計劃燒除過程生態功能研究進展

陳鴻申 陳忠發 趙爽

摘要以近50年來國內外相繼報道的計劃燒除研究論文數據庫為基礎，詳細論述了計劃燒除在水土保持、生物多樣性保護、碳循環方面的應用研究。綜合文獻來看，適度的計劃燒除對生態環境具有一定的調節功能，可結合實際在水土保持、生物多樣性維護、碳地球化學循環等方面進一步深化研究和推廣應用。

關鍵詞計劃燒除；生態功能；研究進展；水土保持；生物多樣性；碳循環

中圖分類號：S762.8文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.020

森林生態系統是人類生產、生活與生態空間相互作用，進行能量轉換與物質循環的重要載體[1]。火災作為障礙因子將摧毀森林生態景觀，影響森林植被的生長、發育和生殖，甚至毀滅森林生態系統，計劃燒除是在一定林區范圍內，按程序和規范，借助于低強度火燒的有利方面，燒除林區蓄積過剩的可燃物，有效緩減和預防火災[2-3]，進而促進林分更新和改善林區環境[4]。計劃燒除過程破壞土壤酶的活性進而改變土壤性質[5]。據研究報道[6]，計劃燒除使低坡度徑流泥沙產量有顯著變化，進而影響水土資源的重新分配。計劃燒除后森林中植物群落數量相應減少，同時也會衍生出新的物種和群落，促進種群的繁衍和擴張[7]。此外，計劃燒除過程加快枯落物中的灰分回歸土壤環境，影響大氣圈、水圈、巖石圈中營養物質的重新調劑[8]。計劃燒除在生態功能服務方面均有深遠影響和重要意義[9-10]。

隨著當今人類現代化進程的發展，生境破碎化、人為割裂、溫室氣體二氧化碳濃度升高等生態問題日漸凸顯，為更好的挖掘和探明計劃燒除過程對生態環境的利弊，充分挖掘其有益的方面服務于高質量發展，本文梳理近50年來國內外相繼報道的計劃燒除研究報道，以期為進一步探明計劃燒除在生態功能服務方面的應用研究機制提供思路。

1國外計劃燒除應用情況

“計劃燒除”概念1907年在美國首次提出，而后美國森林區進行了大量的計劃燒除研究[11]。國外計劃燒除的火強度均控制在火險等級3級以下，火焰高度在1.5～2.0m范圍內;研究對象主要有黃松林[13-15]、天然黑松林[16]以及赤松林[17]等;研究內容有土壤酶活性、土壤呼吸、土壤物質成分、物種組成和生物多樣性、土壤真菌群落等。詳見表1。

2計劃燒除火行為分析影響計劃燒除效果的主要因素有點燒方法和火強度。其中點燒方法有直線法、“V”形法、棋盤法、中心法[2]，計劃燒除適用林分主要以云南松純林為主，火燒強度在200～500kW/m[21]范圍內，主要在云南松純林[22]、馬尾松[23]、內蒙古森林草原[24]、思茅松天然林[25]、楊樺林[26]開展了計劃燒除。詳見表2。

3計劃燒除對水土流失的影響

3.1徑流泥沙

坡面徑流泥沙量主要受到降雨動力條件和下墊面枯落物蓄積的綜合影響，林下枯落物蓄積能截留和緩解雨滴直接侵蝕林地，增加林地的水源涵養能力[28-29]。計劃燒除使得林地植被減少，土壤密度相應增加，土壤總體孔隙度隨之降低，降雨量直接導致坡面徑流量和泥沙量顯著增加，分別可增加約3倍和21倍[6]。林地表覆蓋通過增加森林土壤有機質含量和促進生物活性進而提高土壤孔隙度，有效防止土壤板結，增加林地表面粗糙度從而提高水分入滲，緩減徑流和土壤侵蝕[30]。低坡度背景下實施低強度的計劃燒除，徑流泥沙侵蝕模數小于國家規定的數值，但總體來說，所導致的水資源和土地生產力退化是可以接受的[31]。

3.2持水效益

林地枯落物的保水能力對陸地生態系統水分循環尤為重要，是森林枯落物水文特性的重要評價指標[29]。計劃燒除后林地枯落物蓄積量減少約80%，燃燒的剩余物組成結構復雜多變，吸附和保持水分的能力減弱，枯落物有效持水量降低約61%，經過一年的自然恢復后有效持水量可達到73%，且枯落物層持水量與浸泡時間呈對數函數關系，吸水速率與浸泡時間呈冪函數關系[32]。不同火燒強度對林分土壤中有機碳和土壤斥水性影響不同[33-35]，周期性低強度實施計劃燒除后，地表覆蓋物迅速減少，土壤表層容重增加，毛管持水量降低，土壤中營養物質隨之減少[36]，影響森林的持水效益和水源涵養功能。

4計劃燒除對生物多樣性的影響

4.1微生物及酶活性

土壤中微生物種類和數量與成土母質及土層深度密切相關，土壤酶的種類和數量隨土壤微生物種類和數量以及土層厚度變化而變化[37-38]。其中，蔗糖酶、纖維素活性與細菌數量呈正相關，脲酶、蛋白酶活性隨土壤有機質含量減少而減少，過氧化物酶活性隨著土壤呼吸強度增加而增加，磷酸酶活性隨土壤含磷物質的變化而變化。計劃燒除促進土壤微生物和酶的新陳代謝，對森林土壤環境中微生物群落具有調節功能，但同時也破壞和減少了部分微生物群落結構。計劃燒除過程中森林土壤環境中的有害生物（如松材線蟲蟲卵）相應被殺死和破壞，降低松墨天牛種群密度，同時可以減少松材線蟲攜帶量[23]，對森林病蟲害防治及土壤環境起到一定的“消毒”和“凈化”作用。

