计划烧除对森林景观的影响研究进展

王睿琛，张文文，王秋华*，龙腾腾，张 鑫，王儒龙

（1.西南林业大学土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南昆明650224；2.玉溪市易门县林业和草原局，云南玉溪651100）

在过去的很长时间，火与生态环境及植被间的相互作用已经塑造了森林景观，并影响了物种的组成和结构。在人类出现之前，火驱动着森林景观发生变化；随着人类的诞生，火被用来满足森林资源管理的需求。经过不断地实践，人们发现火作为形成自然环境的驱动力，驱动着很多树种的变化，其变化程度与对火的适应程度有关；因此人们开始在森林经营中使用计划烧除，从而改善林地景观、预防病虫灾害和促进林木生长等[1-3]。

计划烧除作为火干扰，不仅影响森林景观，还影响许多生物的生存、发展及演变，更是森林经营和可持续发展的核心内容[4-5]。目前，国内学者对计划烧除的研究，多为运用数据和软件等，对其影响进行具体评估，如对某一树种的影响、对土壤的影响、对某地区物种多样性的影响等[6-9]。国外学者目前多通过对抽样调查数据分析，来研究计划烧除对动植物栖息地整体的影响，如对节肢动物栖息地的影响，对真菌生长环境的影响等[10-13]。本文从计划烧除对森林景观影响的研究方法入手，以计划烧除对景观结构成分及多样性的影响为重点，反映该领域的现状和发展趋势，为林业经营和森林景观管理提供参考。

1 计划烧除对森林景观影响的研究方法

1.1 基于地理信息系统与景观指数的研究方法

地理信息系统在进行景观特征方面分析时，可进行多层面分析、快速完善数据、处理大规模信息，且节省大量时间、人力及费用[14-15]。在大尺度生态系统空间格局研究方面，已形成了地理信息系统与景观格局结合的特色模式，即利用景观指数对空间格局进行定量化研究。景观指数大致分为面积指数（Area Index）、形状指数（Shape Index）、多样性指数（Diversity Index）、空间构型指数（Spatial Configuration Index）、破碎化指数（Fragmentation Index）等。随着相关技术的不断研发，景观指数会产生新的变化[16-17]。

张晨等[18]基于GIS 和景观指数，从多方面分析了不同程度火干扰对森林景观的影响，使得景观结构及多样性的变化更加直观的展现出来。李淑娟等[19]通过地理信息系统与景观指数相结合，研究了计划烧除等人为干扰对景观破碎化程度的影响，提出应重视对天然林和沼泽等自然景观的经营。Holland 等[20]通过GIS 和相关指数，量化计划烧除对澳大利亚东南部干旱森林生态系统中结构性栖息地组件的影响，使分析结果更加直观、精确。Hanberry 等[21]应用GIS 研究火干扰对密苏里平原（草地-森林景观）树木群落和密度的影响变化，量化了火干扰的影响，为当地林业管理提供了参考。

1.2 基于数理模型的研究方法

目前已有各种各样的火灾模型来预测火灾状况变化对景观尺度的影响，这种多样性很大程度上归因于景观、可燃物和气候模式的多样性，以及在模型中表示它们方法的差异[22]。目前国内外研究计划烧除对森林景观影响的常用模型为FARSITE、LANDIS、FIRESPACE；其他还有CA、PERMANOVA、LAMOS-HS、LANDSUM、SEMLAND、FIRE-BGC 等，森林景观模拟是进行景观规模实验的不可替代的工具[23-29]。

FARSITE 是一个复杂的火行为模型，可以使用地形和可燃物的空间信息以及天气和气流在时间及空间尺度上模拟真实异质景观上的火势蔓延[30-32]。高仲亮[33]使用FARSITE 模拟景观尺度的烧除实验，为计划烧除提供参考，避免跑火。Lucia 等[31]运FARSITE 模拟异质景观上野火的蔓延，为计划烧除提供依据。

LANDIS 是一个在空间上直观表现森林景观扰动和演替的模型，有助于研究人为扰动，植被演替和管理策略等对森林景观的影响，被广泛应用于森林生态研究中的各领域，如各种火干扰形式对森林景观演替的影响[34-35]。罗旭等[36]通过LANDIS 研究火干扰等对大兴安岭地区主要树种的长期影响，提出人为干预可有效帮助北方森林适应未来日趋变暖的气候。Scheller 等[37]使用LANDIS 模拟新泽西州东南部计划烧除等对森林景观的影响，为景观管理提供决策。

FIRESCAPE 是一种基于过程的景观火情模拟模型，最初是为澳大利亚东南部以桉树为主的景观而开发，模拟了自然景观中火的发生，蔓延和熄灭，并结合了天气，可燃物和地形等对其的影响[38-39]。Cary 等[40]运用FIRESCAPE 模拟计划烧除对燃烧面积的影响，从而调控可燃物，为森林景观管理提供参考。King 等[41]通过FIRESCAPE 模拟规定气候情景和燃烧水平的计划烧除，为有效地减少内陆景观中计划外火灾发生提供参考。

