計劃燒除對森林景觀的影響研究進展

王睿琛，張文文，王秋華*，龍騰騰，張 鑫，王儒龍

（1.西南林業大學土木工程學院，云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南昆明650224；2.玉溪市易門縣林業和草原局，云南玉溪651100）

在過去的很長時間，火與生態環境及植被間的相互作用已經塑造了森林景觀，并影響了物種的組成和結構。在人類出現之前，火驅動著森林景觀發生變化；隨著人類的誕生，火被用來滿足森林資源管理的需求。經過不斷地實踐，人們發現火作為形成自然環境的驅動力，驅動著很多樹種的變化，其變化程度與對火的適應程度有關；因此人們開始在森林經營中使用計劃燒除，從而改善林地景觀、預防病蟲災害和促進林木生長等[1-3]。

計劃燒除作為火干擾，不僅影響森林景觀，還影響許多生物的生存、發展及演變，更是森林經營和可持續發展的核心內容[4-5]。目前，國內學者對計劃燒除的研究，多為運用數據和軟件等，對其影響進行具體評估，如對某一樹種的影響、對土壤的影響、對某地區物種多樣性的影響等[6-9]。國外學者目前多通過對抽樣調查數據分析，來研究計劃燒除對動植物棲息地整體的影響，如對節肢動物棲息地的影響，對真菌生長環境的影響等[10-13]。本文從計劃燒除對森林景觀影響的研究方法入手，以計劃燒除對景觀結構成分及多樣性的影響為重點，反映該領域的現狀和發展趨勢，為林業經營和森林景觀管理提供參考。

1 計劃燒除對森林景觀影響的研究方法

1.1 基于地理信息系統與景觀指數的研究方法

地理信息系統在進行景觀特征方面分析時，可進行多層面分析、快速完善數據、處理大規模信息，且節省大量時間、人力及費用[14-15]。在大尺度生態系統空間格局研究方面，已形成了地理信息系統與景觀格局結合的特色模式，即利用景觀指數對空間格局進行定量化研究。景觀指數大致分為面積指數（Area Index）、形狀指數（Shape Index）、多樣性指數（Diversity Index）、空間構型指數（Spatial Configuration Index）、破碎化指數（Fragmentation Index）等。隨著相關技術的不斷研發，景觀指數會產生新的變化[16-17]。

張晨等[18]基于GIS 和景觀指數，從多方面分析了不同程度火干擾對森林景觀的影響，使得景觀結構及多樣性的變化更加直觀的展現出來。李淑娟等[19]通過地理信息系統與景觀指數相結合，研究了計劃燒除等人為干擾對景觀破碎化程度的影響，提出應重視對天然林和沼澤等自然景觀的經營。Holland 等[20]通過GIS 和相關指數，量化計劃燒除對澳大利亞東南部干旱森林生態系統中結構性棲息地組件的影響，使分析結果更加直觀、精確。Hanberry 等[21]應用GIS 研究火干擾對密蘇里平原（草地-森林景觀）樹木群落和密度的影響變化，量化了火干擾的影響，為當地林業管理提供了參考。

1.2 基于數理模型的研究方法

目前已有各種各樣的火災模型來預測火災狀況變化對景觀尺度的影響，這種多樣性很大程度上歸因于景觀、可燃物和氣候模式的多樣性，以及在模型中表示它們方法的差異[22]。目前國內外研究計劃燒除對森林景觀影響的常用模型為FARSITE、LANDIS、FIRESPACE；其他還有CA、PERMANOVA、LAMOS-HS、LANDSUM、SEMLAND、FIRE-BGC 等，森林景觀模擬是進行景觀規模實驗的不可替代的工具[23-29]。

FARSITE 是一個復雜的火行為模型，可以使用地形和可燃物的空間信息以及天氣和氣流在時間及空間尺度上模擬真實異質景觀上的火勢蔓延[30-32]。高仲亮[33]使用FARSITE 模擬景觀尺度的燒除實驗，為計劃燒除提供參考，避免跑火。Lucia 等[31]運FARSITE 模擬異質景觀上野火的蔓延，為計劃燒除提供依據。

LANDIS 是一個在空間上直觀表現森林景觀擾動和演替的模型，有助于研究人為擾動，植被演替和管理策略等對森林景觀的影響，被廣泛應用于森林生態研究中的各領域，如各種火干擾形式對森林景觀演替的影響[34-35]。羅旭等[36]通過LANDIS 研究火干擾等對大興安嶺地區主要樹種的長期影響，提出人為干預可有效幫助北方森林適應未來日趨變暖的氣候。Scheller 等[37]使用LANDIS 模擬新澤西州東南部計劃燒除等對森林景觀的影響，為景觀管理提供決策。

FIRESCAPE 是一種基于過程的景觀火情模擬模型，最初是為澳大利亞東南部以桉樹為主的景觀而開發，模擬了自然景觀中火的發生，蔓延和熄滅，并結合了天氣，可燃物和地形等對其的影響[38-39]。Cary 等[40]運用FIRESCAPE 模擬計劃燒除對燃燒面積的影響，從而調控可燃物，為森林景觀管理提供參考。King 等[41]通過FIRESCAPE 模擬規定氣候情景和燃燒水平的計劃燒除，為有效地減少內陸景觀中計劃外火災發生提供參考。

