計(jì)劃燒除對(duì)云南松林枯落物蓄積特征及持水性能的影響

趙雨田, 陳奇伯,2, 黎建強(qiáng),2, 楊建光

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 云南 昆明 650224;2.西南林業(yè)大學(xué) 石漠化研究院, 云南 昆明 650224; 3.新平縣縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)局, 云南 新平 653499)

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的干擾因子之一[1]，嚴(yán)重影響森林景觀結(jié)構(gòu)和功能[2-7]。計(jì)劃燒除與火災(zāi)不同，它作為一種消防策略，能降低干旱季節(jié)易發(fā)生火災(zāi)天氣增加所帶來(lái)的潛在威脅[8]。另一方面，計(jì)劃燒除的低強(qiáng)度和局部火干擾有利于森林群落自我更新，穩(wěn)定森林生態(tài)系統(tǒng)平衡[9-11]。國(guó)外針對(duì)計(jì)劃燒除做了很多研究，主要關(guān)注計(jì)劃燒除后森林的自然更新[12]、計(jì)劃燒除對(duì)森林生物量輸入及養(yǎng)分輸入等[13]方面，國(guó)內(nèi)有關(guān)計(jì)劃燒除的研究主要在計(jì)劃燒除的實(shí)施[14]、計(jì)劃燒除對(duì)土壤理化性質(zhì)影響等[15]。森林枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林植被產(chǎn)生大量枯枝落葉，堆積在地表，經(jīng)過(guò)自然變化和微生物作用，形成一層像海綿一樣的地被物，這些地被物具有強(qiáng)大的吸水能力和透水性，能夠減少土壤蒸發(fā)，阻延徑流的匯集，防止水土流失，在森林植被的水源涵養(yǎng)功能方面有著十分重要的作用[16]。大量研究[17-18]表明，枯落物持水性能是影響其在森林水文循環(huán)中水源涵養(yǎng)能力的重要因素，而枯落物蓄積量是影響枯落物持水性能的重要指標(biāo)。計(jì)劃燒除對(duì)森林的直接影響就是減少林內(nèi)可燃物的積累。計(jì)劃燒除直接減少了森林枯落物的蓄積量，對(duì)枯落物持水性能造成影響。云南松(Pinusyunnanensis)是云南省的鄉(xiāng)土樹(shù)種，多形成大面積純林或與其他樹(shù)種組成混交林，是西南地區(qū)主要用材樹(shù)種之一，也是云貴高原常見(jiàn)的針葉樹(shù)種。云南松針葉富含油脂，極易燃燒引發(fā)森林火災(zāi)。云南省多地在云南松林地開(kāi)展計(jì)劃燒除工作達(dá)二十多年，取得了良好的防火效果。隨著全球變暖，火災(zāi)的數(shù)量和燃燒的面積預(yù)計(jì)會(huì)增加[19]，計(jì)劃燒除實(shí)施的必要性也更加凸顯。有關(guān)云南松林枯落物的水文效應(yīng)研究已有很多報(bào)道[20-21]，針對(duì)計(jì)劃燒除對(duì)云南松林枯落物水源涵養(yǎng)特性研究也將是一個(gè)持續(xù)的熱點(diǎn)，本研究結(jié)果可為計(jì)劃燒除對(duì)云南松林水文特征影響評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于云南省玉溪市新平縣照壁山，照壁山地處北緯24°2′38″—24°2′41″、東經(jīng)102°0′7″—102°0′8″，平均海拔1 990～2 050 m，是云南省亞熱帶北部與亞熱帶南部的過(guò)渡地帶。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料，研究區(qū)近50 a多年平均降水量為958 mm，降水量的年際變化較大，其中最大降水量出現(xiàn)在1971年，為1 264 mm，最小降水量出現(xiàn)在1979年，為614 mm。研究區(qū)干濕季分明，降水主要集中在濕季5—10月，占年降水量的40%。研究期2019年的年降水量為1 097 mm，月最大降水量出現(xiàn)在7月，為183 mm，月最小降水量出現(xiàn)在3月，為15.4 mm。研究區(qū)年平均氣溫18.1 ℃，極端最高氣溫32.8 ℃，最低氣溫1.3 ℃。照壁山的云南松林為20世紀(jì)80年代飛播造林后經(jīng)自然稀疏、撫育管理形成的人工林，林相為單層林，樹(shù)種為云南松純林，代表性土壤為紅壤。照壁山每年1月底至2月中旬進(jìn)行計(jì)劃燒除，30 a從未間斷，2019年2月12—13日實(shí)施了2019年度森林防火計(jì)劃燒除工作，計(jì)劃燒除火焰高度1.5 m，屬低強(qiáng)度火燒[14]，火燒過(guò)后云南松林下草本灌木全部燒成灰燼，云南松生長(zhǎng)受到一定影響。

