林火作为一种独特的生态因子，其发生会导致森林结构的严重破坏，影响森林群落的物种组成及多样性^[1]，并导致生态系统严重退化。森林火灾往往会导致土壤性质的改变，进一步破坏森林生态系统和土壤抗蚀能力。森林生态系统受林火的干扰程度与火烧强度、土壤类型、林分类型及气候条件等因素有关^[2]。土壤入渗是评价森林土壤水源涵养及抗侵蚀能力的重要指标^[3]。通常情况下，土壤入渗越好，径流量和侵蚀量越少^[4]。土壤入渗性能受土壤剖面特征、含水量、导水率等的影响，在很大程度上取决于地表条件。Wieting等^[5]证明火烧后土壤渗透性明显下降，土壤入渗速率波动较大。此外，火烧也会改变土壤的物理性质，如土壤含水量、孔隙状况、密度有机质含量等。这些均与土壤入渗密切相关。Alcaniz等^[6]表明森林火灾对土壤的影响与火烧前的土壤性质和植被类型有关。吴迪等^[7]发现贵州喀斯特地区不同强度的火烧使土壤密度和非毛管孔隙度增加，土壤通气度和持水量等指标均降低。

目前关于火对土壤影响的研究很多，国内外学者从土壤养分状况^[8]、微生物活性^[9]、理化性质^[10]等方面进行了系列研究，但对于不同林分类型不同火烧强度及不同土层深度下土壤水分物理特征的研究很少。火烧对土壤性质的影响较复杂。它与土壤本身特性、火烧强度以及可燃物类型等有关^[11]。因此，理解火烧迹地土壤的水分物理特征，对调节地表径流和减少水土流失、防治土壤侵蚀具有重要的现实意义。笔者选择几种不同强度火干扰下马尾松(Pinus massoniana)林、竹林地为研究对象，探讨不同火烧强度对土壤物理性质的影响，以期为火干扰下的马尾松林、竹林生态系统的恢复、改造以及火烧迹地管理提供一定的理论基础。

研究区为重庆市北碚区缙云山国家级自然保护区，地处E 106°17′~106°24′、N 29°41′~29°52′，海拔200~952 m；该地区属于亚热带季风湿润性气候，年平均气温13.6 ℃，最热月平均气温24.3 ℃，最冷月平均气温3.1 ℃，极端最高温36.2 ℃，极端最低温-4.6 ℃；相对湿度年平均87%；年平均降水量1 611.8 mm，最高年降水量1 783.8 mm，缙云山林内最高月平均气温24.5 ℃，最低月平均气温3.7 ℃。缙云山的土壤类型主要为黄壤，并有少量零星分布的紫色土。保护区的整体面积约7 600 hm²，森林覆盖率达96.6%，植被类型主要以常绿阔叶林、针阔混交林、暖性针叶林、竹林为主。

该地于2022年8月末发生了一场山火。受持续高温天气及风力等因素的影响，此山火由21日一直持续到26日凌晨才被扑灭。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，严重破坏了缙云山上的部分森林植被。本研究在2022年9月8—11日对薄巴山、八角池、虎头村3个火烧迹地进行了详尽的踏查，并根据火烧迹地内林木的熏黑高度，将竹林和马尾松林火烧迹地划分为轻度火烧、中度火烧和重度火烧迹地。火烧强度划分如表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 火烧强度划分 Tab. 1 Fire intensity classification 火烧强度Fire intensity 划分标准Classification criteria 轻度火烧Light (L) 树木平均熏黑高度与树高的比值＜1/3，林木死亡率<30% The ratio of the average blackened height of a tree to a tree height was＜1/3, and the mortality rate of trees was <30% 中度火烧Moderate (M) 树木平均熏黑高度与树高比值在1/3~2/3之间，林木死亡率在30%~70% The ratio of average blackened height to a tree height was between 1/3-2/3, and the mortality rate of trees was 30%-70% 重度火烧Severe(S) 树木平均熏黑高度与树高的比值＞2/3，林木死亡率>70% The ratio of average blackened height to a tree height was＞2/3, and the mortality rate of trees >70%

