Effects of Pile Burning on Soil Nutrient Contents in a Harvested Pinus massoniana Plantation
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摘要:目的
研究堆烧马尾松疫木采伐剩余物对土壤养分的短期影响，为制定科学的林地土壤肥力保持和植被恢复措施提供理论依据。
方法以中亚热带马尾松采伐迹地为研究对象，在堆烧1 d后采集未火烧对照和火堆不同位置（中心、边缘）的0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土壤，测定土壤pH、含水量、有机质、全碳（C），以及氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）、铁（Fe）、锰（Mn）和铝（Al））全量和有效态含量，并计算Fe/Mn、Ca/Al、Ca/Mg和SPAR值。
结果①与未火烧土壤相比，堆烧后土壤pH、有效K、有效Ca含量和Ca/Mg值分别显著提高了3.19%、50.83%、56.13%和28.01%。②火堆中心处的土壤质量含水量、有机质、全C和全N含量分别显著降低了14.66%、15.90%、19.97%和17.25%，而土壤Ca/Al值显著提高了107.01%；火堆边缘处的土壤质量含水量、有机质、全C含量和Ca/Al值与未火烧土壤无显著差异。③火堆中心处的0 ~ 5 cm土壤有效P含量显著提高了67.88%，而堆烧对5 ~ 10 cm土壤有效P含量无显著影响。④堆烧对土壤全量P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Al、Na、Fe/Mn和SPAR值均无显著影响。⑤主成分分析结果显示，堆烧显著改变了0 ~ 5 cm土壤性质，且土壤全C是驱动土壤性质变化的主要因子。
结论堆烧在短期内提高了马尾松林土壤P、K和Ca元素的有效性，且火干扰后的植被恢复措施应重点考虑火堆中心位置。
Abstract:ObjectiveThe aim was to investigate the short-term effect of piled burning nematode-infected harvest residues of Pinus massoniana on soil nutrient availability, in order to provide insightful information for maintaining soil fertility and enhancing vegetation restoration in the burnt plantation.
MethodSoils were collected at 0 ~ 5 and 5 ~ 10 cm depth from the unburnt area and different positions (center and edge) of the post-fire piles one day after burning in a recently harvested P. massoniana in mid-subtropical China. Soil pH, moisture content, organic matter, total carbon (C), the total and available contents of (N, P, K, Ca, Mg, Na, Fe, Mn, and Al) were measured, and Fe/Mn, Ca/Al, Ca/Mg, and SPAR were also calculated.
Result① Soil pH, available K and Ca concentrations, and Ca/Mg in the burnt area were significantly increased by 3.19%, 50.83%, 56.13%, and 28.01% compared to the unburnt control. ② Soil moisture, organic matter, total C and total N concentrations in the center of the piles were significantly reduced by 14.66%, 15.90%, 19.97%, and 17.25%, respectively. However, the burning increased soil Ca/Al ratio by 107.01%. There was no significant difference in soil moisture, organic matter, and total C concentrations as well as the Ca/Al ratio between the edge of the burnt pile and the control. ③ Soil available P concentration at 0 ~ 5 cm depth in the center of the pile was significantly increased by 67.88% than that of the unburnt control, while no significant change was observed in the 5 ~ 10 cm soil. ④Pile burning had no significant effect on soil total P, K, Ca, Mg, Na, Fe, Mn, and Al concentrations, and Fe/Mn and SPAR. ⑤The principal component analysis showed that pile burning changed soil properties at the 0 - 5 cm but not the 5 - 10 cm soil layer, and soil total C was the key factor driving the change in soil properties.
ConclusionPile burning improved the availabilities of P, K and Ca in recently harvested P. massoniana plantations in the short term, and the center of piles should be taken into account in maintaining forest fertility and restoring vegetation.