1.3 基于遙感技術的研究方法

遙感是一種涉及物理手段、數學方法及地學分析的綜合性應用技術，可及時獲得大范圍、多時相、多波段的地表信息，為大尺度的綜合分析提供了技術支持。近年來，遙感技術已成為研究計劃燒除等干擾對森林景觀影響時，應用最為廣泛的技術之一。遙感技術可對森林景觀格局進行提取、管理、分析和評價，研究森林景觀格局分布及結構。一般來說，研究森林景觀變化，都采用遙感圖像、相關調查數據和地理信息系統相結合的方式，對景觀要素的相關量化指標進行分析，從而表明計劃燒除等干擾對森林景觀的影響。這已是研究森林景觀的一種主要技術手段，為大尺度范圍的資源監測及管理提供了技術支持，具有十分重要的理論和現實意義[42-44]。

周巧盈等[45]借助遙感技術和地理信息系統，通過3D 建模，分析了火干擾對美國西部的森林景觀的影響。孟京輝等[46]采用遙感和地理信息系統技術相結合的方式，應用景觀分析軟件Fragstats3.3，分析了印度尼西亞中亞其省人為干擾對森林景觀的影響，提出中亞其地區的景觀破碎度嚴重，當地部門應制定合理的森林景觀規劃。通過王明玉等[47]對遙感技術在森林景觀方面運用的總結，許多研究者運用遙感圖像研究火燒跡地恢復情況。

2 計劃燒除對森林景觀的影響

2.1 計劃燒除對景觀結構成分的影響

森林景觀的變化是一個長期的漸變過程，是各種干擾共同作用的結果。計劃燒除通過干擾森林物種的正常發展和演變，從而更改森林景觀的結構組成。斑塊（patch）、廊道（corridor）和基質（matrix），為景觀結構成分。計劃燒除強弱與景觀破碎化具有一定相關性，適當的火干擾可穩固景觀；而不當火燒造成的過高景觀破碎度會使斑塊、廊道及基質出現伸長、曲線化等改變。

如表1，斑塊（嵌塊體）是指在外貌上與周圍地區有所不同的一個非線性地表區域。可通過斑塊大小、斑塊形狀和斑塊密度等，來研究計劃燒除對斑塊結構的影響。斑塊與本底之間會產生互換變化，同時干擾斑塊的增大會降低本底連通性。計劃燒除會改變斑塊形狀，其干擾幅度會影響斑塊大小，斑塊邊界形狀決定了斑塊與斑塊或斑塊與基質間的相互關系。通過計劃燒除對斑塊大小、類型、形狀、邊界等進行干擾，物種的分布與生產、能量和養分的交流等會受到影響，從而影響景觀與物種多樣性。通常，斑塊面積的增大會促使物種景觀多樣性提高；而斑塊面積的減小會降低其穩定性。斑塊越緊密，能量及養分越易保存；斑塊越松散，能量及養分越易同周圍環境交換[48-55]。

表1 計劃燒除對景觀結構的影響[3，48-55]

廊道 （走廊）是指與兩側基質不同的狹長地帶，具有兩面性：一方面作為障礙物將景觀隔開；另一方面作為通道將景觀連接起來。一般來說，研究計劃燒除對景觀廊道的影響，主要是對景觀整體連通性的分析，廊道的曲直、寬度不同，連接度也有高有低。廊道在森林景觀中主要起著運輸、觀賞及保護資源的作用，同時增加斑塊間的連接，有利于物種的發展和演變，促進物種能量及養分的交換，有時為某些物種創造特殊環境，包括防護林帶、公路、鐵路、河流等。森林鐵路、公路兩旁及林緣易長雜草，可通過計劃燒除塑造防火線；同時，通過計劃燒除對廊道寬度等進行改變，可有效防止外來物種的入侵，減輕棲息地的喪失和破碎化的影響[3，48-55]。

基質（本底）是指在森林景觀中面積最大、連通性最好、對景觀控制作用也強的景觀要素類型，影響著森林景觀動態變化，在景觀功能和生物多樣性保護上起著重要的作用。孔性和連通性是本底的重要結構特征，研究計劃燒除對基質的影響，可從景觀的優勢度、多樣性、聚合度等入手。計劃燒除會對基質相對面積、連接度、孔隙度及凸凹邊界等方面造成影響，其影響結果與計劃燒除的尺度及規模有關；如小面積火燒會使干擾斑塊數量增加，同時也會使本底的孔性升高，本底的連通性降低，從而影響物種之間能量及養分的交換等生態學過程。在森林景觀中較好的基質面積較大、孔隙度較高、連接度高、外部邊界呈凸形[48-55]。

因為景觀結構決定景觀功能，所以計劃燒除對景觀結構造成影響的同時，也會影響景觀功能；景觀功能表現了不同景觀要素之間的能量、物質、物種及信息的交流。因此計劃燒除對斑塊、本底、基底造成的影響，會導致森林可燃物的積累程度改變、物質及能量交流的速度改變、水流路徑及物質成分改變、土壤結構改變、森林碳匯改變、動植物的運動格局改變等等[48-55]。

