施肥對滇中地區4種主要易燃樹種葉燃燒性的影響

李國輝，張橋蓉，馬瑞杰，陳宏剛，白磊，羅靜,4，李世友,4*

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

0 引言

森林火災發生、蔓延需具備3個必要條件：一是可燃物，二是危險的天氣，三是火源[1-8]。可燃物理化性質是影響其燃燒性的一個重要因素，在可燃物燃燒性等級劃分、防火樹種篩選等森林防火工作中具有重要作用[9-18]。磷是植物生長發育不可缺少的營養元素之一，對植物的物質合成、生理代謝和光合作用等生長過程有直接影響，能夠促進植物粗脂肪合成，增加生物量積累，使其燃燒性增強[19-22]。國內外學者在磷對植物的影響方面進行了大量研究，謝志明[20]發現磷肥施用能夠增加糜子(Panicummiliaceum)的脂肪含量；寧海龍等[23]發現在較低氮肥和鉀肥水平時大豆(Glycinemax)脂肪含量隨磷肥施用量增加而升高；周錄英等[24]發現氮肥、磷肥施用可增加花生仁的脂肪含量；戴開結等[25-26]發現經不同磷含量培養液處理的云南松(Pinusyunnanensis)幼苗的總生物量、株高和莖葉生物量差異極為明顯；陳琦樂等[27]發現磷肥施用會增加羊草(Leymuschinensis)、針茅(Stipacapillata)等牧草的生物量；陳聞等[28]發現適量氮磷鉀復合肥能夠增加普陀樟(Cinnamomumjaponicumvar.chenii)苗木的生物量；吳國欣等[29]發現一定配比的氮磷復合肥可促進降香黃檀(Dalbergiaodorifera)苗木的高、莖生長和生物量積累；Jiang等[30]發現磷添加能夠顯著增加植物的地上生物量；湯宏等[31]發現磷肥施用可增加煙葉的燃燒性。云南省是我國磷礦資源大省，其滇中地區具有大量露天開采的淺層磷礦，調研和試驗發現，該區表土有效磷含量遠大于其他無礦區，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，是我國森林火災多發區和重災區，森林火災具有發生次數多、過火面積大、損失嚴重和地域分布不均勻等特點，歷史上發生大面積森林火災、重大人員傷亡森林火災的位置不少與磷礦分布區高度吻合。對滇中安寧、澄江和東川等地森林可燃物進行理化性質和燃燒性對比研究發現，主要森林植物燃燒性隨土壤有效磷含量增加總體呈增強趨勢[32-33]。

由于采樣時間、地點跨度較大，并不是所有取樣點植物燃燒性均呈隨土壤有效磷含量增加而增強的一致變化規律。為進一步驗證以往研究得出的初步結論，文中通過對滇中地區主要易燃針葉樹種進行施肥試驗，分析土壤中氮、磷、鉀元素對森林植物葉燃燒性的影響，以期為探尋滇中地區森林火災多發原因、正確認識滇中地區歷史森林火災發生規律、合理選擇滇中重點火險區治理手段等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于昆明市盤龍區云南省森林自然中心圓寶山林區，以云南松、華山松(Pinusarmandii)、地盤松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)、藏柏(Cupressustorulosa)4種主要易燃針葉樹種的同齡植株為試驗材料，每樹種各選擇40株，分別施用磷肥(磷酸一銨：NH4H2PO4質量分數≥98%)、氮肥(尿素：含氮量≥46%)、鉀肥(硫酸鉀：氯化鉀質量分數≥50%)和復合肥(N-P2O5-K2O：總養分≥25%)各10株，不同肥料施用樣地之間保持一定距離起隔離作用。各樹種另選取10株未施肥木作為對照。云南松平均胸徑11.17 cm，華山松平均胸徑10.30 cm，藏柏平均胸徑19.24 cm，地盤松平均冠幅為275.00 cm(寬)×280.00 cm(高)。華山松、藏柏林均為同齡人工林，林地平整，土壤條件較好；云南松和地盤松林位于典型陽坡地段。2013—2018年雨季初期和8月各施肥1次，4種化肥單次施肥量均為0.5 kg。2017和2018年12月，采集2次施肥和對照組林木針葉，每株樣品采集一捆(5支左右)直徑約1 cm帶葉小枝為試驗樣品，帶回實驗室風干，粉碎并過60目篩后干燥備用。

