云南松林計劃燒除地表碳損失量及碳排放量估算

宋燈輝，付迪，黎建強，付釔珊，邢學霞，田原

西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，云南 昆明 650224

近年來，由于大氣中CO2濃度增加導致的全球氣候變暖已引起全世界的關注，如何降低碳排放則成為全球性重大生態(tài)與環(huán)境的安全問題（Mbow et al.，2017）。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是最大的碳庫，森林生長需要吸收大量的CO2，并以生物量的形式固定下來，每年的碳固定量約占整個陸地生物碳固定的2/3（Valliant et al.，2013；Yang et al.，2018），在一定程度上減少了溫室氣體的累積，在調節(jié)全球碳平衡、緩解溫室氣體濃度上升以及維護全球氣候方面有著不可替代的作用（Boer et al.，2020；宋瑞朋等，2022）。

森林火災對森林碳儲量變化有重要影響，不僅把生物碳釋放到大氣中，而且對土壤碳庫也會造成部分損失，經火燒后植被固碳量也會受到影響（張志華等，2008）。森林火災造成的多重影響，不利于自然生態(tài)建設、環(huán)境保護以及應對全球氣候變暖（Li et al.，2021）。為減少森林火災發(fā)生的頻率與強度，“計劃燒除”（Prescribed burning）被廣泛應用于生產實踐中（Wiedinmyer et al.，2010）。計劃燒除作為重要的營林措施，是利用低強度火燒的有利方面，燒除林下累積過多的可燃物，改變可燃物的數(shù)量和連續(xù)性，從而減少在火災易發(fā)地區(qū)的特重大森林火災的潛在發(fā)生和程度（馬愛麗等，2009；Bradstock et al.，2012；張清等，2016）。然而，計劃燒除一方面燃燒過程可以直接導致草灌層、枯落物層和土壤有機質層中的碳以氣態(tài)的形式損失（Volkova et al.，2021），另一方面引起土壤碳輸入、土壤環(huán)境及生物因素的改變，從而對土壤碳儲存和碳排放產生重要影響（Korontzi et al.，2003；Scharko et al.，2019）。因此，準確評價計劃燒除對森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響，對于提高森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理的水平和制定科學有效的林火管理策略等具有重要意義。

目前，有關林火對生態(tài)系統(tǒng)碳排放的影響主要集中在森林火災過程中生物質燃燒釋放的含碳痕量氣體估算（羅碧珍，2020；胡海清等，2020；羅碧珍等，2023）和土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復過程中呼吸作用的變化，即火災后土壤生態(tài)系統(tǒng)向大氣排放碳量的過程（田曉瑞等，2003；Hu et al.，2016；胡同欣等，2018；孫龍等，2019）。上述研究成果均是基于低頻率、高強度的森林火災對生態(tài)系統(tǒng)碳排放的影響。而與森林火災相比，計劃燒除具有強度低和頻率高的特點，計劃燒除過程中地表碳損失量及含碳氣體排放量估算的相關研究還鮮有報道。因此亟待對計劃燒除過程中地表碳損失量及含碳氣體排放量進行估算，從而準確評價計劃燒除過程中的碳排放量。云南松林是云南省主要的鄉(xiāng)土樹種，約占云南森林總面積的70%，是云南乃至中國西南部最重要的森林資源（鄧喜慶等，2013；王秋華等，2018），而且是計劃燒除實施的主要對象，因此本研究以云南松林為研究對象，對計劃燒除過程中云南松林地地表碳損失量進行估算，研究結果可為定量評估云南松林計劃燒除對土壤碳源/匯的影響提供數(shù)據(jù)支撐，對于森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理和林火管理策略的制定具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省新平縣，地理位置為23°38′15″－24°26′05″N、101°16′30″－102°16′50″E，屬溫帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫18.1 ℃，年最高氣溫32.8 ℃，年最低氣溫1.30 ℃，年降水量869 mm，總日照時數(shù)2.84×103h，無霜期316 d。全縣有林面積32.0×104hm2，森林覆蓋率61%，是滇中重點火險區(qū)，也是全國森林火災高危區(qū)（王秋華等，2018）。云南松林是新平縣的主要林種，20 世紀80 年代進行的飛播造林，后經疏伐及撫育管理后形成云南松林，林分郁閉度0.85，平均樹高15 m，平均胸徑16.1 cm，樹齡約為30 a。林下植被主要有帽斗櫟（Quercus guyavifoliaH. Léveillé）、紫莖澤蘭（Ageratina adenophora(Sprengel) R. M. King & H.Robinson）、柯（Lithocarpus glaber(Thunb.) Nakai）、香薷（Elsholtzia ciliata(Thunb.) Hyland.）、斑鳩菊（Strobocalyx esculenta(Hemsley) H. Robinson et al.）等。研究區(qū)以一年為一個計劃燒除周期，于每年1月下旬至2 月中旬開展計劃燒除，已連續(xù)10 年以上，計劃燒除樣地火熏平均高度為1.48 m，為低強度火燒，喬木層保留完整，林下灌木草本稀少，蓋度約為10%。

