模擬地表火行為對燃燒剩余物水溶性碳氮的影響

李兆國,甕岳太,徐建楠，耿道通,寧吉彬,于宏洲,邸雪穎,楊 光,*

1 東北林業大學林學院,森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室, 哈爾濱 150040

2 國家林業和草原局調查規劃設計院，北京 100714

燃燒剩余物是火燒跡地土壤表面必然存在的生物體殘留物,主要由礦質成分和碳化的有機質組成,具體包括生物炭、芳香烴類化合物、碳酸鹽、磷酸鹽等[1],在生態系統響應火干擾的生態過程中扮演著重要角色,是野火間接影響陸地生態系統的橋梁[2]。

林火作為重要的生態因子,能夠對森林生態系統的土壤理化性質[3—4]、生物群落[5—7]和林地小氣候[8]等生態因子造成顯著影響,從而影響整個森林生態系統的物質循環和能量流動過程。火行為和燃燒剩余物共同對火后物質循環[9]、微生物活動[10]、森林集水區水質[11—12]造成了巨大影響,火行為在短期內直接對生態系統的物質基礎、生物活動造成多方面的影響,而火燒跡地殘留的燃燒剩余物可以通過降水過程以及地表徑流釋放其所含有的礦物質和有機質,從而在一定時間內持續地對火后生態系統恢復過程造成影響。水溶性成分是生態系統中最為活躍的一部分營養物質,因其溶于水的特性,更易被微生物利用,從而參與到生態系統的物質循環、能量流動過程中[13—14]。因此,探究燃燒剩余物水溶性成分在火燒跡地生態恢復過程中的作用對研究火燒跡地恢復機制具有重要意義。近年來,國內林火生態領域的學者通常將火燒跡地土壤理化性質、火后微生物活動、火后植被恢復等課題作為研究重點[15—18],對燃燒剩余物的研究相對較少。前期對燃燒剩余物的研究表明燃燒剩余物對植物種子的萌發過程有顯著的影響[19—20],火后黑炭會對土壤理化性質產生顯著影響[21—25],但燃燒剩余物水溶性碳氮的生態作用還有待深入研究。

可燃物性質、地形等因素顯著影響火行為[26—30],但不同火環境下的火行為對燃燒剩余物性質的影響還未有深入研究。為明晰火環境和火行為對森林燃燒剩余物水溶性碳氮產生的具體影響,本文以紅松人工林地表可燃物燃燒剩余物為研究對象,通過模擬燃燒實驗,研究森林地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度等因素對燃燒剩余物水溶性碳氮及火行為的影響,并在此基礎上研究火行為對燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征的影響。以期為深入認識火干擾背景下森林生態恢復過程中的物質循環與能量流動機制提供一定的基礎數據和新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

東北林業大學帽兒山實驗林場(45°15′—45°29′N、127°23′—127°43′E)位于黑龍江省尚志市,總面積為26496hm2。該區域位于長白山支脈張廣才嶺西北部的余脈,屬于大陸性季風氣候,年平均降水770mm,年平均氣溫3.1℃。該地區處于溫帶針闊葉混交林區,主要植被是闊葉紅松林經過不同程度的干擾(采伐、經營、火燒和開墾等)后形成的東北東部山區典型天然次生林和人工林[31]。主要喬木樹種包括紅松(Pinuskoraiensis)、白樺(Betulaphatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Querusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)等。紅松是東北亞地區極具生態價值的主要的造林樹種,也是我國東北地區珍貴樹種之一。一方面,紅松具有園林、食用、藥用等方面的經濟價值,另一方面,紅松也在水土保持、水源涵養等方面發揮著巨大的生態作用。近年來紅松人工林面積不斷增加,這也增加了紅松人工林潛在的林火風險,以紅松人工林地表可燃物為研究對象,具有重大的實際意義。

圖1 帽兒山實驗林場位置圖

1.2 樣地調查與樣品采集

于2019年春季防火期在東北林業大學帽兒山實驗林場建立了三塊20m×20m的紅松人工林標準樣地,調查了林分基本信息(表1),并收集了地表可燃物。采用五點取樣法設置調查樣方(1m×1m)測定了可燃物載量。

