计划烧除对云南松林土壤抗剪性能的影响.pdf
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1、第3 0卷第6期2 0 2 3年1 2月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.6D e c.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 8 修回日期:2 0 2 2-1 0-0 2 资助项目:国家自然科学基金“云南松林凋落物计划烧除对坡面产流产沙的影响机理研究”(3 1 8 6 0 2 1 2)第一作者:杨馥羽(1 9 9 8),女,云南永仁县人,硕士研究生,研究方向为土壤侵蚀。E-m a i l:1 0 3 0 5 2 3 4 7 3q q.c o m
2、通信作者:陈奇伯(1 9 6 5),男,甘肃通渭县人,博士,教授,主要从事土壤侵蚀与恢复生态学研究。E-m a i l:c h e n g q b s w f u.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 6.0 2 8.杨馥羽,陈奇伯,黎建强,等.计划烧除对云南松林土壤抗剪性能的影响J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(6):2 1 4-2 2 1.Y a n gF u y u,C h e nQ i b o,L i J i a n
3、q i a n g,e t a l.E f f e c t s o f P r e s c r i b e dB u r n i n go nS o i l S h e a r S t r e n g t h i nP i n u s y u n n a n e n s i sF o r e s t sJ.R e s e a r c ho f S o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(6):2 1 4-2 2 1.计划烧除对云南松林土壤抗剪性能的影响杨馥羽1,陈奇伯1,2,黎建强1,杨 波1,2,付钇珊1,赵 月1,徐红运
4、1(1.西南林业大学 生态与环境学院,昆明6 5 0 2 2 4;2.西南林业大学 石漠化研究院,昆明6 5 0 2 2 4)摘 要:目的 探究计划烧除后云南松林土壤力学特性变化特征,为森林的可持续经营、优化林区计划烧除作业以及防治水土流失提供可靠的科学依据。方法 以滇中高原云南松林周期性计划烧除样地为研究对象,采用野外调查取样与室内直剪实验相结合的方法,系统研究了计划烧除对云南松林土壤抗剪性能的影响及影响因素。结果 与未烧除样地相比,计划烧除样地02 0c m土层中根、细根生物量密度和根长密度显著降低,2 06 0c m土层差异不显著。计划烧除后02 0c m土层抗剪强度、土壤黏聚力显著减小
5、,对深层土壤无显著影响。R D A分析结果表明:计划烧除和未烧除样地均显示土壤抗剪强度指标与土壤有机质、细根根长密度呈显著(p0.0 5)正相关关系,细根根长密度在两种处理中均是解释度最高的因子。结论 周期性计划烧除后细根系分布减少,土壤有机质含量降低,是云南松林地土壤抗剪性能减弱的主要原因。关键词:计划烧除;云南松林;土壤抗剪性;根系特征中图分类号:S 7 1 4.7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 6-0 2 1 4-0 8E f f e c t so fP r e s c r i b e dB u r n i n go nS o i l S
6、h e a rS t r e n g t h i nP i n u sy u n n a n e n s i sF o r e s t sY a n gF u y u1,C h e nQ i b o1,2,L i J i a n q i a n g1,Y a n gB o1,2,F uY i s h a n1,Z h a oY u e1,X uH o n g y u n1(1.C o l l e g eo fE c o l o g ya n dE n v i r o n m e n t,S o u t h w e s tF o r e s t r yU n i v e r s i t y,K
7、u n m i n g6 5 0 2 2 4,C h i n a;2.R e s e a r c hI n s t i t u t eo fR o c k yD e s e r t i f i c a t i o n,S o u t h w e s tF o r e s t r yU n i v e r s i t y,K u n m i n g6 5 0 2 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h ep u r p o s eo f t h i ss t u d y i s t oe x p l o r e t h ec h a
8、r a c t e r i s t i c so f s o i lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e st op r e s c r i b e db u r n i n gi nP i n u sy u n n a n e n s i sf o r e s t s,s oa st op r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rs u s t a i n a b l ef o r e s tm a n a g e m e n t a n do p t i m i z a t i o no fp r e s
