不同強(qiáng)度火燒對(duì)恢復(fù)植被生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響

宿海峰，閆德民，董木森，王宇航

（1.南京森林警察學(xué)院森林消防系，南京　210023；2.南京森林警察學(xué)院林火研究中心，南京　210023；3.國(guó)家林業(yè)局森林防火工程技術(shù)研究中心，南京　210023）

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不同強(qiáng)度火燒對(duì)恢復(fù)植被生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響

宿海峰1，閆德民2，3，董木森1，王宇航1

（1.南京森林警察學(xué)院森林消防系，南京210023；2.南京森林警察學(xué)院林火研究中心，南京210023；3.國(guó)家林業(yè)局森林防火工程技術(shù)研究中心，南京210023）

摘要：通過對(duì)不同強(qiáng)度春季火燒后當(dāng)年恢復(fù)植被地上部分、枯落物、根系及土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)果表明：輕度火燒恢復(fù)植被和對(duì)照地上部分碳儲(chǔ)量、根系碳儲(chǔ)量和枯落物碳儲(chǔ)量均高于重度火燒，對(duì)照枯落物碳儲(chǔ)量高于兩種火燒處理；不同強(qiáng)度地表火燒土壤碳儲(chǔ)量在垂直空間的分布與對(duì)照一致，土壤碳儲(chǔ)量隨著土壤深度增加逐漸降低，其中，0～10 cm土層碳儲(chǔ)量約占40％以上，該土壤深度碳儲(chǔ)量輕度火燒＞對(duì)照＞重度火燒，10～20 cm和20～30 cm土壤碳儲(chǔ)量重度火燒＞輕度火燒＞對(duì)照。研究不同強(qiáng)度火燒對(duì)于植被和土壤各碳庫(kù)組分碳儲(chǔ)量的影響，對(duì)于認(rèn)識(shí)火干擾后植被生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)空變化及森林資源科學(xué)管理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：火燒強(qiáng)度；恢復(fù)植被；生態(tài)系統(tǒng)；碳儲(chǔ)量

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)節(jié)的重要影響因子,作為森林生態(tài)系統(tǒng)維持和發(fā)展的原始動(dòng)力，林火直接對(duì)森林群落演替、景觀空間格局、生物多樣性、元素的生地化循環(huán)等產(chǎn)生重要影響[1]。林火通過改變森林生態(tài)系統(tǒng)生物量組分改變森林碳儲(chǔ)量分配格局，不同強(qiáng)度的火燒對(duì)森林碳儲(chǔ)量的影響存在較大差異[2]。森林火燒直接將植被中的生物質(zhì)碳釋放到大氣中去，林分結(jié)構(gòu)和森林生態(tài)功能也隨之發(fā)生一系列改變，其結(jié)果直接對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生一定影響?；馃龔?qiáng)度、火燒類型、恢復(fù)時(shí)間、植被類型、土壤條件等因素都會(huì)影響到火燒后植被生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間格局的恢復(fù)，導(dǎo)致了火后森林在一定時(shí)空尺度上碳匯/源發(fā)生逆轉(zhuǎn)[3,4]。

