山火是影响森林生态系统稳定的重要干扰因素^[1]，在烧毁大量植物的同时也对森林土壤产生严重的干扰——能够改变土壤结构的同时使土壤孔隙度减少，破坏土壤的蓄水保水能力，导致地表径流加剧^[2-3]。森林土壤是自然更替发展的重要因子。火干扰对森林土壤产生的影响不容小觑。开展山火干扰对森林土壤的影响研究，对保障森林土壤资源的可持续性发展有重要意义^[2]。火干扰对森林土壤的影响较为复杂。目前学者多以土壤结构的变化来表证土壤生态系统是否受到影响^[4]，其中土壤团聚体稳定性是评估土壤结构稳定与退化的关键指标^[5]。已有的研究表明，增加改良剂、放牧和土地的不同利用模式会降低或者增强土壤团聚体的稳定性^[6]，而火干扰能够通过燃烧有机质和改变黏土矿物来引起土壤结构的改变，从而导致土壤团粒结构稳定性的破坏^[7]。Thomaz等^[8]研究林火对黏性土团聚体稳定性的影响时，发现土壤黏粒含量与团聚体稳定性呈负相关，即黏粒含量越低，火烧土壤团聚体稳定性越高；Sharifi等^[9]通过探讨火烧和改种葡萄园对土壤有机质、土壤团聚体粒径分布和稳定性的影响，发现重度火烧和耕作均降低团聚体的稳定性；Filialuna等^[10]针对森林火烧发生后短期间真菌对土壤团聚体的影响研究，得出山火的发生会提高土壤真菌的繁殖从而提高土壤团聚体的稳定性；刘发林等^[11]在研究火干扰对土壤物理性质影响中，得出轻度火干扰使土壤中大团聚体数量增加，小团聚体和原生土粒减少。目前关于火干扰对土壤团聚体的研究主要集中于林火后改良恢复手段及模拟观测火干扰对土壤团聚体的影响^[12]，国内关于山火对森林土壤团聚体稳定性的研究不多。

重庆缙云山于2022年8月21日发生林火，林火持续4 d。缙云山地处三峡库区尾端，是亚热带森林生态系统的重要代表。其中针阔叶混交林是该地区的典型林分。由于林分易燃性较强，为亚热带林区最易受火灾损害的森林类型。因此笔者选取缙云山山火后针阔混交林为研究对象，采用LB法对不同土层团聚体的变化进行测定和分析，探讨火干扰对土壤团聚体结构稳定性的影响，明晰森林土壤团聚体对火干扰的响应机制，旨为火烧迹地植被恢复和水土流失防治提供科学参考。

研究区位于重庆市北碚区的缙云山自然保护区内(E 106°17′~106°24′、N 29°41′~29°52′)，海拔200.0~952.5 m，地处长江上游流域分支嘉陵江畔，其下游为嘉陵江与长江交汇口。该地区气候属亚热带季风性湿润气候，年平均气温13.6 ℃，年平均相对湿度87%，冬夏干湿差异较小，平均年降水量一般在1 611.8 mm，夏雨最多，冬雨最少，年均蒸发量为777.1 mm。缙云山土壤呈酸性，pH在4.0~4.5之间，主要为黄壤和水稻土，由三迭纪须家河组厚层石英砂岩、炭质页岩和泥质砂岩为母质风化而成。主要树种有：马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、香樟(Cinnamonum caphora)、慈竹(Neosinocalamus affinis)等。经过实地和无人机联合踏查发现缙云山林火中度和重度火烧迹地多位于马尾松和杉木纯林或以马尾松和杉木为主的针阔混交林，林地内地表灌木和草本基本全部烧毁，部分乔木烧伤甚至烧死。