表 1 火烧强度划分 Tab. 1 Fire intensity classification

本实验以马尾松林和竹林作为研究对象，以薄巴山、八角池、虎头村3处遭受火灾的地区为调查区域，选取3处区域轻度火烧迹地、中度火烧迹地、重度火烧迹地，附近立地条件相似的未受火烧干扰地区的马尾松林和竹林地段作为对照(CK)，在每个地点分别设置8个20 m×20 m的固定样地，共设置24块样地。在每个样地内利用五点法进行取土，分别采集0~10和10~20 cm深度的土壤，同一土层的5个样点混匀作为1份土样，共计48份土样进行水分物理特征的测定。室内采用定水头法^[12]测定土壤入渗特征，根据单位时间渗透量，计算土壤初渗速率(mm/min)、稳渗速率(mm/min)、平均入渗率(mm/min)及饱和导水率。采用环刀法^[13]测定土壤密度、土壤孔隙(毛管孔隙度、非毛管孔隙度及总孔隙度)、土壤持水性能(毛管持水量、最小持水量)等；采用烘干法^[14]测定土壤含水率；土壤入渗特征的测定采用定水头法。

采用Excel和SPSS 26.0计算和处理数据，通过三因素方差分析，分析林分类型、火烧强度和土壤深度及其交互作用对土壤物理性质和入渗的影响；用Origin 2021完成绘图。

火烧对土壤的影响是一个复杂的过程。火烧强度不同，导致土壤结构也遭受不同程度的破坏。如图 1所示，随着火烧强度的增加，马尾松林和竹林土壤密度、持水量及孔隙度等土壤水分物理指标的整体变化趋势一致，除土壤密度呈上升趋势外，其余均呈现下降趋势。与对照样地相比，马尾松林0~10 cm深度土壤中，土壤密度增加0.24 g/cm³，非毛管孔隙度增加5.47%；竹林0~10 cm深度土壤中，土壤密度增加0.36，非毛管孔隙度增加2.29%；但2种不同林分类型土壤的总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量、田间持水量、初始含水率、饱和持水量等均下降。10~20 cm深度的土壤中各项水分物理特征的变化与其一致，但0~10 cm土层的土壤初始含水率、持水量、孔隙度和有机质含量等均较深层土壤高。不同的火烧强度对这些指标有不同影响。土壤密度表现为重度火烧＞中度火烧＞轻度火烧。总孔隙度表现为轻度火烧＞中度火烧＞重度火烧；持水性能表现为轻度火烧＞中度火烧＞重度火烧。随着土层深度的增加，无论火烧迹地还是对照样地，土壤密度均增大。马尾松林中土壤总孔隙度、毛管孔隙度随着火烧强度的增加，总体呈现出下降趋势，非毛管孔隙度成增加趋势，3种火烧强度下土壤总孔隙度及毛管孔隙度表现为未火烧＞轻度火烧＞中度火烧＞重度火烧。由于火烧强度和作用时间不同，不同深度土壤的持水性能也有差异，浅层土壤持水效果较深层土壤好。

图 1(Fig. 1)

不同大写字母代表同一土层不同火烧强度下土壤物理性质有显著性差异(P<0.05)；不同小写字母代表同一火烧强度不同土层的土壤物理性质有显著性差异(P<0.05)；下同。 Different capital letters in the table indicate significant differences in soil physical properties under different fire intensities in the same soil layer (P<0.05). Different lowercase letters indicate significant differences in soil physical properties of different soil layers with the same fire intensity (P<0.05). The same below. 图 1 不同火烧强度下土壤物理指标变化(平均值±标准差) Fig. 1 Changes of soil physical indexes under different fire intensity (mean±standard deviation)

从土壤密度、孔隙度、饱和持水量等指标来看，马尾松林和竹林存在极显著差异(P<0.01)。土壤密度表现为马尾松＞竹林，土壤总孔隙度表现为竹林＞马尾松，土壤饱和持水量表现为马尾松＞竹林。竹林的土壤密度低于马尾松林，而土壤总孔隙度高于马尾松林，说明竹林的土质疏松，土壤结构较好，有利于其对土壤养分的利用，促进植物的生长。