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Keywords:
- Pile burning /
- Pinus massoniana /
- Soil nutrient /
- Availability /
- Element ratio
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【研究意义】马尾松（Pinus massoniana）是我国南方重要的先锋树种和速生用材树种，具有耐干旱耐贫瘠、生长快等特点。第九次全国森林资源清查结果显示，我国马尾松林面积达8.04 × 106 hm2。然而，自1982年在我国首次发现松材线虫病以来，包括马尾松在内的乡土松种染病面积不断加大[1]。就地烧除马尾松疫木采伐剩余物是防止松材线虫病蔓延的有效措施[2]。在皆伐后的马尾松林采伐迹地，一般采用漫烧的方式清理林地中的马尾松疫木采伐剩余物[3]；而在天然林或混交林中，为避免伤害健康松树和其他阔叶树种，多采用堆烧的方式将马尾松疫木采伐剩余物就地烧除。堆烧是一种经济有效的疫木处理措施，可以控制森林病虫害的传播，是森林管理者进行森林保护和维持森林健康的重要手段[4]。【前人研究进展】土壤养分是评价土壤肥力和影响植物生长状况的重要因子[5]。研究表明，火烧能在短期内显著改变土壤全量和有效态养分含量。申航等[6]在针阔混交林研究发现，低强度火烧一周后土壤全氮（N）和全磷（P）显著下降。Magallanes等[7]研究发现，低至中等强度火烧1 d后，热带高草草原土壤有效态钙（Ca）、钾（K）和镁（Mg）含量显著增加，而土壤有效铝（Al）含量显著降低。Fernández-García等[8]研究不同强度野火对地中海松林土壤性质的短期影响，结果发现中等和高强度火烧后土壤有效P含量显著增加。火烧强度是影响火后土壤养分含量变化的关键因子[9] 。有研究表明，土壤有效N和P含量随火烧强度增加而增加[9−10]。在堆烧过程中，火烧强度因火堆位置而异，火烧强度从火堆中心到边缘逐渐降低[11]。Esquilín等[12]在美国落基山脉松林的研究发现，与未火烧土壤相比，火堆中心和边缘处的土壤有效N含量显著升高；火堆中心处的土壤有效P含量显著高于未火烧土壤，而火堆边缘处的土壤有效P含量与未火烧土壤无显著差异。Johnson等[13]在美国内华达州松林的研究发现，堆烧后土壤有效N含量显著升高，而火堆中心和边缘处的土壤有效P含量与未火烧土壤均无显著差异。土壤养分元素比值是表征土壤质量的重要指标，如土壤Ca/Al能反映土壤肥力状况和环境胁迫（如Al毒等）程度[14]，土壤Ca/Mg是表征土壤结构稳定性的间接指标[15]。铁（Fe）和Mn平衡在植物代谢中起重要作用，土壤Fe/Mn能调控植物的健康和生长[16]。土壤钠（Na）和K吸附比（SPAR）能反映盐分离子对粘土分散性的影响，火烧后由于有机物矿化作用增加，SPAR通常会增大[15]。研究土壤养分元素比值对于指导火干扰后初期林地生态系统恢复至关重要。目前国内外关于林火对土壤元素比值的影响研究多集中在土壤C/N和N/P[17−18]，对土壤其他养分元素比值的研究较少。【本研究切入点】由于燃烧条件和环境因子等条件的差异，堆烧对土壤养分的影响表现出空间异质性。目前关于堆烧后不同火堆位置处的土壤养分状况尚不清楚。【拟解决的问题】本研究以中亚热带马尾松林采伐迹地为研究对象，分析堆烧1 d后未火烧土壤和火后烧堆不同位置（中心、边缘）土壤pH、质量含水量、有机质、全C、养分元素（N、P、K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn和Al）的全量和有效态含量及其比值的差异，研究马尾松采伐剩余物堆烧对土壤养分有效性的影响，探究火烧后不同烧堆位置处的土壤养分特征，旨在揭示中亚热带马尾松林火烧迹地土壤养分循环和地力维持机制，以期为火烧干扰后马尾松林地土壤肥力保持和植被恢复制定科学的管理措施提供理论参考。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于福建省福州市罗源县国有林场（119°32′ E，26°27′ N），属中亚热带季风气候，温暖湿润，雨量充沛，年均气温19.0℃，年均降水量1645.0 mm，年均日照时间1747.9 h，年平均相对湿度79%，无霜期296 d。试验地为36 a生马尾松人工林采伐迹地，土壤类型为红壤，土层厚度80 cm，坡度为22°。林下植被主要有福建青冈（Cyclobalanopsis chungii）、芒萁骨（Dicranopteris dichotoma）、狗脊（Woodwardia japonica）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、黄瑞木（Adinandra millettii）等。
1.2 试验设计
2022年2月对试验地内的马尾松疫木进行皆伐，将疫木树干运到专门场所进行处理后，对林地内的马尾松采伐剩余物则进行堆烧处理。为避免地形差异等因素影响，在同一坡向、相近坡度的位置分别设置10个形状、大小相似的火堆（平均直径为2.33 m）。可燃物由马尾松疫木采伐剩余物及其枯落物和其他少量杂木构成，平均可燃物载量约为11.32 kg m–2。于2022年3月2日对马尾松疫木采伐剩余物进行堆烧处理（图1），火烧后产生的灰分量约为481.48 g m–2。火堆不同位置，即火堆中心（以火堆中心为圆点，半径30 cm范围）、火堆边缘（火堆外缘以内20 ~ 30 cm范围）和未火烧土壤（距离火堆外缘3 ~ 5 m）代表不同火烧强度梯度，每个梯度有10个重复。
