計劃燒除對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,2, 楊建光

(1.西南林業大學 生態與環境學院, 云南 昆明 650224;2.西南林業大學 石漠化研究院, 云南 昆明 650224; 3.新平縣縣級自然保護區管護局, 云南 新平 653499)

林火是森林生態系統中重要的干擾因子之一[1]，嚴重影響森林景觀結構和功能[2-7]。計劃燒除與火災不同，它作為一種消防策略，能降低干旱季節易發生火災天氣增加所帶來的潛在威脅[8]。另一方面，計劃燒除的低強度和局部火干擾有利于森林群落自我更新，穩定森林生態系統平衡[9-11]。國外針對計劃燒除做了很多研究，主要關注計劃燒除后森林的自然更新[12]、計劃燒除對森林生物量輸入及養分輸入等[13]方面，國內有關計劃燒除的研究主要在計劃燒除的實施[14]、計劃燒除對土壤理化性質影響等[15]。森林枯落物是森林生態系統的重要組成部分，森林植被產生大量枯枝落葉，堆積在地表，經過自然變化和微生物作用，形成一層像海綿一樣的地被物，這些地被物具有強大的吸水能力和透水性，能夠減少土壤蒸發，阻延徑流的匯集，防止水土流失，在森林植被的水源涵養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中水源涵養能力的重要因素，而枯落物蓄積量是影響枯落物持水性能的重要指標。計劃燒除對森林的直接影響就是減少林內可燃物的積累。計劃燒除直接減少了森林枯落物的蓄積量，對枯落物持水性能造成影響。云南松(Pinusyunnanensis)是云南省的鄉土樹種，多形成大面積純林或與其他樹種組成混交林，是西南地區主要用材樹種之一，也是云貴高原常見的針葉樹種。云南松針葉富含油脂，極易燃燒引發森林火災。云南省多地在云南松林地開展計劃燒除工作達二十多年，取得了良好的防火效果。隨著全球變暖，火災的數量和燃燒的面積預計會增加[19]，計劃燒除實施的必要性也更加凸顯。有關云南松林枯落物的水文效應研究已有很多報道[20-21]，針對計劃燒除對云南松林枯落物水源涵養特性研究也將是一個持續的熱點，本研究結果可為計劃燒除對云南松林水文特征影響評價提供重要依據。

1 研究區概況

研究地點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渡地帶。根據當地氣象部門資料，研究區近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在1971年，為1 264 mm，最小降水量出現在1979年，為614 mm。研究區干濕季分明，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，月最大降水量出現在7月，為183 mm，月最小降水量出現在3月，為15.4 mm。研究區年平均氣溫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80年代飛播造林后經自然稀疏、撫育管理形成的人工林，林相為單層林，樹種為云南松純林，代表性土壤為紅壤。照壁山每年1月底至2月中旬進行計劃燒除，30 a從未間斷，2019年2月12—13日實施了2019年度森林防火計劃燒除工作，計劃燒除火焰高度1.5 m，屬低強度火燒[14]，火燒過后云南松林下草本灌木全部燒成灰燼，云南松生長受到一定影響。

2 研究方法

2.1 樣地選取

研究對象選擇云南松人工林計劃燒除樣地與未燒除樣地進行對比，兩個樣地均位于坡中上部，計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，樹高、胸徑、郁閉度、蓋度等詳見表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 調查方法

在未燒除樣地與計劃燒除樣地均設置6個間隔超過100 m的20 m×20 m的標準樣地，標準樣地內樹高的測定采用布魯萊斯測高器測量，樹胸徑采用胸徑尺測量，林分郁閉度采用樣點觀測法，林分蓋度用采樣刺針法測定。在每塊標準樣地內四角和中間共選取5個大小為50 cm×50 cm的枯落物樣方，仔細去除活地被物，收集樣方內所有的未分解、半分解和完全分解層的枯落物，計劃燒除樣地枯落物無法分層，收集燃燒剩余物。從2019年5月1日當地進入雨季開始，采用收集器法觀測枯落物蓄積動態。在每個標準樣地四角及中心位置布設面積為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)，距離地面高度0.5 m左右，共計30個。每月收取一次枯落物，將收集的枯落物帶回室內，在65 ℃下烘至恒重，以此計算年枯落物蓄積量及月輸入量。

