李兆國(guó),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(yè)大學(xué)林學(xué)院,森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040

2 國(guó)家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)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(zhì)成分和碳化的有機(jī)質(zhì)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(tài)系統(tǒng)響應(yīng)火干擾的生態(tài)過(guò)程中扮演著重要角色,是野火間接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的橋梁[2]。

林火作為重要的生態(tài)因子,能夠?qū)ι稚鷳B(tài)系統(tǒng)的土壤理化性質(zhì)[3—4]、生物群落[5—7]和林地小氣候[8]等生態(tài)因子造成顯著影響,從而影響整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程?；鹦袨楹腿紵Ｓ辔锕餐瑢?duì)火后物質(zhì)循環(huán)[9]、微生物活動(dòng)[10]、森林集水區(qū)水質(zhì)[11—12]造成了巨大影響,火行為在短期內(nèi)直接對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)、生物活動(dòng)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(guò)降水過(guò)程以及地表徑流釋放其所含有的礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì),從而在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)地對(duì)火后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程造成影響。水溶性成分是生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的一部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),因其溶于水的特性,更易被微生物利用,從而參與到生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)過(guò)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(tài)恢復(fù)過(guò)程中的作用對(duì)研究火燒跡地恢復(fù)機(jī)制具有重要意義。近年來(lái),國(guó)內(nèi)林火生態(tài)領(lǐng)域的學(xué)者通常將火燒跡地土壤理化性質(zhì)、火后微生物活動(dòng)、火后植被恢復(fù)等課題作為研究重點(diǎn)[15—18],對(duì)燃燒剩余物的研究相對(duì)較少。前期對(duì)燃燒剩余物的研究表明燃燒剩余物對(duì)植物種子的萌發(fā)過(guò)程有顯著的影響[19—20],火后黑炭會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[21—25],但燃燒剩余物水溶性碳氮的生態(tài)作用還有待深入研究。

可燃物性質(zhì)、地形等因素顯著影響火行為[26—30],但不同火環(huán)境下的火行為對(duì)燃燒剩余物性質(zhì)的影響還未有深入研究。為明晰火環(huán)境和火行為對(duì)森林燃燒剩余物水溶性碳氮產(chǎn)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(duì)象,通過(guò)模擬燃燒實(shí)驗(yàn),研究森林地表火蔓延方向、可燃物含水率、坡度等因素對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮及火行為的影響,并在此基礎(chǔ)上研究火行為對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征的影響。以期為深入認(rèn)識(shí)火干擾背景下森林生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)機(jī)制提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(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(qū)域位于長(zhǎng)白山支脈張廣才嶺西北部的余脈,屬于大陸性季風(fēng)氣候,年平均降水770mm,年平均氣溫3.1℃。該地區(qū)處于溫帶針闊葉混交林區(qū),主要植被是闊葉紅松林經(jīng)過(guò)不同程度的干擾(采伐、經(jīng)營(yíng)、火燒和開墾等)后形成的東北東部山區(qū)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(qū)極具生態(tài)價(jià)值的主要的造林樹種,也是我國(guó)東北地區(qū)珍貴樹種之一。一方面,紅松具有園林、食用、藥用等方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,另一方面,紅松也在水土保持、水源涵養(yǎng)等方面發(fā)揮著巨大的生態(tài)作用。近年來(lái)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(fēng)險(xiǎn),以紅松人工林地表可燃物為研究對(duì)象,具有重大的實(shí)際意義。

圖1 帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)位置圖

1.2 樣地調(diào)查與樣品采集

于2019年春季防火期在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)建立了三塊20m×20m的紅松人工林標(biāo)準(zhǔn)樣地,調(diào)查了林分基本信息(表1),并收集了地表可燃物。采用五點(diǎn)取樣法設(shè)置調(diào)查樣方(1m×1m)測(cè)定了可燃物載量。

表1 樣地信息

1.3 模擬燃燒實(shí)驗(yàn)

燃燒實(shí)驗(yàn)在東北林業(yè)大學(xué)火行為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。燃燒實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)5%、15%、25% 3個(gè)可燃物含水率(FM)水平,5°、10°、15° 4個(gè)坡度(S)水平,分別進(jìn)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(shí)驗(yàn),每種實(shí)驗(yàn)條件做3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)共54組燃燒實(shí)驗(yàn)。燃燒實(shí)驗(yàn)在自制的變坡度燃燒床上進(jìn)行,其示意圖如圖2所示,可通過(guò)該燃燒床實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)先做如下準(zhǔn)備工作:將紅松人工林地表可燃物含水率調(diào)節(jié)至約5%、15%、25%水平,并將調(diào)節(jié)好含水率的紅松人工林地表可燃物置于密封箱內(nèi)暫存,進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí),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(nèi)盡可能還原野外可燃物床層狀態(tài),設(shè)置可燃物床層載量為8t/hm2。