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图 1 堆烧马尾松疫木采伐剩余物Figure 1. The piled burnt residues of the nematode-infected harvest of Pinus massoniana1.3 样品采集与分析
2022年3月3日（堆烧1 d后），移除表面灰分后，在火堆不同位置和旁边未火烧处，按0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm分别进行5点均匀取样，之后按火烧强度混合为一份样品，火堆中心、火堆边缘和未火烧土壤各10个重复，共计60份土样。将土样运回实验室后，移除根、石砾等杂物后过2 mm筛。过筛后的土壤样品自然风干，用于测定土壤pH、质量含水量、有机质、全C和养分元素的全量和有效态含量。
按水土比2.5∶1混匀后，用pH计（Starter 3100，美国）测定土壤pH；土壤有机质采用灼烧法（重量法）[19]测定；土壤全C和全N含量采用元素分析仪（Vario ISOTOPE cube，德国）测定；土壤全P含量用H2SO4-HClO4消煮、钼锑抗比色法测定（LY/T 1232—1999）；用电感耦合等离子体发射光谱仪（PE Optima 8000，美国）测定土壤养分元素（K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Al）全量；用HCl-H2SO4浸提、钼锑抗比色法测定土壤有效P含量（LY/T 1233—1999）；参照AB-DTPA浸提法（1 mol L–1 NH4HCO3-0.005 mol L–1 DTPA）浸提，用ICP-OES（PE Optima 8000，美国）测定土壤养分元素（K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Al）有效态含量。土壤SPAR的计算公式如下[20]：
$$ {SPAR=}{(}{Na + K}{)}/{{(}{Ca + Mg}{)}}^{{1}/{2}} $$ (1) 式中，SPAR为土壤钠钾吸附比（无量纲），Na、K、Ca和Mg分别表示这四种元素的有效态含量（mg kg–1）。
1.4 数据处理
采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）检测烧堆位置、土层及其交互作用对土壤理化性质、养分元素全量和有效态含量及其比值的影响，采用最小显著性差异法（LSD）进行事后检验（α = 0.05）。对处理间差异显著的土壤因子进行主成分分析（PCA），按照特征值大于1的标准筛选主成分，确定驱动不同处理土壤性质差异的主要因子。所有统计分析及可视化均在R（v4.1.1）中进行。
2. 结果与分析
2.1 采伐剩余物堆烧对土壤理化性质的影响
如图2所示，不同堆烧位置处的土壤pH、质量含水量、有机质和全C含量存在显著差异（P < 0.05），烧堆位置和土层的交互作用对土壤基本理化性质无显著影响（P > 0.05）。在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层，火堆中心和火堆边缘土壤pH分别比未火烧土壤显著升高了3.78%和2.60%（图2a）；堆烧对土壤质量含水量、有机质和全C的影响因火堆位置而异（图2b-d），与未火烧土壤相比，火堆中心处的土壤质量含水量、有机质和全C含量分别显著降低了14.66%、15.90%和19.97%，而火堆边缘处的土壤质量含水量、有机质和全C含量与未火烧土壤无显著差异（P > 0.05）。不同土层质量含水量、有机质和全C含量存在显著差异（P < 0.001），0 ~ 5 cm土层质量含水量、有机质和全C含量显著高于5 ~ 10 cm土层。土壤pH在土层间无显著差异（P > 0.05）。
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图 2 堆烧对土壤pH、质量含水量、有机质和全碳的影响不同大写字母表示同一土层不同处理间存在显著差异（P < 0.05），不同小写字母表示同一处理不同土层间存在显著差异（P < 0.05）。下同。Figure 2. Effects of pile burning on soil pH, moisture content, organic matter and total carbon content2.2 采伐剩余物堆烧对土壤养分元素全量的影响
不同堆烧位置和土层的交互作用对土壤养分元素全量无显著影响（P > 0.05）。除土壤全N外，堆烧对其他养分元素全量均无显著影响（表1），说明土壤全N对堆烧的响应更为敏感。在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层，火堆中心处的土壤全N含量比未火烧土壤显著降低了17.25%；相比未火烧土壤，堆烧后的土壤全量K、Ca、Mg、Fe、Mn和Al含量呈增加趋势，但差异均未达到显著性水平（P > 0.05）。不同土层全量N、P、K、Ca和Al含量存在显著差异（P < 0.05），其中0 ~ 5 cm土层全量N、P和Ca含量显著高于5 ~ 10 cm土层，而0 ~ 5 cm土层全量K和Al含量显著低于5 ~ 10 cm土层。不同土层全量Mg、Fe、Mn和Na含量无显著差异（P > 0.05）。
表 1 堆烧对土壤养分元素全量的影响（n=10）Table 1. Effects of pile burning on the total contents of soil nutrient elements (n=10)土层 (cm)
