氣候變暖背景下火干擾對森林生態系統碳循環的影響*

胡海清，魏書精，魏書威，孫龍

(1.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱150040;2.西安建筑科技大學，陜西西安710055)

氣候變暖背景下火干擾對森林生態系統碳循環的影響*

胡海清1，魏書精1，魏書威2，孫龍1

(1.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱150040;2.西安建筑科技大學，陜西西安710055)

人類活動所引起的溫室效應及由此造成的氣候變化和對全球生態環境的影響已受到國際社會的普遍關注。火干擾作為森林生態系統重要的干擾因子，對森林生態系統碳循環產生重要影響以及對未來氣候變化的響應更是人們關注的重點。正確理解氣候變暖、火干擾與森林生態系統碳循環之間的因果循環關系，了解氣候變暖背景下火干擾對森林生態系統碳循環的影響，對制定科學合理的林火管理策略、充分發揮林火管理在森林生態系統碳循環和碳平衡以及緩解碳排放中的作用均有重要的意義。系統論述了氣候變暖、火干擾與森林生態系統碳循環之間的邏輯循環關系，并對相關的研究進展進行綜述。重點剖析了氣候變暖對火干擾的影響，氣候變暖背景下火干擾對森林生態系統碳循環的影響，并提出了全球變暖背景下科學有效的林火管理策略與措施，以及今后需要加強的一些研究領域及方向。

氣候變暖;火干擾;森林生態系統;碳循環;林火管理策略

全球氣候變化尤其是氣候變暖對人類生存環境的影響已受到國際社會的普遍關注［1－3］。《聯合國氣候變化框架公約》以及《京都議定書》的簽訂使得政府決策層、科研工作者及社會公眾越來越關注全球氣候變化［4］。工業革命以來，由于人類大量使用煤炭、石油和天然氣等化石燃料，以及加速毀林等活動，全球每年由化石燃料燃燒釋放的CO2約2.70×1010t［5］，造成大氣層中CO2濃度每年以1.8 μmol·L－1的速度迅速增加［6］，2009年哥本哈根聯合國氣候變化大會的數據顯示CO2濃度由工業化前的280 μmol·L－1增加到了現在的387μmol·L－1。同時，氣候學家預測2100年CO2濃度為540～1 000 μmol·L－1［2］，受溫室氣體影響的全球氣溫將繼續上升，CO2濃度的不斷上升，導致溫室效應加劇，由此產生一系列的氣候異常現象，將對全球氣候產生災難性的影響。隨著氣候變化的加劇，干旱、雷暴、風暴、高溫等極端天氣越來越頻繁、越來越激烈，與氣象相關的災害越來越多［2，7］。火干擾作為森林生態系統的重要干擾因子，作為世界上八大自然災害之一［8］，在生態系統碳循環和碳平衡中具有重要作用。各種預測模型顯示，未來氣候變暖將使火干擾發生的頻率和強度增加［9－10］。為此加強氣候變暖背景下火干擾對森林生態系統碳循環的影響研究，正確理解氣候變暖、火干擾與森林生態系統碳循環之間的關系，加深火干擾對碳循環影響的認識，將會提高生態系統可持續管理的水平，以更有效的方式干預生態系統的碳平衡。這將為政府部門在全球氣候變暖背景下制定科學有效的林火管理策略提供科學依據。同時，在全球氣候變暖背景下，實施科學合理的林火管理措施，對優化森林的可持續管理，發揮碳匯效應，減緩全球氣候變暖的趨勢均有重要意義。

1 氣候變暖對火干擾的影響

森林燃燒理論認為任何森林燃燒現象的發生必須具備三個基本條件，即森林可燃物、火源、氣象條件，其構成森林燃燒三要素［11］。氣候變暖不僅為火干擾的發生發展提供了直接的氣象條件，而且為其提供了間接的可燃物條件和火源條件。Clark［12］研究美國明尼蘇達西北部750年森林火災，發現高溫干旱時期比濕冷時期森林火災發生的頻率高很多。Ali等［13］研究過去8 000年加拿大東部寒溫帶森林的火狀況，發現火干擾的頻率與氣候變化之間成函數關系。氣候變暖背景下火險天氣出現的頻率加劇，火源的增加，可燃物的不斷累積與易燃性增強，對火干擾發生的頻率和強度產生重要影響［9－10］。氣候變暖對火干擾的影響主要通過影響森林可燃物、火源和火環境與林火發生三個方面來體現。

