胡海清 蘇志杰 孫 龍 魏書(shū)精

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體［1］，占陸地面積的27%，以及全球80%以上的地上碳儲(chǔ)量和40%以上的全球土壤碳儲(chǔ)量［2］，對(duì)于維持全球碳平衡起著不可替代的作用［3］。森林火災(zāi)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾因子，是導(dǎo)致植被和土壤碳儲(chǔ)量發(fā)生變化的重要原因［4］。植被凈第一性生產(chǎn)力(Net primary productivity，NP，P)是生態(tài)系統(tǒng)中植被碳固定與碳釋放之差，是大氣中的碳進(jìn)入生物群落的主要途徑。火燒跡地植被NP，P的變化直接影響該區(qū)域碳平衡和碳循環(huán)，因此，了解其變化規(guī)律對(duì)理解火干擾對(duì)森林碳平衡的影響有重要意義，也是目前國(guó)外對(duì)火燒跡地植被恢復(fù)的研究熱點(diǎn)。我國(guó)林火研究起步較晚，但發(fā)展較快，許多學(xué)者在森林可燃物、林火規(guī)律、林火碳釋放、林火對(duì)森林生態(tài)的影響方面進(jìn)行了卓有成效的研究［5-7］。隨著遙感的應(yīng)用，以火干擾后NP，P的變化研究森林恢復(fù)已成為新的熱點(diǎn)，我國(guó)在這方面還幾近空白。本文以我國(guó)林火發(fā)生典型地區(qū)大興安嶺北部為例，對(duì)火燒跡地森林分布和NP，P進(jìn)行定量分析，旨在為火干擾后森林恢復(fù)的研究提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于大興安嶺林區(qū)北部(52°20' ～53°30'N，121°40' ～124°20'E)，是1987年“5·6”大火主要過(guò)火區(qū)域，面積16 799 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)域位置

該區(qū)海拔300 ～1 400 m，坡度一般小于15°，為寒溫帶季風(fēng)區(qū)，最低溫度-52.3 ℃，最高氣溫39.0℃。年降水量350 ～500 mm，降水集中于7—8月份。相對(duì)濕度70% ～75%，積雪期達(dá)5 個(gè)月，林內(nèi)雪深30 ～50 cm。區(qū)內(nèi)廣泛分布著大片連續(xù)多年凍土和島狀多年凍土，土壤以棕色針葉林土和暗棕壤為主，植被類(lèi)型簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種是興安落葉松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris)和白樺(Betula platyphylla)。興安落葉松是該地區(qū)最穩(wěn)定的氣候演替頂級(jí)群落，樟子松為干旱瘠薄生境上的土壤演替頂級(jí)群落，白樺往往以先鋒樹(shù)種在森林火燒跡地和采伐跡地形成天然更新次生林［8］。該區(qū)為我國(guó)森林火災(zāi)高發(fā)區(qū)，年均森林過(guò)火面積居全國(guó)之首，是我國(guó)森林火災(zāi)危害最嚴(yán)重的地區(qū)。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 遙感數(shù)據(jù)

本研究所利用的ETM +影像由美國(guó)NASA 陸地衛(wèi)星計(jì)劃Landsat7 采集，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀(guān)測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心，圖像空間分辨率為30 m×30 m，時(shí)間為1999年8月30日。Landsat7 攜帶的傳感器在成像時(shí)受到太陽(yáng)位置、大氣氣溶膠、傳感器自身特性、地形起伏等因素的影響，使遙感圖像產(chǎn)生了幾何畸變和輻射失真，從而降低了圖像的質(zhì)量，影響了圖像應(yīng)用和價(jià)值，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正、大氣校正、去云處理以及傳感器訂正等預(yù)處理。

2.2 氣象數(shù)據(jù)和植被分類(lèi)數(shù)據(jù)

本研究所采用的氣象數(shù)據(jù)為1999年大興安嶺地區(qū)氣候資料日值數(shù)據(jù)集和輻射日值數(shù)據(jù)集，來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cbc. cma.gov.cn/)。利用GIS 對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了柵格化，并從空間上與遙感數(shù)據(jù)相匹配。

