計(jì)劃燒除過(guò)程生態(tài)功能研究進(jìn)展

陳鴻申 陳忠發(fā) 趙爽

摘要以近50年來(lái)國(guó)內(nèi)外相繼報(bào)道的計(jì)劃燒除研究論文數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)論述了計(jì)劃燒除在水土保持、生物多樣性保護(hù)、碳循環(huán)方面的應(yīng)用研究。綜合文獻(xiàn)來(lái)看，適度的計(jì)劃燒除對(duì)生態(tài)環(huán)境具有一定的調(diào)節(jié)功能，可結(jié)合實(shí)際在水土保持、生物多樣性維護(hù)、碳地球化學(xué)循環(huán)等方面進(jìn)一步深化研究和推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞計(jì)劃燒除；生態(tài)功能；研究進(jìn)展；水土保持；生物多樣性；碳循環(huán)

中圖分類(lèi)號(hào)：S762.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.020

森林生態(tài)系統(tǒng)是人類(lèi)生產(chǎn)、生活與生態(tài)空間相互作用，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與物質(zhì)循環(huán)的重要載體[1]?；馂?zāi)作為障礙因子將摧毀森林生態(tài)景觀，影響森林植被的生長(zhǎng)、發(fā)育和生殖，甚至毀滅森林生態(tài)系統(tǒng)，計(jì)劃燒除是在一定林區(qū)范圍內(nèi)，按程序和規(guī)范，借助于低強(qiáng)度火燒的有利方面，燒除林區(qū)蓄積過(guò)剩的可燃物，有效緩減和預(yù)防火災(zāi)[2-3]，進(jìn)而促進(jìn)林分更新和改善林區(qū)環(huán)境[4]。計(jì)劃燒除過(guò)程破壞土壤酶的活性進(jìn)而改變土壤性質(zhì)[5]。據(jù)研究報(bào)道[6]，計(jì)劃燒除使低坡度徑流泥沙產(chǎn)量有顯著變化，進(jìn)而影響水土資源的重新分配。計(jì)劃燒除后森林中植物群落數(shù)量相應(yīng)減少，同時(shí)也會(huì)衍生出新的物種和群落，促進(jìn)種群的繁衍和擴(kuò)張[7]。此外，計(jì)劃燒除過(guò)程加快枯落物中的灰分回歸土壤環(huán)境，影響大氣圈、水圈、巖石圈中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重新調(diào)劑[8]。計(jì)劃燒除在生態(tài)功能服務(wù)方面均有深遠(yuǎn)影響和重要意義[9-10]。

隨著當(dāng)今人類(lèi)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，生境破碎化、人為割裂、溫室氣體二氧化碳濃度升高等生態(tài)問(wèn)題日漸凸顯，為更好的挖掘和探明計(jì)劃燒除過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的利弊，充分挖掘其有益的方面服務(wù)于高質(zhì)量發(fā)展，本文梳理近50年來(lái)國(guó)內(nèi)外相繼報(bào)道的計(jì)劃燒除研究報(bào)道，以期為進(jìn)一步探明計(jì)劃燒除在生態(tài)功能服務(wù)方面的應(yīng)用研究機(jī)制提供思路。

1國(guó)外計(jì)劃燒除應(yīng)用情況

“計(jì)劃燒除”概念1907年在美國(guó)首次提出，而后美國(guó)森林區(qū)進(jìn)行了大量的計(jì)劃燒除研究[11]。國(guó)外計(jì)劃燒除的火強(qiáng)度均控制在火險(xiǎn)等級(jí)3級(jí)以下，火焰高度在1.5～2.0m范圍內(nèi);研究對(duì)象主要有黃松林[13-15]、天然黑松林[16]以及赤松林[17]等;研究?jī)?nèi)容有土壤酶活性、土壤呼吸、土壤物質(zhì)成分、物種組成和生物多樣性、土壤真菌群落等。詳見(jiàn)表1。

2計(jì)劃燒除火行為分析影響計(jì)劃燒除效果的主要因素有點(diǎn)燒方法和火強(qiáng)度。其中點(diǎn)燒方法有直線法、“V”形法、棋盤(pán)法、中心法[2]，計(jì)劃燒除適用林分主要以云南松純林為主，火燒強(qiáng)度在200～500kW/m[21]范圍內(nèi)，主要在云南松純林[22]、馬尾松[23]、內(nèi)蒙古森林草原[24]、思茅松天然林[25]、楊樺林[26]開(kāi)展了計(jì)劃燒除。詳見(jiàn)表2。