2 研究方法

2.1 樣地設置

于2020 年和2021 年在新平縣古城街道照壁山，平甸鄉(xiāng)磨盤山和揚武鎮(zhèn)魯奎山開展了相關調查和實驗。在3 個調查區(qū)域，選擇自然條件、土壤、坡度、坡向、林相等情況基本一致的計劃燒除（prescribed burning，BP）和未實施計劃燒除（unburned，UB）云南松林地分別設置6 個20 m×20 m 的樣地，在每個樣地內于計劃燒除前一周內分別設置3 個采樣點對草灌層、枯落物層和土壤有機質層的可燃物載量進行調查。于實施計劃燒除后一周內，在3 個調查區(qū)域計劃燒除云南松林地內分別設置3 個20 m×20 m 的樣地，在每個樣地設置3 個采樣點對草灌層、枯落物層和土壤有機質層燃燒剩余量進行調查。

2.2 樣品采集

如圖1 所示，根據(jù)計劃燒除和未實施計劃燒除樣地內灌木、草本分布的均勻程度沿對角線設置3個2 m×2 m 的小樣方，對樣方內的灌木進行收割稱重并取樣；同樣的方法在樣地內設置3 個1 m×1 m的小樣方，按草本、枯枝落葉和土壤有機質（包括分解層和半分解層）種類分別收集樣方內的草本、枯枝落葉和土壤有機質，稱質量并取樣，帶回實驗室進行內業(yè)測定及分析。

圖1 野外調查樣地樣方示意圖Figure 1 Schematic diagram of sample plot for field investigation

2.3 樣品測定及參數(shù)計算

2.3.1 可燃物載量的測定

采集得到的草灌層、枯落物層和土壤有機質層樣品，在105 ℃烘箱中連續(xù)烘干24 h 至質量恒定，用精度0.01 g 的電子稱稱質量，通過換算得出單位面積內可燃物載量（t·hm-2）。

2.3.2 可燃物碳含量及碳儲量的測定

將風干的灌、草層、枯落物層和土壤有機質層可燃物的實驗樣品粉碎，經100 目（0.15 mm）篩過濾，進行預處理，然后用總碳分析儀（Vario TOC，德國）分別測定草灌層、枯落物層及土壤有機層可燃物全碳（TC）質量分數(shù)（%）?？扇嘉锾純α坑嬎愎綖椋ǜ咧倭恋龋?011；Li et al.，2021）：

式中：

Sc——單位面積內可燃物碳儲量（t·hm-2）；

M——可燃物載量（t·hm-2）；

Tc——可燃物含碳量（%）。

2.3.3 燃燒效率的測定

燃燒效率是估算計劃燒除過程中碳損失量的關鍵參數(shù)，是指燃燒掉物質的量占總質量的比例。通過計劃燒除樣地調查，并在計劃燒除樣地內布設標準樣地進行采樣，對計劃燒除后的殘余可燃物載量進行調查，計算殘余可燃物載量，并結合計劃燒除前地表可燃物載量計算可燃物消耗量和燃燒效率（胡海清等，2012）。其計算公式為：

