興安落葉松林和白樺林下種植大球蓋菇對(duì)枯落物層燃燒性的影響*

胡同欣 楊藝璇, 孫 龍 高傳宇

(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150040;2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)春 130102)

火是森林生態(tài)系統(tǒng)的干擾因子 (Neerajaetal., 2021)，具有兩重性： 低、中強(qiáng)度的林火(350～750、750～3 500 kW·m-1)，例如可燒毀大部分有機(jī)表土的地下火、燒毀下層植被的地表火等(Pérez-Izquierdoetal., 2021; 鄭煥能等., 1988; Alexanderetal., 2012) ，可為各種喜光植物和動(dòng)物提供開闊的棲息地，有助于控制害蟲、減少災(zāi)難性火災(zāi)發(fā)生、調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)、促進(jìn)植物進(jìn)化更新(Lietal., 2021; Pausasetal., 2019)； 但極劇烈和破壞性的林火(林火強(qiáng)度大于4 000 kW·m-1)，例如使大多數(shù)樹木死亡的樹冠火(Pérez-Izquierdoetal., 2021; Roosetal., 2018)，會(huì)造成重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境危害，包括植被喪失和土地退化，二氧化碳和其他溫室氣體排放，森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化(Bowmanetal., 2019; García-Cimarrasetal., 2021; Ziccardietal., 2021; Santínetal., 2016; Huetal., 2021)。

林火的獨(dú)特之處在于它的強(qiáng)度和頻率取決于可消耗的可燃物(活和死的植被)的積累速度(生長(zhǎng)和分解)(Zhaoetal., 2021; Prioretal., 2018)。因此降低可燃物載量會(huì)使林火發(fā)生頻率和強(qiáng)度降低(Fernndez-Guisuragaetal., 2021)。地表可燃物中的枯落物層包括地衣、苔蘚、干草、枝葉等，是地表火中最重要的可燃物(Ivanovaetal., 2020)。地表可燃物增加會(huì)使地表火強(qiáng)度增加、熱傳遞加劇(Cornelissenetal., 2017)，使地表火更易蔓延至樹冠，同時(shí)對(duì)樹干(莖)、樹冠和根組織的熱傳遞加劇可直接導(dǎo)致更多樹冠損傷及樹木死亡(Belcheretal., 2021； Fernndez-Guisuragaetal., 2021)。因此降低地表可燃物載量對(duì)森林防火至關(guān)重要。