2 研究方法

2.1 樣地選取

研究對(duì)象選擇云南松人工林計(jì)劃燒除樣地與未燒除樣地進(jìn)行對(duì)比，兩個(gè)樣地均位于坡中上部，計(jì)劃燒除樣地與未燒除樣地中間間隔一條防火通道。云南松林的林齡平均為30 a，樹(shù)高、胸徑、郁閉度、蓋度等詳見(jiàn)表1。土層厚度大于1 m，土壤以紅壤為主。未燒除樣地的灌木主要有木荷(Schimasuperba)、大白杜鵑(Rhododendrondecorum)等，草本主要有紫金澤蘭(Chalcitesxanthorhynchuslimborgi)、貫眾(Cyrtomiumfortunei)、毛茛(Ranunculusjaponicus)等。

表1 樣地類型和林分特征

2.2 調(diào)查方法

在未燒除樣地與計(jì)劃燒除樣地均設(shè)置6個(gè)間隔超過(guò)100 m的20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)樹(shù)高的測(cè)定采用布魯萊斯測(cè)高器測(cè)量，樹(shù)胸徑采用胸徑尺測(cè)量，林分郁閉度采用樣點(diǎn)觀測(cè)法，林分蓋度用采樣刺針?lè)y(cè)定。在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)四角和中間共選取5個(gè)大小為50 cm×50 cm的枯落物樣方，仔細(xì)去除活地被物，收集樣方內(nèi)所有的未分解、半分解和完全分解層的枯落物，計(jì)劃燒除樣地枯落物無(wú)法分層，收集燃燒剩余物。從2019年5月1日當(dāng)?shù)剡M(jìn)入雨季開(kāi)始，采用收集器法觀測(cè)枯落物蓄積動(dòng)態(tài)。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地四角及中心位置布設(shè)面積為1 m×1 m的正方形枯落物收集器(底部為孔徑1 mm的尼龍網(wǎng))，距離地面高度0.5 m左右，共計(jì)30個(gè)。每月收取一次枯落物，將收集的枯落物帶回室內(nèi)，在65 ℃下烘至恒重，以此計(jì)算年枯落物蓄積量及月輸入量。

2.3 枯落物持水性的測(cè)定

采用室內(nèi)浸泡法，稱取50 g風(fēng)干后的枯落物樣品分別裝入已稱重的尼龍網(wǎng)袋，再將裝有枯落物的尼龍網(wǎng)袋放入盛有清水的容器中完全浸沒(méi)，分別浸泡0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h后，撈起網(wǎng)袋并靜置不滴水時(shí)稱重，每次稱量所得枯落物濕重與干重的差值，即為枯落物樣品在不同浸泡時(shí)長(zhǎng)的持水量，并由此計(jì)算各時(shí)間段的吸水速率、最大持水量、有效持水量。

2.4 枯落物有效持水量的計(jì)算

枯落物有效持水量(WE， t/hm2)采用以下公式計(jì)算：

WE=W24-WN

(1)

式中：W24表示枯落物浸泡24 h時(shí)得到的最大持水量(t/hm2);WN表示枯落物的自然含水量(t/hm2)。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel 2016和SPSS 25軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和做圖，由原始數(shù)據(jù)擬合得到的多元回歸關(guān)系經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)得到擬合度參數(shù)R2，并在p<0.05和p<0.01的水平檢驗(yàn)顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物蓄積量的影響

計(jì)劃燒除使云南松林地表枯落物燃盡，只剩下燃燒剩余物。未燒除樣地枯落物由于多年自然輸入、自然腐殖質(zhì)化，呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)，將枯落物層劃分為未分解層、半分解層和完全分解層。本研究在計(jì)劃燒除作業(yè)完成的當(dāng)月底對(duì)研究區(qū)的枯落物儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果詳見(jiàn)表2。由表2可知，計(jì)劃燒除后從總量上來(lái)看未燒除樣地遠(yuǎn)高于計(jì)劃燒除樣地，計(jì)劃燒除樣地的蓄積量是未燒除樣地的21%。未燒除樣地完全分解層占總蓄積47.95%，說(shuō)明自然狀態(tài)下的云南松林枯落物大部分為分解狀態(tài)蓄積在地表。