植被分類(lèi)數(shù)據(jù)來(lái)源于黑龍江省二級(jí)土地覆蓋分類(lèi)圖，由中國(guó)科學(xué)院編制。在此基礎(chǔ)上，本研究用較成熟的最大似然分類(lèi)器將土地覆蓋類(lèi)型分為針葉林、闊葉林、針闊混交林和其他4 種類(lèi)型。其他類(lèi)型是非林地，主要為沼澤、荒草地等。經(jīng)檢驗(yàn)，分類(lèi)精度達(dá)到70%以上。

2.3 火災(zāi)等級(jí)圖

1987年火災(zāi)等級(jí)圖為火后實(shí)地調(diào)查并結(jié)合遙感資料形成的手繪圖，火災(zāi)等級(jí)劃分為3 類(lèi):輕度火燒，燒死木蓄積量＜林分蓄積量30%;中度火燒，燒死木蓄積量占林分蓄積量31% ～60%;中度火燒，燒死木蓄積量＞林分蓄積量60%。在A(yíng)rcgis 9.2 中利用已校正的ETM+影像對(duì)火災(zāi)等級(jí)圖進(jìn)行了配準(zhǔn)和數(shù)字化，裁剪得到研究區(qū)火災(zāi)等級(jí)分布圖(圖2)。

2.4 光能利用率模型

自20 世紀(jì)70年代初，Leith 首次提出估算全球NP，P值［9］。NP，P研究經(jīng)歷了站點(diǎn)實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)回歸及模型估算3 個(gè)研究階段。通過(guò)參數(shù)的選取可以利用模型估測(cè)區(qū)域或全球尺度的NP，P，目前已成為NP，P研究的主流方向。光能利用率模型以遙感數(shù)據(jù)、植被分類(lèi)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用植被吸收的光合有效輻射(Absorbed photo-synthetically active radiation，AP，A，R)和光能利用率(ε)來(lái)估算植被NP，P［10］。光能利用率模型基于植被的生理生態(tài)過(guò)程，在全球和區(qū)域NP，P研究及全球碳循環(huán)、碳平衡研究中被廣泛應(yīng)用［11］。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者將模型應(yīng)用在我國(guó)時(shí)，對(duì)光能利用率模型進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，模擬結(jié)果得到了較好的驗(yàn)證［12-14］。光能利用率模型的參數(shù)少，遙感數(shù)據(jù)主要由光合有效輻射和光能利用率這兩個(gè)變量驅(qū)動(dòng)，避免了由于參數(shù)缺乏而人為簡(jiǎn)化或者估計(jì)所帶來(lái)的誤差。模型算法為:

式中:x 表示空間位置;t 表示時(shí)間;AP，A，R(x，t)表示t月像元x 所吸收的光合有效輻射;ε(x，t)表示t月像元x 實(shí)際光能利用率。

圖2 數(shù)字化火災(zāi)等級(jí)圖

AP，A，R(x，t)可以根據(jù)遙感數(shù)據(jù)中植被對(duì)紅外和近紅外波段的反射特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PA，R)是植物光合作用的驅(qū)動(dòng)力，它與植物生長(zhǎng)直接相關(guān)。植被吸收的光合有效輻射由太陽(yáng)總輻射和植物特性決定，如式(2):

式中:SO，L(x，t)表示t月在像元x 處的太陽(yáng)總輻射;FP，A，R(x，t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例;常數(shù)0.5 表示植被所能利用的太陽(yáng)總輻射的比例。

FP，A，R(x，t)與歸一化植被指數(shù)(ND，V，I)、比值植被指數(shù)(VI)有很好的線(xiàn)性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):FP，A，R(x，t)可以利用遙感資料提取的歸一化植被指數(shù)(ND，V，I)和比值植被指數(shù)(VI)分別來(lái)估算［15］。但利用ND，V，I估 算 的FP，A，R(x，t)偏 高，而VI估 算 的FP，A，R(x，t)偏低，由兩者估算的AP，A，R(x，t)平均值效果最好。

光能利用率是在一定時(shí)期單位面積上生產(chǎn)的干物質(zhì)中所包含的化學(xué)潛能與同一時(shí)刻投射到該面積上的光合有效輻射能之比。在現(xiàn)實(shí)條件下，光能利用率ε 受溫度、水分及最大光能利用率εmax的影響:

