计划烧除过程生态功能研究进展

陈鸿申 陈忠发 赵爽

摘要以近50年来国内外相继报道的计划烧除研究论文数据库为基础，详细论述了计划烧除在水土保持、生物多样性保护、碳循环方面的应用研究。综合文献来看，适度的计划烧除对生态环境具有一定的调节功能，可结合实际在水土保持、生物多样性维护、碳地球化学循环等方面进一步深化研究和推广应用。

关键词计划烧除；生态功能；研究进展；水土保持；生物多样性；碳循环

中圖分类号：S762.8文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.020

森林生态系统是人类生产、生活与生态空间相互作用，进行能量转换与物质循环的重要载体[1]。火灾作为障碍因子将摧毁森林生态景观，影响森林植被的生长、发育和生殖，甚至毁灭森林生态系统，计划烧除是在一定林区范围内，按程序和规范，借助于低强度火烧的有利方面，烧除林区蓄积过剩的可燃物，有效缓减和预防火灾[2-3]，进而促进林分更新和改善林区环境[4]。计划烧除过程破坏土壤酶的活性进而改变土壤性质[5]。据研究报道[6]，计划烧除使低坡度径流泥沙产量有显著变化，进而影响水土资源的重新分配。计划烧除后森林中植物群落数量相应减少，同时也会衍生出新的物种和群落，促进种群的繁衍和扩张[7]。此外，计划烧除过程加快枯落物中的灰分回归土壤环境，影响大气圈、水圈、岩石圈中营养物质的重新调剂[8]。计划烧除在生态功能服务方面均有深远影响和重要意义[9-10]。

随着当今人类现代化进程的发展，生境破碎化、人为割裂、温室气体二氧化碳浓度升高等生态问题日渐凸显，为更好的挖掘和探明计划烧除过程对生态环境的利弊，充分挖掘其有益的方面服务于高质量发展，本文梳理近50年来国内外相继报道的计划烧除研究报道，以期为进一步探明计划烧除在生态功能服务方面的应用研究机制提供思路。

1国外计划烧除应用情况

“计划烧除”概念1907年在美国首次提出，而后美国森林区进行了大量的计划烧除研究[11]。国外计划烧除的火强度均控制在火险等级3级以下，火焰高度在1.5～2.0m范围内;研究对象主要有黄松林[13-15]、天然黑松林[16]以及赤松林[17]等;研究内容有土壤酶活性、土壤呼吸、土壤物质成分、物种组成和生物多样性、土壤真菌群落等。详见表1。

2计划烧除火行为分析影响计划烧除效果的主要因素有点烧方法和火强度。其中点烧方法有直线法、“V”形法、棋盘法、中心法[2]，计划烧除适用林分主要以云南松纯林为主，火烧强度在200～500kW/m[21]范围内，主要在云南松纯林[22]、马尾松[23]、内蒙古森林草原[24]、思茅松天然林[25]、杨桦林[26]开展了计划烧除。详见表2。

3计划烧除对水土流失的影响

3.1径流泥沙

坡面径流泥沙量主要受到降雨动力条件和下垫面枯落物蓄积的综合影响，林下枯落物蓄积能截留和缓解雨滴直接侵蚀林地，增加林地的水源涵养能力[28-29]。计划烧除使得林地植被减少，土壤密度相应增加，土壤总体孔隙度随之降低，降雨量直接导致坡面径流量和泥沙量显著增加，分别可增加约3倍和21倍[6]。林地表覆盖通过增加森林土壤有机质含量和促进生物活性进而提高土壤孔隙度，有效防止土壤板结，增加林地表面粗糙度从而提高水分入渗，缓减径流和土壤侵蚀[30]。低坡度背景下实施低强度的计划烧除，径流泥沙侵蚀模数小于国家规定的数值，但总体来说，所导致的水资源和土地生产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对陆地生态系统水分循环尤为重要，是森林枯落物水文特性的重要评价指标[29]。计划烧除后林地枯落物蓄积量减少约80%，燃烧的剩余物组成结构复杂多变，吸附和保持水分的能力减弱，枯落物有效持水量降低约61%，经过一年的自然恢复后有效持水量可达到73%，且枯落物层持水量与浸泡时间呈对数函数关系，吸水速率与浸泡时间呈幂函数关系[32]。不同火烧强度对林分土壤中有机碳和土壤斥水性影响不同[33-35]，周期性低强度实施计划烧除后，地表覆盖物迅速减少，土壤表层容重增加，毛管持水量降低，土壤中营养物质随之减少[36]，影响森林的持水效益和水源涵养功能。

4计划烧除对生物多样性的影响

4.1微生物及酶活性

土壤中微生物种类和数量与成土母质及土层深度密切相关，土壤酶的种类和数量随土壤微生物种类和数量以及土层厚度变化而变化[37-38]。其中，蔗糖酶、纤维素活性与细菌数量呈正相关，脲酶、蛋白酶活性随土壤有机质含量减少而减少，过氧化物酶活性随着土壤呼吸强度增加而增加，磷酸酶活性随土壤含磷物质的变化而变化。计划烧除促进土壤微生物和酶的新陈代谢，对森林土壤环境中微生物群落具有调节功能，但同时也破坏和减少了部分微生物群落结构。计划烧除过程中森林土壤环境中的有害生物（如松材线虫虫卵）相应被杀死和破坏，降低松墨天牛种群密度，同时可以减少松材线虫携带量[23]，对森林病虫害防治及土壤环境起到一定的“消毒”和“净化”作用。