表1 樣地信息

1.3 模擬燃燒實驗

燃燒實驗在東北林業大學火行為實驗室進行。燃燒實驗預設5%、15%、25% 3個可燃物含水率(FM)水平,5°、10°、15° 4個坡度(S)水平,分別進行森林地表上坡火(USF)、下坡火(DSF)兩組不同森林地表火蔓延方向(SD, Spread Direction)的燃燒實驗,每種實驗條件做3次重復實驗共54組燃燒實驗。燃燒實驗在自制的變坡度燃燒床上進行,其示意圖如圖2所示,可通過該燃燒床實現對坡度,森林地表上坡火、下坡火的模擬。

圖2 變坡度燃燒床示意圖

燃燒實驗開始前應先做如下準備工作:將紅松人工林地表可燃物含水率調節至約5%、15%、25%水平,并將調節好含水率的紅松人工林地表可燃物置于密封箱內暫存,進行燃燒實驗時,將紅松人工林地表可燃物均勻的撒落在1.3m×5m的燃燒床上。為在室內盡可能還原野外可燃物床層狀態,設置可燃物床層載量為8t/hm2。

燃燒實驗:通過預實驗,確定1m長的預燃區,當火頭通過預燃區,即認為火蔓延至似穩態狀態。在燃燒床引燃端有5cm寬的引燃帶,實驗開始時倒入50mL酒精并點燃,在燃燒床迅速形成一條火線,并沿可燃物向前蔓延。將引燃端設置在燃燒床坡頂位置,在燃燒床形成一條從坡頂蔓延至坡底方向的火線,以實現對森林地表下坡火的模擬,將引燃端設置在燃燒床坡底位置,在燃燒床形成一條火線從坡底蔓延至坡頂方向的火線,以實現對森林地表上坡火的模擬。相同坡度、含水率組合的燃燒實驗都在相同實驗條件下完成。

在燃燒實驗中記錄持續燃燒時間(T),并用標桿法測量火焰高度(FH)、火焰長度(FL)、火焰寬度(FW),并推算火線強度(I)和火線高度強度(Ih),推算公式如下:I=m×c×v,式中I:火線強度,kJ m-1s-1；m:單位面積內的可燃物重量(kg/m2)；c:可燃物的平均發熱量,kJ/kg；v:火線前進速度,m/s。Ih=2.58h2.17,式中,Ih:火線高度強度,kW/m；h:火焰高度(m)。燃燒實驗結束后,等待余燼完全熄滅后,收集該場點燒實驗的可燃物燃燒剩余物樣品,同時測定燃燒剩余物質量,并計算可燃物燃燒效率(E,combustionefficiency),推算過程如下:E=燃燒剩余物重量/可燃物重量。將燃燒剩余物粉碎后過40目篩,放進封口袋中常溫保存,留待實驗室分析。

1.4 樣品分析

測定燃燒剩余物含水率:稱取約10g燃燒剩余物樣品至干凈的鋁盒中,置于烘箱105℃烘干至恒重,測定燃燒剩余物含水率。

測定燃燒剩余物水溶性碳(WSC)、水溶性氮(WSN):精確稱取1.0000g(精確至0.0001g)燃燒剩余物樣品,加入50mL離心管中,加入20mL去離子水,在常溫下振蕩1h,10000g離心10min,經0.45μm水系MCE濾膜抽濾為待測液[32]。水溶性碳氮含量使用德國耶拿Multi N/C 2100S分析儀測得。

1.5 統計分析

用SPSS 25.0、R 3.5.3軟件對數據進行統計分析,用OriginPro 2018b、Graphpad Prism 8.0軟件進行數據可視化工作。用方差膨脹檢驗方法(通過car包vif函數實現)對7個火行為變量進行多重共線性檢驗,篩選出E、FW、FH、T、I5個非共線性火行為變量,用獨立樣本T檢驗比較森林地表上坡火(USF)、下坡火(DSF)兩組不同森林地表火蔓延方向(SD)的燃燒實驗的差異；用單因素方差分析比較燃燒剩余物WSC、WSN含量及WSC/WSN和火行為在不同可燃物含水率、不同坡度的差異；用多因素方差分析法分析可燃物含水率、坡度、地表火蔓延方向及其交互作用對燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征以及火行為的影響,用Spearman相關系數評價火行為與燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特性間的相關關系,顯著性水平設定為α=0.05；使用R語言vegan包,通過db-RDA分析(Bray-Curtis距離)探究火行為對燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征的影響。