3計(jì)劃燒除對(duì)水土流失的影響

3.1徑流泥沙

坡面徑流泥沙量主要受到降雨動(dòng)力條件和下墊面枯落物蓄積的綜合影響，林下枯落物蓄積能截留和緩解雨滴直接侵蝕林地，增加林地的水源涵養(yǎng)能力[28-29]。計(jì)劃燒除使得林地植被減少，土壤密度相應(yīng)增加，土壤總體孔隙度隨之降低，降雨量直接導(dǎo)致坡面徑流量和泥沙量顯著增加，分別可增加約3倍和21倍[6]。林地表覆蓋通過(guò)增加森林土壤有機(jī)質(zhì)含量和促進(jìn)生物活性進(jìn)而提高土壤孔隙度，有效防止土壤板結(jié)，增加林地表面粗糙度從而提高水分入滲，緩減徑流和土壤侵蝕[30]。低坡度背景下實(shí)施低強(qiáng)度的計(jì)劃燒除，徑流泥沙侵蝕模數(shù)小于國(guó)家規(guī)定的數(shù)值，但總體來(lái)說(shuō)，所導(dǎo)致的水資源和土地生產(chǎn)力退化是可以接受的[31]。

3.2持水效益

林地枯落物的保水能力對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)尤為重要，是森林枯落物水文特性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[29]。計(jì)劃燒除后林地枯落物蓄積量減少約80%，燃燒的剩余物組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，吸附和保持水分的能力減弱，枯落物有效持水量降低約61%，經(jīng)過(guò)一年的自然恢復(fù)后有效持水量可達(dá)到73%，且枯落物層持水量與浸泡時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，吸水速率與浸泡時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系[32]。不同火燒強(qiáng)度對(duì)林分土壤中有機(jī)碳和土壤斥水性影響不同[33-35]，周期性低強(qiáng)度實(shí)施計(jì)劃燒除后，地表覆蓋物迅速減少，土壤表層容重增加，毛管持水量降低，土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨之減少[36]，影響森林的持水效益和水源涵養(yǎng)功能。

4計(jì)劃燒除對(duì)生物多樣性的影響

4.1微生物及酶活性

土壤中微生物種類(lèi)和數(shù)量與成土母質(zhì)及土層深度密切相關(guān)，土壤酶的種類(lèi)和數(shù)量隨土壤微生物種類(lèi)和數(shù)量以及土層厚度變化而變化[37-38]。其中，蔗糖酶、纖維素活性與細(xì)菌數(shù)量呈正相關(guān)，脲酶、蛋白酶活性隨土壤有機(jī)質(zhì)含量減少而減少，過(guò)氧化物酶活性隨著土壤呼吸強(qiáng)度增加而增加，磷酸酶活性隨土壤含磷物質(zhì)的變化而變化。計(jì)劃燒除促進(jìn)土壤微生物和酶的新陳代謝，對(duì)森林土壤環(huán)境中微生物群落具有調(diào)節(jié)功能，但同時(shí)也破壞和減少了部分微生物群落結(jié)構(gòu)。計(jì)劃燒除過(guò)程中森林土壤環(huán)境中的有害生物（如松材線蟲(chóng)蟲(chóng)卵）相應(yīng)被殺死和破壞，降低松墨天牛種群密度，同時(shí)可以減少松材線蟲(chóng)攜帶量[23]，對(duì)森林病蟲(chóng)害防治及土壤環(huán)境起到一定的“消毒”和“凈化”作用。

4.2群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性

計(jì)劃燒除過(guò)程中燃燒作為障礙因子對(duì)森林中喬木、灌木、草本植物生長(zhǎng)發(fā)育造成脅迫，進(jìn)而影響林分組成結(jié)構(gòu)和物種多樣性[39-40]。適度的計(jì)劃燒除可促進(jìn)林分的更新和生長(zhǎng)，有效增加林分生物多樣性[41-42]。戚書(shū)瑋等學(xué)者[43]研究表明計(jì)劃燒除1年后云南松林喬木層和灌木層物種組成下降50%，草本層下降25%，喬木層、草本層Shannon-Wiener和Simpson多樣性指數(shù)、豐富度無(wú)顯著變化，且計(jì)劃燒除前后喬木平均樹(shù)高、平均胸徑和平均枝下高差異不顯著，但灌木層物種豐富度、生物多樣性顯著下降。林分中喬木死亡率隨喬木徑級(jí)的增大而降低，總體來(lái)說(shuō)對(duì)林分中喬木的生長(zhǎng)影響不大[44]。計(jì)劃燒除后森林中喬灌草本群落數(shù)量減少，同時(shí)也會(huì)衍生出新的物種，促進(jìn)林分的更新，對(duì)林業(yè)生態(tài)功能具有調(diào)節(jié)作用[45]，在培育大徑級(jí)用材林經(jīng)營(yíng)管理中可作為森林撫育的推薦方法，可以削弱林分中灌木和草本植物對(duì)優(yōu)勢(shì)種的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，有利于大徑級(jí)用材林的生長(zhǎng)和發(fā)育，起到防火和經(jīng)營(yíng)的雙重作用。