4.2群落結構和物種多樣性

計劃燒除過程中燃燒作為障礙因子對森林中喬木、灌木、草本植物生長發育造成脅迫，進而影響林分組成結構和物種多樣性[39-40]。適度的計劃燒除可促進林分的更新和生長，有效增加林分生物多樣性[41-42]。戚書瑋等學者[43]研究表明計劃燒除1年后云南松林喬木層和灌木層物種組成下降50%，草本層下降25%，喬木層、草本層Shannon-Wiener和Simpson多樣性指數、豐富度無顯著變化，且計劃燒除前后喬木平均樹高、平均胸徑和平均枝下高差異不顯著，但灌木層物種豐富度、生物多樣性顯著下降。林分中喬木死亡率隨喬木徑級的增大而降低，總體來說對林分中喬木的生長影響不大[44]。計劃燒除后森林中喬灌草本群落數量減少，同時也會衍生出新的物種，促進林分的更新，對林業生態功能具有調節作用[45]，在培育大徑級用材林經營管理中可作為森林撫育的推薦方法，可以削弱林分中灌木和草本植物對優勢種的營養競爭，有利于大徑級用材林的生長和發育，起到防火和經營的雙重作用。

4.3動植物棲息地

計劃燒除研究的深入突顯了其在生物多樣性保護領域的有益作用[46]。計劃燒除后仍有植物種子或根蘗深埋于土壤中，一定環境條件下重新萌發。且計劃燒除后群落郁閉度相應降低，林分空間增大，改善了野生動植物棲息環境，利于新物種的遷移和種群擴張。新萌發的鮮嫩植物為野生動物提供美味的食物，促進野生動植物的保護[47]。燒除過程加速灰分物質回歸土壤，增加野生動植物棲息地的有機質含量，提升土壤肥力，可為森林植被提供豐富的養料，進而為野生動植物的生存提供源源不斷的物質基礎和食物資源，利于種群的擴張和繁衍[48-50]。燒除過程也會對其他動植物的棲息環境和食物鏈造成一定程度的破壞和影響，科學平衡不同野生動植物種間之間及食物鏈關系至關重要[51]。

5計劃燒除對碳地球化學循環的影響

森林土壤是大氣有機碳源和匯的重要組成部分，與碳地球化學循環密切相關[52]。不同火燒除強度對土壤有機碳儲量有著深遠的影響[53]，計劃燒除后林下可燃物有機碳儲量可增加10%以上[54]，不同坡向下計劃燒除林土壤有機碳儲量差異較大，陰坡、陽坡、半陽坡有機碳儲量增幅依次遞減，有機碳儲量分別增加45.64、37.31和35.87t.hm-2[55]。計劃燒除林與未燒除林相比，上坡、中坡和下坡3個坡位森林土壤有機碳儲量和含量明顯增加，上坡、中坡、下坡增幅依次增加，增幅分別為0.482、0.505和0.581t.hm-2，儲量分別為32.49、41.70和44.22.hm-2[55]，能夠提高森林碳匯能力[56]。

計劃燒除加快枯落物中的養分回歸土壤環境，促進能量流動和物質循環[57]，進而影響營養成分的分配[8]。森林土壤呼吸、枯落物的降解對全球碳平衡和循環起著重要的調控作用[58]。枯落物蓄積量、土壤溫度、水分變化對林地二氧化碳通量影響顯著，不同枯落物蓄積量對林地二氧化碳通量影響幅度不同，添加枯落物的林地二氧化碳通量增加約29.12%，去除枯落物的林地二氧化碳通量降低約13.29%，土壤溫度、水分通過影響根系和微生物的呼吸作用、底物和氧氣的擴散進而對林地二氧化碳通量產生直接影響，土壤溫度對林地二氧化碳的影響主要體現在微生物、根呼吸、土壤酶及其活性方面[59]。

6研究展望

國外計劃燒除在生物因素方面的應用研究比較深入，國內在非生物因素對其響應機制應用研究居多，國內外研究對象均以松針林為主，火燒參數也很相近，原因可能是針葉林平均胸徑較大，樹株較高，林下可燃物主要為松針，很難蔓延造成樹冠火。計劃燒除過程生態功能研究展望主要有3個方面內容：一是計劃燒除對坡面徑流泥沙的影響目前以低坡度、低強度燒除背景研究為主，暫未綜合考慮不同地質構造、不同地質巖性、不同坡向、不同水力侵蝕條件下，不同計劃燒除強度對坡面徑流泥沙的影響；二是計劃燒除過程對森林病蟲害防治及土壤環境起到一定的“消毒”和“凈化”作用，在培育大徑級用材林經營管理中可作為森林撫育的推薦方法，利于大徑級用材林的生長和發育；三是計劃燒除后對森林光合速率、根系呼吸作用、養分運營通道、葉片葉綠素、蛋白酶、二氧化碳固定酶、C3還原酶等植物生理生化過程的變化和影響仍未探明，可從植物生理學、分子生物學等微觀方面深入挖掘更多數據。

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