Soil depth位置
LocationN
(g kg–1)P
(g kg–1)K
(g kg–1)Ca
(g kg–1)Mg
(g kg–1)Fe
(g kg–1)Mn
(g kg–1)Al
(g kg–1)Na
(g kg–1)0 ~ 5 中心 3.54 ± 0.22 Ba 0.50 ± 0.02 Aa 4.33 ± 0.19 Ab 0.56 ± 0.07 Aa 1.48 ± 0.06 Aa 11.00 ± 0.48 Aa 0.53 ± 0.16 Aa 31.12 ± 1.29 Ab 0.18 ± 0.01 Aa 边缘 4.12 ± 0.28 ABa 0.52 ± 0.03 Aa 4.35 ± 0.18 Ab 0.55 ± 0.05 Aa 1.58 ± 0.08 Aa 11.56 ± 0.58 Aa 0.51 ± 0.08 Aa 31.81 ± 1.59 Ab 0.19 ± 0.01 Aa 对照 4.53 ± 0.27 Aa 0.55 ± 0.02 Aa 4.07 ± 0.23 Ab 0.47 ± 0.05 Aa 1.48 ± 0.09 Aa 10.87 ± 0.72 Aa 0.41 ± 0.06 Aa 29.48 ± 1.49 Ab 0.18 ± 0.01 Aa 5 ~ 10 中心 2.52 ± 0.16 Bb 0.39 ± 0.03 Ab 4.62 ± 0.23 Aa 0.34 ± 0.04 Ab 1.61 ± 0.11 Aa 11.81 ± 0.83 Aa 0.47 ± 0.16 Aa 34.99 ± 2.11 Aa 0.20 ± 0.01 Aa 边缘 2.74 ± 0.08 ABb 0.43 ± 0.02 Ab 4.58 ± 0.14 Aa 0.36 ± 0.03 Ab 1.57 ± 0.08 Aa 11.17 ± 0.56 Aa 0.39 ± 0.06 Aa 33.31 ± 1.55 Aa 0.19 ± 0.01 Aa 对照 2.78 ± 0.12 Ab 0.41 ± 0.03 Ab 4.54 ± 0.20 Aa 0.30 ± 0.03 Ab 1.50 ± 0.13 Aa 10.94 ± 0.94 Aa 0.33 ± 0.05 Aa 33.08 ± 1.98 Aa 0.20 ± 0.03 Aa 注：表中数据均以平均值 ± 标准误差表示。不同大写字母表示同一土层不同处理间存在显著差异（P < 0.05），不同小写字母表示同一处理不同土层间存在显著差异（P < 0.05）。 2.3 采伐剩余物堆烧对土壤养分元素有效态含量的影响
不同堆烧位置和土层的交互作用对土壤有效P存在显著影响（P < 0.05），而对其余有效态养分元素含量均无显著影响（P > 0.05）（表2）。堆烧对土壤有效态P、K和Ca含量有显著影响（P < 0.05）。堆烧对土壤有效P的影响因土层而异（图3a），在0 ~ 5 cm土层，与未火烧土壤相比，火堆中心处的土壤有效P含量显著提高了67.88%，而堆烧对5 ~ 10 cm土壤有效P含量没有显著影响（P > 0.05）。在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层，火烧后土壤有效态K和Ca含量显著提高了50.83%和56.13% （图3b-c）；火烧后0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土壤有效态K和Ca含量显著高于未火烧土壤（P < 0.05）。火烧后土壤有效态Mg、Mn和Na含量增加（图3d, 3f, 3h），土壤有效态Fe和Al含量呈下降趋势（图3e, 3g），但差异均未达到显著性水平（P > 0.05）。不同土层土壤有效态K、Ca、Mg、Fe、Mn和Al含量存在显著差异（P < 0.01），其中0 ~ 5 cm土层土壤有效态K、Ca、Mg、Fe、Mn含量显著高于5 ~ 10 cm土层，而0 ~ 5 cm土壤有效态Al含量显著低于5 ~ 10 cm土壤。不同土层有效态P和Na含量无显著差异（P > 0.05）。
表 2 火堆位置和土层对土壤有效态养分元素的双因素方差分析结果Table 2. Tow-way ANOVA results for the effects of pile location and soil layer on soil available nutrient elements因素
FactorANOVA P K Ca Mg Fe Mn Al Na 位置 F 4.871 4.871 7.322 3.029 2.573 0.351 1.325 0.403 P 0.011* 0.012* 0.001** 0.057 0.086 0.705 0.274 0.670 土层 F 0.654 38.508 41.298 72.395 8.233 20.380 44.525 2.460 P 0.422 0.000*** 0.000*** 0.000*** 0.005** 0.000*** 0.000*** 0.123 位置 × 土层 F 3.519 0.418 1.677 1.216 1.375 0.016 0.234 0.239 P 0.037* 0.661 0.197 0.305 0.262 0.984 0.792 0.788 注：*表示P < 0.05，**表示P < 0.01，***表示P < 0.001。 ![]()
图 3 堆烧对土壤养分元素有效态含量的影响Figure 3. Effect of pile burning on the available contents of soil nutrient elements2.4 采伐剩余物堆烧对土壤养分元素比值的影响