1.3 基于遥感技术的研究方法

遥感是一种涉及物理手段、数学方法及地学分析的综合性应用技术，可及时获得大范围、多时相、多波段的地表信息，为大尺度的综合分析提供了技术支持。近年来，遥感技术已成为研究计划烧除等干扰对森林景观影响时，应用最为广泛的技术之一。遥感技术可对森林景观格局进行提取、管理、分析和评价，研究森林景观格局分布及结构。一般来说，研究森林景观变化，都采用遥感图像、相关调查数据和地理信息系统相结合的方式，对景观要素的相关量化指标进行分析，从而表明计划烧除等干扰对森林景观的影响。这已是研究森林景观的一种主要技术手段，为大尺度范围的资源监测及管理提供了技术支持，具有十分重要的理论和现实意义[42-44]。

周巧盈等[45]借助遥感技术和地理信息系统，通过3D 建模，分析了火干扰对美国西部的森林景观的影响。孟京辉等[46]采用遥感和地理信息系统技术相结合的方式，应用景观分析软件Fragstats3.3，分析了印度尼西亚中亚其省人为干扰对森林景观的影响，提出中亚其地区的景观破碎度严重，当地部门应制定合理的森林景观规划。通过王明玉等[47]对遥感技术在森林景观方面运用的总结，许多研究者运用遥感图像研究火烧迹地恢复情况。

2 计划烧除对森林景观的影响

2.1 计划烧除对景观结构成分的影响

森林景观的变化是一个长期的渐变过程，是各种干扰共同作用的结果。计划烧除通过干扰森林物种的正常发展和演变，从而更改森林景观的结构组成。斑块（patch）、廊道（corridor）和基质（matrix），为景观结构成分。计划烧除强弱与景观破碎化具有一定相关性，适当的火干扰可稳固景观；而不当火烧造成的过高景观破碎度会使斑块、廊道及基质出现伸长、曲线化等改变。

如表1，斑块（嵌块体）是指在外貌上与周围地区有所不同的一个非线性地表区域。可通过斑块大小、斑块形状和斑块密度等，来研究计划烧除对斑块结构的影响。斑块与本底之间会产生互换变化，同时干扰斑块的增大会降低本底连通性。计划烧除会改变斑块形状，其干扰幅度会影响斑块大小，斑块边界形状决定了斑块与斑块或斑块与基质间的相互关系。通过计划烧除对斑块大小、类型、形状、边界等进行干扰，物种的分布与生产、能量和养分的交流等会受到影响，从而影响景观与物种多样性。通常，斑块面积的增大会促使物种景观多样性提高；而斑块面积的减小会降低其稳定性。斑块越紧密，能量及养分越易保存；斑块越松散，能量及养分越易同周围环境交换[48-55]。

表1 计划烧除对景观结构的影响[3，48-55]

廊道 （走廊）是指与两侧基质不同的狭长地带，具有两面性：一方面作为障碍物将景观隔开；另一方面作为通道将景观连接起来。一般来说，研究计划烧除对景观廊道的影响，主要是对景观整体连通性的分析，廊道的曲直、宽度不同，连接度也有高有低。廊道在森林景观中主要起着运输、观赏及保护资源的作用，同时增加斑块间的连接，有利于物种的发展和演变，促进物种能量及养分的交换，有时为某些物种创造特殊环境，包括防护林带、公路、铁路、河流等。森林铁路、公路两旁及林缘易长杂草，可通过计划烧除塑造防火线；同时，通过计划烧除对廊道宽度等进行改变，可有效防止外来物种的入侵，减轻栖息地的丧失和破碎化的影响[3，48-55]。

基质（本底）是指在森林景观中面积最大、连通性最好、对景观控制作用也强的景观要素类型，影响着森林景观动态变化，在景观功能和生物多样性保护上起着重要的作用。孔性和连通性是本底的重要结构特征，研究计划烧除对基质的影响，可从景观的优势度、多样性、聚合度等入手。计划烧除会对基质相对面积、连接度、孔隙度及凸凹边界等方面造成影响，其影响结果与计划烧除的尺度及规模有关；如小面积火烧会使干扰斑块数量增加，同时也会使本底的孔性升高，本底的连通性降低，从而影响物种之间能量及养分的交换等生态学过程。在森林景观中较好的基质面积较大、孔隙度较高、连接度高、外部边界呈凸形[48-55]。

因为景观结构决定景观功能，所以计划烧除对景观结构造成影响的同时，也会影响景观功能；景观功能表现了不同景观要素之间的能量、物质、物种及信息的交流。因此计划烧除对斑块、本底、基底造成的影响，会导致森林可燃物的积累程度改变、物质及能量交流的速度改变、水流路径及物质成分改变、土壤结构改变、森林碳汇改变、动植物的运动格局改变等等[48-55]。

