王睿琛，張文文，王秋華*，龍騰騰，張 鑫，王儒龍

（1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650224；2.玉溪市易門縣林業(yè)和草原局，云南玉溪651100）

在過(guò)去的很長(zhǎng)時(shí)間，火與生態(tài)環(huán)境及植被間的相互作用已經(jīng)塑造了森林景觀，并影響了物種的組成和結(jié)構(gòu)。在人類出現(xiàn)之前，火驅(qū)動(dòng)著森林景觀發(fā)生變化；隨著人類的誕生，火被用來(lái)滿足森林資源管理的需求。經(jīng)過(guò)不斷地實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)火作為形成自然環(huán)境的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)著很多樹(shù)種的變化，其變化程度與對(duì)火的適應(yīng)程度有關(guān)；因此人們開(kāi)始在森林經(jīng)營(yíng)中使用計(jì)劃燒除，從而改善林地景觀、預(yù)防病蟲(chóng)災(zāi)害和促進(jìn)林木生長(zhǎng)等[1-3]。

計(jì)劃燒除作為火干擾，不僅影響森林景觀，還影響許多生物的生存、發(fā)展及演變，更是森林經(jīng)營(yíng)和可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)計(jì)劃燒除的研究，多為運(yùn)用數(shù)據(jù)和軟件等，對(duì)其影響進(jìn)行具體評(píng)估，如對(duì)某一樹(shù)種的影響、對(duì)土壤的影響、對(duì)某地區(qū)物種多樣性的影響等[6-9]。國(guó)外學(xué)者目前多通過(guò)對(duì)抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)分析，來(lái)研究計(jì)劃燒除對(duì)動(dòng)植物棲息地整體的影響，如對(duì)節(jié)肢動(dòng)物棲息地的影響，對(duì)真菌生長(zhǎng)環(huán)境的影響等[10-13]。本文從計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀影響的研究方法入手，以計(jì)劃燒除對(duì)景觀結(jié)構(gòu)成分及多樣性的影響為重點(diǎn)，反映該領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為林業(yè)經(jīng)營(yíng)和森林景觀管理提供參考。

1 計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀影響的研究方法

1.1 基于地理信息系統(tǒng)與景觀指數(shù)的研究方法

地理信息系統(tǒng)在進(jìn)行景觀特征方面分析時(shí)，可進(jìn)行多層面分析、快速完善數(shù)據(jù)、處理大規(guī)模信息，且節(jié)省大量時(shí)間、人力及費(fèi)用[14-15]。在大尺度生態(tài)系統(tǒng)空間格局研究方面，已形成了地理信息系統(tǒng)與景觀格局結(jié)合的特色模式，即利用景觀指數(shù)對(duì)空間格局進(jìn)行定量化研究。景觀指數(shù)大致分為面積指數(shù)（Area Index）、形狀指數(shù)（Shape Index）、多樣性指數(shù)（Diversity Index）、空間構(gòu)型指數(shù)（Spatial Configuration Index）、破碎化指數(shù)（Fragmentation Index）等。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷研發(fā)，景觀指數(shù)會(huì)產(chǎn)生新的變化[16-17]。

張晨等[18]基于GIS 和景觀指數(shù)，從多方面分析了不同程度火干擾對(duì)森林景觀的影響，使得景觀結(jié)構(gòu)及多樣性的變化更加直觀的展現(xiàn)出來(lái)。李淑娟等[19]通過(guò)地理信息系統(tǒng)與景觀指數(shù)相結(jié)合，研究了計(jì)劃燒除等人為干擾對(duì)景觀破碎化程度的影響，提出應(yīng)重視對(duì)天然林和沼澤等自然景觀的經(jīng)營(yíng)。Holland 等[20]通過(guò)GIS 和相關(guān)指數(shù)，量化計(jì)劃燒除對(duì)澳大利亞?wèn)|南部干旱森林生態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)性棲息地組件的影響，使分析結(jié)果更加直觀、精確。Hanberry 等[21]應(yīng)用GIS 研究火干擾對(duì)密蘇里平原（草地-森林景觀）樹(shù)木群落和密度的影響變化，量化了火干擾的影響，為當(dāng)?shù)亓謽I(yè)管理提供了參考。