通过方差分析可知，火烧迹地和对照样地土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、初始含水率、饱和持水量、毛管持水量及田间持水量等土壤物理指标均呈极显著差异(P<0.01)，而非毛管孔隙度差异不显著，且在不同土壤深度(除非毛管孔隙度外)也均达到显著(P<0.05)，甚至极显著水平(P<0.01)，另外，在不同林分间，土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和持水量也具有显著差异(P<0.05)，在火烧强度、土壤深度和不同林分类型的共同作用下，土壤饱和持水量有明显的交互影响(表 2)。

表 2(Tab. 2)

表 2 土壤物理性质的3因素方差分析 Tab. 2 Three-way analysis of variance for soil physical properties 指标Index 火烧强度Fire intensity(df=3) 土壤深度Soil depth(df=1) 林分类型Stand type(df=1) 火烧强度×土壤深度Fire intensity×Soil depth(df=3) 火烧强度×林分类型Fire intensity×Stand type(df=3) 深土壤度×林分类型Soil depth×Stand type(df=1) 火烧强度×土壤深度×林分类型Fire intensity×Soil depth×Stand type(df=3) 毛管持水量Capillary moisture capacity 255.47*** 27.99*** 0.74 2.42 16.24*** 3.56 2.17 田间持水量Field moisture capacity 260.82*** 18.47*** 0.76 1.91 13.49*** 1.08 0.76 土壤密度Soil density 36.64*** 11.49** 9.23** 0.11 0.54 0.01 0.49 总孔隙度Total porosity 129.58*** 25.37*** 12.21** 0.37 6.00** 0.02 0.47 毛管孔隙度Capillary porosity 117.47*** 7.35* 8.01** 2.32 14.19*** 5.81* 1.45 非毛管孔隙度Non-capillary porosity 2.87 0.99 19.59*** 1.06 15.26*** 4.01 1.58 饱和持水量Saturated moisture capacity 367.72*** 116.22*** 16.81*** 1.15 4.63** 4.60* 6.04** 初始含水率Initial water content 130.40*** 23.73*** 4.00 1.21 3.85* 3.76 1.08 注：表中数据为方差分析的统计量(F)。*，P<0.05; **，P<0.01; ***，P<0.001。下同。Notes：Data in the table are the statistics of ANOVA analysis (F). *，P<0.05; **，P<0.01; ***，P<0.001. The same below.

表 2 土壤物理性质的3因素方差分析 Tab. 2 Three-way analysis of variance for soil physical properties

土壤的初渗速率、稳渗速率是能够代表土壤入渗特征的有效指标，根据3因素方差分析(表 3)，火烧强度影响下，土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量及饱和导水率均呈极显著差异(P<0.01)。在火烧强度、土壤深度及林分类型三者的交互影响下，土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量及饱和导水率之间存在极显著差异(P<0.01)。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同火烧强度下土壤入渗特征的3因素方差分析 Tab. 3 Three-way analysis of variance for soil infiltration characteristics under different fire intensities 指标Index 火烧强度Fire intensity(df=3) 土壤深度Soil depth(df=1) 林分类型Stand type(df=1) 火烧强度×土壤深度Fire intensity×Soil depth(df=3) 火烧强度×林分类型Fire intensity×Stand type(df=3) 深土壤度×林分类型Soil depth×Stand type(df=1) 火烧强度×土壤深度×林分类型Fire intensity×Soil depth×Stand type(df=3) 初渗速率Initial infiltration rate 229.05*** 0.44 399.11*** 4.43* 1.65 66.21 3.93*** 稳渗速率Steady infiltration rate 81.44*** 3.29 48.64*** 4.30 0.66 42.88 8.26*** 入渗总量Cumulative-infiltration volume 89.34*** 2.85 102.58*** 2.72 1.48 45.42 8.31*** 饱和导水率Saturated hydraulic conductivity 89.74*** 2.84 102.15*** 2.87 1.43 45.40 8.34***

表 3 不同火烧强度下土壤入渗特征的3因素方差分析 Tab. 3 Three-way analysis of variance for soil infiltration characteristics under different fire intensities

如图 2所示，在马尾松林、竹林的火烧迹地和对照样地的不同土层深度下，其土壤入渗的趋势大致相同，均呈现先迅速下降后缓慢下降，最后趋于平缓的趋势。随着火烧强度的增加，轻度、中度、重度火烧下，土壤入渗速率均比未火烧的土壤入渗速率小。其中，土壤入渗过程可以划分为瞬变、渐变和平稳3个阶段。0~3 min时为瞬变阶段，土壤处于非饱和状态，入渗速率降幅较大，土壤的初渗速率较快，3~60 min为渐变阶段，经毛管孔隙填充，土壤入渗速率持续下降，但降幅逐渐减小，60~90 min为稳渗阶段，土壤孔隙全部充满水，土壤入渗速率趋于一个稳定值。