2 結果與分析

2.1 火環境對燃燒剩余物水溶性碳氮的影響

通過模擬燃燒實驗,收集到54份燃燒剩余物樣品,樣品分析結果表明燃燒剩余物的WSC含量在2.52mg/g到19.23mg/g范圍內,WSC含量均值為(8.34±3.33)mg/g；WSN含量在0.06mg/g到0.44mg/g范圍內,WSN含量均值為0.18mg/g±0.08mg/g。

用獨立樣本T檢驗比較森林地表上坡火、下坡火兩組燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征的差異。如圖3所示,上坡火實驗組的燃燒剩余物WSC、WSN含量明顯高于下坡火實驗組(P<0.01),兩實驗組燃燒剩余物WSC/WSN的差異并無統計學意義(P>0.05)。總體而言,地表上坡火組的燃燒剩余物水溶性碳氮含量顯著差別于地表下坡火組。

圖3 不同地表火蔓延方向下燃燒剩余物水溶性碳氮的生態化學計量特征

用單因素方差分析比較不同可燃物含水率、不同坡度實驗組燃燒剩余物WSC、WSN含量及WSC/WSN之間的差異。如圖4所示,5°實驗組中,森林地表上坡火、下坡火兩組燃燒剩余物的WSC含量均表現為:25%FM實驗組> 15%FM實驗組> 5%FM實驗組(P<0.05)。在相同含水率,下坡火實驗組,5°實驗組燃燒剩余物的WSC含量明顯高于10°、15°實驗組(P<0.05)。如圖4所示,各實驗組的燃燒燃燒剩余物WSN含量和WSC/WSN并未表現出明顯規律。綜上所述,不同可燃物含水率、不同坡度條件下,燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征存在顯著差異,火環境條件顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征。

圖4 不同火環境條件下燃燒剩余物水溶性碳氮生態化學計量特征

2.2 模擬火環境對火行為的影響

在燃燒實驗中記錄每場點燒實驗的T,并用標桿法測量FH、FL、FW,并推算I和Ih,在燃燒實驗結束后收集該場燃燒實驗的可燃物燃燒剩余物樣品,測定可燃物燃燒剩余物質量,并計算E。應用方差膨脹檢驗方法對7個火行為變量進行多重共線性檢驗,篩選出E、FW、FH、T、I5個火行為變量。

用獨立樣本T檢驗比較森林地表上坡火、下坡火火行為的差異。如圖5所示,上坡火實驗組的T、E明顯低于下坡火實驗組,上坡火實驗組的I明顯高于下坡火實驗組(P<0.01),上坡火實驗組的FH明顯高于下坡火實驗組(P<0.05),兩實驗組FW的差異并無統計學意義(P>0.05)。總體而言,地表上坡火組的火行為顯著差別于地表下坡火組的火行為。

圖5 不同地表火蔓延方向上火行為的差異

用單因素方差分析比較不同可燃物含水率、不同坡度實驗組火行為之間的差異。如圖6所示,在相同坡度實驗組中,T均表現為:25%FM實驗組> 15%FM實驗組>5%FM實驗組(P<0.05)。在25%含水率,下坡火實驗組,T表現為:5°實驗組>10°實驗組> 15°實驗組(P<0.05)。如圖6所示,在不同可燃物含水率、坡度實驗組之間,E并未表現出顯著規律；在相同坡度實驗組中,FH均表現為:5%FM實驗組> 15%FM實驗組> 25%FM實驗組(P<0.05)。在相同可燃物含水率不同坡度實驗組間,E并未表現出顯著規律。如圖6所示,在5°、10°實驗組中,5%含水率實驗組的FW明顯高于10%、15%實驗組(P<0.05)。在15°、上坡火實驗組中,FW表現為:5%FM實驗組>15%FM實驗組> 25%FM實驗組(P<0.05)。在相同可燃物含水率不同坡度實驗組之間,FW并未表現出顯著規律。如圖6所示,在5°、10°實驗組中,I均表現為:5%FM實驗組> 15%FM實驗組> 25%FM實驗組(P<0.05)。在15°實驗組中,5%含水率實驗組的I明顯高于10%、15%含水率實驗組(P<0.05)。綜上所述,不同可燃物含水率、不同坡度條件下,火行為存在顯著差異,火環境條件顯著影響火行為。