在研究区遴选火烧程度不同、立地条件基本一致的针阔混交林标准样地共12块(表 1)，样地面积均布设为20 m×20 m，其中轻度(S)、中度(M)和重度(L)火烧样地各3块，在周围选取未火烧样地(CK)3块。针阔混交林样地均是以马尾松为优势种，有少量杉木、山矾(Symplocos sumuntia)、香樟、大头茶(Gordonia axillaris)等。火干扰强度根据植被状况和熏黑高度进行划分^[13]：轻度火烧，10%以上树木被烧死或烧伤，40%树干熏黑高度2 m；重度火烧，80%以上树木被烧死或烧伤，熏黑高度为5 m以上；中度火烧介于二者之间。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic information of the sample sites 火干扰程度 Degree of fire interference 海拔 Elevation/ m 坡度 Slope/(°) 平均树高 Average tree height/m 平均胸径 Average diameter at breast height/cm 熏黑高度 Smoked height/m S 773 26 11.30 18.85 2.4 684 18 12.65 20.26 2.1 683 14 10.77 15.93 2.3 M 882 14 11.74 17.43 5.8 840 27 12.81 19.43 6.4 684 20 10.35 19.38 6.2 L 867 20 8.59 14.98 8.2 822 25 12.16 19.97 9.9 683 25 9.68 15.04 8.8 CK 845 11 11.22 20.33 0 814 17 11.71 23.72 0 675 15 12.08 21.14 0 注：S：轻度；M：中度；L：重度；CK：对照。下同。Notes：S：Mild；M：Moderate；L：Sevare；CK：Control check. The same below.

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic information of the sample sites

为及时反映火干扰对土壤团聚体稳定性的影响，减少采样前降雨、滑坡、人为等外界其他干扰因素对其的影响，在林火发生后2周立即进行土壤样品采集。在采样区内采用S型取样方法选择5个样点混合原始土壤样品，取样前将地表面的燃烧物与杂物清理干净，沿土壤表层剖面向下采集表层土壤(0~10 cm)和下层土壤(10~20 cm)的原状土于采样袋中，去除样品中的石粒和粗根，带回实验室风干，并手动将大块沿纹理掰成小块，利用干筛法^[14]选取3~5 mm的团聚体以备团聚体破碎实验使用。研究样地土壤理化基本性质见表 2。

表 2(Tab. 2)

表 2 土壤基本理化指标 Tab. 2 Basic physical and chemical indexes of soil 火干扰程度 Degree of fire interference 土壤深度 Soil depth/cm 土壤密度 Buck density/ (g·cm-3) 含水率 Water content/% pH 全氮 Total nitrogen/ (g·kg-1) S 0~10 1.19 16.94 4.34 1.03 10~20 1.27 13.99 4.35 0.53 M 0~10 1.17 15.54 4.25 1.53 10~20 1.34 15.86 4.31 0.83 L 0~10 1.25 12.25 4.23 1.27 10~20 1.13 13.82 4.30 0.80 CK 0~10 1.19 22.84 4.23 2.20 10~20 1.23 27.30 4.32 1.27

表 2 土壤基本理化指标 Tab. 2 Basic physical and chemical indexes of soil

根据土壤的物理学机制得出土壤团聚体发生崩解变化主要是因为在外界干扰下发生了由消散、黏粒膨胀和机械扰动所造成，故本研究采用LB法测定森林土壤团聚体稳定性^[15]。具体处理方法如下：

1) 快速湿润(fast wetting, FW)：模拟暴雨或者大雨；取5 g干筛备用土→快速浸没在50 mL去离子水中→10 min后用移液管将多余水分吸走。

2) 慢速湿润(slow wetting, SW)：模拟小雨；取5 g干筛备用土→放到垫有3 cm海绵(海绵提前浸在酒精中，淹没至海绵5/6处)滤纸上→静置30~40 min。

3) 湿润震荡(wet stirring, WS)：模拟机械扰动；取5 g干筛备用土→浸没在50 mL酒精中→10 min后用移液管吸走酒精→土壤转入盛有50 mL去离子水的500 mL三角瓶中→加水至200 mL，塞紧瓶口上下颠倒20次(每次大约2 s)→静置30 min→用移液管吸出多余水分。

将上述3种方法处理后的土壤团聚体进行粒径分级，步骤如下：1)用酒精洗入预先浸在酒精中50 μm孔径的筛子上，均匀用力上下震荡20次，振幅约为2~3 cm；2)用酒精将团聚体洗入干燥的铝盒中，置于40 ℃烘箱中烘干至恒量；3)将烘干土壤依次过2.00、1.00、0.50、0.25、0.10和0.05 mm的筛，用分析天平称量各级团聚体的质量。

土壤团聚体稳定性一般通过团聚体平均质量直径(mean weight diameter, MWD)进行评价^[16]。因此，采用MWD指标及通过MWD指标计算相对消散指数(relative slaking index, RSI)、相对机械破碎指数(relative mechanical breakdown index, RMI)和团聚体特征参数(K_a)^[17]来评价火干扰下对土壤团聚体的结构稳定性的影响。采用Excel 2016和SPSS 26软件进行数据整理和分析，Origin 2021软件进行绘图，运用单因素方差分析(One-way ANOVA)中的最小显著差法LSD检验数据显著性差异。