式中:Tε1(x，t)和Tε2(x，t)表示溫度對(duì)光能轉(zhuǎn)化率的脅迫作用;Wε(x，t)為水分脅迫作用系數(shù)［10，16］。

Tε1和Tε2利用氣象資料計(jì)算，方法見(jiàn)文獻(xiàn)［12］。Wε(x，t)的計(jì)算涉及到土壤水分子模型，比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)不易獲取。本文采用改進(jìn)的方法，利用實(shí)際蒸散量與區(qū)域潛在蒸散量的比值來(lái)反映水分對(duì)NP，P的影響，詳細(xì)方法見(jiàn)文獻(xiàn)［13］、［17］、［18］。月最大光能利用率εmax與植被類(lèi)型有關(guān)［19］，本研究采用Zhu等［20］模擬的各植被類(lèi)型的最大光能利用率。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同強(qiáng)度過(guò)火區(qū)森林類(lèi)型分布

不同火強(qiáng)度后林型分布如表1所示。針葉林在未過(guò)火區(qū)以及輕、中、重度過(guò)火區(qū)的比重分別為40%、36.8%、31.6%、20.8%，并隨火燒強(qiáng)度的增加而降低，表明針葉林的分布與火燒強(qiáng)度密切相關(guān)。輕度過(guò)火區(qū)針葉林的比重接近未過(guò)火區(qū)，一方面是該地區(qū)針葉林中主要為興安落葉松林，對(duì)輕度火燒有一定的抵抗性，因此輕度火燒對(duì)針葉林造成的損失很小。另一方面，輕度火燒后，利于興安落葉松種子的萌發(fā)，使得過(guò)火后針葉林恢復(fù)迅速。重度過(guò)火區(qū)針葉林的比重為20. 8%，相比未過(guò)火區(qū)針葉林40%的比重降幅較大。重度火燒造成了70%以上的樹(shù)木死亡，林下枯枝落葉層全部被燒毀，埋藏在土壤表層的種子大部分喪失萌發(fā)能力。火燒后雖然采取了人工恢復(fù)措施，但是由于立地條件的差異，人工恢復(fù)措施效果一般［21］，針葉林的生長(zhǎng)恢復(fù)最差。中度過(guò)火區(qū)針葉林恢復(fù)介于輕度過(guò)火區(qū)和重度過(guò)火區(qū)之間。

表1 1999年8月不同火強(qiáng)度過(guò)火區(qū)林型分布 %

闊葉林在輕、中、重度火燒區(qū)的比重分別為7.9%、13.6%、8.8%，相對(duì)未過(guò)火區(qū)17.0%的比重均有降低?；旖涣值谋戎卦谖催^(guò)火區(qū)為11.4%，在輕、中、重度過(guò)火區(qū)的比重分別為13.0%、11.1%、17.4%，除中度過(guò)火區(qū)與未過(guò)火區(qū)比重接近外，其它都有增加?；馃髥棠颈淮罅繜?，火燒跡地上透光率增加，陽(yáng)光充足，白樺、山楊等先鋒樹(shù)種迅速生長(zhǎng)，形成闊葉林或與未燒死的針葉林形成針闊混交林。隨著林內(nèi)喬木均勻度的增加，土壤養(yǎng)分在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法補(bǔ)充白樺、山楊等速生樹(shù)種的需求，在土壤養(yǎng)分多的地方喬木分布比較集中，從而又使喬木層的生長(zhǎng)受到限制。十幾年林齡的闊葉林出現(xiàn)了大量的枯爛現(xiàn)象，使適合本地生長(zhǎng)的針葉林有了更好的生長(zhǎng)環(huán)境，這是混交林比重增加的原因。

過(guò)火區(qū)林地的NP，P相比未過(guò)火區(qū)明顯下降，與此對(duì)應(yīng)的是非林地的比重明顯增加。在火燒前處于沼澤邊緣和水分條件優(yōu)越的河谷地帶的林地，由于立地條件較差，林木生長(zhǎng)不良，火燒后立地條件進(jìn)一步惡化，很難重新形成林地，導(dǎo)致林地對(duì)降水的截留量和蒸散量減少。而該地區(qū)土壤下層普遍存在永凍層，水分不能下移，使過(guò)火區(qū)地表積水增加，土壤含水量增大，土壤沼澤化增加［22］，而隨著火后地表徑流量的增加，逐漸發(fā)育成沼澤。在陽(yáng)坡和陡坡地帶，火燒使土壤失去了植被的保護(hù)作用，造成了水土流失和土壤干旱化、貧瘠化。貧瘠的土壤更不利于植被的恢復(fù)，使森林發(fā)生了逆行演替。在火后12 a時(shí)，過(guò)火區(qū)非林地面積比未過(guò)火區(qū)提高了20%多，這也可能是造成闊葉林在過(guò)火區(qū)的比重下降、針闊混交林的比重較低的原因。

