林火对土壤理化性质的影响研究进展

Research Progress on Effects of Forest Fire on Soil Physical and Chemical Property

摘要: 林火是森林生态系统中的重要干扰因素之一，对土壤理化性质产生了显著影响。本文通过对国内外相关研究进行分析整理，系统探讨了林火对土壤物理性质(如土壤结构、土壤容重、土壤湿度等)、化学性质(如土壤有机质及氮磷钾含量、pH值、土壤重金属迁移转化等)的影响，林火对土壤理化性质的影响会因林火强度和持续时间、林分情况等的不同而有所差别。文章分析了林火影响土壤理化性质的机制，进一步提出了加强林火对土壤理化性质影响的长期监测、加强林火对土壤微生物群落影响的研究、开展不同类型林火对土壤理化性质的影响以及火后土壤生态系统恢复的研究等未来研究方向和重点，为森林生态系统的管理和恢复提供了科学依据。

Abstract: Forest fire is one of the important disturbing factors in forest ecosystem, which has a significant impact on soil physical and chemical property. Based on the analysis and collation of correlational studies, systematically discussed the effects of forest fire on soil physical properties (such as soil structure, soil bulk density, soil moisture), chemical properties (such as the content of soil organic matter, nitrogen, phosphorus and potassium, pH value, soil heavy metal migration and transformation). The effects of forest fire on soil physical and chemical properties vary with fire intensity, duration and stand conditions. The mechanism of forest fire affecting soil physical and chemical properties was analyzed, and future research directions and emphases such as strengthening long-term monitoring of forest fire effects, strengthening research on forest fire effects on soil microbial communities, carrying out research on the effects of different types of forest fires on soil physical and chemical property and the restoration of soil ecosystems after forest fires, so as to provide scientific basis for forest ecosystem management and restoration.

1. 引言

森林作为地球上重要的生态系统之一，其对维持生态平衡具有不可替代的作用。此外，森林还能为人类提供生态服务，促进经济发展。林火作为一种自然或人为因素引起的现象，对森林生态系统的结构和功能产生着重大影响[1]。林火会烧毁森林植被，对生态环境造成破坏，但长期来看，森林火烧对环境的影响可能会促进森林生态系统的更新。由于林火使土壤温度快速升高，导致土壤有机质分解，以及燃烧后有大量灰烬残留在土壤中，影响了土壤理化性质[2]，进而改变了土壤的功能和生态过程，影响了森林生态系统的恢复和可持续发展。近年来，国内外学者在林火对土壤理化性质的影响领域开展了大量研究，研究结果普遍认为林火对森林土壤理化性质的影响主要在土壤温湿度、土壤结构、土壤养分含量以及pH值等因素发生了改变[3]。此外，对于不同林分、不同程度火烧、不同气候条件、土壤类型等因素，林火对土壤的影响情况也有所不同[4] [5]。目前，国内外研究者通常是针对某种林分或某区域森林土壤受林火的影响情况进行研究，缺少较为系统全面的林火对土壤理化性质影响的总结分析。本文综述了林火对土壤理化性质的影响有助于研究者对火后森林土壤性质的掌握，有利于人们在后期对火烧迹地进行管理和修复时，根据土壤环境因子的改变来调节植被生长状况，使森林物种多样性得到充分保护。

2. 林火对土壤物理性质的影响

林火的高温作用可能使土壤中的一些有机物质和矿物质发生分解和重组，影响土壤的质地结构，同时，林火过后，土壤孔隙度可能发生改变，通常情况下，会造成土壤容重的增加。林火还会使土壤水分大量蒸发，导致土壤湿度急剧下降，进而影响土壤的通气性、透水性和保水性。

2.1. 土壤结构

森林过火时伴随的高温和热辐射会使土壤中的有机质和矿物质发生物理和化学变化[6]，从而破坏土壤的团聚体结构，团聚体中含有有机物、碳酸盐、微生物黏液等土壤中重要的黏结剂[7]，团聚体的破坏可以导致土壤颗粒的团聚和分散。一般来说，林火后土壤中的细颗粒含量可能会增加，粗颗粒含量可能会减少，这是因为林火会使土壤中的有机质燃烧，释放出热量和气体，使土壤颗粒发生膨胀和破碎，从而改变土壤质地。土壤有机质是维持土壤稳定性的重要物质，土壤中的有机质含量会影响团聚体的稳定性[8]。林火会使土壤中的有机质含量减少，降低土壤的黏结力和稳定性，从而影响土壤结构。土壤结构的破坏会导致土壤的通气性和透水性变差，影响土壤中水分和养分的运移，使土壤斥水性增强、抗蚀性降低[9]，进而影响植物的生长和发育。