1.2 基于數(shù)理模型的研究方法

目前已有各種各樣的火災(zāi)模型來(lái)預(yù)測(cè)火災(zāi)狀況變化對(duì)景觀尺度的影響，這種多樣性很大程度上歸因于景觀、可燃物和氣候模式的多樣性，以及在模型中表示它們方法的差異[22]。目前國(guó)內(nèi)外研究計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀影響的常用模型為FARSITE、LANDIS、FIRESPACE；其他還有CA、PERMANOVA、LAMOS-HS、LANDSUM、SEMLAND、FIRE-BGC 等，森林景觀模擬是進(jìn)行景觀規(guī)模實(shí)驗(yàn)的不可替代的工具[23-29]。

FARSITE 是一個(gè)復(fù)雜的火行為模型，可以使用地形和可燃物的空間信息以及天氣和氣流在時(shí)間及空間尺度上模擬真實(shí)異質(zhì)景觀上的火勢(shì)蔓延[30-32]。高仲亮[33]使用FARSITE 模擬景觀尺度的燒除實(shí)驗(yàn)，為計(jì)劃燒除提供參考，避免跑火。Lucia 等[31]運(yùn)FARSITE 模擬異質(zhì)景觀上野火的蔓延，為計(jì)劃燒除提供依據(jù)。

LANDIS 是一個(gè)在空間上直觀表現(xiàn)森林景觀擾動(dòng)和演替的模型，有助于研究人為擾動(dòng)，植被演替和管理策略等對(duì)森林景觀的影響，被廣泛應(yīng)用于森林生態(tài)研究中的各領(lǐng)域，如各種火干擾形式對(duì)森林景觀演替的影響[34-35]。羅旭等[36]通過(guò)LANDIS 研究火干擾等對(duì)大興安嶺地區(qū)主要樹(shù)種的長(zhǎng)期影響，提出人為干預(yù)可有效幫助北方森林適應(yīng)未來(lái)日趨變暖的氣候。Scheller 等[37]使用LANDIS 模擬新澤西州東南部計(jì)劃燒除等對(duì)森林景觀的影響，為景觀管理提供決策。

FIRESCAPE 是一種基于過(guò)程的景觀火情模擬模型，最初是為澳大利亞?wèn)|南部以桉樹(shù)為主的景觀而開(kāi)發(fā)，模擬了自然景觀中火的發(fā)生，蔓延和熄滅，并結(jié)合了天氣，可燃物和地形等對(duì)其的影響[38-39]。Cary 等[40]運(yùn)用FIRESCAPE 模擬計(jì)劃燒除對(duì)燃燒面積的影響，從而調(diào)控可燃物，為森林景觀管理提供參考。King 等[41]通過(guò)FIRESCAPE 模擬規(guī)定氣候情景和燃燒水平的計(jì)劃燒除，為有效地減少內(nèi)陸景觀中計(jì)劃外火災(zāi)發(fā)生提供參考。

1.3 基于遙感技術(shù)的研究方法

遙感是一種涉及物理手段、數(shù)學(xué)方法及地學(xué)分析的綜合性應(yīng)用技術(shù)，可及時(shí)獲得大范圍、多時(shí)相、多波段的地表信息，為大尺度的綜合分析提供了技術(shù)支持。近年來(lái)，遙感技術(shù)已成為研究計(jì)劃燒除等干擾對(duì)森林景觀影響時(shí)，應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。遙感技術(shù)可對(duì)森林景觀格局進(jìn)行提取、管理、分析和評(píng)價(jià)，研究森林景觀格局分布及結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，研究森林景觀變化，都采用遙感圖像、相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式，對(duì)景觀要素的相關(guān)量化指標(biāo)進(jìn)行分析，從而表明計(jì)劃燒除等干擾對(duì)森林景觀的影響。這已是研究森林景觀的一種主要技術(shù)手段，為大尺度范圍的資源監(jiān)測(cè)及管理提供了技術(shù)支持，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[42-44]。