MWD是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD值越大团聚体越稳定，计算式为：

式中：D_M为平均质量直径，mm；x_i为任一粒径范围内土壤平均直径，mm；w_i为第i级土壤团聚体质量占总团聚体质量的质量分数，%。

不同破碎机制下土壤团聚体破碎后粒级分布情况如图 1所示，可知不同火烧程度下土壤团聚体破碎程度存在一定差异。在FW处理下，不同火烧程度下表层土壤相对于CK>0.50 mm的水稳性团聚体比例均有所降低，其中S火烧地降幅最大，为20.80%，M火烧地次之，为1.45%，L火烧地基本不变，且L火烧地＞0.50 mm的水稳性团聚体比例最大(82.23%)，是M火烧地的1.01倍，是S火烧地的1.33倍；下层土壤与表层土壤特征相似，>0.50 mm水稳性团聚体比例均表现出S＜M＜L＜CK，且各火烧地降幅均小于表层土壤，S、M和L分别降低18.31%、11.63%和6.63%，L火烧地＞0.50 mm的水稳性团聚体比例是M火烧地的1.08倍，是S火烧地的1.22倍。SW处理下，火干扰地相对于CK表层土壤>0.50 mm的水稳性团聚体比例均有所降低，S、M和L分别降低2.94%、1.51%和1.59%，而下层土壤中除M火烧地>0.50 mm的水稳性团聚体质量分数有所升高，但增幅不大，为1.01%，其他均降低，S火烧地降低最为明显，为3.68%。WS处理下，3个火烧程度下各土层土壤团聚体>0.50 mm的水稳性团聚体结果与SW处理下相似，S火烧地表层土壤降幅最大，为18.87%，L火烧表层土壤降幅最小，为1.51%。

图 1(Fig. 1)

FW: fast wettingtreatment; SW: slow wetting treatment; WS: wetting shock treatment 图 1 LB法的3种处理下不同火干扰程度土壤水稳性团聚体粒级分布 Fig. 1 Particle size distribution of soil aggregates with different degrees of fire interference under three treatments of LB method

土壤团聚体在不同的火干扰条件下采取不同的处理方式呈现出的破碎程度存在差异。在SW处理下＞0.50 mm土壤团聚体比例最高，在表层土壤和下层土壤中，大团聚体比例均在93.6%以上。有学者常用＞0.25 mm土壤团聚体含量作为土壤稳定性的指标，在3种处理下，SW处理下＞0.25 mm土壤团聚体含量最高，达到98%以上，说明其对土壤的破坏能力最小，其中S火烧地＞0.25 mm团聚体含量显著低于其他火烧地，土壤微团聚体粒(< 0.25 mm的土壤团聚体)增多，WS处理和FW处理也有相似的规律。

根据LB法的标准，团聚体稳定可以分为极稳定(D_M≥2.00 mm)、较稳定(1.30 mm≤D_M＜2.00 mm)、稳定(0.80 mm≤D_M＜1.30 mm)、不稳定(0.40 mm≤D_M＜0.80 mm)和极不稳定(D_M＜0.40 mm)5个等级^[16]。由图 2可知，S火烧地表层土壤和下层土壤及M火烧地下层土壤在FW下土壤团聚体表现为较稳定，其余都为极稳定状态。在3种处理方式下MWD整体上表现出FW < WS < SW。在FW处理方式下，不同火烧程度下层土壤团聚体MWD值表现为S < M < L，其余均表现为S < L < M。通过LSD检验表明，在SW处理下S火烧地各土层和M火烧地表层土壤的MWD值均显著高于其他处理(P>0.05)。在FW处理下，L火烧地相对于CK土壤团聚体MWD值有所降低，L火烧地与CK间差异性显著(P < 0.05)。在SW和FW 2种处理方式下，表层土壤团聚体的MWD值均大于下层土壤。在3种处理方式下，S火烧地相对于CK土壤团聚体的MWD值有所降低，M火烧地与CK间差异均不显著。

图 2(Fig. 2)

小写字母代表同一方法处理下不同火干扰程度间差异性(P>0.05)；大写字母代表同一火干扰程度不同处理方法间差异性(P>0.05)。 Smallcase letters in the figure indicates the difference between different fire degrees under the same method treatment (P > 0.05); capital letters indicates the difference between different treatment methods of the same degree of fire (P > 0.05). 图 2 不同破碎机制下的针阔混交林土壤团聚体平均质量直径变化 Fig. 2 Change of average mass diameters of soil aggregates in the coniferous and broad leaved mixed forests under different crushing mechanisms