1.1 氣候變暖對森林可燃物的影響

1.1.1 影響可燃物的燃燒性

可燃物的燃燒性是由其理化性質決定的。氣候變暖將對可燃物的理化性質產生重要影響，增加可燃物的易燃性，促成火災發生發展可燃物條件的形成。氣候變暖引起的氣溫上升，降水格局的重新分配，風速加快，導致長期干旱、高溫和大風等火險性天氣出現的頻率上升，這亦直接影響可燃物的燃燒性［11］。氣候變暖還會通過影響可燃物的燃點、熱值和揮發油含量來影響森林的燃燒性。干旱導致植物體內揮發油含量和油脂含量增加，增強可燃物的易燃性。Turtola等［14］對在干旱脅迫下的蘇格蘭松研究發現，其揮發油含量和油脂含量比正常分別增加了39%和32%。同時，由于氣候的變暖，許多火險較高的地區長期處于干旱高溫之中，進一步改變森林可燃物的燃燒性。氣候變暖將對物種組成和分布產生影響，在植被帶遷移過程中，使得許多植被在適應新生境的過程中傷亡，且其燃燒性亦發生改變，增強可燃物的易燃性［15］。

1.1.2 影響可燃物的積累

氣候變暖對森林的物種組成、分布和NPP等產生重要影響［16］。森林生態系統的生產力將隨著氣溫及CO2濃度的升高而變化［17］，全球氣候變化會促進NPP的提高［18］，從而影響森林生物量的累積速率，改變可燃物量的供給［19］。隨著全球性溫度和濕度變化，可能造成氣候帶以及相應自然生態系統向兩極移動。在植被帶的遷移中，由于有些植被不能適應新的生境而死亡，將會導致大量可燃物的積累［15］。同時，隨著全球氣候變暖，其他干擾形式發生的頻率亦會相應提高［20］，如森林病蟲害、干旱、大風和洪災等災害，亦會造成大量植被死亡，為火干擾提供了物質基礎［4］。氣候變暖還導致極端氣候事件發生的頻率和強度增大，從而導致大量植被受損和死亡，為火干擾的發生提供大量可燃物積累。全球變暖可能引起大氣CO2濃度增加，土壤水熱動態和養分發生變化及其交互作用對凋落物分解產生重要作用［18］。大氣CO2濃度增加可通過對植物和土壤生物的直接和間接作用而對凋落物的分解產生顯著影響［21］。大氣CO2濃度增加的施肥效應對森林凋落物產量和質量及根系分泌物具有不同程度的影響，對凋落物分解過程可能產生顯著影響，從而增加森林可燃物的量［22］。

1.2 氣候變暖對火源的影響

火干擾歷史表明氣候是火干擾的主導因素，氣候暖干化時期火干擾頻發且強度大［23］。隨著人口數量的增加，人類活動對火干擾的影響日益增強［19］，但氣候仍是火干擾的主導因素［24］。全球變化導致了可燃物的空間分布與林分燃燒性變化，從而影響了自然火源與人為火源的分布，改變了由雷擊或人為引起林火發生的可能，在時空上出現波動性，進而造成火干擾的動態變化。氣候變暖導致地表氣溫上升，使得地氣之間的對流增強，提高了發生雷擊的幾率，研究發現氣候變暖可使閃電的頻率增加30%～40%［25］，隨著雷擊數量的上升，尤其是干雷暴的頻發，雷擊火發生頻率加劇［26］。Price等［25］模擬CO2倍增對美國閃電引起的火干擾的影響表明，由閃電引起的火將增加44%，過火面積增加78%。

氣候變暖，防火期將延長，火險等級增高，極端火險天氣增長，使得火源管理更加困難，會導致火干擾頻繁爆發，森林大火不斷。研究表明近20年加拿大火險期延長30 d，在中、高緯度地區，特別是北方林區對氣候變暖尤為敏感［19］。由于氣候變暖，我國大興安嶺林區雷擊火增多，防火期延長，且火災發生在非防火期的幾率增大。2000年和2002年大興安嶺都發生了嚴重的夏季火災，特別是2002年的雷擊火更加嚴重［27］。趙鳳君等［15］對內蒙古大興安嶺林區的火干擾進行研究，發現該林區受氣候變暖的影響，可燃物干燥度增強，夏季雷擊火增加。在氣候變暖背景下加拿大和阿拉斯加雷擊火明顯增加［26］。