由图4可见，堆烧对土壤Ca/Al和Ca/Mg值有显著影响（P < 0.05）。在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层，堆烧对土壤Ca/Al的影响因位置而异（图4b），火堆中心处的土壤Ca/Al值较比未火烧土壤增加了107.01%，而火堆边缘处的土壤Ca/Al值与未火烧土壤无显著差异（P > 0.05）；火堆中心和边缘处的土壤Ca/Mg比未火烧土壤分别显著增加了30.14%和25.89%（图4c）。堆烧对土壤Fe/Mn和SPAR值均无显著影响（P > 0.05）（图4a, 4d）。不同土层土壤Ca/Al和SPAR值存在显著差异（P < 0.001），0 ~ 5 cm土壤Ca/Al和SPAR值均显著高于5 ~ 10 cm土壤。不同土层Fe/Mn和Ca/Mg值无显著差异（P > 0.05）。
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图 4 堆烧对土壤有效态养分元素比值的影响Figure 4. Effect of pile burning on the ratios of soil available nutrients2.5 采伐剩余物堆烧对马尾松林土壤性质的影响分析
主成分分析结果表明，堆烧后土壤性质发生了显著改变（图5）。如表3所示，在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层，主成分1、2和3的累计贡献率量均达到大于85%，说明前三个主成分（P1、P2和P3，表3和表4）可以代表土壤性质的绝大部分信息。在0 ~ 5 cm土层，前三个主成分共同解释了总方差的85.17%，前两轴各占46.63%和23.78%（表3）。从图5a可以看出，第一轴区分了火堆中心处和未火烧土壤样本，这是由于堆烧后土壤pH及有效P、K和Ca含量显著增加，以及土壤质量含水量、有机质、全C和全N含量减少（图2，图3和表2）。土壤全C是导致火堆中心处和未火烧土壤差异的关键因子。PC2主要与土壤有效态K含量和Ca/Al值变化有关。在5 ~ 10 cm土层，前三个主成分共同解释了总方差的85.62%。前两轴分别占50.32%和26.30%（表3），主要与土壤有机质、pH值和有效P含量的变化有关，但不同处理间土壤样本无明显分离（表4，图5b），这表明堆烧对5 ~ 10 cm土壤性质无显著影响。
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图 5 土壤理化性质和养分元素的主成分分析MC：质量含水量；OM：有机质；TC：全碳；TN：全氮；AP：有效磷；AK：有效钾；Aca：有效钙；Ca/Al：有效钙/有效铝；Ca/Mg：有效钙/有效镁。实心圆、菱形和三角形分别代表火堆中心、火堆边缘和未火烧对照土壤样本。Figure 5. Principal component analysis of soil physiochemical properties and nutrients表 3 各主成分特征值、方差占比和累计贡献量Table 3. Eigenvalue, variance proportion and cumulative contribution of each principal component土层 (cm)
Soil depth参量
Parameter主成分
Principal componentPC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PC8 PC9 PC10 0 ~ 5 特征值 4.6630 2.3783 1.4761 0.5505 0.3886 0.2573 0.1737 0.0561 0.0403 0.0161 方差占比 (%) 46.63 23.78 14.76 5.51 3.89 2.57 1.74 0.56 0.40 0.16 累计贡献量 (%) 46.63 70.41 85.17 90.68 94.57 97.14 98.88 99.44 99.84 100 5 ~ 10 特征值 5.0322 2.6296 0.9000 0.6621 0.3231 0.1807 0.1269 0.0686 0.0572 0.0196 方差占比 (%) 50.32 26.30 9.00 6.62 3.23 1.81 1.27 0.69 0.57 0.19 累计贡献量 (%) 50.32 76.62 85.62 92.24 95.47 97.28 98.55 99.24 99.81 100 表 4 前三个PCA主成分土壤因子载荷系数Table 4. Soil parameter loadings of the first three principal components of PCA土壤因子
Soil parameter0 ~ 5 cm 5 ~ 10 cm PC1 PC2 PC3 PC1 PC2 PC3 pH −0.255 −0.031 −0.568 −0.026 0.379 0.687 MC 0.349 −0.102 −0.243 −0.346 −0.267 0.182 OM 0.350 −0.389 −0.036 −0.233 −0.480 0.056 TC 0.386 −0.309 −0.020 −0.330 −0.364 −0.010 TN 0.356 −0.375 −0.113 −0.365 −0.288 0.072 AP −0.225 −0.152 0.631 0.253 −0.047 −0.538 AK −0.219 −0.491 0.110 −0.383 0.194 −0.233 ACa −0.328 −0.396 −0.101 −0.362 0.308 −0.073 Ca/Al −0.323 −0.423 0.013 −0.341 0.314 −0.369 Ca/Mg −0.321 −0.027 −0.428 −0.354 0.325 −0.030 注：MC：质量含水量；OM：有机质；TC：全碳；TN：全氮；AP：有效磷；AK：有效钾；Aca：有效钙；Ca/Al：有效钙/有效铝；Ca/Mg：有效钙/有效镁。荷载系数为正表示变量与该主成分为正相关关系，反之。粗体表示最高的载荷系数（载荷系数绝对值大于0.4）。 3. 讨论