3.2 不同強(qiáng)度過(guò)火區(qū)NP，P

表2所示為火干擾12 a 后不同強(qiáng)度過(guò)火區(qū)針葉林、闊葉林、針闊混交林的NP，P。輕度和中度過(guò)火區(qū)針葉林NP，P超過(guò)了未過(guò)火區(qū)針葉林。輕度和中度火燒只燒毀了灌草層、喬木層中的小徑木和幼林，保留了很多針葉林母樹(shù)，為過(guò)火區(qū)針葉林生產(chǎn)力提供了基礎(chǔ)。而火災(zāi)后過(guò)火區(qū)林窗加大，充足的陽(yáng)光促進(jìn)了林下植被生長(zhǎng)恢復(fù)。重度火燒使大部分針葉林母樹(shù)死亡，其自然恢復(fù)情況要比輕度和中度過(guò)火區(qū)差，但火后進(jìn)行了大量的人工恢復(fù)措施，使植被恢復(fù)速度大大增快。到1999年8月，重度過(guò)火區(qū)針葉林達(dá)到未過(guò)火區(qū)NP，P的99%，植被生長(zhǎng)恢復(fù)情況良好。

表2 1999年8月不同強(qiáng)度過(guò)火區(qū)的NP，P g·m -2

闊葉林耐火性較差，但輕度火燒由于強(qiáng)度較低，只燒毀了些幼樹(shù)，大徑木都得以保留，火后林內(nèi)立木間空間較大，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足，生長(zhǎng)情況比同時(shí)期未過(guò)火區(qū)闊葉林好。中度和重度過(guò)火區(qū)喬木層死亡很多，火后白樺和山楊等快速生長(zhǎng)，并在演替層成為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種?；鸶蓴_12 a 時(shí)，其生長(zhǎng)情況與未過(guò)火區(qū)基本相同，比輕度過(guò)火區(qū)差。

輕度和中度火燒對(duì)針闊混交林的影響較小，雖然灌草層全部被燒毀，但喬木層針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)大徑木均保留了下來(lái)，因此其林內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境要好于未過(guò)火區(qū)，火后12 a 時(shí)輕度和中度過(guò)火區(qū)NP，P超過(guò)了未過(guò)火區(qū)，重度過(guò)區(qū)NP，P比未過(guò)火區(qū)低。重度過(guò)火區(qū)只保留下來(lái)一部分針葉樹(shù)，林內(nèi)空地上白樺和山楊快速萌生，鑲嵌在針葉樹(shù)間，形成了大量針闊混交林，并很快郁閉。由于闊葉樹(shù)受制于養(yǎng)分和空間，生長(zhǎng)放緩，因此重度過(guò)火區(qū)針闊混交林NP，P比未過(guò)火區(qū)低，但其生長(zhǎng)恢復(fù)也很快。

4 結(jié)論

通過(guò)火后森林分布和NP，P的研究發(fā)現(xiàn)，在1987年“5·6”大火12 a 后，與未過(guò)火區(qū)相比，輕、中、重度過(guò)火區(qū)林地的比重下降，且隨火強(qiáng)度的增加而降低。火干擾造成了部分森林的逆行演替，以重度過(guò)火區(qū)最嚴(yán)重。林地內(nèi)輕度和中度過(guò)火區(qū)NP，P超過(guò)了未過(guò)火區(qū)，重度過(guò)火區(qū)林地NP，P雖低于未過(guò)火區(qū)，但已接近未過(guò)火區(qū)NP，P的水平。

本文研究的是火后植被覆蓋和NP，P的變化狀況，未探討立地條件和林齡對(duì)火后NP，P的影響，這是以后需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

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