1.2 試驗方法

將施用相同肥料處理的同一樹種視為一組樣品，未經施肥處理的同一樹種視為一組樣品。測定每組樣品的粗脂肪、灰分含量和熱值，求取平均值作為該組樣品最終測定結果。通過分析施肥處理后樣品理化性質和燃燒性的變化情況，探究施肥對樹種燃燒性的影響。

灰分含量采用干灰分法測定；熱值采用XRY-1C型微機氧彈熱量計測定；粗脂肪含量采用索氏提取法測定，稱取1 g左右樣品用濾紙包好先放入石油醚中浸泡24 h，再用粗脂肪含量測定儀在80 ℃條件下浸提8 h，烘干后稱重，根據樣品前后質量變化計算其粗脂肪含量[34]。

1.3 數據處理方法

將粗脂肪、灰分含量和熱值測定結果分別取平均值與未施肥針葉進行比較，計算3項指標增幅，利用Origin 2019完成數據分析和作圖。可燃物燃燒性是多個指標綜合作用的結果，利用燃燒性綜合指數評價施肥對葉燃燒性的影響。以葉粗脂肪、灰分含量和熱值為評價指標，采用多元統計方法進行主成分分析確定評價指標權重，通過計算燃燒性綜合指數確定葉燃燒性[34]。

2 結果與分析

2.1 施肥對針葉理化性質的影響

以未施肥針葉測定結果為對照，分析施肥后針葉各項指標的變化，如圖1所示。施磷肥后，各樹種針葉粗脂肪含量和熱值有所增加，灰分含量變化因樹種和施肥年份而異，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為17.05%、1.27%和3.55%,如圖1(a)所示；施氮肥后，粗脂肪含量和熱值變化總體增加，灰分含量變化總體減少，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為8.29%、-11.63%和2.85%，如圖1(b)所示；施鉀肥后，粗脂肪含量和熱值變化總體增加，灰分含量變化因樹種而異，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為11.09%、-4.32%和1.94%，如圖1(c)所示；施復合肥后，粗脂肪含量和熱值變化總體增加，灰分含量變化總體減少，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為18.19%、-3.35%和1.63%，如圖1(d)所示。

圖中數字和文字組合代表施肥年份和樹種，如“17云”表示2017年采集云南松針葉。

對比施肥后與未施肥針葉可以看出，施肥后針葉粗脂肪含量和熱值總體呈增加趨勢，灰分含量變化隨施肥種類、施肥年份和樹種不同而有所差異，施用氮肥和復合肥時，針葉灰分含量總體呈下降趨勢；施用磷肥和鉀肥時，灰分含量無明顯變化趨勢。3項理化指標增幅的變化規律因施肥種類而異，粗脂肪含量增幅由大到小依次為：復合肥、磷肥、鉀肥、氮肥；灰分含量降幅由大到小依次為：氮肥、鉀肥、復合肥、磷肥;熱值增幅由大到小依次為：磷肥、氮肥、鉀肥、復合肥。

2.2 施肥對燃燒性的影響

2.2.1 各指標權重

采用主成分分析計算各指標的負荷系數、貢獻率和公因子方差，計算各指標權重。從表1可以看出，各指標在燃燒性綜合指數評價中所占權重沒有太大差異，與以往研究結果[10]一致。

表1 主成分因子負荷系數、貢獻率、公因子方差及權重Tab.1 Principal component factor load coefficient, contribution rate, common factor variance and weight

2.2.2 各指標隸屬度

采用連續性質隸屬度函數計算各指標隸屬度。粗脂肪含量和熱值隸屬度用升型分布函數，灰分含量隸屬度用降型分布函數，結果見表2。

表2 各項指標的隸屬度值Tab.2 Membership values for indicators

2.2.3 燃燒性綜合指數

依據各指標的隸屬度和權重，計算燃燒性綜合指數。從表3可以看出，除施鉀肥后華山松葉燃燒性綜合指數低于對照組外，其余針葉燃燒性綜合指數均高于對照組。從綜合排序也可看出，對照組針葉燃燒性綜合排序均排在試驗組后(施鉀肥的華山松除外)。燃燒性綜合指數越大，綜合排序越靠前，說明針葉燃燒性越強，可見施肥均可增加云南松、地盤松和藏柏針葉燃燒性。此外，2017和2018年施肥后地盤松針葉燃燒性綜合指數由大到小排序均為：鉀肥、磷肥、氮肥、復合肥，其他樹種葉燃燒性綜合指數排序無一定規律。磷肥、氮肥、鉀肥、復合肥以及對照組樣品平均燃燒性綜合指數為0.591、0.577、0.570、0.578和0.498。施磷肥后綜合排序靠前樣品數所占比例最大，樣品平均燃燒性綜合指數最大，對照組綜合排序靠前樣品數所占比例最小，樣品平均燃燒性綜合指數最小。由此推斷，施肥后針葉燃燒性總體上增強，且施磷肥對提高針葉燃燒性的作用最明顯。