2.2 計劃燒除對景觀多樣性的影響

景觀多樣性是指景觀在空間、功能及時間方面的異質性，其決定了景觀格局的多樣性，呈現了景觀的復雜程度。干擾是形成景觀異質性的主要原因，同景觀異質性有密切關系。通常在無干擾時，景觀格局性質會比較平穩； 而適宜可控制的火干擾，會對景觀多樣性產生促進作用，加強景觀的穩固性。不可控的火干擾會損害森林覆蓋面積、影響灌木和草地的生長，燃燒后會產生比較均一的火燒跡地景觀，使景觀多樣性降低。計劃燒除作為可控范圍內或局部的火燒現象，可以提高景觀格局的多樣化及性質，提高景觀構成因素之間的交流、促進營養成分、能量更活躍的流動，加速景觀要素之間的物種傳播，從而提高了物種的多樣化和生態系統的多樣化[48，55-58]。

在研究計劃燒除對景觀多樣性影響時，可通過相應的指數來定量分析；這些指數關系到景觀類型數以及類型的面積百分比等方面，因此可以用來量化景觀結構的組成，從而使分析結果更加科學、精準。目前，用來評價景觀多樣性的指數有斑塊多度密度( PRD)、Shannon 多樣性指數(SHDI)、Simpson 多樣性指數(SIDI)、修改Simpson 多樣性指數(MSIDI)、Shannon 均勻度指數 (SHEI)、Simpson 均勻度指數(SIEI)、修改Simpson 均勻度指數(MSIEI)、蔓延度指數(CONTAG)、散布與并列指數(IJI)等；其中應用最為廣泛的指數為Shannon 指數和Simpson 指數，兩個指數常搭配使用，能夠對群落物種組成的豐富度及均勻度進行綜合評價[59-64]。

計劃燒除同時可以影響森林景觀恢復情況，其恢復情況與計劃燒除強度有關，強度越高，恢復狀況越差。計劃燒除不會破壞生態系統的結構，反而會促進了有機物轉為礦物質的過程，改善森林環境，促進林木的生長；計劃燒除主要對下層灌木或被壓木或幼樹造成傷害，對主林層的影響很小，可幫助森林群落形成多物種、多種群、多結構的森林生態系統功能[3，65]。計劃燒除也可能會減少物種庫中火敏感物種的存在致使植物群落同質化，導致生物多樣性減少和景觀格局多樣性減少，或對生態系統造成影響[66]。

如表1，計劃燒除對森林景觀既有積極影響也有消極影響。積極影響主要通過改變結構功能，對景觀功能、景觀多樣性等造成影響；如斑塊的改變，促使物種景觀多樣性增加，景觀整體連通性增加，從而促進物種流動和基因交換。但計劃燒除也不可避免地會產生消極影響，如：因跑火或錯誤的評估，導致景觀結構產生不良影響，從而使景觀多樣性減少，景觀功能減弱，對動植物棲息環境造成破壞。因此，要慎重使用計劃燒除技術，在計劃燒除的實施前做好充分的科學預測與評估。

3 研究展望

計劃燒除作為一種成熟的人為干預的高效森林經營方式，對森林景觀產生了深遠的影響，也對森林可持續管理發生了一些改變。計劃燒除對森林景觀的影響，不是單一火行為對森林景觀的影響，會涉及碳循環、氣候變化、生物多樣性等諸多因素。未來要聚焦計劃燒除的長期影響研究，結合森林生態系統長期定位跟蹤網絡，弄清對森林景觀的各種影響，包括積極的和消極的影響以及對全球環境的影響等。積極采用最新的技術和方法，提高計劃燒除效率，如無人機技術、遙感技術以及自動點火技術等。同時，運用激光雷達和紅外掃描等方法，對中大尺度火燒效果快速評估。未來應聚焦全球氣候變化的背景，結合景觀生態學的發展，聚焦熱點，融合方法，如地理信息系統應用于森林景觀管理并與景觀指數、FARSITE、遙感圖像等搭配使用，開發適合中國國情（人工林比例較大）的各種類似LANDDIS的景觀管理模型，開展大中尺度、中長時間序列的景觀研究。

景觀、可燃物和氣候模式等具有多樣性，目前沒有一個完全適宜預測計劃燒除對森林景觀影響的模型。將來應該注重使用科學合理的多種綜合手段開展計劃燒除相關模型研究，在地理信息系統基礎上，注重學科交叉，學科融合，積極探索適合我國不同林區、不同林分的計劃燒除模型。在模擬計劃燒除對森林景觀影響時，凝練未來的研究方向和重點，結合多種景觀指數搭配使用或對現有指數進行改進，同時運用多種模型進行更精確的模擬，使其結果更具科學性和實用性，不斷積累計劃燒除各種實驗數據，為制訂我國南方集體林和北方國有林的計劃燒除或者營林用火規范或技術規程提供參考，為森林業可持續經營管理和決策提供科學參考依據。