3.1 采伐剩余物堆烧对土壤理化性质的影响
火烧后由于林地植被覆盖减少以及黑炭等吸热燃烧产物的累积，引起地表温度升高，从而导致土壤含水量发生改变[21]。本研究发现，火堆中心处的土壤质量含水量显著降低，这是由于火堆中心处燃烧时产生的高温导致土壤水分蒸发引起的。火后土壤pH显著升高，这与Johnson和Johnson[16]的研究结果一致，一方面是由于有机质燃烧过程中产生了大量碱性化合物，另一方面有机物的氧化过程消耗了土壤中的部分有机酸，从而导致火后土壤pH升高。土壤有机质是土壤养分的重要来源[22]，燃烧过程会直接消耗土壤有机质，同时释放出有机质中的养分元素，土壤有机质损失量和养分释放量取决于火烧强度[23]。本研究发现堆烧后火堆中心处的土壤有机质含量显著低于未火烧土壤，而火堆边缘处的土壤有机质含量与未火烧土壤无显著差异，这是由于燃烧过程中火堆中心处温度比边缘处高，导致更多的土壤有机质热解损失。曾素平等[24]研究也发现，亚热带4种次生林土壤有机质含量随火烧强度的增大而减少。此外，火堆中心处的土壤全C含量显著低于未火烧土壤，这与Esquilín等[12]和Johnson等[13]的研究结果一致，可能是由于火烧引起微生物和植物根系的死亡以及土壤中有机质的热解损失引起的。
3.2 采伐剩余物堆烧对土壤养分元素含量的影响
前人研究发现土壤全N含量对火烧的响应与火烧强度有关，高强度火烧能导致土壤全N含量显著降低[25]，而低强度火烧后土壤全N含量无显著变化[26]，或增加[27]。本研究中，火堆中心处的土壤全N含量显著低于未火烧土壤，而火堆边缘处的土壤全N含量与未火烧土壤无显著差异，这与Johnson等[13]的研究结果一致，可能是由于火堆中心处的火烧强度高于火堆边缘处。而Ross等[28]在美国圆柏林的研究发现，堆烧后短期内0 ~ 2 cm土壤全N含量显著高于未火烧土壤。由于火烧对土壤N库的影响受火烧强度、生态系统类型、研究时间尺度等多方面因素的综合作用，因而具有很大不确定性[29]。
土壤有效态养分是表征土壤肥力的重要指标，对植物生长有显著影响[30]。有研究报道，计划火烧可以提高土壤养分的有效性[31]。本研究结果表明，火后0 ~ 5 cm土壤有效P含量升高，可能是由于燃烧过程中有机质矿化的直接效应和堆烧后pH升高的间接效应，从而导致了土壤有效P含量增加[32]。堆烧对5 ~ 10 cm土壤有效P含量无显著影响，这说明堆烧对土壤有效P的影响与土层有关，可能是因为火堆边缘处和下层土壤的温度较低，因而对土壤有效P含量无显著影响。而申航[6]等在亚热带针阔混交林发现，火烧后一周0 ~ 10 cm土壤有效P含量无显著变。本研究还发现，堆烧后土壤有效态K和Ca含量显著增加，这与Chungu等[33]的研究结果一致。这是由于火烧后灰分的输入向表层土壤中释放了更多养分元素，从而增加了土壤有效态养分含量。本研究中堆烧后土壤有效态Fe、Mn和Al含量与未火烧土壤无显著差异。Johnson和Johnson[16]在美国内华达州森林研究结果发现，松树堆烧后土壤有效态Mn含量显著增加，这是由于森林凋落物中的Mn含量较高，并以结晶或有机物分解的形式从灰烬中释放。目前火烧对土壤Fe、Mn和Al等微量元素的影响尚不清楚，还需要更多的研究证实。本研究表明，堆烧后土壤P、K和Ca的有效性显著增加，提高了马尾松林土壤肥力，为火后初期植被恢复提供了有利条件。
3.3 采伐剩余物堆烧对土壤养分元素比值的影响
土壤养分元素比值是表征土壤质量状况（如土壤结构稳定性等）的重要指标[16, 20]。土壤Ca/Mg能反映土壤结构特征，由于Mg2 + 的水合半径较大，Ca2 + 的絮凝能力高于Mg2 + [15]，所以土壤中较多的Ca2 + 更有利于土壤结构稳定。本研究发现，堆烧显著提高了表层土壤的Ca/Mg值。这与张秋霞等[34]关于马尾松采伐迹地漫烧处理的研究结果一致，这是由于火烧后有效态Ca含量的增加程度大于有效态Mg。而Pereira等[15]在草原野火的研究中发现，火烧后土壤Ca/Mg值显著降低，这是由于火烧对土壤有效态Mg和Ca含量的相对影响因生态系统而异。土壤Ca/Mg值还能影响其他养分元素（如N、P等）的有效性[35−36]。土壤中溶解态Al对植物具有毒性，其含量过高会抑制植物养分吸收能力而限制植物生长。土壤中的Ca可增强植物抗Al毒能力，因此，土壤中的Ca较多有利于植物生长[37]。有研究表明，温带樟子松林火烧1天后土壤Ca/Al值显著升高，这是由于火烧后土壤有效态Ca增加程度高于Al[14]。本研究中，随着火烧强度的增加，土壤Ca/Al值逐渐升高，火堆中心土壤Ca/Al值显著高于未火烧土壤。这是由于火堆中心处较高强度火烧降低了土壤中有效态Al，同时提高了Ca的有效性，说明堆烧后不同位置土壤养分含量具有异质性，其对火后植被恢复的影响还有待研究。Na吸附比（SAR）用于确定盐对粘土分散的影响。Na和K是具有高分散土壤粘土能力的元素[38]，有研究表明，火烧后Na和K含量显著增加，对土壤结构稳定性有显著影响[39]。也有研究发现，低强度火烧后土壤SPAR值无显著变化[15]。本研究中，土壤SPAR对堆烧响应不敏感，这可能是由于Ca和Mg含量显著增加，而Na和K含量无显著变化，从而导致SPAR值无显著变化。本研究表明，适宜的火烧强度可改善土壤养分状况，今后应深入探究火烧强度（如烧堆大小和可燃物种类等）对土壤养分元素有效性及其生物地球化学循环的影响，为森林可燃物管理措施和土壤肥力维持提供理论支持。
