土壤有效磷含量對滇中地區主要森林木本植物枝葉燃燒性的影響*

李國輝，張橋蓉，2，王昆倫，蔣婷，白磊，馬瑞杰，陳宏剛，李世友，2

(1.西南林業大學 消防研究所 土木工程學院，云南 昆明 650224；2.云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224；3.云南省江川縣林業和草原局，云南 江川 652600；4.應急管理部南方航空護林總站，云南 昆明 650021)

可燃物的燃燒性影響著森林火災的發展和蔓延等林火行為。粗脂肪含量、灰分含量以及熱值等理化性質是影響可燃物燃燒性的重要因素[1-2]，在燃燒性的評價中有著重要作用[3-8]。磷素作為植物生長發育不可或缺的元素之一，在植物新陳代謝和物質的合成過程中有著重要作用。周錄英等[9]研究表明，磷肥對提高花生(Arachishypogaea)籽仁脂肪含量效果明顯。陳惠陽等[10]研究表明，施磷肥能提高玉米(Zeamays)的脂肪含量。趙廣熙[11]研究發現，磷肥能夠明顯影響到玉米籽粒中的脂肪含量。朱朋波等[12]研究發現施用磷肥能顯著增加稻米(Oryzasativa)的抽提物含量。丁洪開等[13]研究發現，施磷能夠增加大豆(Glycinemax)的脂肪含量。陳慧娟等[14]研究發現五節芒(Miscanthusfloridulus)葉熱值隨磷肥量增加而增加。湯宏等[15]研究表明磷肥可增強煙草(Nicotianachinensis)的燃燒性。上述研究表明，磷能夠增加農作物脂肪含量、熱值和燃燒性。在森林植物與磷素的關系方面，現有研究主要集中在磷脅迫和土壤磷素資源的利用方面，相關研究涉及馬尾松(Pinusmassoniana)[16]、云南松(P.yunnanensis)[17-21]、水曲柳(Fraxinusmandshurica)[22]、樟子松(P.sylvestrisvar.mongolica)[23-24]等我國部分主要森林木本植物。土壤與林火的相互關系屬于林火生態學的研究范疇，有學者研究了林火對土壤理化性質和養分的影響。王偉等[25]研究發現林火會影響土壤中磷、鉀元素的含量變化。Otero等[26]研究發現林火會影響土壤理化性質及土壤磷組分和磷的吸附解吸。

滇中重點森林火險區是云南和全國森林火災的多發區與重災區，具有發生次數多、過火面積大、損失嚴重和地域分布不均等特點。鑒于此，火災多發區、重災區的安寧市，森林消防組織機構健全、基礎設施完備、宣傳教育和防控力度大，但其歷史上多次發生大面積森林火災和重大人員傷亡火災，不能簡單地將安寧森林火災多發原因歸結為火源管理不善、火災處置不當等人為因素。究其原因，與滇中磷礦資源豐富[27-29]，基本上是露天開采有關。調研和實驗過程中發現：在礦區周圍表土有效磷含量普遍高于其它無礦區，且大部分磷礦分布區正好位于以安寧為中心的滇中重點火險片區。歷史上不少重特大森林火災發生的地點與磷礦分布區高度重合。根據滇中地區部分歷史火災重特大災區、重點火險區與磷礦分布區高度吻合這一事實以及磷有利于提高部分農作物脂肪含量這一既有的研究結論，通過研究滇中地區主要森林植物枝、葉的理化性質與土壤有效磷含量關系，以期探索滇中地區森林火災多發的自然原因，為正確認識滇中森林火災發生規律及滇中重點火險區治理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

在12月，以澄江、安寧、盤龍、西山、江川5個市(縣、區)16個滇中主要木本植物為研究對象，即：(1)華山松(P.armandii)、(2)云南油杉(Keteleeriaevelyniana)、(3)地盤松(P.yunnanensivar.pygmaea)、(4)藏柏(Tibetancypress)、(5)光葉石櫟(Lithocamairei)、(6)黑荊(Acaciamearnsii)、(7)滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)、(8)云南樟(Cinnamomumglanduliferum)、(9)藍桉(Eucalyptusglobulus)、(10)大白花杜鵑(Rhododendrondecorum)、(11)厚皮香(Ternstroemiagymnanther)、(12)碎米花杜鵑(R.spiciferum)、(13)矮楊梅(Myricanana)、(14)云南含笑(Micheliayunnanensis)、(15)米飯花(Vaciniumsprengelii)、(16)炮仗花杜鵑(R.spinuliferum)。其中(1)～(4)為針葉樹種，(5)～(11)為闊葉喬木樹種，(12)～(16)為灌木樹種。采樣地主要為磷礦附近，也有少量樣品采自非磷礦分布區。對灌木和小喬木，選擇南坡的林下植株為采樣對象。對云南松、地盤松2種強陽性木本植物，選擇其典型分布地段即土壤貧瘠或立地條件相對較差的南坡上的植株為采樣對象。森林火災由地表火向上蔓延時往往先點燃樹冠下部，故采集南坡植物的樹冠下部帶葉小枝為試驗樣品。采集長度為30 cm以上的帶葉枝條，捆扎好帶回實驗室，剪取葉和帶葉的小枝為實驗樣品。在每個采樣地采集3株以上植物枝葉為試驗樣品，在每株根系距地表30 cm深處取土壤并測定其有效磷含量。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品準備