式中：

U——燃燒效率（%）；

Mi——可燃物消耗量（t·hm-2），即計劃燒除前可燃物載量-殘余可燃物載量；

M——可燃物載量（t·hm-2）。

2.3.4 排放因子測定

排放因子是指可燃物燃燒過程中排放的4 種含碳氣體，CO2、CO、CH4和和非甲烷烴（nonmethane hydrocarbons，NMHC）的量占總碳排放量的比值（胡海清等，2012）。排放因子測定通常是采用動態(tài)燃燒系統(tǒng)進行測定，應用綜合煙氣分析儀（KANE，英國）進行含碳氣體的連續(xù)分析，根據(jù)可燃物所排放的某種含碳氣體量和可燃物燃燒過程中總碳排放量的比例，計算出不同含碳氣體的排放因子。本研究參考胡海清等（Lü et al.，2005；Lu et al.，2011；Wei et al.，2011；Hu et al.，2012；胡海清等，2012）的方法進行測定、計算。其計算公式為：

式中：

Efs——不同含碳氣體的排放因子(以 C計)/(g·kg-1)；

Es——可燃物燃燒過程中排放的某種氣體量（t·hm-2）；

Ct——可燃物燃燒過程中總碳排放量（t·hm-2）。

2.3.5 總碳排放量計算

本文采用French 等修正后的火災損失生物量模型（French et al.，2004；胡海清等，2013）對火災過程中總碳排放量進行計算。其計算公式為：

式中：

Ct——單位面積內可燃物燃燒過程中地表碳損失的總碳量（t·hm-2）；

Ba——地上草灌層可燃物載量（t·hm-2）；

fca——地上草灌層物質的碳所占比重（%）；

Ua——火災過程中草灌層物質的燃燒效率（%）；

CL——枯落物層碳密度（t·hm-2）；

UL——火災過程中枯落物層物質的燃燒效率（%）；

Cg——土壤有機質層的碳密度（t·hm-2）；

Ug——火災過程中土壤有機質層物質的燃燒效率（%）。

2.3.6 含碳氣體排放量計算

含碳氣體排放量采用排放因子法計算（Lü et al.，2005；胡海清等，2012），其計算公式為：

把公式（4）代入公式（5）可得：

利用公式（6）就可以對可燃物各組分的含碳氣體排放量進行計算。

3 結果與分析

3.1 云南松林地可燃物載量及碳儲量

3.1.1 云南松林地可燃物載量

計劃燒除過程中的可燃物主要包括灌木、草本、枯落物和土壤有機質層，計劃燒除林地和未實施計劃燒除林地可燃物載量見表1。從表1 可以看出實施計劃燒除能有效減少地表可燃物載量，未實施計劃燒除林地可燃物載量總和為41.4 t·hm-2，顯著（P＜0.05）高于計劃燒除林地，其可燃物載量總和為15.6 t·hm-2，經過實施計劃燒除林地總可燃物載量減少了62.5%，就可燃物不同組分而言，實施計劃燒除林地的草灌層、枯落物層和土壤有機質層的可燃物載量分別為2.27、7.18 和6.10 t·hm-2，顯著（P＜0.05）小于未實施計劃燒除林地各組分可燃物載量，未實施計劃燒除林地草灌層、枯落物層和土壤有機質層的可燃物載量分別為4.32、15.9 和21.2 t·hm-2；實施計劃燒除林地草灌層、枯落物層和土壤有機質層的可燃物載量比未燒除林地分別減少47.5%、54.9%和71.2%。

表1 云南松林地可燃物載量Table 1 Fuel load per unit area of Pinus yunnannensis forests

3.1.2 云南松林地地表可燃物含碳量及碳儲量

實施計劃燒除和未燒除云南松林地可燃物含碳率和碳儲量分別見表2 和圖2。由表2 可以看出實施計劃燒除和未燒除云南松林地可燃物含碳率介于44.1%－51.4%，平均值為48.9%。2 種林地草灌層和枯落物層含碳率無顯著差異（P＞0.05），而地表有機層含碳率差異顯著（P＜0.05）。2 種林地不同組分可燃物含碳率表現(xiàn)為草灌層＞枯落物層＞土壤有機質層。