可燃物管理旨在改變可燃物載量和結(jié)構(gòu)，從而提高防火和滅火的有效性(Cawsonetal., 2021)。主要方式有機(jī)械處理、計(jì)劃火燒及生物防火(Cawsonetal., 2021; Cowmanetal., 2021)。機(jī)械處理包括切割、切碎、修剪林下樹木和灌木來(lái)改變可燃物結(jié)構(gòu)和減少其載量(Kreyeetal., 2014)，但成本較高。在許多森林類型中，計(jì)劃火燒是減少可燃物積累、降低大規(guī)模高強(qiáng)度野火發(fā)生可能性的最具成本效益的方法之一(Pausasetal., 2019; Clarketal., 2020)，但存在跑火風(fēng)險(xiǎn)。生物防火包括建設(shè)防火林帶、混交耐火樹種及利用微生物篩選高效降解菌劑等方式。微生物降解菌劑具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、高效降解纖維素木質(zhì)素以降低枯落物載量的特點(diǎn)(Sunetal., 2020; Djarwantoetal., 2009; Bobergetal., 2011)，比較適合我國(guó)森林防火現(xiàn)狀。雖然目前篩選出的菌劑具有加速分解枯落物的作用，但僅噴灑菌劑無(wú)法帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。食用真菌大球蓋菇(Strophariarugosoannulata)可分泌纖維素酶及木質(zhì)素酶，從而加速分解基料中的纖維素及木質(zhì)素(孫萌, 2013)。并且大球蓋菇抗逆性強(qiáng)，可直接以林地枯落物為原料。大球蓋菇溫度范圍適應(yīng)廣，大興安嶺地區(qū)6～8月的溫度能滿足大球蓋菇出菇要求(谷維等, 2017; 朱世兵， 2009)。按照每公頃土地利用率為57%進(jìn)行計(jì)算，每公頃產(chǎn)量約為80 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著(曹榮利等, 2020)。因此, 林下種植大球蓋菇可充分發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)，增加林業(yè)附加值，促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展，鞏固生態(tài)建設(shè)成果，可為踐行“綠水青山就是金山銀山”理念提供新方法。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱重法的研究已經(jīng)較為透徹。一些學(xué)者對(duì)比熱重失重比例與實(shí)際樣品的生物質(zhì)含量的差異后認(rèn)為，熱重作為一種工具可以直接通過對(duì)熱重曲線的分析近似確定生物質(zhì)樣品的成分含量(Garcíaetal., 2013; Ahmedetal., 2021)。生物質(zhì)(可燃物)的熱解主要是半纖維素、纖維素和木質(zhì)素三個(gè)組分的熱解 (Chenetal., 2017)?？扇嘉锍煞质怯绊懭紵缘膬?nèi)在因素，熱值、燃點(diǎn)則是燃燒性的外在表現(xiàn)(Lunguleasaetal., 2020)，但燃燒性是可燃物的綜合特性，若僅從單一指標(biāo)評(píng)估燃燒特性較為片面，聶其紅等(2001)使用熱重分析法評(píng)價(jià)了褐煤混煤的燃燒性，近似用Arrhenius定律表達(dá)燃燒速率，綜合了著火溫度、最大燃燒速率、平均燃燒速率以及燃盡溫度來(lái)反映燃燒性能，提出了綜合燃燒性指數(shù)，利用熱重分析對(duì)燃燒性進(jìn)行更全面的評(píng)價(jià)，王新然(2020)將這一方法用于枯落物燃燒性評(píng)價(jià)。本研究進(jìn)行了大興安嶺地區(qū)興安落葉松(Larixgmelinii)林和白樺(Betulaplatyphylla)林兩種典型林分的枯落物熱重分析，探明林下種植大球蓋菇對(duì)枯落物燃燒性的影響，在森林防火的同時(shí)尋找發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)的新方法。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于大興安嶺松嶺區(qū)西北端的松嶺林業(yè)局壯志林場(chǎng)(123°29′—124°18′E，50°58′—51°23′N)，屬寒溫帶大陸性氣候，年均氣溫-3 ℃，年均降水量458.3 mm，主要土壤類型為棕色針葉林土，頂級(jí)植被為興安落葉松林，興安落葉松砍伐后白樺作為先鋒樹種萌生較快(朱世兵, 2009)。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

本研究在興安落葉松林和白樺林內(nèi)分別設(shè)置1塊2 500 m2的樣地，樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of stands

在每塊樣地(郁閉度0.7左右)中，分別布設(shè)12個(gè)70 cm×70 cm樣方。以枯落物為栽培基質(zhì)進(jìn)行大球蓋菇的種植，以每個(gè)樣方栽植的菌袋(每袋質(zhì)量為1 kg。配方： 闊葉樹木屑86.5%，麩皮10.0%，豆粉2.0%，石灰0.5%，石膏1.0%)數(shù)量設(shè)置CK(0袋)、低(2袋)、中(4袋)、高(6袋)4種密度。2020年6月種植在上述2種森林的枯落物層中，(每種森林每種密度種植3塊樣方)，共24塊樣方。2020年10月采集枯落物樣品，采集覆蓋層枯落物(包括基本未分解、保持原狀的落葉以及腐爛分解的有機(jī)質(zhì)殘?bào)w)，在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)10 cm×10 cm的小樣方進(jìn)行全部覆蓋層枯落物采集，放入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，將每個(gè)樣方中3個(gè)小樣方的樣品混合，置于烘箱內(nèi)65 ℃烘干至恒質(zhì)量，然后用粉碎機(jī)粉碎并過80目篩，放入自封袋中備用。

2.2 熱重?cái)?shù)據(jù)獲得及處理分析

采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的TGAQ500熱重分析儀進(jìn)行熱重(TG)-微商熱重(DTG)分析, 以溫度為橫坐標(biāo)，建立與樣品微商熱重DTG即失重速率的函數(shù)關(guān)系。以99.99%的氮?dú)鉃檩d氣，在空氣氣氛下，氣體流量為60 mL·min-1，從室溫升溫到700 ℃，升溫速率為10 ℃·min-1(金森等, 2015; Magdziarzetal., 2013)。每份樣品取15 mg，試驗(yàn)過程中確保每份樣品不會(huì)溢出熱重分析儀的鉑金坩堝。