燃燒實(shí)驗(yàn):通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn),確定1m長(zhǎng)的預(yù)燃區(qū),當(dāng)火頭通過(guò)預(yù)燃區(qū),即認(rèn)為火蔓延至似穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在燃燒床引燃端有5cm寬的引燃帶,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)倒入50mL酒精并點(diǎn)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(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)森林地表下坡火的模擬,將引燃端設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)森林地表上坡火的模擬。相同坡度、含水率組合的燃燒實(shí)驗(yàn)都在相同實(shí)驗(yàn)條件下完成。

在燃燒實(shí)驗(yàn)中記錄持續(xù)燃燒時(shí)間(T),并用標(biāo)桿法測(cè)量火焰高度(FH)、火焰長(zhǎng)度(FL)、火焰寬度(FW),并推算火線強(qiáng)度(I)和火線高度強(qiáng)度(Ih),推算公式如下:I=m×c×v,式中I:火線強(qiáng)度,kJ m-1s-1；m:單位面積內(nèi)的可燃物重量(kg/m2)；c:可燃物的平均發(fā)熱量,kJ/kg；v:火線前進(jìn)速度,m/s。Ih=2.58h2.17,式中,Ih:火線高度強(qiáng)度,kW/m；h:火焰高度(m)。燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,等待余燼完全熄滅后,收集該場(chǎng)點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)的可燃物燃燒剩余物樣品,同時(shí)測(cè)定燃燒剩余物質(zhì)量,并計(jì)算可燃物燃燒效率(E,combustionefficiency),推算過(guò)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(guò)40目篩,放進(jìn)封口袋中常溫保存,留待實(shí)驗(yàn)室分析。

1.4 樣品分析

測(cè)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(cè)定燃燒剩余物含水率。

測(cè)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(jīng)0.45μm水系MCE濾膜抽濾為待測(cè)液[32]。水溶性碳氮含量使用德國(guó)耶拿Multi N/C 2100S分析儀測(cè)得。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 25.0、R 3.5.3軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用OriginPro 2018b、Graphpad Prism 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化工作。用方差膨脹檢驗(yàn)方法(通過(guò)car包vif函數(shù)實(shí)現(xiàn))對(duì)7個(gè)火行為變量進(jìn)行多重共線性檢驗(yàn),篩選出E、FW、FH、T、I5個(gè)非共線性火行為變量,用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征以及火行為的影響,用Spearman相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)火行為與燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特性間的相關(guān)關(guān)系,顯著性水平設(shè)定為α=0.05；使用R語(yǔ)言vegan包,通過(guò)db-RDA分析(Bray-Curtis距離)探究火行為對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 火環(huán)境對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮的影響

通過(guò)模擬燃燒實(shí)驗(yàn),收集到54份燃燒剩余物樣品,樣品分析結(jié)果表明燃燒剩余物的WSC含量在2.52mg/g到19.23mg/g范圍內(nèi),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(nèi),WSN含量均值為0.18mg/g±0.08mg/g。

用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)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(xué)計(jì)量特征的差異。如圖3所示,上坡火實(shí)驗(yàn)組的燃燒剩余物WSC、WSN含量明顯高于下坡火實(shí)驗(yàn)組(P<0.01),兩實(shí)驗(yàn)組燃燒剩余物WSC/WSN的差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)?？傮w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(tài)化學(xué)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)為:25%FM實(shí)驗(yàn)組> 15%FM實(shí)驗(yàn)組> 5%FM實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。在相同含水率,下坡火實(shí)驗(yàn)組,5°實(shí)驗(yàn)組燃燒剩余物的WSC含量明顯高于10°、15°實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。如圖4所示,各實(shí)驗(yàn)組的燃燒燃燒剩余物WSN含量和WSC/WSN并未表現(xiàn)出明顯規(guī)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(xué)計(jì)量特征存在顯著差異,火環(huán)境條件顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征。

圖4 不同火環(huán)境條件下燃燒剩余物水溶性碳氮生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

2.2 模擬火環(huán)境對(duì)火行為的影響

在燃燒實(shí)驗(yàn)中記錄每場(chǎng)點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)的T,并用標(biāo)桿法測(cè)量FH、FL、FW,并推算I和Ih,在燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集該場(chǎng)燃燒實(shí)驗(yàn)的可燃物燃燒剩余物樣品,測(cè)定可燃物燃燒剩余物質(zhì)量,并計(jì)算E。應(yīng)用方差膨脹檢驗(yàn)方法對(duì)7個(gè)火行為變量進(jìn)行多重共線性檢驗(yàn),篩選出E、FW、FH、T、I5個(gè)火行為變量。