表2 云南松林地可燃物含碳率Table 2 Carbon content of fuel of Pinus yunnannensis forests

圖2 云南松林地可燃物碳儲量Figure 2 Carbon storage of fuel of Pinus yunnannensis forests

可燃物碳儲量與可燃物載量及含碳率關系密切，從圖2 可以看出實施計劃燒除顯著減少了林地地表碳儲量。實施計劃燒除林地地表碳儲量為7.61 t·hm-2，顯著（P＜0.05）小于未燒除林地，其地表碳儲量為19.5 t·hm-2，實施計劃燒除的林地地表碳儲量比未實施計劃燒除林地減少了60.9%。計劃燒除林地草灌層、枯落物層和土壤有機質層的碳儲量分別為1.16、3.55 和2.90 t·hm-2，分別比未燒除云南松林地減小47.8%、55.1%和69%。

3.2 云南松林計劃燒除過程中燃燒效率及總碳排放量估算

3.2.1 云南松林計劃燒除過程中燃燒效率

云南松林計劃燒除過程中不同組分的可燃物載量、燃燒剩余量、燒損量和燃燒效率見表3。由表3 可以看出，計劃燒除過程中燒毀了一定量的地表可燃物，地表可燃物燒損總量為4.62 t·hm-2，以枯落物層燒損量最高為2.95 t·hm-2，草灌層次之，其燒損量為1.28 t·hm-2，土壤有機質層燒損量最小，為0.39 t·hm-2。云南松林計劃燒除燃燒效率平均為34.6%，不同組分燃燒效率介于6.4%－56.4%，其中以草灌層燃燒效率最高，為56.4%，其次為枯落物層，燃燒效率為41.1%，而土壤有機質層燃燒效率僅為6.4%。

表3 云南松林計劃燒除過程中燃燒效率Table 3 Fuel combustion efficiency of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

3.2.2 云南松林計劃燒除過程中總碳排放量

計劃燒除過程中不同組分碳排放量見圖3。由圖3 可以看出，云南松林計劃燒除過程中碳排放量總和為0.24 t·hm-2，其中以枯落物層燃燒過程中碳排放量最高，為0.15 t·hm-2，占總碳排放量的63.5%，草灌層燃燒過程中碳排放量為0.07 t·hm-2，占總碳排放量的28.5%，土壤有機質層燃燒過程中碳排放量最小，為0.02 t·hm-2，僅占總碳排放量的8.1%。

圖3 云南松林計劃燒除過程中總碳排放量Figure 3 Total carbon emission of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

3.3 云南松林計劃燒除的含碳氣體排放因子及排放量估算

不同組分的可燃物排放含碳氣體的排放因子見表4。由表4 可以看出CO2排放因子以土壤有機質層最高為3.43×103g·kg-1，草灌層次之，為3.36×103g·kg-1，而枯落物層最低，為3.02×103g·kg-1；土壤有機質層和枯落物層CO 排放因子相當，分別為219 g·kg-1和216 g·kg-1，草灌層最低，為177 g·kg-1；CH4排放因子范圍為7.60－10.6 g·kg-1，以土壤有機質層最高；草灌層、枯落物層和土壤有機質層NMHC 排放因子分別為6.80、5.90 和5.60 g·kg-1。計劃燒除過程中各層次含碳氣體排放量均以CO2最高，不同層次CO2排放量以枯落物層最高，為439 kg·hm-2，其次為草灌層，排放量為220 kg·hm-2，土壤有機質層為63.6 kg·hm-2，分別占各層次總含碳氣體碳排放量的94.6%，92.9%和93.6%。

表4 云南松林計劃燒除過程中含碳氣體排放因子及排放量Table 4 Main Carbonaceous gases emission factors and emission of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