熱重分析數(shù)據(jù)中的失重比例特性包括興安落葉松林及白樺林的綜纖維素階段(190～440 ℃)失重比例、木質(zhì)素階段(280～500 ℃)失重比例(Shenetal., 2010; Yangetal., 2006; Liodakisetal., 2002)，失重率特性指標(biāo)K(%·min-1) 由失重階段溫度跨度(ΔT)、失重比例(W)及本研究所選的升溫速率(10 ℃·min-1)計(jì)算得出，公式為：

(1)

2.3 熱值及可燃物活化能

采用鶴壁市鑫泰高科儀器制造有限公司生產(chǎn)的QZLRY-5E微機(jī)全自動(dòng)量熱儀，按照儀器要求在燃燒皿中稱取分析試樣1.0 g(粒度小于 0.2 mm)，充氧到壓力為3.0 MPa的條件下進(jìn)行熱值測(cè)試。

在動(dòng)力學(xué)意義上，活化能指的是使非活性分子轉(zhuǎn)化為活性分子所需的最小能量(Reshadetal., 2017)，活化能的大小反映著樣品的熱穩(wěn)定性，活化能越低，物質(zhì)越容易發(fā)生反應(yīng)，熱穩(wěn)定性越差(Guoetal., 2019)。指前因子指在熱運(yùn)動(dòng)中的分子碰撞頻率，分子反應(yīng)的劇烈性(金森等, 2015)。采用Coats-Redfem法(胡海清等, 2020)，對(duì)活化能及指前因子進(jìn)行分析。

2.4 燃點(diǎn)及可燃性指數(shù)

燃點(diǎn)可以反映可燃物燃燒過程中的起始被引燃特性(Liodakisetal., 2005)。采用鶴壁市鑫泰高科儀器制造有限公司生產(chǎn)的XTRD-5燃點(diǎn)測(cè)試儀進(jìn)行燃點(diǎn)測(cè)試。每份樣品取0.1 g加入干燥的亞硝酸鈉0.075 g混勻放入試管后開始測(cè)樣。

可燃性是受多種因素影響的復(fù)雜特性，著火溫度不能完全表達(dá)出可燃物燃燒開始時(shí)的著火能力，可燃性指數(shù)(C)的計(jì)算公式(王新然, 2020)為：

(2)

2.5 綜合燃燒性指數(shù)

用綜合燃燒性指數(shù)(P)來(lái)表征試驗(yàn)樣品的綜合燃燒性能，即化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素控制反應(yīng)速度，近似用Arrhenius定律表達(dá)燃燒速率(聶其紅等, 2001; 王新然, 2020)，對(duì)燃燒性進(jìn)行更全面評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

(3)

2.6 數(shù)據(jù)處理

采用最小顯著性差異法(LSD)在P=0.05水平下分別對(duì)興安落葉松和白樺兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，使用R 4.0.2、Origin2021軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、作圖和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱解特性分析

在綜纖維素?zé)峤怆A段(190～440 ℃)，興安落葉松林枯落物DTG曲線隨大球蓋菇種植密度增大而降低(圖1)； 興安落葉松林枯落物的綜纖維素失重峰所在溫度為190～360 ℃，除高密度種植以外，其他種植密度的曲線峰值對(duì)應(yīng)的溫度升高，在190～360 ℃下高密度種植曲線更加平緩； 在木質(zhì)素?zé)峤怆A段(280～500 ℃)，興安落葉松林枯落物的木質(zhì)素失重峰所在的溫度為360～500 ℃，其DTG曲線趨勢(shì)較綜纖維素失重峰平緩，隨著種植密度增大，曲線越發(fā)趨于平緩。

由圖1可看出： 在綜纖維素?zé)峤怆A段(190～440 ℃)，白樺林下枯落物種植大球蓋菇的DTG曲線也低于未種植對(duì)照； 白樺林枯落物木質(zhì)素失重峰所在的溫度為190～373 ℃，隨種植密度增大，曲線的峰值降低，對(duì)應(yīng)的溫度升高，但在中密度種植條件下DTG曲線降低幅度較高密度大； 在木質(zhì)素?zé)峤怆A段(280～500 ℃)，白樺林枯落物的木質(zhì)素失重峰所在溫度為373～500 ℃，未種植對(duì)照及低密度種植處理出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰。