1.3 氣候變暖對火環境及林火發生的影響

氣候變暖為火干擾的發生發展提供適宜的火險天氣，創造火環境，為森林燃燒提供氣象條件。氣候變暖的火環境包括火災天氣、火險期、火災季節、引燃條件、林內小氣候和氧氣供應等，是森林火災發生的重要影響因子。研究表明，火干擾的動態變化是對氣候變化的響應，火干擾頻發均出現在氣溫高、降水少的暖干化時期，而氣候冷濕時期火干擾頻率極低［28］。隨著全球氣候變暖，高溫干旱的天數增多，降水減少，相對濕度下降，風速加大，林內微氣候干燥，火險期延長，有利于火災的發生和蔓延，導致火災發生的頻率增加，特別是強度增強。美國西部火干擾研究表明，氣候變化影響火環境是林火發生的重要因素［29］。Mouillot等［30］對地中海的氣候與火干擾關系進行研究，發現氣候變化導致兩次連續火災之間的間隔期縮短。在氣候變暖背景下，除了氣溫升高外，其他天氣變量(降水、風和云)亦將發生改變［19］，這些均有利于火險天氣的形成。

森林火災的發生與蔓延雖然受氣象條件、植被類型、人為干擾和撲救水平等諸多因素影響而表現出時空規律性，但氣象條件對林火的發生具有重要影響。太陽黑子、厄爾尼諾、南方濤動和拉尼娜均對火干擾產生重要影響［31］，其影響方式是改變可燃物濕度和火險天氣，直接或間接影響可燃物和林火環境的改變，進而對火干擾產生影響。田曉瑞等［27］對20世紀所發生的13起特大森林火災氣候背景進行研究，發現有10起發生在厄爾尼諾年，即世界歷史上78%的森林大火發生在厄爾尼諾年。

2 氣候變暖背景下火干擾對森林生態系統碳循環的影響

2.1 火干擾對大氣碳循環的影響

森林生態系統是陸地生態系統最大的植被碳庫和土壤碳庫［32］，其碳通量對全球碳收支具有重要影響，在全球碳循環和碳平衡中起著重要作用［33］。火干擾過程中可燃物燃燒所排放的大量含碳溫室氣體［34－35］，破壞大氣碳平衡［35］，對區域乃至全球碳循環和碳平衡產生重要影響。全球平均每年大約有1%的森林遭受火干擾的影響［34］，從而導致每年大約4 Pg的碳排放到大氣中，這相當于每年化石燃料燃燒排放量的70%［36］。火干擾過程中排放大量含碳氣體是對碳循環最直接的影響，亦是森林生態系統中碳的凈損失過程［37］。火干擾中生物質燃燒是大氣中痕量氣體的主要來源［34］，其排放的含碳氣體包括CO2、CO、CH4、非甲烷烴等，其中CO2、CO、CH4為其主要成分。全球森林火災排放CO2、CO、CH4的總量分別為3 135 Tg C·a－1、228 Tg C·a－1和167 Tg C·a－1，分別為全球所有排放量［38］的45%、21%和44%［39］。

森林生態系統受到火干擾后其儲存的碳都會釋放出來，1 t可燃物燃燒能產生1 755 kg的CO2，火災向大氣中釋放出大量的CO2、CO、CH4等氣體，這些氣體可在大氣中存在很長時間，火災增加大氣中含碳溫室氣體濃度，而且CH4、CO到達大氣的平流層后會影響臭氧的濃度。因此，火災對全球氣候變化的影響亦是長期的。其中最主要的是進一步促進全球變暖，從而產生一系列的負面效應。火干擾將改變大氣成分數量(CO2、CH4等排放的增加)和空氣質量改變(O3、SO2和NOx等濃度變化)，對森林生態系統生產力的形成過程亦有著直接和間接的影響［40］。火干擾中的排放物直接影響生態系統的生物地球化學循環過程［30，41］，對森林生態系統碳循環產生影響。1990年代國際巖石圈—生物圈項目的生物燃燒試驗、國際全球大氣化學等項目的大量研究，對火燒釋放物進行了取樣，確定了其成分［42］，可燃物在燃燒過程中不但釋放出大量的CO2，還有CH4、N2O等溫室氣體，其產生的煙霧亦是空氣污染的來源之一，煙霧中的含碳氣體包括CO2、CO、CH4和非甲烷烴等，這些均對大氣碳循環產生重要影響。

