不同强度火烧对恢复植被生态系统碳储量的影响

2016-05-04宿海峰闫德民董木森王宇航

森林防火 2016年1期

关键词：生态系统

宿海峰，闫德民，董木森，王宇航

（1.南京森林警察学院森林消防系，南京　210023；2.南京森林警察学院林火研究中心，南京　210023；3.国家林业局森林防火工程技术研究中心，南京　210023）

不同强度火烧对恢复植被生态系统碳储量的影响

宿海峰1，闫德民2，3，董木森1，王宇航1

（1.南京森林警察学院森林消防系，南京210023；2.南京森林警察学院林火研究中心，南京210023；3.国家林业局森林防火工程技术研究中心，南京210023）

摘要：通过对不同强度春季火烧后当年恢复植被地上部分、枯落物、根系及土壤碳储量进行调查分析，结果表明：轻度火烧恢复植被和对照地上部分碳储量、根系碳储量和枯落物碳储量均高于重度火烧，对照枯落物碳储量高于两种火烧处理；不同强度地表火烧土壤碳储量在垂直空间的分布与对照一致，土壤碳储量随着土壤深度增加逐渐降低，其中，0～10 cm土层碳储量约占40％以上，该土壤深度碳储量轻度火烧＞对照＞重度火烧，10～20 cm和20～30 cm土壤碳储量重度火烧＞轻度火烧＞对照。研究不同强度火烧对于植被和土壤各碳库组分碳储量的影响，对于认识火干扰后植被生态系统碳储量时空变化及森林资源科学管理具有重要意义。

关键词：火烧强度；恢复植被；生态系统；碳储量

林火是森林生态系统功能调节的重要影响因子,作为森林生态系统维持和发展的原始动力，林火直接对森林群落演替、景观空间格局、生物多样性、元素的生地化循环等产生重要影响[1]。林火通过改变森林生态系统生物量组分改变森林碳储量分配格局，不同强度的火烧对森林碳储量的影响存在较大差异[2]。森林火烧直接将植被中的生物质碳释放到大气中去，林分结构和森林生态功能也随之发生一系列改变，其结果直接对陆地生态系统碳循环产生一定影响。火烧强度、火烧类型、恢复时间、植被类型、土壤条件等因素都会影响到火烧后植被生态系统碳储量空间格局的恢复，导致了火后森林在一定时空尺度上碳汇/源发生逆转[3,4]。

火干扰对于森林生态系统碳储量的相关研究主要集中在东北针叶林区，邹梦玲等对大兴安岭重度火烧迹地不同恢复年该兴安落叶松林利用全收获法对林分不同组分植被碳储量进行了估算发现，随着恢复年限的增长，落叶松人工林乔木层、灌木层、枯枝落叶层不同组分的碳储量总体呈明显上升趋势，草本层各组分碳储量呈现递减的趋势[5]。杨达等对不同强度火干扰后大兴安岭呼中地区兴安落叶松林、樟子松及白桦林等地上死木质残体的碳储量进行了比较，发现火干扰能显著改变森林中死木质残体碳储量的组成百分比，不同烈度的火烧对死木质残体碳储量特征的影响不同[6]。牟长城等对不同强度火烧对大兴安岭兴安落叶松瘤囊苔草湿地生态系统植被碳储量、凋落物碳储量和土壤碳储量进行了对比分析，发现了火烧干扰对寒温带森林湿地生态系统碳储量的短期影响规律[7]。周文昌等对不同强度火烧后小兴安岭白桦沼泽和落叶松-苔草沼泽凋落物及土壤碳储量进行了研究[8]。此外，李纫兰等对南方湿地松遭受突发性火灾后不同火强度扰动后不同深度土壤有机碳进行了分析，发现高强度火烧土壤有机碳显著降低[9]。目前对于我国南方落叶阔叶林火干扰后植被生态系统碳储量的相关研究较少，近年来我国南方森林火灾出现新的趋势，亟待开展南方森林火干扰植被生态系统碳储量格局的相关研究[10]。本研究试图通过对我国南方落叶阔叶林区不同强度人为火烧后当年恢复植被地上、地下及地表等不同组分碳储量进行调查分析，以探讨火烧对于恢复植被生态系统各碳库组分空间格局的影响。火干扰对植被生态系统功能影响的相关研究对于未来森林资源高效经营管理，具有重要的现实意义。