用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組的T、E明顯低于下坡火實(shí)驗(yàn)組,上坡火實(shí)驗(yàn)組的I明顯高于下坡火實(shí)驗(yàn)組(P<0.01),上坡火實(shí)驗(yàn)組的FH明顯高于下坡火實(shí)驗(yàn)組(P<0.05),兩實(shí)驗(yàn)組FW的差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)?？傮w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(shí)驗(yàn)組火行為之間的差異。如圖6所示,在相同坡度實(shí)驗(yàn)組中,T均表現(xiàn)為:25%FM實(shí)驗(yàn)組> 15%FM實(shí)驗(yàn)組>5%FM實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。在25%含水率,下坡火實(shí)驗(yàn)組,T表現(xiàn)為:5°實(shí)驗(yàn)組>10°實(shí)驗(yàn)組> 15°實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。如圖6所示,在不同可燃物含水率、坡度實(shí)驗(yàn)組之間,E并未表現(xiàn)出顯著規(guī)律；在相同坡度實(shí)驗(yàn)組中,FH均表現(xiàn)為:5%FM實(shí)驗(yàn)組> 15%FM實(shí)驗(yàn)組> 25%FM實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。在相同可燃物含水率不同坡度實(shí)驗(yàn)組間,E并未表現(xiàn)出顯著規(guī)律。如圖6所示,在5°、10°實(shí)驗(yàn)組中,5%含水率實(shí)驗(yàn)組的FW明顯高于10%、15%實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。在15°、上坡火實(shí)驗(yàn)組中,FW表現(xiàn)為:5%FM實(shí)驗(yàn)組>15%FM實(shí)驗(yàn)組> 25%FM實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。在相同可燃物含水率不同坡度實(shí)驗(yàn)組之間,FW并未表現(xiàn)出顯著規(guī)律。如圖6所示,在5°、10°實(shí)驗(yàn)組中,I均表現(xiàn)為:5%FM實(shí)驗(yàn)組> 15%FM實(shí)驗(yàn)組> 25%FM實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。在15°實(shí)驗(yàn)組中,5%含水率實(shí)驗(yàn)組的I明顯高于10%、15%含水率實(shí)驗(yàn)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(huán)境條件顯著影響火行為。

圖6 不同火環(huán)境的下火行為

2.3 火環(huán)境和火行為對(duì)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(jìn)行多因素方差分析,結(jié)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(duì)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(duì)燃燒剩余物的WSC、WSN含量、WSC/WSN產(chǎn)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(duì)燃燒剩余物的WSC、WSN含量均未產(chǎn)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(duì)燃燒剩余物WSC/WSN產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。

表2 火環(huán)境條件及其交互作用對(duì)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(jìn)行多因素方差分析,結(jié)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(duì)E、FW、FH、T、I產(chǎn)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(duì)FH、I造成顯著影響,而對(duì)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(duì)FW、T、I造成顯著影響(P<0.05),卻并未對(duì)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(duì)FW、FH、I造成顯著影響(P<0.01),對(duì)E、T均未產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)。

表3 火環(huán)境條件及其交互作用對(duì)火行為的影響

用方差膨脹檢驗(yàn)方法對(duì)7個(gè)火行為變量進(jìn)行多重共線性檢驗(yàn),篩選出E、FW、FH、T、I5個(gè)非共線性火行為變量,用Spearman相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)火行為與燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特性間的相關(guān)關(guān)系,顯著性水平設(shè)定為α=0.05,評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。通過(guò)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(biāo)和燃燒剩余物水溶性碳氮兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行db-RDA分析,db-RDA分析結(jié)果如圖7所示。

表4 火行為與燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)分析

圖7 db-RDA分析結(jié)果圖

3 討論

可燃物燃燒剩余物是林火的復(fù)雜產(chǎn)物,其水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征顯著的受到火行為的直接影響和火環(huán)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(zāi)溫度,燃燒程度等復(fù)雜因素的綜合影響[33—38]。

3.1 火環(huán)境顯著影響燃燒剩余物屬性

火環(huán)境會(huì)對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)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(huán)境下的地表可燃物存在顯著差異。其二,火環(huán)境條件通過(guò)影響火行為間接對(duì)森林燃燒剩余物屬性造成顯著影響。

首先,不同火環(huán)境下不同植被類型可燃物燃燒產(chǎn)生的燃燒剩余物顯著不同[39],其次不同火環(huán)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(huán)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(tài)系統(tǒng)的可燃物燃燒產(chǎn)生的燃燒剩余物的組成和數(shù)量存在顯著差異[40],Yusiharni等人則發(fā)現(xiàn)不同植被類型的燃燒剩余物對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的影響也不相同[41]。