2.2 火干擾對土壤碳庫及周轉的影響

火干擾不僅能影響土壤碳庫的儲量，還通過影響土壤呼吸速率來改變土壤碳庫的周轉時間。火干擾向土壤中施加了熱量、灰燼，改變了土壤環境和微氣候，土壤性質亦因植被和生物活性的改變而發生相應的變化，進而對土壤有機碳含量、組分、分布及轉化有很大影響［43］。火燒對土壤有機碳的影響依賴于火燒的強度、持續時間和頻率，高強度火，土壤有機碳幾乎破壞，中、低強度火使土壤有機碳發生了重新分配，而不僅僅是減少［11］。從短期看，火燒后土壤有機質含量會大幅度下降，原因是火燒致使表土層有機碳大量分解［44］。從長期看，生物體燃燒后的殘體形成土壤黑碳，有助于形成穩定的土壤有機碳庫［45］。總之，從短期看，火燒之后土壤有機質含量下降，但從長期看，火燒改變了土壤有機質的組成，易形成穩定的有機碳，對于形成土壤中穩定的有機碳庫貢獻較大。

作為森林生態系統重要干擾因子的火干擾對土壤呼吸速率有重要影響。火干擾最直接的影響就是改變土壤的水分狀況，影響土壤呼吸速率［46］。許多學者研究發現，火災會降低土壤呼吸，降低的多少取決于火燒的強度、持續時間和頻率，但不同的林型土壤呼吸速率在火后亦有所差異［47］。盡管火后土壤顯著變暖，但由于植被、凋落物和土壤表層有機質的喪失使得火燒區的土壤CO2通量顯著降低［48］。Sawamoto［48］研究發現火燒區土壤呼吸顯著低于未燒區，且重度火燒區土壤呼吸比輕度火燒區降低的更多，土壤呼吸速率在火燒頻率較低的林地相對較高。

2.3 火干擾對凋落物碳庫及周轉的影響

火干擾改變了凋落物的微氣候和微環境，對森林凋落物碳庫產生直接和間接影響。直接影響指火干擾后地上植被燒死，地表的凋落物被燃燒，燒毀了凋落物碳庫并減少凋落物碳庫的來源，使得凋落物碳庫減少［43］。間接影響指火干擾后林分郁閉度降低，林內光照和通風條件增加，同時火燒跡地留下灰燼等物質，增強吸收太陽輻射的作用，使得地表氣溫上升，可燃物更容易干燥，從而制約凋落物分解速率改變，影響凋落物動態，影響生態系統物質循環和能量流動。在中、低強度火災后，短期內由于林分條件變化，可能增加森林凋落物的積累，進而提高森林火險等級，使得森林火災后再次發生火災的幾率提高，影響凋落物碳庫。

火干擾對凋落物的增減取決于火燒強度，不同強度的火燒對凋落物碳庫產生不同的影響［48］。火燒對跡地的地表溫度和水熱條件產生影響，進而對凋落物的分解速率產生影響，從而調節森林凋落物碳庫及其周轉速率［43］。如溫度升高對各種反應過程均有不同程度的促進作用，可提高森林土壤和凋落物的微生物活性，加速凋落物的分解。林地水熱條件直接影響凋落物分解過程中的淋溶作用和微生物活性，從而對凋落物分解產生顯著影響。Liski等［49］開發了一個基于溫度和積溫的簡單模型，用來描述凋落物的分解速率，發現溫度增加可顯著提高凋落物的分解速率，加速凋落物碳庫的周轉，且這一作用在所有生態系統中表現一致。Moore等［50］研究表明，氣溫升高可使凋落物分解率增加4%～7%。Pausas等［29］對地表和不同土層凋落物分解速率的研究表明，相對較高的地表溫度更有利于凋落物的分解。

3 氣候變暖背景下的林火管理策略

正確理解和處理氣候變暖背景下火干擾與森林生態系統碳循環之間的相互關系，對政府部門在全球氣候變暖背景下制定科學有效的林火管理策略與措施，維護森林生態系統碳平衡，減緩大氣CO2濃度上升，緩解氣候變暖均有重要意義。目前，林火管理策略主要有4種，即森林防火、計劃燒除、生物防火和林火阻隔。森林防火指嚴格防止森林火災的發生，使火災的發生發展控制在一定的范圍之內。防火是政府部門實施的最高效緩解火干擾的行動，其直接效益就是保護了現有森林、人民的生命和財產安全，但大量研究及事實證明，嚴格防火政策的長期實施，改變了火災輪回期［51］，會導致一系列生態后果［52］，主要表現為火災輪回期變長，火燒頻率減小，森林物種組成及年齡結構發生改變，造成森林結構功能的變化。因而改變嚴格防火措施負面效應的首要工作是加強森林可燃物的可持續管理，因為可燃物是影響林火發生要素中人類能控制的因子［52］。森林可燃物可持續管理是指為了某種目的對可燃物進行處理和調節的所有過程和方法，主要目的是降低火險、清除易燃可燃物、維持生態系統平衡與穩定［11］。森林可燃物的可持續管理主要包括計劃燒除和生物防火兩種重要措施。