表2 不同林分枯落物儲(chǔ)量特征

3.2 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物持水量的影響

自然含水量是反映植物枯落物吸持水分的重要指標(biāo)之一，其表征著枯落物吸持水分強(qiáng)弱和保水、涵養(yǎng)水源功效的顯著與否，因此將最大持水量與自然含水量的差值作為枯落物實(shí)際吸持水分的大小即有效持水量[23]。計(jì)劃燒除使地表枯落物組成發(fā)生改變，這使計(jì)劃燒除樣地枯落物層的自然含水量及有效持水量發(fā)生改變，具體改變情況詳見(jiàn)表3。由表3可知，未燒除樣地枯落物自然含水率是計(jì)劃燒除樣地的6.39倍，分層來(lái)看，計(jì)劃燒除樣地的燃燒剩余物自然含水率均低于未燒除樣地各枯落物層，與未分解層和完全分解層的差異不顯著，與半分解層的自然含水率差異顯著。未燒除樣地的最大持水量高于計(jì)劃燒除樣地，是計(jì)劃燒除樣地的4.29倍。計(jì)劃燒除樣地燃燒剩余物最大持水量低于未燒除樣地的各個(gè)枯落物層，但燃燒剩余物的最大持水量與未燒除樣地未分解層和半分階層差異不顯著，未燒除樣地完全分解層枯落物最大持水量最高27.46 t/hm2，其最大持水量與燃燒剩余物的差值達(dá)到了13.46 t/hm2，可見(jiàn)枯落物層的分解也很大影響了枯落物層的持水能力。有效持水量的變化與最大持水量的規(guī)律相近。

表3 不同枯落物層持水量

3.3 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物吸水過(guò)程的影響

計(jì)劃燒除的燃燒剩余物中除了未燒盡的枝葉外加入了灰分粗木質(zhì)殘?bào)w等物質(zhì)，所以燃燒剩余物的組成更加復(fù)雜，這會(huì)導(dǎo)致燃燒剩余物在吸水過(guò)程上發(fā)生變化，變化情況如圖1所示。計(jì)劃燒除和未燒除樣地枯落物持水量均與浸泡時(shí)間呈極顯著對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2>0.786，p<0.01)。由圖1可知，未燒除樣地枯落物層各時(shí)間段持水量均不同程度高于燃燒剩余物，未燒除樣地枯落物分解層遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他枯落物層，這主要是因?yàn)榭萋湮锓纸鈱与m然基本保留了枯落物形態(tài)，但是大都是半降解狀態(tài)，具有較強(qiáng)的親水性，有利于枯落物對(duì)水分的吸收；這也解釋了枯落物層在前1 h迅速增加，占73.09%～87.44%，而計(jì)劃燒除樣地燃燒剩余物由于枯落物在火燒過(guò)后大部分碳化變質(zhì)，水分只能從表面孔隙進(jìn)入，因而持水過(guò)程相對(duì)較緩慢且持水量更小。

圖1 不同枯落物層持水量隨時(shí)間變化的關(guān)系

由圖2可知，對(duì)不同枯落物層吸水速率與浸水時(shí)間的數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，枯落物吸水速率與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.774，p<0.01)。未燒除樣地枯落物未分解和半分解層吸水速率變化過(guò)程極其相似，其持水過(guò)程曲線基本重合，在1 h之前吸水速率下降十分明顯，之后明顯放緩并趨近于0。分解層持水速率變化過(guò)程在1 h前與未分解和半分解層相似，但直至2 h后明顯放緩，計(jì)劃燒除樣地的燃燒剩余物吸水速率在0—1 h間不斷下降，所有枯落物層在4 h后均趨近于0。對(duì)于枯落物層吸水速率，初期為未燒除樣地完全分解層38.94 t/(hm2·h)>未分解層22.01 t/(hm2·h)>半分解層19.78 t/(hm2·h)>燃燒剩余物15.2 t/(hm2·h)，差異較大。在2 h后，所有枯落物層的吸水速率均已達(dá)到飽和而逐漸趨近于0。

圖2 不同枯落物層吸水速率隨時(shí)間變化關(guān)系

3.4 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物輸入動(dòng)態(tài)及持水性能的影響