4.2群落结构和物种多样性

计划烧除过程中燃烧作为障碍因子对森林中乔木、灌木、草本植物生长发育造成胁迫，进而影响林分组成结构和物种多样性[39-40]。适度的计划烧除可促进林分的更新和生长，有效增加林分生物多样性[41-42]。戚书玮等学者[43]研究表明计划烧除1年后云南松林乔木层和灌木层物种组成下降50%，草本层下降25%，乔木层、草本层Shannon-Wiener和Simpson多样性指数、丰富度无显著变化，且计划烧除前后乔木平均树高、平均胸径和平均枝下高差异不显著，但灌木层物种丰富度、生物多样性显著下降。林分中乔木死亡率随乔木径级的增大而降低，总体来说对林分中乔木的生长影响不大[44]。计划烧除后森林中乔灌草本群落数量减少，同时也会衍生出新的物种，促进林分的更新，对林业生态功能具有调节作用[45]，在培育大径级用材林经营管理中可作为森林抚育的推荐方法，可以削弱林分中灌木和草本植物对优势种的营养竞争，有利于大径级用材林的生长和发育，起到防火和经营的双重作用。

4.3动植物栖息地

计划烧除研究的深入突显了其在生物多样性保护领域的有益作用[46]。计划烧除后仍有植物种子或根蘖深埋于土壤中，一定环境条件下重新萌发。且计划烧除后群落郁闭度相应降低，林分空间增大，改善了野生动植物栖息环境，利于新物种的迁移和种群扩张。新萌发的鲜嫩植物为野生动物提供美味的食物，促进野生动植物的保护[47]。烧除过程加速灰分物质回归土壤，增加野生动植物栖息地的有机质含量，提升土壤肥力，可为森林植被提供丰富的养料，进而为野生动植物的生存提供源源不断的物质基础和食物资源，利于种群的扩张和繁衍[48-50]。烧除过程也会对其他动植物的栖息环境和食物链造成一定程度的破坏和影响，科学平衡不同野生动植物种间之间及食物链关系至关重要[51]。

5计划烧除对碳地球化学循环的影响

森林土壤是大气有机碳源和汇的重要组成部分，与碳地球化学循环密切相关[52]。不同火烧除强度对土壤有机碳储量有着深远的影响[53]，计划烧除后林下可燃物有机碳储量可增加10%以上[54]，不同坡向下计划烧除林土壤有机碳储量差异较大，阴坡、阳坡、半阳坡有机碳储量增幅依次递减，有机碳储量分别增加45.64、37.31和35.87t.hm-2[55]。计划烧除林与未烧除林相比，上坡、中坡和下坡3个坡位森林土壤有机碳储量和含量明显增加，上坡、中坡、下坡增幅依次增加，增幅分别为0.482、0.505和0.581t.hm-2，储量分别为32.49、41.70和44.22.hm-2[55]，能够提高森林碳汇能力[56]。

计划烧除加快枯落物中的养分回归土壤环境，促进能量流动和物质循环[57]，进而影响营养成分的分配[8]。森林土壤呼吸、枯落物的降解对全球碳平衡和循环起着重要的调控作用[58]。枯落物蓄积量、土壤温度、水分变化对林地二氧化碳通量影响显著，不同枯落物蓄积量对林地二氧化碳通量影响幅度不同，添加枯落物的林地二氧化碳通量增加约29.12%，去除枯落物的林地二氧化碳通量降低约13.29%，土壤温度、水分通过影响根系和微生物的呼吸作用、底物和氧气的扩散进而对林地二氧化碳通量产生直接影响，土壤温度对林地二氧化碳的影响主要体现在微生物、根呼吸、土壤酶及其活性方面[59]。

6研究展望

国外计划烧除在生物因素方面的应用研究比较深入，国内在非生物因素对其响应机制应用研究居多，国内外研究对象均以松针林为主，火烧参数也很相近，原因可能是针叶林平均胸径较大，树株较高，林下可燃物主要为松针，很难蔓延造成树冠火。计划烧除过程生态功能研究展望主要有3个方面内容：一是计划烧除对坡面径流泥沙的影响目前以低坡度、低强度烧除背景研究为主，暂未综合考虑不同地质构造、不同地质岩性、不同坡向、不同水力侵蚀条件下，不同计划烧除强度对坡面径流泥沙的影响；二是计划烧除过程对森林病虫害防治及土壤环境起到一定的“消毒”和“净化”作用，在培育大径级用材林经营管理中可作为森林抚育的推荐方法，利于大径级用材林的生长和发育；三是计划烧除后对森林光合速率、根系呼吸作用、养分运营通道、叶片叶绿素、蛋白酶、二氧化碳固定酶、C3还原酶等植物生理生化过程的变化和影响仍未探明，可从植物生理学、分子生物学等微观方面深入挖掘更多数据。

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