周巧盈等[45]借助遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，通過(guò)3D 建模，分析了火干擾對(duì)美國(guó)西部的森林景觀的影響。孟京輝等[46]采用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的方式，應(yīng)用景觀分析軟件Fragstats3.3，分析了印度尼西亞中亞其省人為干擾對(duì)森林景觀的影響，提出中亞其地區(qū)的景觀破碎度嚴(yán)重，當(dāng)?shù)夭块T應(yīng)制定合理的森林景觀規(guī)劃。通過(guò)王明玉等[47]對(duì)遙感技術(shù)在森林景觀方面運(yùn)用的總結(jié)，許多研究者運(yùn)用遙感圖像研究火燒跡地恢復(fù)情況。

2 計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀的影響

2.1 計(jì)劃燒除對(duì)景觀結(jié)構(gòu)成分的影響

森林景觀的變化是一個(gè)長(zhǎng)期的漸變過(guò)程，是各種干擾共同作用的結(jié)果。計(jì)劃燒除通過(guò)干擾森林物種的正常發(fā)展和演變，從而更改森林景觀的結(jié)構(gòu)組成。斑塊（patch）、廊道（corridor）和基質(zhì)（matrix），為景觀結(jié)構(gòu)成分。計(jì)劃燒除強(qiáng)弱與景觀破碎化具有一定相關(guān)性，適當(dāng)?shù)幕鸶蓴_可穩(wěn)固景觀；而不當(dāng)火燒造成的過(guò)高景觀破碎度會(huì)使斑塊、廊道及基質(zhì)出現(xiàn)伸長(zhǎng)、曲線化等改變。

如表1，斑塊（嵌塊體）是指在外貌上與周圍地區(qū)有所不同的一個(gè)非線性地表區(qū)域。可通過(guò)斑塊大小、斑塊形狀和斑塊密度等，來(lái)研究計(jì)劃燒除對(duì)斑塊結(jié)構(gòu)的影響。斑塊與本底之間會(huì)產(chǎn)生互換變化，同時(shí)干擾斑塊的增大會(huì)降低本底連通性。計(jì)劃燒除會(huì)改變斑塊形狀，其干擾幅度會(huì)影響斑塊大小，斑塊邊界形狀決定了斑塊與斑塊或斑塊與基質(zhì)間的相互關(guān)系。通過(guò)計(jì)劃燒除對(duì)斑塊大小、類型、形狀、邊界等進(jìn)行干擾，物種的分布與生產(chǎn)、能量和養(yǎng)分的交流等會(huì)受到影響，從而影響景觀與物種多樣性。通常，斑塊面積的增大會(huì)促使物種景觀多樣性提高；而斑塊面積的減小會(huì)降低其穩(wěn)定性。斑塊越緊密，能量及養(yǎng)分越易保存；斑塊越松散，能量及養(yǎng)分越易同周圍環(huán)境交換[48-55]。

表1 計(jì)劃燒除對(duì)景觀結(jié)構(gòu)的影響[3，48-55]

廊道 （走廊）是指與兩側(cè)基質(zhì)不同的狹長(zhǎng)地帶，具有兩面性：一方面作為障礙物將景觀隔開(kāi)；另一方面作為通道將景觀連接起來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，研究計(jì)劃燒除對(duì)景觀廊道的影響，主要是對(duì)景觀整體連通性的分析，廊道的曲直、寬度不同，連接度也有高有低。廊道在森林景觀中主要起著運(yùn)輸、觀賞及保護(hù)資源的作用，同時(shí)增加斑塊間的連接，有利于物種的發(fā)展和演變，促進(jìn)物種能量及養(yǎng)分的交換，有時(shí)為某些物種創(chuàng)造特殊環(huán)境，包括防護(hù)林帶、公路、鐵路、河流等。森林鐵路、公路兩旁及林緣易長(zhǎng)雜草，可通過(guò)計(jì)劃燒除塑造防火線；同時(shí)，通過(guò)計(jì)劃燒除對(duì)廊道寬度等進(jìn)行改變，可有效防止外來(lái)物種的入侵，減輕棲息地的喪失和破碎化的影響[3，48-55]。