9、 c r i b e db u r n i n gi nf o r e s ta r e a sa n dc o n t r o lo fs o i le r o s i o nt h a tm a yb ec a u s e db yp r e s c r i b e db u r n i n g.M e t h o d sT h es a m p l ep l o t so fP.y u n n a n e n s i sf o r e s ti nc e n t r a lY u n n a nP l a t e a uw e r es e l e c t e da s t h e r
10、e s e a r c ho b j e c t s s o t h a t t os y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ee f f e c t so fp r e s c r i b e db u r n i n go ns o i ls h e a rs t r e n g t ho fP.y u n n a n e n s i sf o r e s tb yc o m b i n i n gf i e l di n v e s t i g a t i o na n ds a m p l i n gw i t hi n d o o re x p
11、e r i m e n t a l a n a l y s i s.R e s u l t sT h e r o o t a n d f i n e r o o tb i o m a s sd e n s i t ya n dr o o t l e n g t hd e n s i t y i nt h e02 0c ms o i ll a y e rs i g n i f i c a n t l yr e d u c e da n dt h ed i f f e r e n c ei nt h e2 06 0c m s o i ll a y e r w e r en o ts i g n i
12、 f i c a n tc o m p a r e dw i t ht h eu n b u r n e df o r e s t.T h es h e a rs t r e n g t h,s o i l c o h e s i o ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e d i n02 0c ms o i ll a y e ra f t e r t h ep r e s c r i b e db u r n i n g,t h e i m p a c t sw e r en os i g n i f i c a n tw i t ht h e i n c
13、 r e a s eo f s o i l d e p t h.T h eR D Aa n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a t t h es o i l s h e a r s t r e n g t h,s o i l c o h e s i o n,s o i l f r i c t i o na n g l ea n ds o i l o r g a n i cm a t t e ra n df i n e r o o t l e n g t hd e n s i t ys i g n i f i c a n t l yp o s i
14、t i v e l yc o r r e l a t e d(p0.0 5)i nb o t h t r e a t m e n t s,a n d t h e f i n e r o o tl o n gd e n s i t yw a s t h eh i g h e s t e x p l a i n i n gf a c t o r i nt h e t w ot r e a t m e n t s.C o n c l u s i o nT h ed e c r e a s eo f f i n e r o o td i s t r i b u t i o na n ds o i lo
15、 r g a n i cm a t t e rc o n t e n ta f t e rp r e s c r i b e db u r n i n gi nP i n u sy u n n a n e n s i sf o r e s t sa r et h em a i nr e a s o n s f o r t h ed e c r e a s eo f s o i l s h e a rs t r e n g t h.K e y w o r d s:p r e s c r i b e db u r n i n g;P i n u sy u n n a n e n s i sf o
16、r e s t;s o i l s h e a rs t r e n g t h;r o o t c h a r a c t e r i s t i c s 云南省经过长期飞播造林建设,形成了大面积的云南松人工林1。随着人们对森林资源的保护与重视,林下可燃物不断堆积,长期未受人为干扰的林地火险等级较高,使云南松林长期处于森林火灾高发区2。云南松松针含有大量油脂,再加上云南特殊的气候条件,入冬后干燥少雨,林下蓄积大量凋死地被物,一旦有林火发生,将削弱森林涵养水源和水土保持能力,对生态环境造成严重破坏3。火是陆地生态系统进化发展的重要因素,在 生态系统的 进化 与 发 展 中 十 分 重要4,适当
17、强度和频次的林火干扰利于森林生态系统修复与更新,在一定程度上促进生态系统的物质循环和能量流动。与森林火灾不同,计划烧除是针对适宜林种,在规定范围用低强度地表火烧除林内可燃物,达到降低火险、提高森林防火能力的技术性措施5。周期性计划烧除能减少病虫害,增强土壤碳稳定性,促进森林的生长与更新,对森林群落演替和保护生态环境具有重要作用。长期的林火干扰促进云南松林的繁衍与进化,在不断的进化中,产生了对周期性火的适应,使计划烧除工作能在云南松林内大面积开展,并成为云南松林地防火的有效手段。各林业先进国家相继开展火烧对生态系统演化发展研究,1 9世纪末美国首先提出“计划火烧”这个概念,2 0世纪4 0年代起