計劃燒除過程中含碳氣體排放總量見圖4。從圖4 可以看出云南松林計劃燒除過程中主要含碳氣體排放量總量為773 kg·hm-2，其中CO2、CO、CH4和NMHC 排放總量分別為723、47.1、1.90 和1.41 kg·hm-2，分別占主要含碳氣體排放總量的93.5%，6.1%，0.3%和0.2%。

圖4 云南松林計劃燒除過程中含碳氣體排放總量Figure 4 Total main Carbonaceous gases emission of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

4 討論

4.1 計劃燒除對云南松林地碳儲量和碳排放量的影響

計劃燒除作為一種實用、可行的營林措施，具有操作簡單、成本低、速度快等優(yōu)點，計劃燒除利用林火中有利的方面，減少林下地表過多的可燃物，燒除導致森林火災發(fā)生的可燃物條件，起到預防森林火災的作用（Scharko et al.，2019），從而降低森林火災發(fā)生的頻率和強度，使其充分發(fā)揮在生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)作用，為森林可持續(xù)管理提供科學合理的路徑（Volkova et al.，2021）。本研究表明實施計劃燒除的云南松林地可燃物載量比未實施計劃燒除林地減少62.5%，這與張文文等（2022）研究的計劃燒除對云南松林地表可燃物燒除率達62%左右的結果相近，表明低強度、高頻率的計劃燒除能夠有效降低林下可燃物的積累，并且實施計劃燒除后林地可燃物在計劃燒除過程中發(fā)生碳化，燃燒效率降低，即使發(fā)生火災也很難演變?yōu)闃涔诨?。從研究結果來看，未實施和實施計劃燒除的林下可燃物含碳率差異并不大，但實施計劃燒除的土壤有機質層含碳率比未實施計劃燒除林地高，其原因是林下草灌層和枯落物層可燃物燒損后變成細小顆粒和灰分落入土壤有機質層所致（高仲亮等，2011），且不同組分的含碳率結果與國內外研究結果相近（田曉瑞等，2003；胡海清等，2012；魏書精等，2014）。雖然計劃燒除能夠有效降低林下可燃物的積累，但是計劃燒除也在一定程度上減少了林地地表的碳儲量。長期實施計劃燒除林地地表碳儲量僅為7.61 t·hm-2，比未實施計劃燒除林地減少了60.9%，主要是計劃燒除后林地可燃物儲量顯著減少所致。此外，計劃燒除后林地水土流失增加，林地土壤有機質層沖刷嚴重（趙雨田等，2021），也會造成地表碳儲量減小。因此科學合理的計劃燒除能夠有效降低林下可燃物載量，是森林可持續(xù)管理和林火管理的一種重要手段，但是計劃燒除不利于地表碳的儲存，會造成一定程度的森林碳庫的損失。

國內外對火災過程中總碳排放量模型進行了一系列的研究，提出了多個總碳排放量模型（Seiler et al.，1980；Levine et al.，1995；Kasischke et al.，1995），然而估算的單位面積內碳損失量會小于實際單位面積內碳損失量，因為其忽略了地上枯落物層和地表有機層的物質對碳損失量的貢獻。計劃燒除過程是在林下水平上進行燃燒的，其可燃物在空間上主要包括草灌、枯枝落葉、土壤有機質等，為了計量計劃燒除過程中碳排放量，本研究將可燃物分為3 個層次分別計量，分別測定了各層的碳排放計量參數(shù)，理論上更精確地對計劃燒除過程中碳排放量進行了估算。計劃燒除過程中總碳和含碳氣體排放量的計量模型中涉及到一系列的計量參數(shù)，涉及到可燃物載量、可燃物碳含量、燃燒效率等（魏書精等，2014），在實際計量中還受火災強度、火烈度、氣象條件等因子的影響（魏帽等，2022）。然而，僅僅通過模型手段或估測會導致計量結果的不確定性（French et al.，2000；胡海清等，2012；馮東陽等，2017），因此為了更精確地測定計劃燒除過程中碳排放的計量參數(shù)，本研究通過野外計劃燒除跡地調查與室內控制實驗相結合的方法確定了各計量參數(shù)。計劃燒除作為預防森林火災的林火行為，是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的干擾因子，計劃燒除過程中含碳氣體的排放對區(qū)域碳平衡及碳循環(huán)產生重要影響（胡海清等，2012；魏書精等，2014）。研究區(qū)云南松林單次計劃燒除過程中排放的總碳量為0.24 t·hm-2，含碳氣體排放量CO2、CO、CH4和NMHC 分別為723、47.1、1.90 和1.41 kg·hm-2。森林是陸地表面最大的碳庫，具有碳匯功能（曹吉鑫等，2009），而且森林具有吸收大氣CO2，緩解氣候變化的作用（劉魏魏等，2016），然而計劃燒除不僅造成了地表的碳損失，而且燒除過程中還向大氣排放含碳氣體，導致森林碳匯效應降低，對區(qū)域碳平衡及碳循環(huán)產生重要影響。

