烧强度对土壤化学性质的影响
由
图2可知,同一土层不同火烧强度,不同火烧强度土壤pH值差异不显著(
p>0.05)。0—20 cm土层,重度火烧土壤SOC显著低于未火烧;20—40 cm土层,中度火烧和重度火烧土壤SOC显著低于未火烧(
p<0.05)。0—20 cm和20—40 cm土层,各火烧强度土壤TN显著低于未火烧(
p<0.05),土壤AN显著高于未火烧(
p<0.05)。0—20 cm土层中度火烧和重度火烧土壤TP显著高于未火烧(
p<0.05);20—40 cm土层轻度火烧和中度火烧土壤TP显著高于未火烧(
p<0.05)。土壤pH值随火烧强度呈先减后增的趋势,土壤TP与之相反;土壤SOC, TN随着火烧强度呈逐渐降低的趋势,土壤AN与之相反。同一火烧强度不同土层,土壤pH值差异不显著(
p>0.05)。不同火烧强度下,0—20 cm土壤SOC显著高于20—40 cm(
p<0.05)。0—20 cm土壤与20—40 cm土壤在不同火烧强度下的TN差异不显著(
p>0.05)。除未火烧外,不同火烧强度下的0—20 cm与20—40 cm土层土壤TP, AN差异显著(
p<0.05)。
2.4 不同火烧强度对土壤碳氮磷生态化学计量比的影响
由
图3可知,同一土层不同火烧强度,0—20 cm和20—40 cm土层,各火烧强度土壤C/N显著高于未火烧(
p<0.05),土壤C/P, N/P显著低于未火烧(
p<0.05);土壤C/N随着火烧强度整体呈现逐渐增加的趋势;而土壤C/P和N/P随着火烧强度增加整体呈先减后增的趋势。同一火烧强度不同土层,除轻度火烧外,其他火烧强度0—20 cm与20—40 cm土层土壤C/N差异显著(
p<0.05)。不同火烧强度0—20 cm与20—40 cm土层土壤C/P和N/P差异显著(
p<0.05)。
2.5 土壤理化性质与碳氮磷生态化学计量比之间的相关关系
由
图4可知,在未火烧样地,土壤C/N与土壤pH值和SOC呈极显著正相关(
p<0.001),与土壤SM和STP呈极显著正相关(
p<0.01),与土壤BD和TP呈显著正相关(
p<0.05);土壤C/P和N/P与土壤BD, TN和TP呈显著负相关(
p<0.05)。 ①在轻度火烧样地,土壤C/N与SOC呈极显著正相关(
p<0.001),与土壤pH值呈极显著正相关(
p<0.01),与土壤BD, SM, STP和TP呈显著正相关(
p<0.05);土壤C/P与AN呈显著负相关(
p<0.05);土壤N/P与土壤BD, TP和AN呈显著负相关(
p<0.05)。 ②在中度火烧样地,土壤C/N与SM和SOC呈极显著正相关(
p<0.001),与AN呈极显著正相关(
p<0.01),与STP和pH值呈显著正相关(
p<0.05);土壤C/P与SM, AN和C/N呈显著正相关(
p<0.05);土壤N/P与土壤BD和TP呈极显著负相关(
p<0.01)。 ③在重度火烧样地,土壤C/N与SOC呈极显著正相关(
p<0.001),与SM, pH值和TN呈极显著正相关(
p<0.01),与BD和STP呈显著正相关(
p<0.05);土壤N/P与TP和AN呈极显著负相关(
p<0.01),与STP, pH值和TN呈显著负相关(
p<0.05)。
3 讨 论
3.1 火烧干扰对土壤物理性质的影响
火烧干扰改变了森林生态系统的林分结构、光照条件、土壤温湿度和燃烧剩余物等因子,进而影响了土壤理化性质
[8]。本研究中,土壤容重随火烧强度逐渐增加且重度火烧与其他火烧强度差异显著,该研究结果与冉益倩等
[7]和胡同欣等
[19]分别对西南亚热带林和兴安落叶松林土壤理化性质的结果一致。此外,由于热量传递差异,使不同火烧强度下0—20 cm土壤含水量显著大于20—40 cm,该研究结果与王毅雯等