图 2(Fig. 2)

图 2 火烧迹地短期土壤入渗特征曲线 Fig. 2 Short-term soil infiltration characteristic curve of burned area

由表 4可知，在火烧的干扰下，土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量和饱和导水率均在重度火烧下最低，马尾松林0~10 cm土层中分别为(1.73±0.14) mm/min、(0.77±0.05) mm/min、(87.78±8.93) mm和(0.24±0.02) mm/min，马尾松林10~20 cm土层中分别为(1.6±0.20) mm/min、(0.68±0.09) mm/min、(84.55±6.30) mm和(0.23±0.02) mm/min；竹林0~10 cm土层中分别为(3.22±0.62) mm/min、(1.51±0.17) mm/min、(185.2±32.56) mm和(0.51±0.09) mm/min，竹林10~20 cm土层中分别为(3.75±0.16) mm/min、(1.65±0.43) mm/min、(208.22±46.30) mm和(0.58±0.13) mm/min。在同一土层深度及同一火烧强度下，竹林的土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量和饱和导水率均高于马尾松林。

表 4(Tab. 4)

表 4 不同火烧强度下土壤入渗特征(平均值±标准差) Tab. 4 Soil infiltration characteristics under different fire intensity (mean±standard deviation) 林分类型Stand type 土壤深度Soil depth/cm 火烧强度Fire intensity 初渗速率Initial infiltration rate/(mm·min-1) 稳渗速率Steady infiltration rate/(mm·min-1) 入渗总量Cumulative-infiltration volume/mm 饱和导水率Saturated hydraulic conductivity/(mm·min-1) 马尾松林Pinus massoniana forest 0~10 L 4.31±0.19Aa 2.60±0.14Aa 371.57±15.44Aa 0.78±0.04Aa M 3.31±0.25Ba 1.09±0.28Aa 146.72±21.05Ba 0.41±0.06Ba S 1.73±0.14BCa 0.77±0.05Ba 87.78±8.93Ca 0.24±0.02Ca 10~20 CK 5.87±0.05Da 3.63±0.10Ba 380.56±2.83Ca 1.06±0.01Ca L 3.40±0.36Ab 1.63±0.18Ab 194.96±25.88Ab 0.54±0.07Ab M 2.89±0.03Bb 1.44±0.34Bb 183.44±5.21Bb 0.51±0.01Bb S 1.60±0.20Ba 0.68±0.09Ba 84.55±6.30Ba 0.23±0.02Ba CK 4.2±0.68Cb 2.27±0.59Cb 246.30±60.93Cb 0.68±0.17Cb 竹林Bamboo forest 0~10 L 5.29±0.03Aa 2.31±0.13Aa 292.35±11.06Aa 0.81±0.03Aa M 4.67±0.18Ba 1.59±0.20Aa 228.62±4.49Aa 0.64±0.01Aa S 3.22±0.62Ba 1.51±0.17Ba 185.20±32.56Ba 0.51±0.09Ba CK 6.26±0.32Ca 2.84±0.10Ca 316.11±3.01Ba 0.88±0.01Ba 10~20 L 6.36±0.23Ab 3.27±0.73Aa 382.25±53.02Ab 1.06±0.15Ab M 5.30±0.31Bb 2.59±0.63ABa 311.99±64.87ABa 0.87±0.18ABa S 3.75±0.16Ca 1.65±0.43Ba 208.22±46.30Ba 0.58±0.13Ba CK 6.70±0.28Ca 4.01±0.37Bb 432.30±30.17Bb 1.20±0.08Bb

表 4 不同火烧强度下土壤入渗特征(平均值±标准差) Tab. 4 Soil infiltration characteristics under different fire intensity (mean±standard deviation)