將枝葉樣品進行清洗、風干和粉碎，樣品過60目篩后干燥保存備用。

1.2.2 粗脂肪含量的測定

采用索氏提取法，稱取1 g左右的干燥樣品，用濾紙包好先放入石油醚浸泡24 h，再用粗脂肪含量測定儀在80 ℃溫度下浸提8 h，烘干后稱重，根據實驗前后樣品質量變化計算其抽提物含量。粗脂肪含量計算公式[30]如下。

式中：S為粗脂肪含量(%)，M1為浸提后剩余樣品質量(g)，M0為浸提前樣品質量(g)。

1.2.3 灰分含量的測定

灰分含量的測定采用干灰分法，其計算公式[30]如下。

式中：B為灰分含量(%)，m為灰分質量(g)，M為烘干樣品的質量(g)。

1.2.4 熱值的測定

利用XRY-1C微機氧彈式熱量計測定熱值，由電腦采集實驗數據并計算結果。

1.2.5 土壤有效磷含量測定

采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量，其計算公式[30]如下。

式中：c為有效磷濃度(mg/kg)，ρ(P)為標準曲線而得到的測定溶液的質量濃度(μg/mL)，V為顯色液體積(mL)，D為分取倍數，n為風干試樣質量(g)。

1.3 數據處理與分析

對于在同一天、同一采樣地點采集的3株以上同種植物樣品，當它們之間土壤有效磷含量存在明顯差異時，對枝、葉理化性質與土壤有效磷含量的關系進行分析。統計隨土壤有效磷含量增加抽提物含量增加、灰分含量減少、熱值增加3種情況中任意一種情況所占比例。根據理化性質與土壤有效磷含量的測定結果，分析植物枝、葉的理化性質與土壤有效磷含量的相關性，進而分析滇中地區土壤有效磷含量對植物枝、葉燃燒性的影響。數據的統計分析利用Excel完成。

2 結果分析

2.1 植物理化性質與土壤有效磷含量的關系

土壤有效磷含量對闊葉灌木樹種枝、葉理化性質的影響見表1。隨著土壤有效磷含量的增加，枝的抽提物含量增加、灰分含量降低和熱值增加的批次分別為36.36%、54.55%和45.45%，葉分別為45.45%、63.64%和45.45%。

表1 土壤有效磷含量對灌木理化性質的影響

土壤有效磷含量對闊葉喬木樹種枝、葉理化性質的影響見表2。隨著土壤有效磷含量的增加，枝的抽提物含量增加、灰分含量降低和熱值增加的批次分別為50.00%、37.50%和25.00%，葉的分別為43.75.00%、37.50%和43.75%。

表2 土壤有效磷含量對闊葉喬木理化性質的影響

土壤有效磷含量對針葉喬木理化性質的影響見表3。隨著土壤有效磷含量的增加，枝的抽提物含量增加、灰分含量降低和熱值增加的批次分別為18.18%、54.55%和45.45%，葉的分別為36.36%、63.64%和54.55%。

表3 土壤有效磷含量對針葉木本植物理化性質的影響

對灌木樹種和針葉樹種來說，葉抽提物含量增加、灰分含量減少和熱值增加的樣本批次所占比例等于或大于枝；對闊葉木本植物來說，枝的抽提物含量增加的樣本批次所占比例要高于葉，灰分含量減少和熱值增加的樣本批次所占比例分別等于、小于葉。由此可推斷出灌木樹種和針葉樹種葉的理化性質對土壤有效磷含量的響應要比枝敏感，而闊葉喬木樹種的枝、葉對土壤有效磷含量的敏感程度相近。

2.2 土壤有效磷含量與理化性質的相關性

土壤有效磷含量與各類植物枝葉中抽提物含量、灰分含量以及熱值的相關分析結果見表4。3類木本植物枝的抽提物含量、熱值與土壤有效磷含量均呈正相關，灰分含量與土壤有效磷含量均呈負相關。其中，灌木枝的抽提物含量、熱值與土壤有效磷含量的相關性顯著(P<0.05)。這表明土壤有效磷含量的增加能夠增強木本植物枝的燃燒性。對葉來說，3類木本植物葉抽提物含量與土壤有效磷含量均呈正相關。灌木樹種葉的灰分含量與土壤有效磷含量呈正相關，針葉樹種和闊葉喬木樹種葉的灰分含量與土壤有效磷含量呈負相關。闊葉喬木樹種葉的熱值與土壤有效磷含量呈負相關，而灌木與針葉樹種葉的熱值與土壤有效磷含量呈正相關。這表明針葉樹種葉燃燒性隨土壤有效磷含量的增加而增強，但無法確定灌木樹種和闊葉喬木樹種葉的燃燒性是否增加。