火干擾對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的相關(guān)研究主要集中在東北針葉林區(qū)，鄒夢(mèng)玲等對(duì)大興安嶺重度火燒跡地不同恢復(fù)年該興安落葉松林利用全收獲法對(duì)林分不同組分植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算發(fā)現(xiàn)，隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng)，落葉松人工林喬木層、灌木層、枯枝落葉層不同組分的碳儲(chǔ)量總體呈明顯上升趨勢(shì)，草本層各組分碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)[5]。楊達(dá)等對(duì)不同強(qiáng)度火干擾后大興安嶺呼中地區(qū)興安落葉松林、樟子松及白樺林等地上死木質(zhì)殘?bào)w的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)火干擾能顯著改變森林中死木質(zhì)殘?bào)w碳儲(chǔ)量的組成百分比，不同烈度的火燒對(duì)死木質(zhì)殘?bào)w碳儲(chǔ)量特征的影響不同[6]。牟長(zhǎng)城等對(duì)不同強(qiáng)度火燒對(duì)大興安嶺興安落葉松瘤囊苔草濕地生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量、凋落物碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了火燒干擾對(duì)寒溫帶森林濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的短期影響規(guī)律[7]。周文昌等對(duì)不同強(qiáng)度火燒后小興安嶺白樺沼澤和落葉松-苔草沼澤凋落物及土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究[8]。此外，李紉蘭等對(duì)南方濕地松遭受突發(fā)性火災(zāi)后不同火強(qiáng)度擾動(dòng)后不同深度土壤有機(jī)碳進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度火燒土壤有機(jī)碳顯著降低[9]。目前對(duì)于我國(guó)南方落葉闊葉林火干擾后植被生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的相關(guān)研究較少，近年來(lái)我國(guó)南方森林火災(zāi)出現(xiàn)新的趨勢(shì)，亟待開展南方森林火干擾植被生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量格局的相關(guān)研究[10]。本研究試圖通過對(duì)我國(guó)南方落葉闊葉林區(qū)不同強(qiáng)度人為火燒后當(dāng)年恢復(fù)植被地上、地下及地表等不同組分碳儲(chǔ)量進(jìn)行調(diào)查分析，以探討火燒對(duì)于恢復(fù)植被生態(tài)系統(tǒng)各碳庫(kù)組分空間格局的影響?；鸶蓴_對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)功能影響的相關(guān)研究對(duì)于未來(lái)森林資源高效經(jīng)營(yíng)管理，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省南京市棲霞區(qū)仙林，地理坐標(biāo)118°53′32″～118°55′14″E，32°06′17″～32°20′76″N。該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，日照充足，四季分明，年平均溫度15.7℃，年平均降水量1106.5 mm，集中在7～8月份，平均無(wú)霜期220天。區(qū)域地帶性土壤類型為黃棕壤，平均土層厚度10-50 cm，地表枯落物平均厚度5-10 cm。區(qū)域地帶性植被為帶有常綠成分的落葉闊葉林，主要樹種有馬尾松（Pinusmassoniana Lamb.）、麻櫟（Quer?cusacutissima Carruth）、杉木（Cunninghamialanceo?lata（Lamb.）Hook）、樸樹（Celtissinensis Pers）、栓皮櫟（Q.variabilis BL）和苦櫧（Castanopsis Sclero?phylla Schott）等[11]。

2　研究方法

2.1試驗(yàn)地布設(shè)與火燒處理

試驗(yàn)樣地布設(shè)在南京市棲霞區(qū)南京森林警察學(xué)院新校區(qū)內(nèi)，新校區(qū)建設(shè)時(shí)工程堆積的土山，周邊林分為長(zhǎng)勢(shì)均勻的落葉闊葉林，以構(gòu)樹、樸樹、桑樹、楊樹為主，林分郁閉度0.35。土山地表覆蓋一年生草本居多，以菊科、茜草科、禾本科及豆科植物為主。選擇坡度、坡向及地表枯落物基本一致的平緩陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡作為試驗(yàn)地，海拔10～15 m，坡度10°左右。2014初春進(jìn)行人工點(diǎn)燒試驗(yàn)，選用的可燃物為楊樹、柳樹、落羽杉、蘆葦、長(zhǎng)葉茅草等樹木及草本的枝葉，可燃物室外晾曬干燥并混合均勻，按照10 cm和40 cm厚度鋪設(shè)10 m×10 m樣地各3塊，另選取地表枯落物基本一致的樣地作為對(duì)照不進(jìn)行點(diǎn)燃。燃燒時(shí)利用樣地內(nèi)插標(biāo)有刻度的鋁桿記錄火焰高度，同時(shí)記錄燃燒持續(xù)時(shí)間，通過火焰高度和燃燒時(shí)間區(qū)別出兩種不同的火燒處理。鋪設(shè)40 cm厚度可燃物燃燒火焰高度約3 m，燃燒時(shí)間約25分鐘，為重度火燒（記為S）；鋪設(shè)10 cm厚度可燃物燃燒火焰高度約1.5 m，燃燒時(shí)間約8分鐘，為輕度火燒（記為L(zhǎng)）。燃燒過程中確保所有可燃物完全燃燒，對(duì)照（Ck）不進(jìn)行火燒處理。