1　研究区概况

研究区位于江苏省南京市栖霞区仙林，地理坐标118°53′32″～118°55′14″E，32°06′17″～32°20′76″N。该区域属于北亚热带季风气候区，日照充足，四季分明，年平均温度15.7℃，年平均降水量1106.5 mm，集中在7～8月份，平均无霜期220天。区域地带性土壤类型为黄棕壤，平均土层厚度10-50 cm，地表枯落物平均厚度5-10 cm。区域地带性植被为带有常绿成分的落叶阔叶林，主要树种有马尾松（Pinusmassoniana Lamb.）、麻栎（Quer⁃cusacutissima Carruth）、杉木（Cunninghamialanceo⁃lata（Lamb.）Hook）、朴树（Celtissinensis Pers）、栓皮栎（Q.variabilis BL）和苦槠（Castanopsis Sclero⁃phylla Schott）等[11]。

2　研究方法

2.1试验地布设与火烧处理

试验样地布设在南京市栖霞区南京森林警察学院新校区内，新校区建设时工程堆积的土山，周边林分为长势均匀的落叶阔叶林，以构树、朴树、桑树、杨树为主，林分郁闭度0.35。土山地表覆盖一年生草本居多，以菊科、茜草科、禾本科及豆科植物为主。选择坡度、坡向及地表枯落物基本一致的平缓阳坡和半阳坡作为试验地，海拔10～15 m，坡度10°左右。2014初春进行人工点烧试验，选用的可燃物为杨树、柳树、落羽杉、芦苇、长叶茅草等树木及草本的枝叶，可燃物室外晾晒干燥并混合均匀，按照10 cm和40 cm厚度铺设10 m×10 m样地各3块，另选取地表枯落物基本一致的样地作为对照不进行点燃。燃烧时利用样地内插标有刻度的铝杆记录火焰高度，同时记录燃烧持续时间，通过火焰高度和燃烧时间区别出两种不同的火烧处理。铺设40 cm厚度可燃物燃烧火焰高度约3 m，燃烧时间约25分钟，为重度火烧（记为S）；铺设10 cm厚度可燃物燃烧火焰高度约1.5 m，燃烧时间约8分钟，为轻度火烧（记为L）。燃烧过程中确保所有可燃物完全燃烧，对照（Ck）不进行火烧处理。

2.2植物及土壤样品采集与分析

通过随机区组设计完成不同火烧强度恢复植被生态系统各组分的取样。在生长期旺季（8月中旬）分别在火烧迹地10 m×10 m样方内按“品”字形随机选取3个1 m×1 m的小样方，进行植被生物量取样，地上部分采用收割法剪取植株的地上活体部分，称取鲜重质量；枯落物沿地表捡拾后测定鲜重质量；根系取样利用40 cm深的根钻进行取样，根系样品取回后经清水洗去泥土后晾干称取鲜重。所有取样在称量鲜重后，置于烘箱内（65℃）烘至恒重。在样方内地随机挖取土壤刨面，记录土壤刨面特征，按照0～10 m、10～20 m、20～30 m、30～40 cm分出4个垂直层次，环刀取样，每个土层重复取样3次。地上生物量、地表枯落物、地下根系及土壤中碳素含量测定采用重铬酸钾容量法测定[12，13]。地上植被碳储量、枯落物碳储量、根系碳储量均用测定的碳素含量乘以单位面积生物量。土壤有机碳利用土壤容重、土层厚度和土壤有机碳含量乘积求得，计算公式如下。

式中：Cs为土壤有机碳储量（g·m-2）；Ci为第i层土壤的有机碳含量（％）；Ri为第i层土壤容重（g·cm-3）；Di为第i层的土层厚度（cm）。

3　结果与分析

3.1不同强度火烧后恢复植被组分碳储量

不同强度火烧后，恢复植被地上部分碳储量以轻度火烧为最高，重度火烧最低；根系碳储量以对照地为最高，轻度火烧地高于重度火烧地；枯落物碳储量以对照地为最高，轻度火烧地高于重度火烧地。重度火烧后植被不同组分碳储量均低于轻度火烧地和对照地（图1）。轻度火烧和重度火烧处理当年恢复植被各碳库组分百分比基本一致，其地上部分碳储量所占比例分别为56.1％和54.5％，均高于对照地的49.3％；对照地枯落物所占比例为23.3％，高于轻度火烧地的17.1％和重度火烧地的18.2％（图2）。轻度火烧促进了当年恢复植被地上部分及根系生产力的提高，由于火烧处理时地表可燃物燃烧殆尽，两种火烧处理恢复植被当年枯落物碳储量均低于对照地。