3.4.1 計(jì)劃燒除后枯落物蓄積動(dòng)態(tài)變化 計(jì)劃燒除后從當(dāng)年雨季開(kāi)始兩個(gè)樣地枯落物輸入結(jié)果如圖3所示，圖3中每月時(shí)間按平均值30.3 d計(jì)算，保持每月時(shí)間相等。計(jì)劃燒除樣地枯落物的年輸入總量為6.6 t/hm2，未燒除樣地總量為6.71 t/hm2。由圖3可以看出，計(jì)劃燒除樣地和未燒除樣地枯落物蓄積量呈“單峰型”變化，峰值均出現(xiàn)在4月，計(jì)劃燒除樣地的凋落峰值1.23 t/hm2，占整年輸入量的20%，未燒除樣地的凋落峰值為1.56 t/hm2，占年輸入量的24%。在計(jì)劃燒除次年的1月前，計(jì)劃燒除樣地的凋落量是未燒除樣地0.94～1.59倍，在1月份后未燒除樣地凋落量是計(jì)劃燒除樣地的1.27～1.32倍。計(jì)劃燒除的林火加速了云南松針葉的凋落，未凋落的針葉也受到一定影響。后期受新生長(zhǎng)季新枝萌發(fā)和春季大風(fēng)天氣影響，計(jì)劃燒除樣地枯落物輸入量反而開(kāi)始降低，比未燒除樣地減少。

圖3 計(jì)劃燒除樣地和未燒除樣地枯落物蓄積量月變化動(dòng)態(tài)

3.4.2 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物持水性能動(dòng)態(tài)的影響 計(jì)劃燒除后由于枯落物的蓄積量下降，枯落物層的攔蓄雨水能力也一同下降，但隨著云南松的自然快速恢復(fù)，計(jì)劃燒除樣地的枯落物持水性能也在恢復(fù)。計(jì)劃燒除和未燒除樣地的枯落物有效持水量變化動(dòng)態(tài)如圖4所示，在計(jì)劃燒除之后林內(nèi)枯落物層的有效持水量變小，計(jì)劃燒除樣地僅為未燒除樣地的39%。未燒除樣地枯落物有效持水量勻速增長(zhǎng)，1 a后的有效持水量是初始的2.33倍，而計(jì)劃燒除樣地有效持水量在1 a后是初始的4.27倍，此時(shí)計(jì)劃燒除樣地的有效持水量已經(jīng)恢復(fù)到未燒除樣地的72%。這表明了云南松林在自然狀態(tài)下的枯落物有效持水量是一個(gè)逐步升高的過(guò)程，而在進(jìn)行計(jì)劃燒除后雖然枯落物有效持水量急劇下降，但隨著枯落物層的自然恢復(fù)，枯落物層的降雨截持能力也在恢復(fù)。

圖4 計(jì)劃燒除和未燒除樣地總有效持水量變化動(dòng)態(tài)

4 討 論

4.1 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物蓄積量的影響

枯落物的輸入量、分解速度受林分類型、植被成長(zhǎng)、氣候條件等要素影響，因此不同森林類型的枯落物蓄積量有所差異[23]。本研究結(jié)果表明，計(jì)劃燒除后云南松林枯落物蓄積量顯著低于未燒除樣地，研究結(jié)果與張引對(duì)枯落物層蓄積特征的研究結(jié)果一致[24]。林內(nèi)枯落物一部分為自然凋落，另一部分為自然積存，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的分解，大部分都已達(dá)到分解狀態(tài)。

4.2 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物持水能力的影響

森林枯落物的持水能力是整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的重要一環(huán)，也是林地枯落物水文特性的重要指標(biāo)[16]。云南松未燒除樣地的自然含水量總量和最大持水量總量均高于計(jì)劃燒除樣地，主要原因是計(jì)劃燒除減少了枯落物蓄積量同時(shí)還改變了枯落物的組成。未燒除樣地未分解層、半分解層和完全分解層的最大持水量均高于燃燒剩余物。特別是未燒除樣地中最大持水量完全分解層最高，這與唐禾等[25]的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)劃燒除使云南松林枯落物有效持水量減小，未燒除樣地的枯落物未分解層有效持水量最大，這與王玲等[26]對(duì)枯落物層持水量的研究結(jié)果一致，因此計(jì)劃燒除后云南松林枯落物的降雨攔截能力下降是由于枯落物層的自然含水量、最大持水量、有效持水量降低所致。