4.3動(dòng)植物棲息地

計(jì)劃燒除研究的深入突顯了其在生物多樣性保護(hù)領(lǐng)域的有益作用[46]。計(jì)劃燒除后仍有植物種子或根蘗深埋于土壤中，一定環(huán)境條件下重新萌發(fā)。且計(jì)劃燒除后群落郁閉度相應(yīng)降低，林分空間增大，改善了野生動(dòng)植物棲息環(huán)境，利于新物種的遷移和種群擴(kuò)張。新萌發(fā)的鮮嫩植物為野生動(dòng)物提供美味的食物，促進(jìn)野生動(dòng)植物的保護(hù)[47]。燒除過(guò)程加速灰分物質(zhì)回歸土壤，增加野生動(dòng)植物棲息地的有機(jī)質(zhì)含量，提升土壤肥力，可為森林植被提供豐富的養(yǎng)料，進(jìn)而為野生動(dòng)植物的生存提供源源不斷的物質(zhì)基礎(chǔ)和食物資源，利于種群的擴(kuò)張和繁衍[48-50]。燒除過(guò)程也會(huì)對(duì)其他動(dòng)植物的棲息環(huán)境和食物鏈造成一定程度的破壞和影響，科學(xué)平衡不同野生動(dòng)植物種間之間及食物鏈關(guān)系至關(guān)重要[51]。

5計(jì)劃燒除對(duì)碳地球化學(xué)循環(huán)的影響

森林土壤是大氣有機(jī)碳源和匯的重要組成部分，與碳地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)[52]。不同火燒除強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量有著深遠(yuǎn)的影響[53]，計(jì)劃燒除后林下可燃物有機(jī)碳儲(chǔ)量可增加10%以上[54]，不同坡向下計(jì)劃燒除林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異較大，陰坡、陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡有機(jī)碳儲(chǔ)量增幅依次遞減，有機(jī)碳儲(chǔ)量分別增加45.64、37.31和35.87t.hm-2[55]。計(jì)劃燒除林與未燒除林相比，上坡、中坡和下坡3個(gè)坡位森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和含量明顯增加，上坡、中坡、下坡增幅依次增加，增幅分別為0.482、0.505和0.581t.hm-2，儲(chǔ)量分別為32.49、41.70和44.22.hm-2[55]，能夠提高森林碳匯能力[56]。

計(jì)劃燒除加快枯落物中的養(yǎng)分回歸土壤環(huán)境，促進(jìn)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)[57]，進(jìn)而影響營(yíng)養(yǎng)成分的分配[8]。森林土壤呼吸、枯落物的降解對(duì)全球碳平衡和循環(huán)起著重要的調(diào)控作用[58]?？萋湮镄罘e量、土壤溫度、水分變化對(duì)林地二氧化碳通量影響顯著，不同枯落物蓄積量對(duì)林地二氧化碳通量影響幅度不同，添加枯落物的林地二氧化碳通量增加約29.12%，去除枯落物的林地二氧化碳通量降低約13.29%，土壤溫度、水分通過(guò)影響根系和微生物的呼吸作用、底物和氧氣的擴(kuò)散進(jìn)而對(duì)林地二氧化碳通量產(chǎn)生直接影響，土壤溫度對(duì)林地二氧化碳的影響主要體現(xiàn)在微生物、根呼吸、土壤酶及其活性方面[59]。

6研究展望

國(guó)外計(jì)劃燒除在生物因素方面的應(yīng)用研究比較深入，國(guó)內(nèi)在非生物因素對(duì)其響應(yīng)機(jī)制應(yīng)用研究居多，國(guó)內(nèi)外研究對(duì)象均以松針林為主，火燒參數(shù)也很相近，原因可能是針葉林平均胸徑較大，樹(shù)株較高，林下可燃物主要為松針，很難蔓延造成樹(shù)冠火。計(jì)劃燒除過(guò)程生態(tài)功能研究展望主要有3個(gè)方面內(nèi)容：一是計(jì)劃燒除對(duì)坡面徑流泥沙的影響目前以低坡度、低強(qiáng)度燒除背景研究為主，暫未綜合考慮不同地質(zhì)構(gòu)造、不同地質(zhì)巖性、不同坡向、不同水力侵蝕條件下，不同計(jì)劃燒除強(qiáng)度對(duì)坡面徑流泥沙的影響；二是計(jì)劃燒除過(guò)程對(duì)森林病蟲(chóng)害防治及土壤環(huán)境起到一定的“消毒”和“凈化”作用，在培育大徑級(jí)用材林經(jīng)營(yíng)管理中可作為森林撫育的推薦方法，利于大徑級(jí)用材林的生長(zhǎng)和發(fā)育；三是計(jì)劃燒除后對(duì)森林光合速率、根系呼吸作用、養(yǎng)分運(yùn)營(yíng)通道、葉片葉綠素、蛋白酶、二氧化碳固定酶、C3還原酶等植物生理生化過(guò)程的變化和影響仍未探明，可從植物生理學(xué)、分子生物學(xué)等微觀方面深入挖掘更多數(shù)據(jù)。

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