圖6 不同火環境的下火行為

2.3 火環境和火行為對燃燒剩余物水溶性碳氮的影響

以燃燒剩余物樣品WSC、WSN含量、WSC/WSN為因變量,地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度為自變量進行多因素方差分析,結果如表2所示,地表火蔓延方向、可燃物含水率極顯著影響燃燒剩余物的WSC、WSN含量(P<0.01),坡度對燃燒剩余物WSN含量、WSC/WSN造成顯著影響(P<0.05)。此外,地表火蔓延方向和坡度的交互作用對燃燒剩余物的WSC、WSN含量、WSC/WSN產生了顯著影響(P<0.05),地表火蔓延方向與可燃物含水率的交互作用、坡度與可燃物含水率的交互作用以及地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度三者的交互作用對燃燒剩余物的WSC、WSN含量均未產生顯著影響(P>0.05),而坡度與可燃物含水率的交互作用以及地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度三者的交互作用對燃燒剩余物WSC/WSN產生顯著影響(P<0.05)。

表2 火環境條件及其交互作用對水溶性碳氮含量及水溶性碳氮比的影響

以E、FW、FH、T、I為因變量,地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度為自變量分別進行多因素方差分析,結果如表3所示,地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度以及地表火蔓延方向和坡度的交互作用對E、FW、FH、T、I產生了極顯著影響(P<0.01),而地表火蔓延方向與可燃物含水率的交互作用對FH、I造成顯著影響,而對E、FW、T的影響并不顯著(P>0.05),坡度與可燃物含水率的交互作用對FW、T、I造成顯著影響(P<0.05),卻并未對E、FH造成顯著影響(P>0.05),地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度三者的交互作用對FW、FH、I造成顯著影響(P<0.01),對E、T均未產生顯著影響(P>0.05)。

表3 火環境條件及其交互作用對火行為的影響

用方差膨脹檢驗方法對7個火行為變量進行多重共線性檢驗,篩選出E、FW、FH、T、I5個非共線性火行為變量,用Spearman相關系數評價火行為與燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特性間的相關關系,顯著性水平設定為α=0.05,評價結果如表4所示。通過DCA分析判別使用線性模型更為合適(DCA前四軸最大值小于3),用火行為指標和燃燒剩余物水溶性碳氮兩個數據矩陣進行db-RDA分析,db-RDA分析結果如圖7所示。

表4 火行為與燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征的相關分析

圖7 db-RDA分析結果圖

3 討論

可燃物燃燒剩余物是林火的復雜產物,其水溶性碳氮化學計量特征顯著的受到火行為的直接影響和火環境的間接影響,即燃燒剩余物屬性取決于地形因素、可燃物類型、火災溫度,燃燒程度等復雜因素的綜合影響[33—38]。

3.1 火環境顯著影響燃燒剩余物屬性

火環境會對燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征造成顯著影響,這可能有兩方面的原因,其一,不同火環境下的地表可燃物存在顯著差異。其二,火環境條件通過影響火行為間接對森林燃燒剩余物屬性造成顯著影響。

首先,不同火環境下不同植被類型可燃物燃燒產生的燃燒剩余物顯著不同[39],其次不同火環境下,由于光照條件、立地條件的差異,相同植被類型可燃物的分解程度不同,這也是不同火環境下燃燒剩余物屬性存在顯著差異的原因。Merino等人的研究顯示,不同生態系統的可燃物燃燒產生的燃燒剩余物的組成和數量存在顯著差異[40],Yusiharni等人則發現不同植被類型的燃燒剩余物對土壤理化性質產生的影響也不相同[41]。