18、,计划火烧被推广应用,技术和体系逐渐发展成熟,至今仍作为各国森林防火和经营管理的有效手段6。而我国计划烧除工作开展较晚,研究内容主要集中在计划烧除对于森林防火的积极作用以及长期林火干扰下对森林生态系统、群落结构的影响等7-8。国内外学者对土壤抗剪性能做了大量研究,并系统地分析了土壤理化指标对土壤抗剪性能的影响机制。Y i l d i z等9总结了前人的研究结果,认为根系在土壤中交错穿插来提高土体结构的稳定性;朱春鹏等1 0的研究表明土壤抗剪强度与p H值呈正相关关系;F a n等1 1研究发现,土壤抗剪强随土壤含水率增加而呈现下降趋势。计划烧除后降雨直接冲刷裸露地表,表层土壤团粒结构改变,土体
19、间力学机制必然会受到影响。目前,国内外学者针对林火干扰后泥石流、滑坡等多发的自然地质现象开展了深入研究,V e g a1 2和王丽1 3等在火烧迹地开展研究,结果表明林地水文特征受火烧强度影响较大,较高强度林火干扰下植被生长受到严重影响,地表凋落物层烧毁,土壤表层的持水能力下降,导致地表径流的增加;B o l a n1 4和胡卸文1 5等研究发现,高强度林火发生后,地表大面积裸露,难以抵御降雨和水流的直接冲击与破坏。关于火烧对土壤力学机制的影响已有报道,但主要集中在林火发生的频次和强度不固定的火灾区,在指定树种林区内开展周期性计划烧除是否存在水土流失风险尚不明确,因此探究计划烧除对林内土壤抗剪
20、性能的影响,以期揭示计划烧除对土壤侵蚀、森林生态环境的影响,并对森林的可持续经营、优化林区计划烧除制度以及防治计划烧除可能会引发的水土流失提供可靠的科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于滇中高原玉溪市新平县南部的照壁山(2 4 2 3 8 2 4 2 4 1 N,1 0 2 0 7 1 0 2 0 8 E),照壁山的云南松纯林为次生林经飞播造林后经营改造而成,海拔19 9 020 5 0m,典型高原山地丘陵地貌,代表性土壤为红壤,是云南省亚热带北部与亚热带南部的过渡地带,多年平均降水量10 5 0mm,降水主要集中在51 0月,最高气温3 2,最低气温1,年平均气温1 5。林区内
21、以云南松林(P i n u sy u n n a n e n s i s)为主,树龄约为3 0a,灌木主要有羊耳菊(I n u l ac a p p a)、栓皮栎(Q u e r c u sv a r i a b i l i s)等,草本主要有紫茎泽兰(A g e r a t i n aa d e n o p h o r a)、贯众(C y r t o m i u mf o r t u n e i)、四脉金茅(E u l a l i aq u a d r i n e r v i s)等。2 0世纪9 0年代末期,该区域制订了相对完善的计划烧除制度,并于每年1月下旬开展计划烧除工作,至今2 0余
22、年从未间断。1.2 样地布设与样品采集在照壁山上对该区域内林分类型、地质地貌及自然条件进行系统的调查,选择立地条件相似,平均树龄为3 0a且长势较好云南松林地为研究对象。以防火通道为分界分别布设计划烧除与未烧除的对照样地,在两个大样地内分别设置3块2 0m2 0m标准样地,每个样地设置3个采样点。将每个采样点地表凋落物和植被根系去除,按01 0c m,1 02 0c m,2 04 0c m和4 06 0c m土层分层取样,每层取1k g鲜土用于土壤基本理化性质测定,用6 1.8mm2 0mm直剪环刀采集直剪试验样品。土壤根系采用小样方挖掘法进行调查,在计划烧除和未烧除两块大样地内,选择45棵长
23、势较好的云南松林木为几何中心,距树干至少1.5m,分层挖掘,从上至下按土层依次取长、宽、高为2 0c m2 0c m1 0c m土样,挑拣出土样内根系,带回实验室测定。1.3 试验方法土壤根系测定:将根系置于0.2 5mm筛子中冲512第6期 杨馥羽等:计划烧除对云南松林土壤抗剪性能的影响洗,洗出后于6 5条件下烘干至恒重,用游标卡尺三段法将根系按照径级(粗根51 0 mm;中根25mm;细根02mm)分类,用直接法测量根系长度,分别称重并计算根系生物量密度和根长密度。土壤基本理化性质采用常规法进行测定:土壤容重采用环刀法测定,土壤含水率采用烘干法,土壤有机质采用重铬酸钾外加热法,土壤机械稳定
24、性团聚体和水稳性团聚体采用干筛法和湿筛法,土壤p H值采用电极法。土壤抗剪性能测定:采用室内应变控制式直剪仪来测定。试验剪切速率为0.8mm/m i n,分别设置不同的垂直压力为5 0,1 0 0,1 5 0,2 0 0k P a,记录试样在上、下盒的剪切面上产生剪切变形直至破坏过程中最大剪切力,若剪切力没有出现峰值,则设定剪切时间为1 0m i n。根据试验数据,绘制土壤抗剪强度与垂直压力关系图,根据摩尔库仑定律计算土壤黏聚力、内摩擦角,计算公式如下:=C0R01 0/A0(1)式中:为土壤抗剪强度(k P a);R0为计量表读数(0.0 1mm);C0为测力环系数;A0为剪切盒面积(c m
25、2)。根据公式(1)计算出土壤抗剪强度,并绘制土壤抗剪强度与垂直压力关系图,根据摩尔库仑定律计算土壤黏聚力、内摩擦角。=t a n+C(2)式中:为土壤抗剪强度(k P a);为垂直荷载(k P a);为土壤内摩擦角();C为土壤黏聚力(k P a)。1.4 数据处理与分析采用E x c e l和S P S S2 1.0进行数据统计分析,并用O r i g i n9.0和C a n o c o5.0绘制图形。2 结果与分析2.1 计划烧除对土壤根系分布的影响2.1.1 计划烧除对土壤根系生物量密度分布特征的影响 根系生物量密度表示单位体积土壤中根系干重,是评价森林群落结构与功能的重要指标。长期
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