4. 结论
马尾松疫木采伐剩余物堆烧显著改变了火烧后表层土壤理化性质和养分元素含量，火烧后土壤有效态P、K和Ca含量显著提高；而土壤有效态Mg、Na、Fe、Mn和Al含量无显著变化。堆烧对马尾松采伐迹地土壤有机质、全C、全N和Ca/Al的影响因火堆位置而异，主要影响在火堆中心。
本研究阐明了堆烧马尾松疫木采伐剩余物对土壤结构稳定性和养分有效性的短期影响，发现堆烧短期内可改善马尾松林土壤养分状况，本研究中的烧堆大小和可燃物载量可为未来森林可燃物管理提供参考。未来应长期监测土壤养分的动态变化以及植被恢复状况，探究马尾松火烧迹地土壤养分有效性与植被恢复特征的耦合机制。
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图 1 堆烧马尾松疫木采伐剩余物
Figure 1. The piled burnt residues of the nematode-infected harvest of Pinus massoniana
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图 2 堆烧对土壤pH、质量含水量、有机质和全碳的影响
不同大写字母表示同一土层不同处理间存在显著差异（P < 0.05），不同小写字母表示同一处理不同土层间存在显著差异（P < 0.05）。下同。
Figure 2. Effects of pile burning on soil pH, moisture content, organic matter and total carbon content
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图 3 堆烧对土壤养分元素有效态含量的影响
Figure 3. Effect of pile burning on the available contents of soil nutrient elements
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图 4 堆烧对土壤有效态养分元素比值的影响
Figure 4. Effect of pile burning on the ratios of soil available nutrients
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图 5 土壤理化性质和养分元素的主成分分析
MC：质量含水量；OM：有机质；TC：全碳；TN：全氮；AP：有效磷；AK：有效钾；Aca：有效钙；Ca/Al：有效钙/有效铝；Ca/Mg：有效钙/有效镁。实心圆、菱形和三角形分别代表火堆中心、火堆边缘和未火烧对照土壤样本。
Figure 5. Principal component analysis of soil physiochemical properties and nutrients
表 1 堆烧对土壤养分元素全量的影响（n=10）
Table 1 Effects of pile burning on the total contents of soil nutrient elements (n=10)
土层 (cm)
Soil depth位置
LocationN
(g kg–1)P
(g kg–1)K
(g kg–1)Ca
(g kg–1)Mg
(g kg–1)Fe
(g kg–1)Mn
(g kg–1)Al
(g kg–1)Na
(g kg–1)0 ~ 5 中心 3.54 ± 0.22 Ba 0.50 ± 0.02 Aa 4.33 ± 0.19 Ab 0.56 ± 0.07 Aa 1.48 ± 0.06 Aa 11.00 ± 0.48 Aa 0.53 ± 0.16 Aa 31.12 ± 1.29 Ab 0.18 ± 0.01 Aa 边缘 4.12 ± 0.28 ABa 0.52 ± 0.03 Aa 4.35 ± 0.18 Ab 0.55 ± 0.05 Aa 1.58 ± 0.08 Aa 11.56 ± 0.58 Aa 0.51 ± 0.08 Aa 31.81 ± 1.59 Ab 0.19 ± 0.01 Aa 对照 4.53 ± 0.27 Aa 0.55 ± 0.02 Aa 4.07 ± 0.23 Ab 0.47 ± 0.05 Aa 1.48 ± 0.09 Aa 10.87 ± 0.72 Aa 0.41 ± 0.06 Aa 29.48 ± 1.49 Ab 0.18 ± 0.01 Aa 5 ~ 10 中心 2.52 ± 0.16 Bb 0.39 ± 0.03 Ab 4.62 ± 0.23 Aa 0.34 ± 0.04 Ab 1.61 ± 0.11 Aa 11.81 ± 0.83 Aa 0.47 ± 0.16 Aa 34.99 ± 2.11 Aa 0.20 ± 0.01 Aa 边缘 2.74 ± 0.08 ABb 0.43 ± 0.02 Ab 4.58 ± 0.14 Aa 0.36 ± 0.03 Ab 1.57 ± 0.08 Aa 11.17 ± 0.56 Aa 0.39 ± 0.06 Aa 33.31 ± 1.55 Aa 0.19 ± 0.01 Aa 对照 2.78 ± 0.12 Ab 0.41 ± 0.03 Ab 4.54 ± 0.20 Aa 0.30 ± 0.03 Ab 1.50 ± 0.13 Aa 10.94 ± 0.94 Aa 0.33 ± 0.05 Aa 33.08 ± 1.98 Aa 0.20 ± 0.03 Aa 注：表中数据均以平均值 ± 标准误差表示。不同大写字母表示同一土层不同处理间存在显著差异（P < 0.05），不同小写字母表示同一处理不同土层间存在显著差异（P < 0.05）。 