森林地表火蔓延方向、溫濕度等火環境條件通過影響火行為間接對森林燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征造成顯著影響。本文的實驗結果表明,在其他實驗條件相同的情況下,森林地表上坡火燃燒剩余物水溶性碳氮含量顯著高于森林地表下坡火。這可能是因為森林地表下坡火的燃燒時間及燃燒效率均顯高于森林地表上坡火,持續燃燒時間越長,燃燒效率越高,森林燃燒剩余物燃燒越充分,森林燃燒剩余物水溶性碳氮含量就越低。而在森林地表火蔓延方向相同的情況下,不同含水率水平燃燒剩余物的水溶性碳氮含量與燃燒時間呈顯著正相關,而燃燒時間與可燃物含水率呈顯著正相關[42],即可燃物含水率越高,燃燒時間越長,燃燒剩余物中可溶性碳氮的含量越高。這可能是因為可燃物含水率更高時,可燃物燃燒性相對較差[43],一方面會造成燃燒時間增加,另一方面會導致可燃物燃燒不充分,殘留更多的水溶性碳氮。在不同坡度實驗組,燃燒剩余物的水溶性碳氮含量的差異并未表現出明顯規律,這可能是由于燃燒實驗所設計的坡度梯度均屬低坡度范圍[44],所以各坡度梯度實驗組產生的森林燃燒剩余物水溶性碳氮含量差異不具有統計學意義。

3.2 火行為顯著影響燃燒剩余物屬性

火線強度、火焰寬度等火行為會對森林燃燒剩余物屬性造成顯著影響,這可能是由于不同火行為下,地表可燃物的燃燒程度、燃燒過程存在顯著差異。

火強度會顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征。Balfour,Raison,Yusiharni等人通過設定馬弗爐溫度梯度模擬火強度梯度,發現不同火強度下產生的燃燒剩余物屬性及其顏色存在顯著差異,較低火強度下產生的燃燒剩余物其有機質含量更高[40—41],燃燒剩余物的酸堿度和電導率會隨火強度的升高而升高[45]。而本研究中也發現類似的結果,db-RDA分析結果表明,火線強度與水溶性碳氮比呈顯著負相關,即火線強度越高,燃燒剩余物水溶性碳氮含量越低,碳酸鹽、硅酸鹽等礦質成分含量增加[46—48]。地表可燃物的燃燒程度和燃燒過程會顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征。本文發現,燃燒效率、火焰寬度會顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征,db-RDA分析結果表明,燃燒效率、火焰寬度與燃燒剩余物水溶性碳氮含量呈顯著負相關,即燃燒效率、火焰寬度越高,燃燒剩余物水溶性碳氮含量就越低。

4 結論與展望

4.1 結論

燃燒剩余物作為火燒跡地上必然存在的生物體殘留物,是生態系統響應火干擾的生態過程中關鍵的一環,而火行為作為林火干擾生態系統的宏觀表現形式,會對燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征造成顯著影響,火環境則能通過影響火行為間接對燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征造成顯著影響。火干擾可以通過影響燃燒剩余物特性對火燒跡地生態恢復過程造成持續性的潛在影響。

本研究有助于深入認識燃燒剩余物在生態系統響應火干擾的生態過程中所扮演的角色,可用于評估受火干擾紅松人工林生態系統恢復所需營養素的類型和數量,有助于進一步認識計劃燒除對紅松人工林的影響,為科學實施計劃燒除提供參考。

4.2 展望

在本研究中,通過預設地表火蔓延方向、可燃物含水率以及坡度條件作為林火驅動因子,展開了模擬燃燒實驗,研究了火環境因素對燃燒剩余物及火行為的影響,并在此基礎上研究了火行為對燃燒剩余物水溶性碳氮化學計量特征的影響。前人對燃燒剩余物的研究,大致分為兩類,1)在實驗室中通過馬弗爐制備燃燒剩余物樣品[39,41],展開對燃燒剩余物特征的研究。但有研究表明通過馬弗爐制備的燃燒剩余物樣品與野火發生后留下來的燃燒剩余物存在顯著差異,并不能很好的表征森林燃燒剩余物的特征[49]；2)在森林火災發生后收集燃燒剩余物樣品[40,50—51],或通過進行計劃燒除實驗[46]來研究燃燒剩余物特征,但該類研究顯然難以具體探究火行為、可燃物因素對燃燒剩余物的影響。在國內林火生態領域,本研究是首次對燃燒剩余物的水溶性碳氮化學計量特征展開研究,在一定程度上填補了國內林火生態領域對燃燒剩余物研究的空白。本研究也存在一定的局限性,在未來的研究中,應進一步引入風速、溫度、濕度等林火驅動因子,在最大程度上模擬林火發生時的火環境及火行為,盡可能的增加實驗方法的可靠性。