2.2 计划烧除对景观多样性的影响

景观多样性是指景观在空间、功能及时间方面的异质性，其决定了景观格局的多样性，呈现了景观的复杂程度。干扰是形成景观异质性的主要原因，同景观异质性有密切关系。通常在无干扰时，景观格局性质会比较平稳； 而适宜可控制的火干扰，会对景观多样性产生促进作用，加强景观的稳固性。不可控的火干扰会损害森林覆盖面积、影响灌木和草地的生长，燃烧后会产生比较均一的火烧迹地景观，使景观多样性降低。计划烧除作为可控范围内或局部的火烧现象，可以提高景观格局的多样化及性质，提高景观构成因素之间的交流、促进营养成分、能量更活跃的流动，加速景观要素之间的物种传播，从而提高了物种的多样化和生态系统的多样化[48，55-58]。

在研究计划烧除对景观多样性影响时，可通过相应的指数来定量分析；这些指数关系到景观类型数以及类型的面积百分比等方面，因此可以用来量化景观结构的组成，从而使分析结果更加科学、精准。目前，用来评价景观多样性的指数有斑块多度密度( PRD)、Shannon 多样性指数(SHDI)、Simpson 多样性指数(SIDI)、修改Simpson 多样性指数(MSIDI)、Shannon 均匀度指数 (SHEI)、Simpson 均匀度指数(SIEI)、修改Simpson 均匀度指数(MSIEI)、蔓延度指数(CONTAG)、散布与并列指数(IJI)等；其中应用最为广泛的指数为Shannon 指数和Simpson 指数，两个指数常搭配使用，能够对群落物种组成的丰富度及均匀度进行综合评价[59-64]。

计划烧除同时可以影响森林景观恢复情况，其恢复情况与计划烧除强度有关，强度越高，恢复状况越差。计划烧除不会破坏生态系统的结构，反而会促进了有机物转为矿物质的过程，改善森林环境，促进林木的生长；计划烧除主要对下层灌木或被压木或幼树造成伤害，对主林层的影响很小，可帮助森林群落形成多物种、多种群、多结构的森林生态系统功能[3，65]。计划烧除也可能会减少物种库中火敏感物种的存在致使植物群落同质化，导致生物多样性减少和景观格局多样性减少，或对生态系统造成影响[66]。

如表1，计划烧除对森林景观既有积极影响也有消极影响。积极影响主要通过改变结构功能，对景观功能、景观多样性等造成影响；如斑块的改变，促使物种景观多样性增加，景观整体连通性增加，从而促进物种流动和基因交换。但计划烧除也不可避免地会产生消极影响，如：因跑火或错误的评估，导致景观结构产生不良影响，从而使景观多样性减少，景观功能减弱，对动植物栖息环境造成破坏。因此，要慎重使用计划烧除技术，在计划烧除的实施前做好充分的科学预测与评估。

3 研究展望

计划烧除作为一种成熟的人为干预的高效森林经营方式，对森林景观产生了深远的影响，也对森林可持续管理发生了一些改变。计划烧除对森林景观的影响，不是单一火行为对森林景观的影响，会涉及碳循环、气候变化、生物多样性等诸多因素。未来要聚焦计划烧除的长期影响研究，结合森林生态系统长期定位跟踪网络，弄清对森林景观的各种影响，包括积极的和消极的影响以及对全球环境的影响等。积极采用最新的技术和方法，提高计划烧除效率，如无人机技术、遥感技术以及自动点火技术等。同时，运用激光雷达和红外扫描等方法，对中大尺度火烧效果快速评估。未来应聚焦全球气候变化的背景，结合景观生态学的发展，聚焦热点，融合方法，如地理信息系统应用于森林景观管理并与景观指数、FARSITE、遥感图像等搭配使用，开发适合中国国情（人工林比例较大）的各种类似LANDDIS的景观管理模型，开展大中尺度、中长时间序列的景观研究。

景观、可燃物和气候模式等具有多样性，目前没有一个完全适宜预测计划烧除对森林景观影响的模型。将来应该注重使用科学合理的多种综合手段开展计划烧除相关模型研究，在地理信息系统基础上，注重学科交叉，学科融合，积极探索适合我国不同林区、不同林分的计划烧除模型。在模拟计划烧除对森林景观影响时，凝练未来的研究方向和重点，结合多种景观指数搭配使用或对现有指数进行改进，同时运用多种模型进行更精确的模拟，使其结果更具科学性和实用性，不断积累计划烧除各种实验数据，为制订我国南方集体林和北方国有林的计划烧除或者营林用火规范或技术规程提供参考，为森林业可持续经营管理和决策提供科学参考依据。