土壤有效磷含量对滇中地区主要森林木本植物枝叶燃烧性的影响*

李国辉，张桥蓉，2，王昆伦，蒋婷，白磊，马瑞杰，陈宏刚，李世友，2

(1.西南林业大学 消防研究所 土木工程学院，云南 昆明 650224；2.云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224；3.云南省江川县林业和草原局，云南 江川 652600；4.应急管理部南方航空护林总站，云南 昆明 650021)

可燃物的燃烧性影响着森林火灾的发展和蔓延等林火行为。粗脂肪含量、灰分含量以及热值等理化性质是影响可燃物燃烧性的重要因素[1-2]，在燃烧性的评价中有着重要作用[3-8]。磷素作为植物生长发育不可或缺的元素之一，在植物新陈代谢和物质的合成过程中有着重要作用。周录英等[9]研究表明，磷肥对提高花生(Arachishypogaea)籽仁脂肪含量效果明显。陈惠阳等[10]研究表明，施磷肥能提高玉米(Zeamays)的脂肪含量。赵广熙[11]研究发现，磷肥能够明显影响到玉米籽粒中的脂肪含量。朱朋波等[12]研究发现施用磷肥能显著增加稻米(Oryzasativa)的抽提物含量。丁洪开等[13]研究发现，施磷能够增加大豆(Glycinemax)的脂肪含量。陈慧娟等[14]研究发现五节芒(Miscanthusfloridulus)叶热值随磷肥量增加而增加。汤宏等[15]研究表明磷肥可增强烟草(Nicotianachinensis)的燃烧性。上述研究表明，磷能够增加农作物脂肪含量、热值和燃烧性。在森林植物与磷素的关系方面，现有研究主要集中在磷胁迫和土壤磷素资源的利用方面，相关研究涉及马尾松(Pinusmassoniana)[16]、云南松(P.yunnanensis)[17-21]、水曲柳(Fraxinusmandshurica)[22]、樟子松(P.sylvestrisvar.mongolica)[23-24]等我国部分主要森林木本植物。土壤与林火的相互关系属于林火生态学的研究范畴，有学者研究了林火对土壤理化性质和养分的影响。王伟等[25]研究发现林火会影响土壤中磷、钾元素的含量变化。Otero等[26]研究发现林火会影响土壤理化性质及土壤磷组分和磷的吸附解吸。

滇中重点森林火险区是云南和全国森林火灾的多发区与重灾区，具有发生次数多、过火面积大、损失严重和地域分布不均等特点。鉴于此，火灾多发区、重灾区的安宁市，森林消防组织机构健全、基础设施完备、宣传教育和防控力度大，但其历史上多次发生大面积森林火灾和重大人员伤亡火灾，不能简单地将安宁森林火灾多发原因归结为火源管理不善、火灾处置不当等人为因素。究其原因，与滇中磷矿资源丰富[27-29]，基本上是露天开采有关。调研和实验过程中发现：在矿区周围表土有效磷含量普遍高于其它无矿区，且大部分磷矿分布区正好位于以安宁为中心的滇中重点火险片区。历史上不少重特大森林火灾发生的地点与磷矿分布区高度重合。根据滇中地区部分历史火灾重特大灾区、重点火险区与磷矿分布区高度吻合这一事实以及磷有利于提高部分农作物脂肪含量这一既有的研究结论，通过研究滇中地区主要森林植物枝、叶的理化性质与土壤有效磷含量关系，以期探索滇中地区森林火灾多发的自然原因，为正确认识滇中森林火灾发生规律及滇中重点火险区治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

在12月，以澄江、安宁、盘龙、西山、江川5个市(县、区)16个滇中主要木本植物为研究对象，即：(1)华山松(P.armandii)、(2)云南油杉(Keteleeriaevelyniana)、(3)地盘松(P.yunnanensivar.pygmaea)、(4)藏柏(Tibetancypress)、(5)光叶石栎(Lithocamairei)、(6)黑荆(Acaciamearnsii)、(7)滇青冈(Cyclobalanopsisglaucoides)、(8)云南樟(Cinnamomumglanduliferum)、(9)蓝桉(Eucalyptusglobulus)、(10)大白花杜鹃(Rhododendrondecorum)、(11)厚皮香(Ternstroemiagymnanther)、(12)碎米花杜鹃(R.spiciferum)、(13)矮杨梅(Myricanana)、(14)云南含笑(Micheliayunnanensis)、(15)米饭花(Vaciniumsprengelii)、(16)炮仗花杜鹃(R.spinuliferum)。其中(1)～(4)为针叶树种，(5)～(11)为阔叶乔木树种，(12)～(16)为灌木树种。采样地主要为磷矿附近，也有少量样品采自非磷矿分布区。对灌木和小乔木，选择南坡的林下植株为采样对象。对云南松、地盘松2种强阳性木本植物，选择其典型分布地段即土壤贫瘠或立地条件相对较差的南坡上的植株为采样对象。森林火灾由地表火向上蔓延时往往先点燃树冠下部，故采集南坡植物的树冠下部带叶小枝为试验样品。采集长度为30 cm以上的带叶枝条，捆扎好带回实验室，剪取叶和带叶的小枝为实验样品。在每个采样地采集3株以上植物枝叶为试验样品，在每株根系距地表30 cm深处取土壤并测定其有效磷含量。