[5]对滇中云南松林研究结果一致。火烧干扰通过直接热效应与间接生态效应共同导致土壤物理性质恶化。一方面,火烧的直接热力效应对土壤团聚体的破坏。实验室控制试验发现,当土壤被加热至400 ℃以上时,作为关键胶结物质的土壤有机碳会剧烈燃烧,导致大团聚体崩解为细小颗粒
[19-20]。同时,土壤中的黏粒矿物会发生烧结现象,进一步堵塞土壤孔隙
[21]。由于轻度火烧和中度火烧没有改变矿质土壤层的孔隙等物理结构,而重度火烧则会改变土壤层孔隙等物理结构,故随着火烧强度增加,土壤含水率和总孔隙度逐渐降低。另一方面,火烧降低了地表植物覆盖,增加林内光照强度和土壤水分蒸发速率,加之没有林冠层的截留作用,地表极易发生土壤板结导致水分下渗受阻,进一步降低了土壤持水能力和土壤含水率,从而加剧了土壤侵蚀和流失
[22]。主要因为火烧干扰后灰烬覆盖在地表具有很好的持水能力,火烧后的土壤有机质高度碳化,形成疏水性化合物,导致土壤斥水性增强,阻碍水分向下渗透
[23]。
3.2 火烧干扰对土壤化学性质的影响
本研究中,不同火烧强度下土壤pH值差异不显著(
p>0.05),说明火烧干扰没有改变土壤pH值大小。该研究结果与曾素平等
[23]对土壤pH值随着火烧强度增加而增大的研究结果相悖。但是,与王毅雯等
[5]对滇中云南松林研究结果一致。火烧干扰使土壤和凋落物中的有机酸分解,暂时性提高了土壤pH值,但是经过7个月的降水(939.80 mm)淋溶作用,灰烬输入的碱性物质已被淋溶迁出,从而导致研究区土壤pH值不变
[24]。本研究中,土壤SOC随着火烧强度呈逐渐降低的趋势,尤其是重度火烧与其他火烧强度差异显著,说明重度火烧严重影响了土壤有机碳的输入。该研究结果与曾素平等
[23]和王毅雯等
[5]的研究结果一致,但是与冉益倩等
[7]得到的火烧强度对土壤SOC含量无显著影响的研究结果相悖。实验室研究明确表明,土壤有机质在300 ℃以上开始剧烈燃烧,并在500 ℃时几乎完全损失
[25]。因此,火烧干扰除了会破坏土壤团聚体外,还可通过直接燃烧活体植被、枯枝落叶和地表凋落物的方式,将其中的有机碳转化成二氧化碳,造成地表有机物质快速损失,加之碳输入减少和物理迁移等多途径导致SOC逐渐降低
[6]。本研究中,TN随着火烧强度增大呈逐渐降低的趋势,且不同火烧强度下的TN均显著低于未火烧。该研究结果与冉益倩等
[7]的研究结果一致,前人研究发现,氮素在超过100 ℃时即开始通过挥发途径流失,在400 ℃以上时损失极为严重
[22]。本研究中的重度火烧,其温度很可能达到500 ℃以上,这不仅完全焚毁地表凋落物,更对土壤本体的有机碳库和氮库造成了毁灭性打击,进而导致输入土壤中的氮含量进一步减少
[25]。0—20 cm土层土壤TP呈逐渐增加的变化趋势,该研究结果与李炳怡等
[4]、冉益倩等
[7]和谷会岩等
[3]的研究结果相悖。与碳、氮不同,土壤TP在火烧后反而增加,这主要归因于高温对有机磷的矿化作用。研究表明,植物凋落物和土壤中的有机磷(如植酸盐)在经历200~500 ℃的灼烧后,可被快速矿化为可被利用的无机磷酸盐,并富集于灰分中,导致土壤TP含量增加
[20]。另外,相关分析发现,未火烧和重度火烧下的土壤TP与pH值呈显著正相关关系,说明灰烬中的碱性物质短期内提升土壤pH值,促进磷酸盐与钙、镁等离子结合,形成稳定的磷酸盐矿物,提升了土壤TP含量
[26]。本研究中,AN随着火烧强度增加而增大,该研究结果与李炳怡等
[4]和冉益倩等
[7]的研究结果相悖。一方面,火烧干扰将燃烧后的植被和凋落物经过高温矿化形成无机氮,灰烬沉降后直接增加表层土壤的速效氮含量
[27]。另一方面,火烧后地温升高、土壤pH值可能发生微小变化趋近于中性,促进了硝化细菌活性,加速了铵态氮向硝态氮方向转化,提高了AN的生物有效性。
3.3 火烧干扰对土壤生态化学计量比的影响