图1　不同火烧处理各组分碳储量

图2　不同火烧处理各组分碳储量的百分比

3.2不同强度火烧后土壤碳储量

不同强度火烧后土壤碳储量在垂直空间的分布与对照一致，3种处理在0～10 cm深度土层碳储量大小为轻度火烧＞对照＞重度火烧；在10～20 cm和20～30 cm土层中土壤碳储量大小为重度火烧＞轻度火烧＞对照；0～40 cm深度土壤总碳储量大小为对照＞轻度火烧＞重度火烧（图3）。火烧处理后土壤碳储量随深度变化规律和对照地一致，不同深度土壤碳储量百分比随着土壤深度逐渐降低（图4），以0～10 cm土层碳储量为最高，约占40％以上，10～20 cm和20～30 cm土层重度火烧分别占到26.5％和20.9％，高于轻度火烧地和对照地。

图3　不同火烧处理不同深度土壤碳储量比较

图4　不同火烧强度不同土层土壤碳储量百分比

4　结论与讨论

4.1不同强度火烧对植被组分碳储量的影响

火强度是火干扰状况的一个重要属性，植被碳库恢复对不同火强度的响应存在较大差别[1，5，6]。不同强度地表火烧对恢复植被地上部分、枯落物和根系碳储量影响存在较大差异，轻度火烧和对照地的地上部分碳储量、根系碳储量及枯落物碳储量均高于重度火烧地；两种火烧处理当年恢复植被各碳库组分百分比基本一致。我国东北兴安落叶松瘤囊苔草湿地经过不同强度火烧后，轻度火烧和重度火烧处理草本植物碳储量比对照有增加趋势，轻度火烧和重度火烧乔木层碳储量和对照相比呈降低趋势，重度火烧后碳储量显著降低，总体植被碳储量火烧后呈降低趋势[7]，与本研究草本层碳储量相比存在差异，原因是因为东北针叶林火烧后直接降低了灌木和乔木层盖度，阳生性草本大量出现，而本研究燃烧处理前仅存在草本，无灌丛和乔木的存在。本研究轻度和重度火烧地表枯落物分别降低了32.9％和42.5％，与我国东北小兴安岭湿地生态系统不同强度火烧的研究基本一致，重度火烧后白桦沼泽林地表凋落物碳储量降低35.5％，轻度燃烧则无显著差异；落叶松-苔草沼泽轻度和重度火烧后地表凋落物碳储量减少44.7％和49.7％[8]。轻度火烧有效地促进当年恢复植被地上部分及根系生产力的提高，重度火烧由于其火烧强度及持续时间较长，对土壤质地产生一定的影响，不利于植被的恢复。在利用火进行生态系统管理时，依据火生态学和经济学原理，用控制火烧进行人为用火实践尝试，使之既能够满足生态系统的内在火需求，同时又满足社会防火要求，人为火烧在未来林业管理中具有重要的应用前景[10,14]。

4.2不同强度火烧对土壤碳储量的影响

火烧强度对不同深度土壤碳储量影响存在一定差异，在0～10 cm深度轻度火烧能够提高土壤碳储量，高于重度火烧和对照土壤碳储量；在10～20 cm 和20～30 cm，重度火烧土壤碳储量高于轻度火烧和对照；两种火烧处理30～40 cm土壤碳储量差别不大。本研究同我国东北白桦沼泽及落叶松-苔草沼泽不同强度火烧后土壤碳储量变化研究相比，白桦沼泽及落叶松-苔草沼泽不同强度火烧后0～50 cm，土壤碳储量差别不大，两者火烧到取样时间历时1个和2个生长季[7]。本研究与南方湿地松人工林突发性火灾后土壤碳储量在0～10 cm土壤规律一致，即轻度火烧˃重度火烧，在10～20 cm 和20～30 cm，却存在差异[9]，由于不同强度火烧处理对于不同植被类型土壤的影响存在不确定性，这种不确定性可能与取样植被类型、时间、火烧后降雨过程等因素有关。火干扰对于土壤碳储量方面的研究还相对滞后，在未来林火研究中需要应用生态学理论指导防火与用火，趋利避害，在林业实践中如何利用火的工具属性促进林业生产，对于维持和促进我国森林生态系统的健康，具有重要的理论和实践意义。

参考文献

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[6]杨达,吴志伟,梁宇,等.火干扰对森林碳库影响的量化研究进展[J].世界林业研究, 2015,26(01):37-42.

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[8]周文昌,牟长城,刘夏,等.火干扰对小兴安岭白桦沼泽和落叶松-苔草沼泽凋落物和土壤碳储量的影响[J].生态学报, 2012,32(20):6387-6395.

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[11]《中国森林》编辑委员会.中国森林:（第一卷）[M].北京:中国林业出版社,2000.