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燃燒后土壤養(yǎng)分更多森林生態(tài)系統(tǒng)或可因“火”得福

2022-04-12 10:13:03 來源：科技日報

◎本報記者趙漢斌

地表可燃物的分解速率受地表溫度、濕度以及微生物作用的影響，也取決于可燃物自身的化學(xué)組成，木質(zhì)素含量越多越難分解。所以低強(qiáng)度的火燒可以促進(jìn)枯落物分解，適當(dāng)增加土壤養(yǎng)分，如增加土壤鈣離子和鎂離子等陽性因子。

——劉曉東北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院教授

對林草和應(yīng)急管理部門來說，每年春旱時節(jié)，森林防火成為重中之重。

“由于我國東北和西南有大面積的原始林，一旦用火失控，就可能導(dǎo)致大面積森林過火，破壞野生動物棲息地，甚至威脅到人民生命財產(chǎn)和生態(tài)安全。山火所產(chǎn)生的大量煙霧，也可能對人體健康造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。”北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院教授劉曉東告訴記者。

而在自然界，森林野火是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)更迭的重要因素之一。日前，美國科羅拉多州立大學(xué)教授托馬斯·博爾奇團(tuán)隊在《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》期刊在線發(fā)表一篇論文，對野火發(fā)生后土壤有機(jī)質(zhì)中氮元素富集過程進(jìn)行研究，與國內(nèi)外其他研究相印證，重新引發(fā)了人們對森林野火弊與利以及生態(tài)修復(fù)問題的關(guān)注。

是否有益取決于強(qiáng)度和頻率等

森林野火是一種自然現(xiàn)象。“在陸地植物出現(xiàn)后不久，野火就出現(xiàn)在地理記錄中，它是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)更迭的重要因素之一。”云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院教授蘇文華說。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全世界年均發(fā)生森林火災(zāi)20多萬次，燒毀森林面積占全世界森林總面積的1%以上。森林大火往往改變林木結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，使森林生物量下降，生產(chǎn)力減弱，還影響了土壤的保水性、滲透性，引起沼澤化。

同時，森林野火也改變了野生動物的棲息環(huán)境，從而局部影響野生動物的物種多樣性及數(shù)量分布。如部分鳥類失去了棲息繁殖的樹木和可食用的果實(shí)，生存艱難；中小型哺乳動物失去喬木、灌木的庇護(hù)，暴露于荒野，無處躲藏。燃燒還會導(dǎo)致真菌菌絲死亡，可能降低森林有機(jī)質(zhì)的降解速度。

但陸地生態(tài)系統(tǒng)也會經(jīng)歷碳儲存與循環(huán)的過程。

“數(shù)億年來，野火影響著全球生態(tài)系統(tǒng)的格局和過程，影響著全球生物群落分布，并維持易受火災(zāi)影響植物群落的結(jié)構(gòu)和功能。火還可以作為一種進(jìn)化過濾器，過濾易受火系統(tǒng)影響的某些植物特征。”蘇文華說，鑒于野火在生物領(lǐng)域中的特殊作用，長期以來甚至有研究者認(rèn)為，野火是一種類似于草食動物的標(biāo)志性“消費(fèi)者”。

“對森林生態(tài)系統(tǒng)而言，野火既有有害的一面，也有有益的一面，這取決于火的強(qiáng)度、發(fā)生的頻率和面積大小。”劉曉東也認(rèn)為，為避免更大的山火發(fā)生，國外一些國家會采取計劃火燒的方式來減少地表可燃物積累。

同時，一些研究表明，低強(qiáng)度的森林野火盡管在一定時期內(nèi)對地表植被造成破壞，但對土壤理化性質(zhì)有一定的改善，并形成空間異質(zhì)性。因此，經(jīng)過一段時間的恢復(fù)，火燒跡地植被種類、數(shù)量會呈現(xiàn)上升趨勢，甚至?xí)^未過火林地，正所謂“野火燒不盡，春風(fēng)吹又生”。

重建森林樣貌需二三十年

植物光合作用不僅釋放氧氣，還造成枝葉等有機(jī)物堆積。在有雷電和不當(dāng)用火等情況下，火災(zāi)極易發(fā)生。

“為在易火生境中生存，大量陸生植物只有進(jìn)化形成特殊的性狀，才能提高競爭能力。在火依賴生態(tài)系統(tǒng)中，森林野火并沒有顯著減少物種數(shù)量。”蘇文華介紹，云南松等眾多樹種就具有火依賴的生活史對策，它們需要一定時長的周期性過火才能維持其種群。“經(jīng)過熱激處理，云南松和白楊等種子反而會有較高的萌發(fā)率。”他說。

云南松的松果成熟后不脫落，鱗片不裂開，內(nèi)含種子的松果多年宿存在樹梢，針葉多年難分解。林火發(fā)生時，厚厚的鱗片在一定程度上保護(hù)種子免受過高溫傷害。過火后，林冠上的松果鱗片綻開，釋放出種子。黑色種子落在黑色的余燼中不易被捕食者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過雨季萌發(fā)并快速生長，使種群得以更新恢復(fù)。而且發(fā)生地面火時，云南松大樹基本不會受到影響，火后能繼續(xù)頑強(qiáng)生長，并補(bǔ)充新個體。