計劃燒除是指人們為了減少可燃物的積累，降低森林燃燒性或開設防火線而進行的計劃火燒，亦可稱為以火防火［53］，包括火燒防火線、火燒溝塘草甸、清理采伐或撫育的剩余物、林內計劃火燒等。定期進行計劃燒除:一是可將地表枯枝落葉等易燃可燃物清除，減少可燃物的過分積累，調節森林可燃物結構，具有良好的防火功能;二是可使易燃可燃物燃燒后轉化為林木生長所需的養分，同時還可加速凋落物的分解，增加土壤養分，有利于森林的生長發育、健康成長，對維護森林生態系統的平衡與穩定均有重要的生態意義。生物防火是指利用生物(喬、灌、草等)燃燒性的差異，通過營林、造林、補植、引進等措施來減少林內可燃物的積累，改善火環境，增強林分自身的難燃性和抗火性，構建綠色防火林帶，同時能阻隔或抑制林火的蔓延和發展［53］。主要是利用植被燃燒性的差異，選擇難燃、耐火、抗火的樹種營建防火生物圈或耐火植物帶，以阻隔林火的蔓延或選擇抗火性能強的樹種營造針闊混交林，以增強林分抗火性，減少森林火災發生頻率，降低火強度，使森林火災的損失降到最低水平。

4 結論與展望

氣候變暖、火干擾與森林生態系統碳循環之間存在著邏輯循環關系。氣候變暖為火干擾的發生發展提供可燃物、火險天氣和火源條件，影響火干擾發生的頻率和強度。氣候變化和火干擾兩者之間的相互作用關系影響生態系統的碳循環過程，改變生態系統對大氣中CO2的排放與吸收，影響原有的碳平衡，對生態系統的碳循環產生重要影響。隨著全球氣候變暖，火干擾的頻率和強度將進一步加劇［9］，呼吁人們重視林火管理在協調氣候變暖、火干擾與森林生態系統碳循環中的重要作用。如何協調三者之間的因果循環關系，對學者們既是機遇又是挑戰，今后需從以下一些領域加強研究:

(1)集成實地觀測、模型模擬與遙感觀測的跨尺度火干擾研究，注重研究的尺度轉換問題，并構建豐富翔實的林火數據庫。

(2)氣候變暖背景下人類活動對火干擾次數和面積的作用及其對碳循環的影響。

(3)加強火干擾對森林生態系統碳循環的間接影響研究。

(4)采用高度集成的火干擾模型方法研究在未來氣候變暖情景下林火發生趨勢。

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Effect of Fire Disturbance on Forest Ecosystem Carbon Cycle under the Background of Climate Warming

Hu Haiqing1，Wei Shujing1，Wei Shuwei2and Sun Long1
(1.College of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China;2.Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China)

Greenhouse effect caused by human activities and its consequences as climatic change and influences on ecological environment are increasingly concerned internationally．Forest fire，the main disturbance factor for forest ecosystem，draws attention greatly to its important effect on the forest ecosystem carbon cycle and response to the future climatic change．It is significantly important for formulating scientific and reasonable forest fire management strategy，displaying the forest fire management function fully in forest ecosystem carbon cycle，carbon balance and carbon discharge remission to correctly understand causal-recurrent relationship among climate warming，fire disturbance and the forest ecosystem carbon cycle，as well as the effect of fire disturbance on forest ecosystem carbon cycle under the background of climate warming．The logical circle relation among climate warming，fire disturbance and forest ecosystem carbon cycle is systematically discussed，and the related research progress is summarized．Impact of climate warming on fire disturbance，and effect of fire disturbance on forest ecosystem carbon cycle under the background of climate warming are analyzed，and scientific and effective forest fire management strategy and measurement as well as some research area and direction need to be strengthened under the background of climate warming are proposed．

climatic change;fire disturbance;forest ecosystem;carbon cycle;forest fire management strategy

P467;Q143;S762.1

A

1000－811X(2012)04－0037－05

2012－02－12

2012－03－26

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAD37B0104);國家自然科學基金項目(31070544);林業公益性行業科研專項(200804002);中央高校基本科研業務費專項資金項目(DL12CA07)

胡海清(1961－)，男，內蒙古敖漢人，教授，博士生導師，主要從事林火生態與管理和森林生態學研究．E-mail:huhq-cf@nefu.edu.cn

孫龍(1976－)，男，黑龍江五常人，副教授，博士，主要從事林火生態與管理和森林生態學研究．E-mail:weishujing2003@163.com