基質(zhì)（本底）是指在森林景觀中面積最大、連通性最好、對(duì)景觀控制作用也強(qiáng)的景觀要素類型，影響著森林景觀動(dòng)態(tài)變化，在景觀功能和生物多樣性保護(hù)上起著重要的作用?？仔院瓦B通性是本底的重要結(jié)構(gòu)特征，研究計(jì)劃燒除對(duì)基質(zhì)的影響，可從景觀的優(yōu)勢(shì)度、多樣性、聚合度等入手。計(jì)劃燒除會(huì)對(duì)基質(zhì)相對(duì)面積、連接度、孔隙度及凸凹邊界等方面造成影響，其影響結(jié)果與計(jì)劃燒除的尺度及規(guī)模有關(guān)；如小面積火燒會(huì)使干擾斑塊數(shù)量增加，同時(shí)也會(huì)使本底的孔性升高，本底的連通性降低，從而影響物種之間能量及養(yǎng)分的交換等生態(tài)學(xué)過(guò)程。在森林景觀中較好的基質(zhì)面積較大、孔隙度較高、連接度高、外部邊界呈凸形[48-55]。

因?yàn)榫坝^結(jié)構(gòu)決定景觀功能，所以計(jì)劃燒除對(duì)景觀結(jié)構(gòu)造成影響的同時(shí)，也會(huì)影響景觀功能；景觀功能表現(xiàn)了不同景觀要素之間的能量、物質(zhì)、物種及信息的交流。因此計(jì)劃燒除對(duì)斑塊、本底、基底造成的影響，會(huì)導(dǎo)致森林可燃物的積累程度改變、物質(zhì)及能量交流的速度改變、水流路徑及物質(zhì)成分改變、土壤結(jié)構(gòu)改變、森林碳匯改變、動(dòng)植物的運(yùn)動(dòng)格局改變等等[48-55]。

2.2 計(jì)劃燒除對(duì)景觀多樣性的影響

景觀多樣性是指景觀在空間、功能及時(shí)間方面的異質(zhì)性，其決定了景觀格局的多樣性，呈現(xiàn)了景觀的復(fù)雜程度。干擾是形成景觀異質(zhì)性的主要原因，同景觀異質(zhì)性有密切關(guān)系。通常在無(wú)干擾時(shí)，景觀格局性質(zhì)會(huì)比較平穩(wěn)； 而適宜可控制的火干擾，會(huì)對(duì)景觀多樣性產(chǎn)生促進(jìn)作用，加強(qiáng)景觀的穩(wěn)固性。不可控的火干擾會(huì)損害森林覆蓋面積、影響灌木和草地的生長(zhǎng)，燃燒后會(huì)產(chǎn)生比較均一的火燒跡地景觀，使景觀多樣性降低。計(jì)劃燒除作為可控范圍內(nèi)或局部的火燒現(xiàn)象，可以提高景觀格局的多樣化及性質(zhì)，提高景觀構(gòu)成因素之間的交流、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)成分、能量更活躍的流動(dòng)，加速景觀要素之間的物種傳播，從而提高了物種的多樣化和生態(tài)系統(tǒng)的多樣化[48，55-58]。

在研究計(jì)劃燒除對(duì)景觀多樣性影響時(shí)，可通過(guò)相應(yīng)的指數(shù)來(lái)定量分析；這些指數(shù)關(guān)系到景觀類型數(shù)以及類型的面積百分比等方面，因此可以用來(lái)量化景觀結(jié)構(gòu)的組成，從而使分析結(jié)果更加科學(xué)、精準(zhǔn)。目前，用來(lái)評(píng)價(jià)景觀多樣性的指數(shù)有斑塊多度密度( PRD)、Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI)、Simpson 多樣性指數(shù)(SIDI)、修改Simpson 多樣性指數(shù)(MSIDI)、Shannon 均勻度指數(shù) (SHEI)、Simpson 均勻度指數(shù)(SIEI)、修改Simpson 均勻度指數(shù)(MSIEI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、散布與并列指數(shù)(IJI)等；其中應(yīng)用最為廣泛的指數(shù)為Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)，兩個(gè)指數(shù)常搭配使用，能夠?qū)θ郝湮锓N組成的豐富度及均勻度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[59-64]。