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表 2 火堆位置和土层对土壤有效态养分元素的双因素方差分析结果
Table 2 Tow-way ANOVA results for the effects of pile location and soil layer on soil available nutrient elements
因素
FactorANOVA P K Ca Mg Fe Mn Al Na 位置 F 4.871 4.871 7.322 3.029 2.573 0.351 1.325 0.403 P 0.011* 0.012* 0.001** 0.057 0.086 0.705 0.274 0.670 土层 F 0.654 38.508 41.298 72.395 8.233 20.380 44.525 2.460 P 0.422 0.000*** 0.000*** 0.000*** 0.005** 0.000*** 0.000*** 0.123 位置 × 土层 F 3.519 0.418 1.677 1.216 1.375 0.016 0.234 0.239 P 0.037* 0.661 0.197 0.305 0.262 0.984 0.792 0.788 注：*表示P < 0.05，**表示P < 0.01，***表示P < 0.001。
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表 3 各主成分特征值、方差占比和累计贡献量
Table 3 Eigenvalue, variance proportion and cumulative contribution of each principal component
土层 (cm)
Soil depth参量
Parameter主成分
Principal componentPC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PC8 PC9 PC10 0 ~ 5 特征值 4.6630 2.3783 1.4761 0.5505 0.3886 0.2573 0.1737 0.0561 0.0403 0.0161 方差占比 (%) 46.63 23.78 14.76 5.51 3.89 2.57 1.74 0.56 0.40 0.16 累计贡献量 (%) 46.63 70.41 85.17 90.68 94.57 97.14 98.88 99.44 99.84 100 5 ~ 10 特征值 5.0322 2.6296 0.9000 0.6621 0.3231 0.1807 0.1269 0.0686 0.0572 0.0196 方差占比 (%) 50.32 26.30 9.00 6.62 3.23 1.81 1.27 0.69 0.57 0.19 累计贡献量 (%) 50.32 76.62 85.62 92.24 95.47 97.28 98.55 99.24 99.81 100
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表 4 前三个PCA主成分土壤因子载荷系数
Table 4 Soil parameter loadings of the first three principal components of PCA
土壤因子
Soil parameter0 ~ 5 cm 5 ~ 10 cm PC1 PC2 PC3 PC1 PC2 PC3 pH −0.255 −0.031 −0.568 −0.026 0.379 0.687 MC 0.349 −0.102 −0.243 −0.346 −0.267 0.182 OM 0.350 −0.389 −0.036 −0.233 −0.480 0.056 TC 0.386 −0.309 −0.020 −0.330 −0.364 −0.010 TN 0.356 −0.375 −0.113 −0.365 −0.288 0.072 AP −0.225 −0.152 0.631 0.253 −0.047 −0.538 AK −0.219 −0.491 0.110 −0.383 0.194 −0.233 ACa −0.328 −0.396 −0.101 −0.362 0.308 −0.073 Ca/Al −0.323 −0.423 0.013 −0.341 0.314 −0.369 Ca/Mg −0.321 −0.027 −0.428 −0.354 0.325 −0.030 注：MC：质量含水量；OM：有机质；TC：全碳；TN：全氮；AP：有效磷；AK：有效钾；Aca：有效钙；Ca/Al：有效钙/有效铝；Ca/Mg：有效钙/有效镁。荷载系数为正表示变量与该主成分为正相关关系，反之。粗体表示最高的载荷系数（载荷系数绝对值大于0.4）。
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