圖1 不同大球蓋菇種植密度下的興安落葉松、白樺枯落物微商熱重曲線(DTG)Fig.1 Derivative weight (DTG) curve of Larix gmelinii and Betula platyphylla litter under different planting densities of Stropharia rugosoannulata

對(duì)比興安落葉松林、白樺林的枯落物失重曲線(圖1)，興安落葉松林下未種植對(duì)照及低、中密度種植的枯落物DTG曲線的峰值均低于對(duì)應(yīng)的白樺林枯落物，且興安落葉松林的對(duì)照與低密度處理的曲線差異大于白樺林，但中、高密度種植的DTG曲線差異在兩個(gè)樹種之間相近。兩樹種的對(duì)照與低密度種植處理的DTG曲線變化均比較相似，但興安落葉松林的趨勢(shì)更加平緩，在中、高密度處理的曲線變化趨勢(shì)也差別不大。

在綜纖維素?zé)峤怆A段(圖2)，興安落葉松林枯落物樣品的熱解失重比例在種植大球蓋菇后均顯著(P<0.05)低于未種植對(duì)照(40.50%±0.77%)，以中、高密度種植的熱解失重比例較低，失重率特性指標(biāo)也較低，且以上兩個(gè)指標(biāo)在中、高密度間差異不顯著(P>0.05)； 白樺林枯落物在此階段的熱解失重比例也表現(xiàn)為種植大球蓋菇后較對(duì)照顯著(P<0.05)降低且中、高種植密度的降幅較大，比對(duì)照分別顯著(P<0.05)降低了69.15%和64.19%(P<0.05)； 熱解失重率特性指標(biāo)與失重比例的變化類似(圖2)，在中密度處理(0.70±0.07)%·min-1、高密度處理(0.6±0.06)%·min-1下比未種植對(duì)照(1.86±0.03)%·min-1顯著(P<0.05)降低。

圖2 不同大球蓋菇種植密度下的興安落葉松林、白樺林枯落物熱解特性對(duì)比Fig.2 Comparison of pyrolysis characteristics of Larix gmelinii and Betula platyphylla litter under different planting densities of Stropharia rugosoannulata同一林分不同字母表示在0.05水平差異顯著，下同。Different lowercase letters in the same stand indicate significant differences at the 0.05 level, the same below.

由圖2可看出： 在木質(zhì)素?zé)峤怆A段，興安落葉松林枯落物失重比例在未種植對(duì)照為25.37%±0.16%，種植大球蓋菇處理的失重比例顯著(P<0.05)降低，中、高種植密度的失重比例較低且二者差異不顯著(P>0.05)，分別為9.44%±1.18%和11.02%±2.3%，但均顯著(P<0.05)低于低種植密度處理(16.49%±0.33%)； 白樺林下枯落物在木質(zhì)素?zé)峤怆A段的失重比例在對(duì)照與低密度處理之間差異不顯著(P>0.05)，但中、高種植密度處理的失重比例顯著(P<0.05)降低，失重比例分別為9.55%±0.85%和11.52%±1.15%，且相互差異不顯著(P>0.05)。

由圖2還可看出，兩個(gè)樹種的枯落物在種植大球蓋菇后的綜纖維素及木質(zhì)素?zé)峤怆A段的失重比例及失重率特性指標(biāo)均表現(xiàn)為白樺林大于興安落葉松林，失重比例和失重率特性指標(biāo)降幅較大的均為中、高種植密度。