由表 3可知，表层土壤中，S火烧地的RSI值和RMI值呈增大趋势，L火烧地的RSI和RMI值呈减小趋势，M火烧地的RSI值呈增大趋势，而RMI值相反；不同火烧程度下土壤团聚体RSI、RMI均表现出S＞M>L的特征，说明S火烧下土壤团聚体对消散作用和机械破碎作用的敏感程度最高，其相对于未火烧地RSI和RMI值分别提高0.20和0.23；S火烧地K_a值升高，M和L火烧地K_a值降低，说明S火烧下土壤团聚体稳定性降低，M和L火烧下团聚体稳定性升高；下层土壤与表层土壤结果相似，但下层土壤火干扰下K_a值均大于CK，说明火干扰下后土壤团聚体稳定性降低，且表层土壤的K_a值均小于下层土壤，即火干扰下表层土壤团聚体稳定性大于下层土壤，随着火烧程度的加强，土壤稳定性呈先增加后降低的趋势。

表 3(Tab. 3)

表 3 团聚体相对消散指数、相对破碎指数以及特征参数情况表 Tab. 3 RSI, RMI and characteristic parameter of aggregates 土层 Soil layer/cm 火干扰程度 Degree of fire interference RSI RMI 团聚体特征参数Aggregate characteristic parameter Ka 0~10 S 0.430±0.061 0.391±0.116 0.169±0.061 M 0.207±0.127 0.170±0.092 0.028±0.010 L 0.201±0.036 0.156±0.056 0.029±0.007 CK 0.228±0.071 0.164±0.084 0.031±0.008 10~20 S 0.557±0.039 0.413±0.084 0.231±0.055 M 0.431±0.183 0.177±0.042 0.082±0.049 L 0.345±0.098 0.351±0.223 0.100±0.055 CK 0.405±0.030 0.203±0.100 0.079±0.034

表 3 团聚体相对消散指数、相对破碎指数以及特征参数情况表 Tab. 3 RSI, RMI and characteristic parameter of aggregates

通过分析LB法3种不同破碎机制下团聚体的粒径变化可知：在3种处理方式下，火干扰下针阔混交林表层土壤相对于未火烧＞0.50 mm的水稳性团聚体比例有所降低，且轻度火烧降幅大于中度大于重度，表明受火干扰下的＞0.50 mm水稳定性土壤团聚体在暴雨、小雨和机械扰动下有所下降，且轻度火烧表现最为明显。这与张水峰等^[18]对火干扰下马尾松人工林土壤团聚体稳定性的研究表现出火干扰下5~10 cm土层＞0.50 mm的水稳性团聚体比例均有所降低的结果相似，但在与0~5 cm土层不同处理方式下不同火烧程度表现有所差异，可能是地区和林分不同导致土壤性质改变而造成的差异^[19]。原烨等^[20]学者在内蒙古黄土高原的研究发现土壤中的大团聚体数量在火烧后显著减少，土壤稳定性降低。火烧后植被覆盖率降低，地表裸露，土壤的各种性质发生改变，不在受降雨等外界干扰后，团聚体更容易分散，不利于大团聚体的形成。此外很多学者以＞0.25 mm水稳定性团聚体含量作为评价土壤可蚀性的重要指标^[21]，其含量越高土壤的结构稳定性越好。在3种不同破坏程度的模拟处理下，SW处理下>0.25 mm团聚体含量最高，说明慢速湿润对土壤的团聚体稳定性破坏最小，说明在小雨下，针阔混交林土壤抗侵蚀能力低，土壤稳定性较差。

3种处理方式下，火干扰下土壤团聚体MWD均表现出FW < WS < SW的特征。火干扰下土壤团聚体在SW处理下破坏性最小，是因为模拟的是小雨情况下慢速湿润过程，酒精的存在去除了团聚体内的压力，团聚体内黏粒膨胀引起破碎，破坏程度小；在WS处理下次之，原因是WS处理是模拟的机械扰动对团聚体的破坏；在FW处理下破坏最大，是由于FW是模拟暴雨或者大雨下的快速湿润过程，水分迅速进入团聚体使内部压力增大，当超过团聚体承受力时就会破碎，其中水的渗透也会减弱土粒间的凝聚力，破坏性表现最强，说明研究区火干扰下土壤破碎的主要机制是暴雨和大雨的打击作用^[22]。但与张孝存等^[23]在东北黑土区研究所得FW＜SW＜ST的结论不同。可能研究土质不同，黄壤黏土矿物以高岭石为主，胀缩性比黑土小，且SW处理是通过黏粒间膨胀作用导致的，破坏程度小，因此黄壤团聚体在SW下表现更弱。不同火干扰下土壤MWD值整体表现出S < L < M的特征，火烧因子表现不同，火烧下植被覆盖度降低，破坏了土壤表层的凋落物，改变土壤的碳输入，土壤中各成分发生改变致土壤团聚体结构稳定性发生改变。