2.2. 土壤容重

林火还会影响土壤容重。通常情况下，土壤容重随火强度的增大而增大，这是由于森林植被及地被物在高温燃烧后产生了大量灰分颗粒，这些颗粒物会充填到土壤孔隙间导致土壤容重增加；土壤容重还会随火烧后土壤团聚体的增加而增大[10]，森林过火后短期内由于植被被烧毁，土壤裸露严重，降水后会导致土壤板结，使土壤紧密度和容重增加[11]。在刘发林等人[12]的研究中，高强度火对枫香次生林土壤容重的影响显著，中低强度火影响相对较小；同样，曾素平等[13]对亚热带四种森林类型研究发现，土壤容重随火强度的增大而增大，重度火烧后增大更为显著。但是，也有部分研究发现土壤容重不受火烧强度的影响，如孔健健等[14]发现低强度和高强度火干扰对兴安落叶松林的影响无显著差异。此外，有研究表明，不同火烧持续时间对土壤容重的影响也有所不同[15]，而且土壤容重也会受到林分类型的影响，如辛颖等[16]发现火烧后针叶林的土壤容重高于阔叶林。

2.3. 土壤湿度

高温燃烧会使土壤中的水分蒸发，导致土壤水分含量降低。林火对土壤含水率的影响在一定程度上取决于林火强度，金明月等人[17]发现重度林火能够显著降低藏东南高山松林土壤含水率，这可能是由于高强度火烧的高温对土壤表层的焦化现象更为严重，导致土壤对热量的吸收增加，进而加剧了土壤中水分的蒸发[18]。有研究表明，林火对不同深度的土壤含水率影响也有所不同，赵蔓等[19]对油松针叶林的研究中，在不同程度林火干扰下，含水率随土壤深度的增加而降低。此外，林火还会破坏土壤的结构和孔隙度，影响土壤的持水能力和水分运移，进而影响土壤水分含量。这种湿度的变化对土壤的水分状况和水文循环具有重要意义。短期内，土壤湿度的降低可能会限制植物的生长和恢复，同时也会影响土壤中微生物的活动和土壤养分的循环；长期来看，林火可能改变区域的水文特征，如地表径流、地下水补给等。

3. 林火对土壤化学性质的影响

林火燃烧会消耗土壤中大量的有机质，有机质及矿物质的分解会释放出大量的氮、磷、钾等养分元素。燃烧过程中发生的化学变化会释放出一些酸性或碱性物质，影响土壤的pH值，土壤的pH值和有机质的分解又会影响土壤重金属的存在形态，造成重金属的运转和迁移。

3.1. 土壤有机质含量

研究表明，林火的高温作用会导致土壤有机质的分解，从而降低土壤有机质的含量[3] [6] [20]。土壤有机质的减少量与林火强度有关，不同强度火烧对土壤有机质含量的影响程度差别较大。Kim Y S等人[21]研究发现低强度火烧仅烧除了土壤表面部分有机质，而高强度火烧使森林土壤有机质含量显著降低。此外，彭徐剑等[22]研究表明火烧后土壤有机质含量与土壤深度也有一定的关系，随着土壤深度的增加，有机质含量减少，而且此研究结果还显示，马尾松人工林土壤表层的枯落物等燃烧分解产生的有机质能较好地保护土壤团聚体，使上层土壤抗蚀性增加，此研究结果可为火烧迹地修复提供参考。土壤有机质是土壤肥力的重要组成部分，土壤有机质降低不仅会影响土壤的肥力和生物活性，还会对土壤生态系统的稳定性和功能产生深远影响。

3.2. 土壤氮磷钾含量

森林过火时，土壤中的有机物质在高温作用下会发生分解，释放出大量的养分元素，如氮、磷、钾等。对于火烧后森林土壤中氮、磷、钾的含量，不同的研究者在林火情况和植被类型不同的情况下研究结论有所不同。有研究发现火烧后土壤氮含量升高[23] [24]，也有研究表明火烧后土壤氮含量降低[25]，有研究认为土壤氮含量会随林火强度的增大而增大[14] [23] [26]，也有研究发现火烧后土壤氮含量随林火强度的增强而降低[10] [12] [27] [28]；对于土壤磷和钾的含量，大部分研究发现火烧后呈增大趋势[24] [29] [30]。对于火烧强度的影响，刘发林等[12]对枫香次生林的研究中发现土壤总磷含量随火强度增大而减少，而金明月等人[17]研究发现藏东南高海拔地区森林土壤总磷、有效磷含量都随着林火强度的增大而增加；土壤全钾也受林火强度的影响，刘发林等[12]认为土壤总钾含量随火烧强度增加而增加，而在金明月等人[17]的研究中，中轻度火烧下土壤总钾含量升高，重度火烧下反而降低，这可能是由于有机物在较低强度火烧时释放出较多的基础阳离子，而重度火烧对森林损毁严重，使土壤遭受侵蚀，导致钾元素流失[31]。