3.2 熱值及熱解動(dòng)力學(xué)分析

由圖3可看出： 3種種植密度的興安落葉松林枯落物熱值均顯著(P<0.05)低于對(duì)照(12 929.90±4.10)kJ·kg-1，中密度(3 334.25±98.95)kJ·kg-1與高密度(2 998.25±53.75)kJ·kg-1處理的熱值又顯著(P<0.05)低于低密度處理(10 510.60±345.20)kJ·kg-1，中、高密度處理較低密度處理分別降低了74.21%和76.81%； 興安落葉松林枯落物的綜纖維素活化能在中、高密度處理中分別為(12.06 ±0.22)kJ·mol-1和(12.31±0.9 8)kJ·mol-1，均顯著(P<0.05)低于對(duì)照的(18.96±0.10)kJ·mol-1，中、高密度處理分別較對(duì)照降低了36.39%和35.07%； 低、中、高密度3種處理的綜纖維素指前因子分別為(0.63±0.18)min-1、(0.30±0.04)min-1和(0.36±0.18)min-1均顯著(P<0.05)低于對(duì)照的(1.61±0.08)min-1； 低、中、高密度和對(duì)照處理的興安落葉松林枯落物木質(zhì)素活化能分別為(22.34±0.03)kJ·mol-1、(17.61±0.10)kJ·mol-1、(20.80±1.04)kJ·mol-1和(21.40±0.12)kJ·mol-1，中密度處理顯著(P<0.05)低于其他處理，在其他密度處理及對(duì)照之間均無(wú)顯著(P<0.05)差異。對(duì)于興安落葉松林枯落物的木質(zhì)素指前因子，中密度(1.72±0.05)min-1及高密度(1.41±0.75)min-1處理顯著(P<0.05)低于對(duì)照(3.67±0.23)min-1及低密度(4.65±0.01)min-1處理。

由圖3還可看出，對(duì)照與低密度處理的白樺林枯落物熱值分別為(17 360.10±194.20)kJ·kg-1和(16 942.45±279.55)kJ·kg-1，差異不顯著(P>0.05)，但中密度(3 688.70±46.20)kJ·kg-1和高密度處理(4 848.00±23.80)kJ·kg-1比對(duì)照顯著(P<0.05)降低了78.75%和72.07%，且中密度處理顯著(P<0.05)低于高密度處理。白樺林枯落物的綜纖維素活化能在3種密度處理(低密度11.81±0.24 kJ·mol-1、中密度13.73±0.13 kJ·mol-1、高密度14.89±0.01 kJ·mol-1)下均顯著(P<0.05)低于對(duì)照(17.62±0.10 kJ·mol-1)，低密度處理最低，較對(duì)照降低了32.97%，且各處理之間彼此差異顯著(P<0.05)。白樺林枯落物的綜纖維素指前因子為低密度(0.26±0.03)min-1顯著(P<0.05)低于中密度(0.44±0.04)min-1、高密度(0.60±0.01)min-1處理及對(duì)照(1.14±0.07)min-1。白樺林枯落物的木質(zhì)素活化能及指前因子均表現(xiàn)為中、高密度種植處理降幅較大，木質(zhì)素活化能較對(duì)照分別降低了11.00%及7.71%，指前因子較對(duì)照分別降低了42.20%及32.50%。

圖3 興安落葉松林、白樺林枯落物熱值及熱解動(dòng)力學(xué)分析Fig.3 Calorific value and pyrolysis kinetics analysis of litter in Larix gmelinii and Betula platyphylla forests

在兩種森林中，白樺林枯落物的對(duì)照及3種密度處理的熱值、木質(zhì)素的活化能和指前因子均高于興安落葉松林。在中、高密度下的興安落葉松林枯落物熱值降低較多，中密度白樺林枯落物熱值最低且與興安落葉松林差別不大。不同于興安落葉松林枯落物的綜纖維素活化能及指前因子降低幅度均在中、高密度較大，白樺林枯落物低密度處理的降低幅度最大。兩種林分的枯落物木質(zhì)素活化能和指前因子均為中、高密度降低幅度較大。

3.3 燃燒性分析

3.3.1 燃點(diǎn)及可燃性指數(shù) 由圖4可看出，興安落葉松林枯落物在對(duì)照(273±1)℃與中密度處理的燃點(diǎn)分別為(273±1)℃和(276±2)℃，兩者差異不顯著(P>0.05)，但兩者均顯著(P<0.05)高于低密度處理的(266±1)℃，三者均顯著(P<0.05)高于高密度處理的(255.5±0.5)℃。興安落葉松林枯落物對(duì)照的可燃性指數(shù)為(7.07±0.21)pg·min-1℃-2，顯著(P<0.05)高于3種處理，低密度處理為(4.20±0.40)pg·min-1℃-2，又顯著(P<0.05)高于中密度的(2.43±0.23)pg·min-1℃-2和高密度處理的(2.48±0.26)pg·min-1℃-2，但后二者無(wú)顯著(P<0.05)差異。