火烧干扰作为关键环境扰动因素,不仅显著改变植被群落结构,还可通过调节有机质矿化过程和灰分输入机制,深刻影响着土壤碳氮磷等关键元素的赋存形态及其生态化学计量比。这种双重调控作用,构成了生态系统物质循环的重要驱动力
[6]。本研究中,土壤C/N随着火烧强度增大整体呈现增加趋势,该研究结果与谷会岩等
[3]对大兴安岭偃松-兴安落叶松林土壤养分的结果相悖。这是因为在云南亚热带的云南松为常绿乔木,火烧强度增加时,氮的挥发损失量远超碳,同时木炭的生成与残留显著提高土壤碳的稳定性,加之微生物活动抑制和氮循环失衡,共同导致土壤C/N比增大
[28]。而在大兴安岭的寒温带的偃松-兴安落叶松为常绿-落叶混交林,具有丰厚腐殖质层,随着火烧强度增加,碳的净损失速率会超过氮的净损失速率导致C/N降低。另外,云南温度适中且降水较多,火烧干扰后,云南松林下灌草快速生长,通过凋落物和根系分泌物补充碳,但氮因缺乏固氮植物和微生物固氮恢复慢,难以补充,C/N比持续维持高位。大兴安岭气温较低且极端干燥,植被恢复缓慢,凋落物输入少且土壤微生物固氮能力弱,氮几乎无法补充;同时,火烧后裸露的砂质土壤易受风蚀,导致表层残留的碳进一步流失,C/N持续降低
[7,29]。相关分析发现,未火烧、轻度火烧和中度火烧SOC与C/N呈极显著正相关(
p<0.001),与TN无极显著相关关系,而重度火烧SOC和TN与C/N呈极显著正相关关系,说明未火烧或低强度火烧时,地表凋落物部分燃烧后形成木炭等稳定有机碳,增加土壤碳库。而温度较低导致氮的挥发相对较少,TN变化较小。此时,SOC的增加主导C/N比的上升,导致二者呈极显著正相关。重度火烧条件下,高温导致易分解有机质燃烧,但部分木炭残留使SOC得到部分保留,而TN在高温条件下铵态氮和硝态氮大量挥发,导致残留的SOC和TN具有同步性增强,但由于SOC在高温下生成气体挥发的速度较慢导致C/N比值仍较高
[30]。本研究中,土壤C/P和N/P随着火烧强度增加整体呈现先减后增的趋势,且在中度火烧达到最低点。低强度火烧促进表层有机质部分分解,将部分有机磷转化为无机磷,短期内提高土壤有效磷含量。然而,SOC和TN的损失较少,导致碳和氮的保留比例高于P的释放量,C/P和N/P比值上升。而高强度火烧导致SOC和TN的损失增多,而磷的挥发需更高温度,损失相对较少。这也体现了火烧强度对土壤养分循环的“阈值效应”
[8]。
本研究主要讨论林火发生7个月后研究区土壤理化性质和生态化学计量比的变化,揭示土壤性质和生态化学计量短期内对林火干扰和植被恢复的响应。但是,林火干扰对土壤性质的影响是长期的,长期观测更有利于分析和解释土壤理化性质及生态化学计量的变化机制。
4 结 论
(1) 火烧强度增加加剧了云南松林土壤结构破坏与板结。火烧干扰增加了土壤容重,降低了土壤含水量和总孔隙度,且强度愈大效应愈显著。
(2) 土壤SOC和TN随火烧强度增强逐渐降低,AN则相反;土壤pH值未发生显著变化。
(3) 土壤C/N与SOC、总孔隙度呈正相关,N/P与TP负相关,表明火烧通过影响有机碳稳定性、孔隙结构及磷形态调控元素循环。
(4) 随火烧强度增加,土壤C/N升高,C/P和N/P先降后升。重度火烧下,C/P和N/P分别降低54.60%和73.91%,C/N上升37.12%,表明高强度火烧导致碳氮失衡与磷相对富集。
(5) 因此,在森林防灭火管理实践中,既要考虑森林火灾对土壤理化性质的影响,又要考虑不同火烧强度和恢复时间对土壤生态化学计量的影响。
云南省哲学社会科学规划习近平生态文明思想研究专项“‘双碳’目标下云南生物多样性保护与能源绿色转型协同效应研究”(ZX2024YB52)
中共云南省委党校(云南行政学院)重大课题“中国西南地区跨境生物多样性保护框架构建和实现路径研究”(2025YNDXXJ23)