3.3. 土壤pH值

火灾过程中，高温作用会使土壤中的矿物质发生热解反应，导致土壤中酸性物质的释放和碱性物质的积累。目前大多数研究显示，森林过火后土壤的pH值升高，主要是因为林火会使土壤中的有机质燃烧，释放出大量的碱金属及碱金属离子[20] [32]，同时也会使土壤中的酸性物质挥发，造成土壤的pH值升高[33]-[35]。有研究表明，林火强度会影响土壤pH值，例如陈小伟等[36]的研究表明，土壤pH值会随着林火强度的增大而升高。同时，火烧后的时间范围也会造成pH值的改变[9] [37]。土壤pH值的升高可能会促进某些耐碱植物的生长，从而改变植被的组成和结构，但是，如果pH值过高则会导致土壤养分有效性的降低，不利于植被的恢复和生长。此外，土壤pH值的变化还会影响土壤微生物的活动，进而影响森林生态系统的恢复和可持续发展。

3.4. 土壤重金属迁移

林火燃烧过程中，土壤中重金属污染物可能在一定条件下发生释放和迁移，从而对土壤环境和生态系统造成潜在的危害。土壤的pH值决定了重金属元素的存在形态，所以成为了土壤重金属迁移过程中的主要影响因素，土壤中的重金属污染物的扩散会随着土壤的pH值上升而减慢[38]。土壤中有机质的含量和状态也会影响重金属的迁移，土壤有机质对重金属元素具有较大的吸附能力，火烧后有机质的破坏会造成土壤重金属的释放和迁移[39]。重金属污染物的迁移可能会污染地下水源和地表水体，对人类和动物的健康构成威胁，这些有害物质还可能在食物链中积累并放大其生态风险。因此，加强林火对土壤重金属迁移转化的研究对于保护土壤环境和维护生态系统健康具有重要意义。

4. 未来研究方向和重点

4.1. 加强林火对土壤理化性质影响的长期监测和研究

目前，关于林火对土壤理化性质影响的研究主要集中在短期效应上，对于长期效应的研究还比较缺乏。由于研究对象选择的不同，所取得的研究结果也不尽相同，且研究结果缺少规律性和系统性。研究人员可以建立林火对土壤理化性质影响的长期监测系统，深入研究火后土壤理化性质的长期变化，为过火后的森林生态系统的恢复与重建提供理论指导。

4.2. 加强林火对土壤微生物群落影响的研究

土壤理化性质与土壤微生物密不可分，微生物会影响土壤有机质的分解及土壤发育过程[40] [41]。燃烧过程中，高温作用会导致土壤有机质的分解和微生物的死亡，从而影响土壤有机质和微生物的生物量。这种变化不仅会影响土壤的肥力和生物活性，还会对土壤生态系统的稳定性和功能产生深远影响。目前，关于林火对土壤微生物群落影响的研究还比较有限，加强研究林火对土壤微生物生物量和土壤微生物群落的影响及其生态学意义具有重要的理论和实践价值。

4.3. 开展不同类型林火对土壤理化性质影响的研究

不同类型的林火(如地表火、树冠火、地下火等)对土壤理化性质的影响可能存在差异。目前在林火对土壤性质影响的研究主要集中在林火强度、林火持续时间等方面，在林火类型方面的研究非常缺乏。研究者可以针对不同类型林火开展其对土壤理化性质影响的系统研究，探究不同类型林火对土壤理化性质的影响情况及影响机制，为火后土壤性质基础数据的完善提供支撑。

4.4. 开展林火后土壤生态系统恢复的研究

林火后土壤的恢复与演替是一个复杂而动态的过程，在这个过程中，土壤肥力的恢复、微生物群落的演替以及土壤结构的改善与稳定是相互关联、相互影响的。林火后土壤生态系统恢复的研究也是一个长期的过程，需要把林火后土壤生态系统恢复作为研究的首要目的和方向，深入探究土壤生态系统恢复的机制和过程以及林火对植被恢复和生态系统功能的影响，为森林生态系统的修复和管理提供科学依据。

5. 结语

林火是森林生态系统中的重要干扰因素之一，对土壤理化性质产生了广泛而复杂的影响。林火会改变土壤结构、土壤容重、水分含量，对土壤养分含量、pH值产生影响，还可能造成重金属污染物的迁移，对土壤的生态功能产生长远的影响。

目前，对于林火对土壤理化性质的影响，国内外研究者通常是针对某种林分或某区域森林土壤受林火的影响情况进行研究，本文针对目前在林火对土壤理化性质影响领域的研究缺少较为系统全面的总结分析这一情况，对林火对森林土壤理化性质的影响进行了较为全面的分析综述，并且提出未来的研究需要在林火对土壤理化性质影响的长期性、规律性和系统性上进行加强，并加强林火对土壤微生物群落影响的研究，开展林火后土壤生态系统恢复的研究，为森林生态系统的管理和恢复提供理论和实践支撑。

基金项目

中央高校基本科研专项资金项目：火干扰对苏南地区马尾松林生长季土壤呼吸的影响(LGYB201706)。