由圖4還可看出，白樺林枯落物對(duì)照的燃點(diǎn)為(255±0)℃，顯著(P<0.05)低于 3 種密度處理，中密度處理最高，為(276.5±1.5)℃，其顯著(P<0.05)高于高密度處理的(272±0)℃，而且這二者顯著(P<0.05)高于低密度處理的(264±1)℃。白樺林枯落物的可燃性指數(shù)變化趨勢(shì)與興安落葉松林相同，對(duì)照為(9.82±0.39)pg·min-1℃-2，顯著(P<0.05)高于所有3種處理，低密度處理為(8.01±0.44)pg·min-1℃-2，顯著(P<0.05)高于中密度處理的(2.10±0.28)pg·min-1℃-2和高密度處理的(2.40±0.20)pg·min-1℃-2，但后二者無(wú)顯著(P<0.05)差異。

圖4 興安落葉松林和白樺林的枯落物燃點(diǎn)與可燃性指數(shù)Fig.4 Ignition point and flammability index of litter in Larix gmelinii and Betula platyphylla forests

在兩種森林枯落物的燃點(diǎn)之間，興安落葉松林的對(duì)照和低密度處理的值高于白樺林的值，中密度處理表現(xiàn)為興安落葉松林的值低于白樺林的值，高密度處理表現(xiàn)為興安落葉松林的值低于白樺林的值。在可燃性指數(shù)方面，對(duì)照和低處理時(shí)表現(xiàn)為興安落葉松林低于白樺林，而中、高密度處理時(shí)表現(xiàn)為興安落葉松林高于白樺林。

3.3.2 綜合燃燒性指數(shù) 興安落葉松林枯落物的綜合燃燒性指數(shù)表現(xiàn)為對(duì)照最高(圖5)，為(19.30±0.90)ng2·min-2℃-3，隨種植密度增大而逐漸降低，在低和中密度處理均顯著(P<0.05)地快速下降，在中密度處理降到(2.56±0.48)ng2·min-2℃-3，高密度處理為(2.41±0.05)ng2·min-2℃-3，下降不顯著(P>0.05)，3個(gè)密度處理較對(duì)照分別降低了58.39%、86.74%和87.51%。

白樺林枯落物的綜合燃燒性指數(shù)的變化趨勢(shì)與興安落葉松林相似，只是變化幅度更大，對(duì)照處理最高 (圖5)，為(32.80±0.41)ng2·min-2℃-3，低密度處理較對(duì)照顯著(P<0.05)降低到(26.60±1.85)ng2·min-2℃-3，在中密度處理的降幅最大并降低到(2.09±0.46)ng2·min-2℃-3，但高密度處理較中密度處理不顯著(P>0.05)地輕微增加(2.78±0.46)ng2·min-2℃-3，低、中和高密度處理分別較對(duì)照降低了18.90%、93.63%和91.52%。

圖5 興安落葉松、白樺林下枯落物綜合燃燒性指數(shù)Fig.5 Comprehensive combustion index of litter in Larix gmelinii and Betula platyphylla forests

興安落葉松林和白樺林的枯落物綜合燃燒性指數(shù)均在低密度和中密度處理持續(xù)地顯著(P<0.05)降低，在高密度處理時(shí)不顯著(P>0.05)地降低或增加； 白樺林的枯落物綜合燃燒性指數(shù)在對(duì)照和低密度處理較興安落葉松林高，但由于白樺林枯落物的綜合燃燒性指數(shù)在低密度到中密度階段大幅快速降低，兩種林分的中、高密度處理的綜合燃燒性指數(shù)非常相近并保持在最低水平。

4 討論

4.1 種植大球蓋菇對(duì)枯落物層熱解特性的影響

食用菌分泌的纖維素酶及木質(zhì)素酶的降解效果隨其種植密度不同而不同(Singhetal., 2021)，本研究的中、高密度大球蓋菇種植使興安落葉松林和白樺林的枯落物在綜纖維素及木質(zhì)素?zé)峤怆A段的失重比例均較低，表明綜纖維素及木質(zhì)素含量變低了(Garcíaetal., 2013; Ahmedetal., 2021)，即降解效果好，這與孫思琦等(2020)篩選出的纖維素高效降解菌的菌劑通過分泌纖維素酶促進(jìn)纖維素分解并降低地表可燃物載量的研究結(jié)果相似。白樺林地未種植大球蓋菇的對(duì)照處理的枯落物在綜纖維素、木質(zhì)素?zé)峤怆A段的失重比例均高于興安落葉松林，表明白樺林枯落物的綜纖維素及木質(zhì)素含量高于興安落葉松林枯落物。綜纖維素的平均失重率特性指標(biāo)在中、高密度處理較低，表明這時(shí)的樣品燃燒劇烈程度降低(高健, 2020; 金森等, 2015)。