在蘇文華2015年從事的一項(xiàng)研究中，研究者發(fā)現(xiàn)，在距離超過200米的三個森林地塊上，山火發(fā)生后的156天，火跡地上有12棵喬木重新發(fā)芽、6棵高灌木和23棵一般灌木出現(xiàn)嫩芽，還冒出16種草本植物的新植株。除了幸存的松樹，所有被燒毀的喬木和灌木樹樁都有芽，重生率均為100%；灌木和草本植物的生物量分別為93.6%和73.9%。

“同樣，北方森林占世界森林分布面積的較大比重。火作為一個重要生態(tài)因子，在北方森林更新和碳循環(huán)過程中起著重要作用。”劉曉東說。

來自西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院的符曉2021年研究發(fā)現(xiàn)，在北方山火后第一年，雜草、苔蘚以及其他小型植物逐漸出現(xiàn)。從我國北方向西延伸到地中海，某些森林樹種適應(yīng)了偶發(fā)的火災(zāi)，例如多種松樹，大火融化了裹著種子的樹脂，方便種子傳播；又如栓皮櫟，大火中厚厚的樹皮起到了保護(hù)作用。火災(zāi)后，一些存活下來的蒼蠅或甲蟲會被煙味吸引，因火災(zāi)而變脆弱的樹木為它們提供食物和產(chǎn)卵地，而這些昆蟲又引來鳥類等捕食者。

記錄表明，山火發(fā)生2年后，新生的灌叢逐漸長出，先前逃離的狍子、野兔、山鶉、野豬等許多動物又重新回來定居；3到5年后，火災(zāi)痕跡已不特別明顯，各類植物重新覆蓋土地，多種小灌木倔強(qiáng)生長；10年后，松樹可以長到3米高，苔蘚逐漸長成，多種動物逐漸回歸。20到30年后，先鋒樹種和本土樹種雜合，森林樣貌得以重現(xiàn)，其后大多數(shù)樹木將重新高達(dá)10至20米。

或改善森林土壤營養(yǎng)狀況

在新研究中，托馬斯·博爾奇教授團(tuán)隊表示，“不同土壤燃燒強(qiáng)度下含氮土壤有機(jī)質(zhì)和溶解有機(jī)質(zhì)的富集，對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和土壤里的水質(zhì)具有重要意義。”

研究認(rèn)為，從不同燃燒溫度得出的分子組成表明，含氮副產(chǎn)物隨著加熱而富集。基于質(zhì)量差異的分析還表明，加熱過程中形成的產(chǎn)物可以通過美拉德反應(yīng)途徑的轉(zhuǎn)化來建模。森林野火極大地改變了儲存的和不穩(wěn)定的土壤有機(jī)質(zhì)、溶解有機(jī)質(zhì)的輸出過程及路徑。

森林火災(zāi)后的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，取決于土壤微生物群落和植被重建，而這些過程很容易受到土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的限制，如含氮物質(zhì)和不穩(wěn)定的水溶性化合物的多寡，都影響森林火災(zāi)后生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

蘇文華告訴科技日報記者，過去人們更多認(rèn)為山火會對有機(jī)物造成“很負(fù)面的影響”，但同時對不同野火強(qiáng)度下產(chǎn)生的土壤有機(jī)質(zhì)及其副產(chǎn)物知之甚少，導(dǎo)致難以評估山火嚴(yán)重程度和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程。“新的研究確實(shí)從新的視角解釋了人們過去一些不太清楚的方面。”蘇文華說，研究人員在野外看到山火對幼苗以及種子有“很促進(jìn)”的生長過程，但人們對其機(jī)理不甚了了。新的實(shí)驗(yàn)室研究從土壤微生物和分子的角度證明了機(jī)制存在的可能性。

劉曉東說，地表可燃物的分解速率受地表溫度、濕度以及微生物作用的影響，也取決于可燃物自身的化學(xué)組成，木質(zhì)素含量越多越難分解。所以低強(qiáng)度的火燒可以促進(jìn)枯落物分解，適當(dāng)增加土壤養(yǎng)分，如增加土壤鈣離子和鎂離子等陽性因子。一些研究表明，在火燒跡地更新中，還有一個特征是豆科植物顯著增加。豆科植物有根瘤菌，具有一定固氮作用，這也是農(nóng)事用火很普遍的原因。但由于南方很多區(qū)域林農(nóng)犬牙鑲嵌，農(nóng)事用火一旦控制不好，將導(dǎo)致森林火災(zāi)的發(fā)生，因此，應(yīng)加強(qiáng)對農(nóng)事用火的監(jiān)管和指導(dǎo)，做到疏堵結(jié)合。

標(biāo)簽：森林生態(tài)系統(tǒng) 土壤養(yǎng)分