4.3 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物吸水速率的影響

各層枯落物持水量在初階段增加較快，隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，持水量增速減緩，最終達(dá)到飽和狀態(tài)。各層枯落物的吸水過(guò)程都符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與陳進(jìn)等[27]的研究結(jié)果相似。各層枯落物的吸水速率均表現(xiàn)為浸水前期的0—0.5 h內(nèi)較高，在0.5—4 h階段明顯減小，最后趨于平緩，說(shuō)明干燥枯落物的死細(xì)胞間或枝葉表面存在較大水勢(shì)差，是引起初段吸水速率較大的原因[28]。以上可說(shuō)明計(jì)劃燒除不利于枯落物吸水。

4.3 計(jì)劃燒除對(duì)枯落物層蓄積動(dòng)態(tài)及持水性能動(dòng)態(tài)的影響

在計(jì)劃燒除后兩個(gè)樣地枯落物的蓄積動(dòng)態(tài)呈“單峰型”規(guī)律，峰值的掉落量占全年的20%～24%，張雨雪等[29]對(duì)紅樹(shù)林凋落物產(chǎn)量研究發(fā)現(xiàn)秋茄凋落物產(chǎn)量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，呈“雙峰型”，峰值出現(xiàn)在5月和8月，出現(xiàn)這種差異可能由于樹(shù)種自身生物特性導(dǎo)致凋落物季節(jié)變化規(guī)律不同。計(jì)劃燒除后，地表枯落物燃燒殆盡，在計(jì)劃燒除進(jìn)行后初期由于林火的高溫影響云南松生長(zhǎng)，在一段時(shí)間過(guò)后，計(jì)劃燒除樣地內(nèi)云南松新葉已煥發(fā)完畢，但其豐茂程度還不及未燒除樣地，所以凋落量較未燒除樣地更低。

本研究結(jié)果表明，計(jì)劃燒除后枯落物有效持水量?jī)H為未燒除樣地的39%，這是由于計(jì)劃燒除的林火直接減少了枯落物的蓄積量，并且計(jì)劃燒除后的燃燒剩余物組成復(fù)雜，雖然仍保持著枯落物吸持雨水的主要能力但在吸持水量上較差，這也證實(shí)了枯落物有效持水量不僅與枯落物的蓄積量、自然含水率有關(guān)，還與枯落物組成、分解情況、累計(jì)狀況緊密相關(guān)。兩種樣地的有效持水量穩(wěn)定增加，但計(jì)劃燒除樣地增速更快，這與兩種樣地枯落物的蓄積動(dòng)態(tài)特征一致，在計(jì)劃燒除進(jìn)行1 a后有效持水量恢復(fù)到未燒除樣地的72%，這是由于隨著林內(nèi)枯落物層的恢復(fù)，枯落物的輸入分解逐漸恢復(fù)到自然狀態(tài)，枯落物的吸持雨水特性也逐漸恢復(fù)。但計(jì)劃燒除樣地較未燒除樣地扔有差距，但總體的趨勢(shì)是計(jì)劃燒除樣地的蓄水能力是可以恢復(fù)到計(jì)劃燒除前的水平。

5 結(jié) 論

(1) 計(jì)劃燒除使云南松林枯落物蓄積量減少，計(jì)劃燒除樣地總蓄積量3.84 t/hm2是未燒除樣地的21%，未燒除樣地枯落物蓄積量為18.64 t/hm2。

(2) 計(jì)劃燒除后云南松林燃燒剩余物自然含水量為6.22%，最大持水量為14 t/hm2，低于未燒除樣地自然含水量總量39.76%和最大持水量60.62 t/hm2。兩種樣地枯落物層持水量和吸水速率與浸泡時(shí)間分別符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系。

(3) 兩種林分的凋落動(dòng)態(tài)呈“單峰型”變化，在初期計(jì)劃燒除樣地的凋落量是未燒除樣地的0.94～1.59倍，末期未燒除樣地的凋落量是計(jì)劃燒除樣地的1.27～1.32倍，二者的年歸還總量相似；計(jì)劃燒除后云南松林枯落物有效持水量降低為未燒除樣地的39%，經(jīng)過(guò)1 a的恢復(fù)達(dá)到未燒除樣地的73%，未燒除樣地1 a后有效持水量是初始的2.33倍，計(jì)劃燒除樣地1 a后的有效持水量是初始的4.27倍，計(jì)劃燒除樣地的攔蓄雨水能力逐漸恢復(fù)。