2.3 枯落物持水性的測定

采用室內浸泡法，稱取50 g風干后的枯落物樣品分別裝入已稱重的尼龍網袋，再將裝有枯落物的尼龍網袋放入盛有清水的容器中完全浸沒，分別浸泡0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h后，撈起網袋并靜置不滴水時稱重，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長的持水量，并由此計算各時間段的吸水速率、最大持水量、有效持水量。

2.4 枯落物有效持水量的計算

枯落物有效持水量(WE， t/hm2)采用以下公式計算：

WE=W24-WN

(1)

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

2.5 數據統計

采用Excel 2016和SPSS 25軟件進行數據處理和做圖，由原始數據擬合得到的多元回歸關系經統計學檢驗得到擬合度參數R2，并在p<0.05和p<0.01的水平檢驗顯著性。

3 結果與分析

3.1 計劃燒除對枯落物蓄積量的影響

計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、自然腐殖質化，呈現明顯的分層結構，將枯落物層劃分為未分解層、半分解層和完全分解層。本研究在計劃燒除作業完成的當月底對研究區的枯落物儲量進行測定，測定結果詳見表2。由表2可知，計劃燒除后從總量上來看未燒除樣地遠高于計劃燒除樣地，計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%，說明自然狀態下的云南松林枯落物大部分為分解狀態蓄積在地表。

表2 不同林分枯落物儲量特征

3.2 計劃燒除對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之一，其表征著枯落物吸持水分強弱和保水、涵養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際吸持水分的大小即有效持水量[23]。計劃燒除使地表枯落物組成發生改變，這使計劃燒除樣地枯落物層的自然含水量及有效持水量發生改變，具體改變情況詳見表3。由表3可知，未燒除樣地枯落物自然含水率是計劃燒除樣地的6.39倍，分層來看，計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劃燒除樣地，是計劃燒除樣地的4.29倍。計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到了13.46 t/hm2，可見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律相近。

表3 不同枯落物層持水量

3.3 計劃燒除對枯落物吸水過程的影響

計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殘體等物質，所以燃燒剩余物的組成更加復雜，這會導致燃燒剩余物在吸水過程上發生變化，變化情況如圖1所示。計劃燒除和未燒除樣地枯落物持水量均與浸泡時間呈極顯著對數函數關系(R2>0.786，p<0.01)。由圖1可知，未燒除樣地枯落物層各時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遠高于其他枯落物層，這主要是因為枯落物分解層雖然基本保留了枯落物形態，但是大都是半降解狀態，具有較強的親水性，有利于枯落物對水分的吸收；這也解釋了枯落物層在前1 h迅速增加，占73.09%～87.44%，而計劃燒除樣地燃燒剩余物由于枯落物在火燒過后大部分碳化變質，水分只能從表面孔隙進入，因而持水過程相對較緩慢且持水量更小。

圖1 不同枯落物層持水量隨時間變化的關系

由圖2可知，對不同枯落物層吸水速率與浸水時間的數據擬合發現，枯落物吸水速率與浸水時間呈冪函數關系(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程極其相似，其持水過程曲線基本重合，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到飽和而逐漸趨近于0。

圖2 不同枯落物層吸水速率隨時間變化關系

3.4 計劃燒除對枯落物輸入動態及持水性能的影響

3.4.1 計劃燒除后枯落物蓄積動態變化 計劃燒除后從當年雨季開始兩個樣地枯落物輸入結果如圖3所示，圖3中每月時間按平均值30.3 d計算，保持每月時間相等。計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，峰值均出現在4月，計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%。在計劃燒除次年的1月前，計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劃燒除樣地的1.27～1.32倍。計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。后期受新生長季新枝萌發和春季大風天氣影響，計劃燒除樣地枯落物輸入量反而開始降低，比未燒除樣地減少。