4.2 種植大球蓋菇對(duì)枯落物層熱值及熱解動(dòng)力學(xué)的影響

綜纖維素是枯落物的主要組分且熱值較高(Chenetal., 2020; Zamoraetal., 2013)，因此在質(zhì)量相差不大的樣品中，綜纖維素和木質(zhì)素含量低時(shí)其熱值也低(Akhtaretal., 2016; Ahmedetal., 2021)。在本研究里，中、高密度的枯落物綜纖維素及木質(zhì)素含量較低，熱值也較低，這與彭徐劍(2012)利用篩選的纖維素菌劑降解可燃物進(jìn)而降低熱值的研究結(jié)果一致。降低熱值可減少林火發(fā)生可能性，降低林火蔓延速度，因?yàn)闊嶂翟酱筢尫拍芰吭蕉啵饛?qiáng)度越大，燃燒速度越快(Núez-Regueiraetal., 1999)，如果遇到豐富的垂直可燃物時(shí)火焰高度可能會(huì)增加，且沿可燃物梯度引發(fā)樹冠火的危險(xiǎn)變大(李穎等, 2020)。綜纖維素、木質(zhì)素作為枯落物中難分解的成分，對(duì)枯落物分解的貢獻(xiàn)極高(Margidaetal., 2020)，在中、高密度處理時(shí)其含量較低，這降低了枯落物的活化能即熱穩(wěn)定性(Guoetal., 2019)，且指前因子同樣被降低，即在熱運(yùn)動(dòng)中的分子碰撞頻率降低，從而降低了分子反應(yīng)的劇烈性(金森等, 2015)。

4.3 種植大球蓋菇對(duì)枯落物層燃燒性的影響

在興安落葉松林中種植大球蓋菇使燃點(diǎn)降低，而在白樺林中種植大球蓋菇使燃點(diǎn)升高，說(shuō)明大球蓋菇的種植對(duì)不同林分燃點(diǎn)的影響效果不同，可能改變了可燃物的引燃特性(Liodakisetal., 2005)。然而，可燃物的著火性能不僅與其所含成分種類有關(guān)，還與其不同成分的含量有很大關(guān)系(王新然, 2020)，中、高密度處理的枯落物綜纖維素及木質(zhì)素含量較低，這影響了其可燃性，使枯落物的可燃性降低效果較好。綜合燃燒性指數(shù)全面反映了可燃物從著火到燃盡整個(gè)過程的燃燒情況(聶其紅等, 2001)，本研究結(jié)果表明，中、高密度處理的兩種森林枯落物綜合燃燒性指數(shù)較低，其燃燒性差，所以防火效果好。

5 結(jié)論

本研究從林下種植食用菌促進(jìn)林下經(jīng)濟(jì)發(fā)展并籍此加速枯落物分解而降低火險(xiǎn)的角度，在興安落葉松林和白樺林對(duì)比了大球蓋菇3種種植密度對(duì)枯落物的熱解參數(shù)、熱解動(dòng)力學(xué)、熱值、燃點(diǎn)、可燃性指數(shù)以及綜合燃燒性指數(shù)的影響，評(píng)估了大球蓋菇種植加速枯落物中綜纖維素、木質(zhì)素分解的作用，探究了其對(duì)枯落物燃燒性的影響，表明低、中、高密度種植均能顯著(P<0.05)降低枯落物的綜合燃燒性指數(shù)，但中、高密度種植降低枯落物燃燒性的效果均高于低密度種植，其中興安落葉松林枯落物的綜合燃燒性指數(shù)分別降低了86.74%和87.51%，白樺林枯落物分別降低了93.63%和91.52%。未來(lái)研究可進(jìn)一步深入研究大球蓋菇種植降低枯落物燃燒性的機(jī)理，探究兼顧防火效益與種菇收益的最佳種植密度。