1.2 实验方法

1.2.1 样品准备

将枝叶样品进行清洗、风干和粉碎，样品过60目筛后干燥保存备用。

1.2.2 粗脂肪含量的测定

采用索氏提取法，称取1 g左右的干燥样品，用滤纸包好先放入石油醚浸泡24 h，再用粗脂肪含量测定仪在80 ℃温度下浸提8 h，烘干后称重，根据实验前后样品质量变化计算其抽提物含量。粗脂肪含量计算公式[30]如下。

式中：S为粗脂肪含量(%)，M1为浸提后剩余样品质量(g)，M0为浸提前样品质量(g)。

1.2.3 灰分含量的测定

灰分含量的测定采用干灰分法，其计算公式[30]如下。

式中：B为灰分含量(%)，m为灰分质量(g)，M为烘干样品的质量(g)。

1.2.4 热值的测定

利用XRY-1C微机氧弹式热量计测定热值，由电脑采集实验数据并计算结果。

1.2.5 土壤有效磷含量测定

采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，其计算公式[30]如下。

式中：c为有效磷浓度(mg/kg)，ρ(P)为标准曲线而得到的测定溶液的质量浓度(μg/mL)，V为显色液体积(mL)，D为分取倍数，n为风干试样质量(g)。

1.3 数据处理与分析

对于在同一天、同一采样地点采集的3株以上同种植物样品，当它们之间土壤有效磷含量存在明显差异时，对枝、叶理化性质与土壤有效磷含量的关系进行分析。统计随土壤有效磷含量增加抽提物含量增加、灰分含量减少、热值增加3种情况中任意一种情况所占比例。根据理化性质与土壤有效磷含量的测定结果，分析植物枝、叶的理化性质与土壤有效磷含量的相关性，进而分析滇中地区土壤有效磷含量对植物枝、叶燃烧性的影响。数据的统计分析利用Excel完成。

2 结果分析

2.1 植物理化性质与土壤有效磷含量的关系

土壤有效磷含量对阔叶灌木树种枝、叶理化性质的影响见表1。随着土壤有效磷含量的增加，枝的抽提物含量增加、灰分含量降低和热值增加的批次分别为36.36%、54.55%和45.45%，叶分别为45.45%、63.64%和45.45%。

表1 土壤有效磷含量对灌木理化性质的影响

土壤有效磷含量对阔叶乔木树种枝、叶理化性质的影响见表2。随着土壤有效磷含量的增加，枝的抽提物含量增加、灰分含量降低和热值增加的批次分别为50.00%、37.50%和25.00%，叶的分别为43.75.00%、37.50%和43.75%。

表2 土壤有效磷含量对阔叶乔木理化性质的影响

土壤有效磷含量对针叶乔木理化性质的影响见表3。随着土壤有效磷含量的增加，枝的抽提物含量增加、灰分含量降低和热值增加的批次分别为18.18%、54.55%和45.45%，叶的分别为36.36%、63.64%和54.55%。

表3 土壤有效磷含量对针叶木本植物理化性质的影响

对灌木树种和针叶树种来说，叶抽提物含量增加、灰分含量减少和热值增加的样本批次所占比例等于或大于枝；对阔叶木本植物来说，枝的抽提物含量增加的样本批次所占比例要高于叶，灰分含量减少和热值增加的样本批次所占比例分别等于、小于叶。由此可推断出灌木树种和针叶树种叶的理化性质对土壤有效磷含量的响应要比枝敏感，而阔叶乔木树种的枝、叶对土壤有效磷含量的敏感程度相近。

2.2 土壤有效磷含量与理化性质的相关性

土壤有效磷含量与各类植物枝叶中抽提物含量、灰分含量以及热值的相关分析结果见表4。3类木本植物枝的抽提物含量、热值与土壤有效磷含量均呈正相关，灰分含量与土壤有效磷含量均呈负相关。其中，灌木枝的抽提物含量、热值与土壤有效磷含量的相关性显著(P<0.05)。这表明土壤有效磷含量的增加能够增强木本植物枝的燃烧性。对叶来说，3类木本植物叶抽提物含量与土壤有效磷含量均呈正相关。灌木树种叶的灰分含量与土壤有效磷含量呈正相关，针叶树种和阔叶乔木树种叶的灰分含量与土壤有效磷含量呈负相关。阔叶乔木树种叶的热值与土壤有效磷含量呈负相关，而灌木与针叶树种叶的热值与土壤有效磷含量呈正相关。这表明针叶树种叶燃烧性随土壤有效磷含量的增加而增强，但无法确定灌木树种和阔叶乔木树种叶的燃烧性是否增加。