表层土壤和下层土壤的RSI值和RMI值均为正值，说明不均匀膨胀作用对土壤团聚体的破坏最小，即在小雨下土壤团聚体破坏最小，且表层土壤对消散作用和机械破碎作用的敏感程度均小于下层土壤，表层土壤的K_a值也小于下层土壤，说明山火干扰后的针阔混交林表层土壤对暴雨、大雨和深耕等外力作用的敏感程度低、土壤稳定性高于下层土壤，抗侵蚀能力较强。这与张水峰等^[18]学者研究结果相似，土壤表层抗侵蚀能力强可能与有机质含量高有关^[24]，并且火烧直接影响表层土壤，能够在土壤团粒的外表面形成疏水薄膜，从而提高土壤团聚体的稳定性。火会改变土壤的属性，如土壤质地、pH值、有机质、钠和钾含量、阳离子交换能力等，但目前火干扰对土壤团聚体稳定性的具体影响机制尚不明确^[25]。Fayos^[26]在西班牙东南部研究烧焦土保水能力时发现烧焦土比未烧焦土粗粒多，团聚体稳定性比未烧焦土大；Arcenegui等^[27]在西班牙阿利坎特省的研究得出燃烧土土壤团聚体有较高的稳定性，Garcia-oliva等^[28]研究刀耕火种对热带落叶林土壤的影响得出火灾通过改变SOC的化学性质降低了土壤团聚体稳定性；Mataix-solera等^[29]通过研究地中海火灾后一年的土壤发现受地表火灾影响的土壤更容易被侵蚀，稳定性更低。在本研究中，针阔混交林轻度火烧降低了土壤团聚体的稳定性，中度和重度火烧提高了土壤表层团聚体的稳定性。火烧能够破坏有机胶体导致土壤团聚体稳定性的降低^[30]，有机质在200~315 ℃通常会发生蒸馏，在温度更低的情况下大量的有机质将会消失，而高强度的火烧则导致矿物质的转化，能够形成黏结氧化物让土壤的稳定性提高^[7]。火干扰对团聚体的影响主要取决于受影响的土壤类型和土壤团聚体的结构，其稳定性还受到土壤矿物质、微生物、根等的影响，植被恢复、土壤耕作、添加生物炭等都可以减少降雨对土壤的侵蚀，促进土壤团聚体的形成，增加土壤抗蚀能力^[31]。本研究区缙云山气候为典型的亚热带季风性湿润气候，湿润多雨，雨季常受暴雨侵蚀，故建议针对针阔混交林的不同破坏区域应尽快采取恢复植被、增肥等有效措施，提高土壤团聚体稳定性，继而减少土壤的水土流失发生，增加森林生态系统稳定，促进森林土壤资源的可持续性发展。

1) 在火干扰下，不同碎散机制下>0.50 mm土壤团聚体的数量有所降低；在SW处理方式下＞0.50 mm大团聚体比例相对于其他2种处理较高，表明SW对团聚体的破环最小，即土壤团聚体黏粒不均匀膨胀导致的破坏性最小。

2) 火干扰下针阔混交林在不同处理方法下MWD值表现为FW < WS < SW，表明火干扰后土壤在暴雨和大雨下抗蚀能力最弱，机械干扰下次之，小雨情况下最强，轻度火干扰下降低针阔混交林土壤团聚体的稳定性，中度和重度火干扰提高土壤表层团聚体的稳定性，下层土壤团聚体的稳定性均降低。

3) 在火干扰下，表层土壤消散作用和机械破碎作用的敏感程度均小于下层土壤，表明在暴雨大雨下，火干扰下表层土壤快速湿润使其内部压力增大，造成团聚体分散的程度比下层土壤的低。整体上，火干扰下土壤表层团聚体稳定性均高于下层土壤。