土壤密度反映土壤紧实度及孔隙的大小，对土壤透气性、入渗性能及持水性能等的影响十分重要。火烧是影响土壤密度的偶发因素。经过火烧后，土壤密度增加，且随着土层深度的加深，土壤密度越大，火烧过后，灰分颗粒会填充进入土壤孔隙中，且地表的枯枝落叶等被燃烧殆尽，使土壤坚实度增加，导致土壤密度增大；同一深度的土壤中，火烧强度越强，土壤密度就越大，这与王丽红等^[15]在大兴安岭林区开展的系列研究结果一致。

土壤孔隙度影响着土壤通气状况、透水性及紧实性，疏松的土壤保水通气能力强，紧实的土壤保水通气能力差。土壤毛管孔隙度表征植被维持自身生长发育而吸持水分的能力；非毛管孔隙度表征植被滞留水分发挥水源涵养作用的能力；而土壤总孔隙度为二者之和。

10~20 cm处土壤的非毛管孔隙度小于0~10 cm处，表明浅层土壤较深层土壤的通气性和透水性更好。火烧扰动后马尾松林和竹林土壤总孔隙度低于对照样地，说明火烧后的灰分颗粒堵塞土壤孔隙，导致孔隙度下降，通气透水性能减弱。马尾松林土壤的非毛管孔隙度高于对照，而竹林的非毛管孔隙度低于对照样地，说明火烧后土壤孔隙的变化与植被类型有重要的关系^[16]，马尾松林的水源涵养能力比竹林的好。土壤的持水性能反映土壤的抗侵蚀能力，火烧使土壤结构遭到破坏，改变了土壤的持水能力。3种不同强度下的火烧使土壤毛管持水量、田间持水量及饱和持水量呈现出一致的变化趋势，均表现为重度火烧＞中度火烧＞轻度火烧；随着火烧强度的加强，土壤的持水性能减小；同一强度下，10~20 cm下的土壤持水性能小于0~10 cm土壤深度。这说明浅层土壤的持水能力比深层土壤的好。这与闫东锋^[17]等的研究结果相符。

总的来说，同一土层深度下，土壤密度、孔隙度及持水性能受火烧强度的影响表现为重度火烧＞中度火烧＞轻度火烧。

土壤水分入渗是陆地生态系统水文循环中不可或缺的组成部分^[18]，与地表径流和土壤侵蚀密切相关，是表达土壤抗侵蚀能力的重要指标之一。土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量、饱和导水率是体现土壤入渗特性的重要参数^[19]。土壤水分入渗在很大程度上取决于植物的特性。本次研究中，在不同土层深度和林分类型下，土壤的入渗速率趋势相同，呈现出先迅速下降后缓慢下降，直至趋于稳定的变化趋势。土壤入渗速率受不同火烧强度的影响为重度火烧＞中度火烧＞轻度火烧＞未火烧，森林土壤在重度火烧时受到的影响最显著，重度火烧使土壤产生不透水物质导致其疏水性增强，土壤入渗速率及含水量显著降低。在土层深度和火烧强度相同的情况下，竹林的土壤入渗性能高于马尾松林。这说明竹林的土质疏松，其入渗性能比马尾松林好。土壤饱和导水率反映土壤的导水能力，它与初渗速率、稳渗速率、入渗总量均成正相关，土壤初渗速率、稳渗速率越好，其渗透性能就越好。总体来说，土壤入渗性能最好的是未受火烧的样地。火烧之后，土壤结构功能改变，孔隙度降低，有不透水物质形成，渗水率下降，导致马尾松林和竹林的土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量、饱和导水率均降低。这与秦倩倩等^[20]的研究结果相符。

1) 在马尾松林和竹林2种不同的林分类型中，火烧强度对土壤水分物理特征的影响整体呈现出一致的变化趋势，土壤密度随着火烧强度的增大而增大；孔隙度、持水性能随着火烧强度的增大而降低。

2) 无论是火烧样地还是未火烧样地，随着土层深度的增加，土壤密度增大，孔隙度降低，持水性能减弱，有机质含量减少。

3) 火烧后，竹林土壤的总孔隙度要大于马尾松林，而土壤密度和饱和持水量小于马尾松林。

4) 火烧后，马尾松林和竹林的土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量、饱和导水率均显著下降(P<0.05)，重度火烧下影响最严重。而火烧对不同土层深度土壤各入渗指标没有显著影响(P>0.05)，且竹林土壤入渗速率大于马尾松林。