表4 植物理化性质与土壤有效磷含量的相关性

将3类植物综合分析时，枝叶的抽提物含量、热值与土壤有效磷含量呈正相关，灰分含量与土壤有效磷含量呈负相关，且枝的抽提物含量、热值以及叶抽提物含量与土壤有效磷含量的正相关性显著(P<0.05)。抽提物含量增加、灰分含量减少以及热值增加均能增强植物的燃烧性。

3 讨论与结论

3.1 讨论

可燃物的燃烧性是由可燃物的含水率、粗脂肪含量、灰分含量、热值等多个理化因子综合决定的[31]。但本研究由于采样时间、空间跨度较大，采样地物候、海拔也有所不同，不同地区的样品理化性质不具有完全意义上的可比性，故只对采自同一地点的样品进行了种内比较分析，对采自不同地点的样品进行了统计分析。从燃烧学角度看，水分对可燃物燃烧的抑制作用是明显的。但在防火期，滇中地区森林植物要经历部分或全部落叶、萌芽到新枝叶不断生长的过程，植物枝叶的含水率呈动态变化，土壤有效磷含量是否影响植物落叶、凋落物的分解、新枝叶的生长、植物活枝叶和含水率，从而影响植物的燃烧性，是今后需要更加全面、深入研究的内容。滇中分布有大量的针阔混交林，森林火灾发生时往往是针叶、阔叶树种混合燃烧，尤其在林下灌木丰富的林区还伴有灌木火的发生。将3类植物综合分析时，发现随着土壤有效磷含量的增加，植物的抽提物含量、热值随之增加，灰分含量随之减少，枝叶的燃烧性是增加的，这与陈慧娟等[14]、汤宏等[15]的研究结论相似，即土壤有效磷含量的增加能够增强植物燃烧性。对复层林来说，建群树种主要是乔木树种，滇中主要森林类型为云南松纯林、华山松纯林以及滇青冈、光叶石栎等为主的阔叶混交林。这些树种本身就具有很好的燃烧性，在磷矿分布区发生森林火灾时林火行为更复杂、扑救比较困难。

许多研究从火源分布[32]、气候变化[33-34]以及可燃物的分布特点[35]等方面分析森林火灾多发的原因。也有学者利用火源可及性、死可燃物载量、林分易燃性、气象因子、地形因子、植被因子和人为因子进行森林火险区划，以此进行森林火灾危险性分析[36-37]。在林火与土壤方面，现有研究主要集中在林火对土壤结构和理化性质的方面[38-40]，极少研究土壤磷含量对森林可燃物燃烧性的影响。本文研究了土壤有效磷对植物燃烧性的影响，但在数据分析方面存在一定的难度，即试验样品来自不同的地区，各地植物生长环境不尽相同，海拔、光照、土壤其它养分、气候等都会对理化性质造成影响。在今后的研究中可通过设置样地进行施肥实验以减少以上因素的干扰，从而更加客观地评价森林土壤有效磷含量对植物燃烧性的影响。

3.2 结论

不同类型植物、不同器官对土壤有效磷的响应的灵敏度有所差异：灌木和针叶树种叶对土壤有效磷含量的响应要比枝敏感，而阔叶树种枝、叶对土壤有效磷含量的敏感程度相近。根据土壤有效磷含量与植物理化性质的相关性可知，土壤有效磷含量在一定程度上增加了植物枝叶的粗脂肪含量和热值，降低其灰分含量。这种变化趋势有利于增强植物的燃烧性。

Kim等[41]研究发现，增加磷浓度可以促进植物生物量积累。张德等[42]研究表明，磷能够增加柱花草(Stylosanthensisguianensis)的生物量。滇中火灾多发区的森林立地条件整体上明显优于其它地区，林下植物丰富。丰富的林下植物造成可燃物载量大，垂直和水平方向可燃物连续性好，一旦发生森林火灾，极易形成立体燃烧，极难扑救，造成大面积森林火灾或人员伤亡。因此，在土壤有效磷成分丰富的地区应加大林火管理力度。可采取以下措施：一是严格管控火源，从源头上预防森林火灾的发生；二是要及时清理林下可燃物，同时通过修枝打杈的方法增加树木的枝下高，阻止地表火向树冠火的蔓延；三是加大可燃物消耗、安全利用等调控力度，减少有效可燃物的积累。