2.2植物及土壤樣品采集與分析

通過隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)完成不同火燒強(qiáng)度恢復(fù)植被生態(tài)系統(tǒng)各組分的取樣。在生長(zhǎng)期旺季（8月中旬）分別在火燒跡地10 m×10 m樣方內(nèi)按“品”字形隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的小樣方，進(jìn)行植被生物量取樣，地上部分采用收割法剪取植株的地上活體部分，稱取鮮重質(zhì)量；枯落物沿地表?yè)焓昂鬁y(cè)定鮮重質(zhì)量；根系取樣利用40 cm深的根鉆進(jìn)行取樣，根系樣品取回后經(jīng)清水洗去泥土后晾干稱取鮮重。所有取樣在稱量鮮重后，置于烘箱內(nèi)（65℃）烘至恒重。在樣方內(nèi)地隨機(jī)挖取土壤刨面，記錄土壤刨面特征，按照0～10 m、10～20 m、20～30 m、30～40 cm分出4個(gè)垂直層次，環(huán)刀取樣，每個(gè)土層重復(fù)取樣3次。地上生物量、地表枯落物、地下根系及土壤中碳素含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[12，13]。地上植被碳儲(chǔ)量、枯落物碳儲(chǔ)量、根系碳儲(chǔ)量均用測(cè)定的碳素含量乘以單位面積生物量。土壤有機(jī)碳利用土壤容重、土層厚度和土壤有機(jī)碳含量乘積求得，計(jì)算公式如下。

式中：Cs為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（g·m-2）；Ci為第i層土壤的有機(jī)碳含量（％）；Ri為第i層土壤容重（g·cm-3）；Di為第i層的土層厚度（cm）。

3　結(jié)果與分析

3.1不同強(qiáng)度火燒后恢復(fù)植被組分碳儲(chǔ)量

不同強(qiáng)度火燒后，恢復(fù)植被地上部分碳儲(chǔ)量以輕度火燒為最高，重度火燒最低；根系碳儲(chǔ)量以對(duì)照地為最高，輕度火燒地高于重度火燒地；枯落物碳儲(chǔ)量以對(duì)照地為最高，輕度火燒地高于重度火燒地。重度火燒后植被不同組分碳儲(chǔ)量均低于輕度火燒地和對(duì)照地（圖1）。輕度火燒和重度火燒處理當(dāng)年恢復(fù)植被各碳庫(kù)組分百分比基本一致，其地上部分碳儲(chǔ)量所占比例分別為56.1％和54.5％，均高于對(duì)照地的49.3％；對(duì)照地枯落物所占比例為23.3％，高于輕度火燒地的17.1％和重度火燒地的18.2％（圖2）。輕度火燒促進(jìn)了當(dāng)年恢復(fù)植被地上部分及根系生產(chǎn)力的提高，由于火燒處理時(shí)地表可燃物燃燒殆盡，兩種火燒處理恢復(fù)植被當(dāng)年枯落物碳儲(chǔ)量均低于對(duì)照地。

圖1　不同火燒處理各組分碳儲(chǔ)量

圖2　不同火燒處理各組分碳儲(chǔ)量的百分比

3.2不同強(qiáng)度火燒后土壤碳儲(chǔ)量

不同強(qiáng)度火燒后土壤碳儲(chǔ)量在垂直空間的分布與對(duì)照一致，3種處理在0～10 cm深度土層碳儲(chǔ)量大小為輕度火燒＞對(duì)照＞重度火燒；在10～20 cm和20～30 cm土層中土壤碳儲(chǔ)量大小為重度火燒＞輕度火燒＞對(duì)照；0～40 cm深度土壤總碳儲(chǔ)量大小為對(duì)照＞輕度火燒＞重度火燒（圖3）?；馃幚砗笸寥捞純?chǔ)量隨深度變化規(guī)律和對(duì)照地一致，不同深度土壤碳儲(chǔ)量百分比隨著土壤深度逐漸降低（圖4），以0～10 cm土層碳儲(chǔ)量為最高，約占40％以上，10～20 cm和20～30 cm土層重度火燒分別占到26.5％和20.9％，高于輕度火燒地和對(duì)照地。