計(jì)劃燒除同時(shí)可以影響森林景觀恢復(fù)情況，其恢復(fù)情況與計(jì)劃燒除強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，恢復(fù)狀況越差。計(jì)劃燒除不會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，反而會(huì)促進(jìn)了有機(jī)物轉(zhuǎn)為礦物質(zhì)的過(guò)程，改善森林環(huán)境，促進(jìn)林木的生長(zhǎng)；計(jì)劃燒除主要對(duì)下層灌木或被壓木或幼樹(shù)造成傷害，對(duì)主林層的影響很小，可幫助森林群落形成多物種、多種群、多結(jié)構(gòu)的森林生態(tài)系統(tǒng)功能[3，65]。計(jì)劃燒除也可能會(huì)減少物種庫(kù)中火敏感物種的存在致使植物群落同質(zhì)化，導(dǎo)致生物多樣性減少和景觀格局多樣性減少，或?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)造成影響[66]。

如表1，計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀既有積極影響也有消極影響。積極影響主要通過(guò)改變結(jié)構(gòu)功能，對(duì)景觀功能、景觀多樣性等造成影響；如斑塊的改變，促使物種景觀多樣性增加，景觀整體連通性增加，從而促進(jìn)物種流動(dòng)和基因交換。但計(jì)劃燒除也不可避免地會(huì)產(chǎn)生消極影響，如：因跑火或錯(cuò)誤的評(píng)估，導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，從而使景觀多樣性減少，景觀功能減弱，對(duì)動(dòng)植物棲息環(huán)境造成破壞。因此，要慎重使用計(jì)劃燒除技術(shù)，在計(jì)劃燒除的實(shí)施前做好充分的科學(xué)預(yù)測(cè)與評(píng)估。

3 研究展望

計(jì)劃燒除作為一種成熟的人為干預(yù)的高效森林經(jīng)營(yíng)方式，對(duì)森林景觀產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也對(duì)森林可持續(xù)管理發(fā)生了一些改變。計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀的影響，不是單一火行為對(duì)森林景觀的影響，會(huì)涉及碳循環(huán)、氣候變化、生物多樣性等諸多因素。未來(lái)要聚焦計(jì)劃燒除的長(zhǎng)期影響研究，結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位跟蹤網(wǎng)絡(luò)，弄清對(duì)森林景觀的各種影響，包括積極的和消極的影響以及對(duì)全球環(huán)境的影響等。積極采用最新的技術(shù)和方法，提高計(jì)劃燒除效率，如無(wú)人機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)以及自動(dòng)點(diǎn)火技術(shù)等。同時(shí)，運(yùn)用激光雷達(dá)和紅外掃描等方法，對(duì)中大尺度火燒效果快速評(píng)估。未來(lái)應(yīng)聚焦全球氣候變化的背景，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展，聚焦熱點(diǎn)，融合方法，如地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于森林景觀管理并與景觀指數(shù)、FARSITE、遙感圖像等搭配使用，開(kāi)發(fā)適合中國(guó)國(guó)情（人工林比例較大）的各種類似LANDDIS的景觀管理模型，開(kāi)展大中尺度、中長(zhǎng)時(shí)間序列的景觀研究。

景觀、可燃物和氣候模式等具有多樣性，目前沒(méi)有一個(gè)完全適宜預(yù)測(cè)計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀影響的模型。將來(lái)應(yīng)該注重使用科學(xué)合理的多種綜合手段開(kāi)展計(jì)劃燒除相關(guān)模型研究，在地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，注重學(xué)科交叉，學(xué)科融合，積極探索適合我國(guó)不同林區(qū)、不同林分的計(jì)劃燒除模型。在模擬計(jì)劃燒除對(duì)森林景觀影響時(shí)，凝練未來(lái)的研究方向和重點(diǎn)，結(jié)合多種景觀指數(shù)搭配使用或?qū)ΜF(xiàn)有指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)運(yùn)用多種模型進(jìn)行更精確的模擬，使其結(jié)果更具科學(xué)性和實(shí)用性，不斷積累計(jì)劃燒除各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為制訂我國(guó)南方集體林和北方國(guó)有林的計(jì)劃燒除或者營(yíng)林用火規(guī)范或技術(shù)規(guī)程提供參考，為森林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理和決策提供科學(xué)參考依據(jù)。