圖3 計劃燒除樣地和未燒除樣地枯落物蓄積量月變化動態

3.4.2 計劃燒除對枯落物持水性能動態的影響 計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，計劃燒除樣地的枯落物持水性能也在恢復。計劃燒除和未燒除樣地的枯落物有效持水量變化動態如圖4所示，在計劃燒除之后林內枯落物層的有效持水量變小，計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，1 a后的有效持水量是初始的2.33倍，而計劃燒除樣地有效持水量在1 a后是初始的4.27倍，此時計劃燒除樣地的有效持水量已經恢復到未燒除樣地的72%。這表明了云南松林在自然狀態下的枯落物有效持水量是一個逐步升高的過程，而在進行計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，枯落物層的降雨截持能力也在恢復。

圖4 計劃燒除和未燒除樣地總有效持水量變化動態

4 討 論

4.1 計劃燒除對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、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]。本研究結果表明，計劃燒除后云南松林枯落物蓄積量顯著低于未燒除樣地，研究結果與張引對枯落物層蓄積特征的研究結果一致[24]。林內枯落物一部分為自然凋落，另一部分為自然積存，經過長時間的分解，大部分都已達到分解狀態。

4.2 計劃燒除對枯落物持水能力的影響

森林枯落物的持水能力是整個森林生態系統水分循環中的重要一環，也是林地枯落物水文特性的重要指標[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劃燒除樣地，主要原因是計劃燒除減少了枯落物蓄積量同時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]的研究結果一致。本研究發現，計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]對枯落物層持水量的研究結果一致，因此計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 計劃燒除對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，隨著浸水時間的延長，持水量增速減緩，最終達到飽和狀態。各層枯落物的吸水過程都符合對數函數關系，這與陳進等[27]的研究結果相似。各層枯落物的吸水速率均表現為浸水前期的0—0.5 h內較高，在0.5—4 h階段明顯減小，最后趨于平緩，說明干燥枯落物的死細胞間或枝葉表面存在較大水勢差，是引起初段吸水速率較大的原因[28]。以上可說明計劃燒除不利于枯落物吸水。

4.3 計劃燒除對枯落物層蓄積動態及持水性能動態的影響

在計劃燒除后兩個樣地枯落物的蓄積動態呈“單峰型”規律，峰值的掉落量占全年的20%～24%，張雨雪等[29]對紅樹林凋落物產量研究發現秋茄凋落物產量具有明顯的季節變化規律，呈“雙峰型”，峰值出現在5月和8月，出現這種差異可能由于樹種自身生物特性導致凋落物季節變化規律不同。計劃燒除后，地表枯落物燃燒殆盡，在計劃燒除進行后初期由于林火的高溫影響云南松生長，在一段時間過后，計劃燒除樣地內云南松新葉已煥發完畢，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。

本研究結果表明，計劃燒除后枯落物有效持水量僅為未燒除樣地的39%，這是由于計劃燒除的林火直接減少了枯落物的蓄積量，并且計劃燒除后的燃燒剩余物組成復雜，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，還與枯落物組成、分解情況、累計狀況緊密相關。兩種樣地的有效持水量穩定增加，但計劃燒除樣地增速更快，這與兩種樣地枯落物的蓄積動態特征一致，在計劃燒除進行1 a后有效持水量恢復到未燒除樣地的72%，這是由于隨著林內枯落物層的恢復，枯落物的輸入分解逐漸恢復到自然狀態，枯落物的吸持雨水特性也逐漸恢復。但計劃燒除樣地較未燒除樣地扔有差距，但總體的趨勢是計劃燒除樣地的蓄水能力是可以恢復到計劃燒除前的水平。

5 結 論

(1) 計劃燒除使云南松林枯落物蓄積量減少，計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間分別符合對數函數關系和冪函數關系。

(3) 兩種林分的凋落動態呈“單峰型”變化，在初期計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劃燒除樣地的1.27～1.32倍，二者的年歸還總量相似；計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%，經過1 a的恢復達到未燒除樣地的73%，未燒除樣地1 a后有效持水量是初始的2.33倍，計劃燒除樣地1 a后的有效持水量是初始的4.27倍，計劃燒除樣地的攔蓄雨水能力逐漸恢復。