表4 植物理化性質與土壤有效磷含量的相關性

將3類植物綜合分析時，枝葉的抽提物含量、熱值與土壤有效磷含量呈正相關，灰分含量與土壤有效磷含量呈負相關，且枝的抽提物含量、熱值以及葉抽提物含量與土壤有效磷含量的正相關性顯著(P<0.05)。抽提物含量增加、灰分含量減少以及熱值增加均能增強植物的燃燒性。

3 討論與結論

3.1 討論

可燃物的燃燒性是由可燃物的含水率、粗脂肪含量、灰分含量、熱值等多個理化因子綜合決定的[31]。但本研究由于采樣時間、空間跨度較大，采樣地物候、海拔也有所不同，不同地區的樣品理化性質不具有完全意義上的可比性，故只對采自同一地點的樣品進行了種內比較分析，對采自不同地點的樣品進行了統計分析。從燃燒學角度看，水分對可燃物燃燒的抑制作用是明顯的。但在防火期，滇中地區森林植物要經歷部分或全部落葉、萌芽到新枝葉不斷生長的過程，植物枝葉的含水率呈動態變化，土壤有效磷含量是否影響植物落葉、凋落物的分解、新枝葉的生長、植物活枝葉和含水率，從而影響植物的燃燒性，是今后需要更加全面、深入研究的內容。滇中分布有大量的針闊混交林，森林火災發生時往往是針葉、闊葉樹種混合燃燒，尤其在林下灌木豐富的林區還伴有灌木火的發生。將3類植物綜合分析時，發現隨著土壤有效磷含量的增加，植物的抽提物含量、熱值隨之增加，灰分含量隨之減少，枝葉的燃燒性是增加的，這與陳慧娟等[14]、湯宏等[15]的研究結論相似，即土壤有效磷含量的增加能夠增強植物燃燒性。對復層林來說，建群樹種主要是喬木樹種，滇中主要森林類型為云南松純林、華山松純林以及滇青岡、光葉石櫟等為主的闊葉混交林。這些樹種本身就具有很好的燃燒性，在磷礦分布區發生森林火災時林火行為更復雜、撲救比較困難。

許多研究從火源分布[32]、氣候變化[33-34]以及可燃物的分布特點[35]等方面分析森林火災多發的原因。也有學者利用火源可及性、死可燃物載量、林分易燃性、氣象因子、地形因子、植被因子和人為因子進行森林火險區劃，以此進行森林火災危險性分析[36-37]。在林火與土壤方面，現有研究主要集中在林火對土壤結構和理化性質的方面[38-40]，極少研究土壤磷含量對森林可燃物燃燒性的影響。本文研究了土壤有效磷對植物燃燒性的影響，但在數據分析方面存在一定的難度，即試驗樣品來自不同的地區，各地植物生長環境不盡相同，海拔、光照、土壤其它養分、氣候等都會對理化性質造成影響。在今后的研究中可通過設置樣地進行施肥實驗以減少以上因素的干擾，從而更加客觀地評價森林土壤有效磷含量對植物燃燒性的影響。

3.2 結論

不同類型植物、不同器官對土壤有效磷的響應的靈敏度有所差異：灌木和針葉樹種葉對土壤有效磷含量的響應要比枝敏感，而闊葉樹種枝、葉對土壤有效磷含量的敏感程度相近。根據土壤有效磷含量與植物理化性質的相關性可知，土壤有效磷含量在一定程度上增加了植物枝葉的粗脂肪含量和熱值，降低其灰分含量。這種變化趨勢有利于增強植物的燃燒性。

Kim等[41]研究發現，增加磷濃度可以促進植物生物量積累。張德等[42]研究表明，磷能夠增加柱花草(Stylosanthensisguianensis)的生物量。滇中火災多發區的森林立地條件整體上明顯優于其它地區，林下植物豐富。豐富的林下植物造成可燃物載量大，垂直和水平方向可燃物連續性好，一旦發生森林火災，極易形成立體燃燒，極難撲救，造成大面積森林火災或人員傷亡。因此，在土壤有效磷成分豐富的地區應加大林火管理力度。可采取以下措施：一是嚴格管控火源，從源頭上預防森林火災的發生；二是要及時清理林下可燃物，同時通過修枝打杈的方法增加樹木的枝下高，阻止地表火向樹冠火的蔓延；三是加大可燃物消耗、安全利用等調控力度，減少有效可燃物的積累。