表3 針葉的燃燒性綜合指數

由表3可知：①施肥增強了云南松、地盤松、藏柏3種樹種針葉的燃燒性，而鉀肥施用降低了華山松葉的燃燒性，另外3種化肥施用提升了華山松葉的燃燒性；②2017、2018年施肥對地盤松葉燃燒性的影響由大到小均排序為：鉀肥、磷肥、氮肥、復合肥，而對其他3種樹種在2017和2018年的影響呈現不同規律；③施肥能夠增強針葉的燃燒性，且影響程度綜合排序由大到小依次為：磷肥、復合肥、氮肥、鉀肥。

3 結論與討論

索炎炎等[35]研究發現，磷肥能夠增加花生的粗脂肪含量；陳慧娟等[36]研究發現，五節芒(Miscanthusfloridulus)葉熱值隨磷肥量增加而增加；湯宏等[31]研究發現，磷肥可增強煙葉燃燒性。上述研究表明，磷能夠增加植物脂肪含量、熱值，增強植物燃燒性，與本文研究結論相似。化肥施用能夠增加針葉粗脂肪含量和熱值，尤其是施用含磷成分的化肥(磷肥和復合肥)時粗脂肪含量增幅較大，且施磷肥時針葉燃燒性綜合指數最大。磷肥施用增加土壤中有效磷含量，即土壤中有效磷含量增加提高了針葉粗脂肪含量和熱值，且磷肥對葉燃燒性的提升效果最好，進一步驗證土壤有效磷含量增加能夠增強森林植物燃燒性。磷礦分布多、土壤有效磷含量高是滇中地區森林火災多發的重要原因之一。

土壤缺鉀時增施鉀肥對植物影響效果更加顯著，且不同植物對供鉀水平需求不同[36]。同一株植物，不同部位、不同葉齡的樹葉粗脂肪、灰分含量和熱值也存在差異[37]。因本研究施肥前未測定土壤肥力基礎條件，故難以分析華山松針葉施鉀肥后與施用其他肥料、其他樹種施鉀肥后不同表現的原因。

此外，由于農學閾值的存在，當土壤中有效磷含量超過農學閾值后，植物對磷的響應不再靈敏，此時土壤有效磷含量已不是限制植物生長的主要因素。研究表明，玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)等農作物的土壤有效磷含量閾值為4.3～29.4 mg/kg[38-42]。而森林木本植物是多年生植物，生長周期長，關于森林木本植物土壤有效磷含量閾值的研究極少，故本研究未考慮土壤有效磷含量閾值的影響。今后要在測定土壤肥力基礎條件的前提下，通過延長研究周期,設置多種施肥量和施肥周期試驗,更多立地條件，多種不同林齡和徑級的研究對象，增加森林植物種數量，對樹冠多部位分別取樣等措施繼續開展深入研究，為更加深入研究土壤肥力條件對森林植物燃燒性綜合影響奠定堅實基礎。

磷能夠增加生物量積累，王滿蓮等[43]研究發現，經施磷處理的紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)和飛機草(Eupatoriumodoratum)的生物量大于對照組，飛機草生物量隨供磷量增加呈先升后降趨勢。張德等[44]研究表明，磷能夠增加柱花草(Stylosanthesguianensias)的生物量。Kozovits等[45]在巴西中部一處熱帶稀樹草原進行的田間試驗中，發現氮和磷能夠增加凋落物分解速率，且氮和磷聯合施用時效果更明顯。李文亞等[46]研究發現，氮、磷養分(N、P、NP)添加能夠明顯促進羊草、冷蒿(Artemisiafrigida)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)葉凋落物的分解，分解至417 d時各葉凋落物殘留率在43%～53%。今后研究要關注施肥對森林凋落物燃燒性、森林可燃物積累的影響，為評價土壤肥力條件對森林燃燒性影響提供科學依據。

施肥可以增加針葉粗脂肪含量和熱值，降低灰分含量，但不同肥料對不同樹種針葉理化性質和燃燒性的影響有所不同。鉀肥施用降低了華山松的燃燒性，其余施肥處理針葉燃燒性均在不同程度上得到了增強。