圖3　不同火燒處理不同深度土壤碳儲(chǔ)量比較

圖4　不同火燒強(qiáng)度不同土層土壤碳儲(chǔ)量百分比

4　結(jié)論與討論

4.1不同強(qiáng)度火燒對(duì)植被組分碳儲(chǔ)量的影響

火強(qiáng)度是火干擾狀況的一個(gè)重要屬性，植被碳庫(kù)恢復(fù)對(duì)不同火強(qiáng)度的響應(yīng)存在較大差別[1，5，6]。不同強(qiáng)度地表火燒對(duì)恢復(fù)植被地上部分、枯落物和根系碳儲(chǔ)量影響存在較大差異，輕度火燒和對(duì)照地的地上部分碳儲(chǔ)量、根系碳儲(chǔ)量及枯落物碳儲(chǔ)量均高于重度火燒地；兩種火燒處理當(dāng)年恢復(fù)植被各碳庫(kù)組分百分比基本一致。我國(guó)東北興安落葉松瘤囊苔草濕地經(jīng)過不同強(qiáng)度火燒后，輕度火燒和重度火燒處理草本植物碳儲(chǔ)量比對(duì)照有增加趨勢(shì)，輕度火燒和重度火燒喬木層碳儲(chǔ)量和對(duì)照相比呈降低趨勢(shì)，重度火燒后碳儲(chǔ)量顯著降低，總體植被碳儲(chǔ)量火燒后呈降低趨勢(shì)[7]，與本研究草本層碳儲(chǔ)量相比存在差異，原因是因?yàn)闁|北針葉林火燒后直接降低了灌木和喬木層蓋度，陽(yáng)生性草本大量出現(xiàn)，而本研究燃燒處理前僅存在草本，無(wú)灌叢和喬木的存在。本研究輕度和重度火燒地表枯落物分別降低了32.9％和42.5％，與我國(guó)東北小興安嶺濕地生態(tài)系統(tǒng)不同強(qiáng)度火燒的研究基本一致，重度火燒后白樺沼澤林地表凋落物碳儲(chǔ)量降低35.5％，輕度燃燒則無(wú)顯著差異；落葉松-苔草沼澤輕度和重度火燒后地表凋落物碳儲(chǔ)量減少44.7％和49.7％[8]。輕度火燒有效地促進(jìn)當(dāng)年恢復(fù)植被地上部分及根系生產(chǎn)力的提高，重度火燒由于其火燒強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)土壤質(zhì)地產(chǎn)生一定的影響，不利于植被的恢復(fù)。在利用火進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)管理時(shí)，依據(jù)火生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，用控制火燒進(jìn)行人為用火實(shí)踐嘗試，使之既能夠滿足生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在火需求，同時(shí)又滿足社會(huì)防火要求，人為火燒在未來(lái)林業(yè)管理中具有重要的應(yīng)用前景[10,14]。

4.2不同強(qiáng)度火燒對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響

火燒強(qiáng)度對(duì)不同深度土壤碳儲(chǔ)量影響存在一定差異，在0～10 cm深度輕度火燒能夠提高土壤碳儲(chǔ)量，高于重度火燒和對(duì)照土壤碳儲(chǔ)量；在10～20 cm 和20～30 cm，重度火燒土壤碳儲(chǔ)量高于輕度火燒和對(duì)照；兩種火燒處理30～40 cm土壤碳儲(chǔ)量差別不大。本研究同我國(guó)東北白樺沼澤及落葉松-苔草沼澤不同強(qiáng)度火燒后土壤碳儲(chǔ)量變化研究相比，白樺沼澤及落葉松-苔草沼澤不同強(qiáng)度火燒后0～50 cm，土壤碳儲(chǔ)量差別不大，兩者火燒到取樣時(shí)間歷時(shí)1個(gè)和2個(gè)生長(zhǎng)季[7]。本研究與南方濕地松人工林突發(fā)性火災(zāi)后土壤碳儲(chǔ)量在0～10 cm土壤規(guī)律一致，即輕度火燒?重度火燒，在10～20 cm 和20～30 cm，卻存在差異[9]，由于不同強(qiáng)度火燒處理對(duì)于不同植被類型土壤的影響存在不確定性，這種不確定性可能與取樣植被類型、時(shí)間、火燒后降雨過程等因素有關(guān)?；鸶蓴_對(duì)于土壤碳儲(chǔ)量方面的研究還相對(duì)滯后，在未來(lái)林火研究中需要應(yīng)用生態(tài)學(xué)理論指導(dǎo)防火與用火，趨利避害，在林業(yè)實(shí)踐中如何利用火的工具屬性促進(jìn)林業(yè)生產(chǎn)，對(duì)于維持和促進(jìn)我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

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（責(zé)任編輯：陳小華）

中圖分類號(hào)：S762.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（DKC201507）；中央高校基本科研專項(xiàng)資金項(xiàng)目（LGZD201403）；江蘇省自然基金項(xiàng)目（BK20141501）

收稿日期：2016-02-27