4.2 計劃燒除對云南松林碳匯的影響

森林火災干擾作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要的干擾因子，通過破壞森林的碳匯功能和向大氣中排放含碳氣體，從而對區(qū)域乃至全球的碳循環(huán)與碳平衡產生重要影響。據(jù)統(tǒng)計，全國森林火災年均排放碳量為1.10 t·hm-2，年均森林火災各含碳氣體排放量CO2、CO、CH4和NMHC 分別為3.55×103、226、14.6 和7.17 kg·hm-2（Lü et al.，2006；魏書精等，2014），計劃燒除過程中年均排放量約占全國年均森林火災排放碳量的21.8%，含碳氣體排放量CO2、CO、CH4和NMHC 分別占全國年均森林火災各含碳氣體排放量的20.4%，20.9%，13%和19.6%。由此可見，計劃燒除過程中排放的總碳和含碳氣體遠少于森林火災。全球氣候逐漸變暖是全世界公認的事實（Mbow et al.，2017），全球氣候變暖不僅為森林火災直接提供了氣象條件，而且為其間接提供了可燃物條件及火源條件。有研究表明隨著全球氣溫不斷升高，森林火災發(fā)生的強度和頻率也會隨之升高，各種預測模型也顯示，未來隨著全球氣溫升高，森林火災干擾發(fā)生的強度和頻率將增加（胡海清等，2012；Pellegrini et al.，2018），如何降低森林火災發(fā)生的強度和頻率則成為森林可持續(xù)管理中的關鍵問題。因此，計劃燒除是森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理和林火管理的一種重要營林措施，是降低森林火災發(fā)生頻率和強度的有效措施，更是一種以小規(guī)模泄漏代替重特大森林火災造成大量碳排放的森林管理模式（Wiedinmyer et al.，2010）。

5 結論

以云南松林為研究對象，通過對草灌層、枯落物層及土壤有機質層可燃物載量的調查和含碳率的測定，對計劃燒除對地表可燃物載量和碳儲量的影響進行了研究，并在此基礎上通過對計劃燒除燃燒效率、含碳氣體排放因子的測定，對計劃燒除過程中總碳和含碳氣體的排放量進行了估算。研究結果表明：

1）計劃燒除能夠有效降低林下可燃物的積累，實施計劃燒除的云南松林地可燃物載量比未實施計劃燒除林地減少62.5%。

2）計劃燒除顯著減少了林地地表碳儲量，長期實施計劃燒除林地地表碳儲量僅為7.61 t·hm-2，比未實施計劃燒除林地減少了60.9%。

3）云南松林計劃燒除過程中主要含碳氣體排放量總量為773 kg·hm-2，其中CO2、CO、CH4和NMHC 排放總量分別為723、47.1、1.90 和1.41 kg·hm-2。

4）計劃燒除過程中總碳排放量和含碳氣體排放量顯著小于森林火災，是一種以小規(guī)模泄漏代替重特大森林火災造成大量碳排放的森林管理模式。