森林地表火蔓延方向、溫濕度等火環(huán)境條件通過(guò)影響火行為間接對(duì)森林燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征造成顯著影響。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在其他實(shí)驗(yàn)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?yàn)樯值乇硐缕禄鸬娜紵龝r(shí)間及燃燒效率均顯高于森林地表上坡火,持續(xù)燃燒時(shí)間越長(zhǎng),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(shí)間呈顯著正相關(guān),而燃燒時(shí)間與可燃物含水率呈顯著正相關(guān)[42],即可燃物含水率越高,燃燒時(shí)間越長(zhǎng),燃燒剩余物中可溶性碳氮的含量越高。這可能是因?yàn)榭扇嘉锖矢邥r(shí),可燃物燃燒性相對(duì)較差[43],一方面會(huì)造成燃燒時(shí)間增加,另一方面會(huì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)組,燃燒剩余物的水溶性碳氮含量的差異并未表現(xiàn)出明顯規(guī)律,這可能是由于燃燒實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的坡度梯度均屬低坡度范圍[44],所以各坡度梯度實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生的森林燃燒剩余物水溶性碳氮含量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.2 火行為顯著影響燃燒剩余物屬性

火線強(qiáng)度、火焰寬度等火行為會(huì)對(duì)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(guò)程存在顯著差異。

火強(qiáng)度會(huì)顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征。Balfour,Raison,Yusiharni等人通過(guò)設(shè)定馬弗爐溫度梯度模擬火強(qiáng)度梯度,發(fā)現(xiàn)不同火強(qiáng)度下產(chǎn)生的燃燒剩余物屬性及其顏色存在顯著差異,較低火強(qiáng)度下產(chǎn)生的燃燒剩余物其有機(jī)質(zhì)含量更高[40—41],燃燒剩余物的酸堿度和電導(dǎo)率會(huì)隨火強(qiáng)度的升高而升高[45]。而本研究中也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果,db-RDA分析結(jié)果表明,火線強(qiáng)度與水溶性碳氮比呈顯著負(fù)相關(guān),即火線強(qiáng)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(zhì)成分含量增加[46—48]。地表可燃物的燃燒程度和燃燒過(guò)程會(huì)顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征。本文發(fā)現(xiàn),燃燒效率、火焰寬度會(huì)顯著影響燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征,db-RDA分析結(jié)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(fù)相關(guān),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(jié)論與展望

4.1 結(jié)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(tài)系統(tǒng)響應(yīng)火干擾的生態(tài)過(guò)程中關(guān)鍵的一環(huán),而火行為作為林火干擾生態(tài)系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)形式,會(huì)對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征造成顯著影響,火環(huán)境則能通過(guò)影響火行為間接對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征造成顯著影響?；鸶蓴_可以通過(guò)影響燃燒剩余物特性對(duì)火燒跡地生態(tài)恢復(fù)過(guò)程造成持續(xù)性的潛在影響。

本研究有助于深入認(rèn)識(shí)燃燒剩余物在生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)火干擾的生態(tài)過(guò)程中所扮演的角色,可用于評(píng)估受火干擾紅松人工林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)所需營(yíng)養(yǎng)素的類型和數(shù)量,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)計(jì)劃燒除對(duì)紅松人工林的影響,為科學(xué)實(shí)施計(jì)劃燒除提供參考。

4.2 展望

在本研究中,通過(guò)預(yù)設(shè)地表火蔓延方向、可燃物含水率以及坡度條件作為林火驅(qū)動(dòng)因子,展開了模擬燃燒實(shí)驗(yàn),研究了火環(huán)境因素對(duì)燃燒剩余物及火行為的影響,并在此基礎(chǔ)上研究了火行為對(duì)燃燒剩余物水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征的影響。前人對(duì)燃燒剩余物的研究,大致分為兩類,1)在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)馬弗爐制備燃燒剩余物樣品[39,41],展開對(duì)燃燒剩余物特征的研究。但有研究表明通過(guò)馬弗爐制備的燃燒剩余物樣品與野火發(fā)生后留下來(lái)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(zāi)發(fā)生后收集燃燒剩余物樣品[40,50—51],或通過(guò)進(jìn)行計(jì)劃燒除實(shí)驗(yàn)[46]來(lái)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(duì)燃燒剩余物的影響。在國(guó)內(nèi)林火生態(tài)領(lǐng)域,本研究是首次對(duì)燃燒剩余物的水溶性碳氮化學(xué)計(jì)量特征展開研究,在一定程度上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)林火生態(tài)領(lǐng)域?qū)θ紵Ｓ辔镅芯康目瞻?。本研究也存在一定的局限?在未來(lái)的研究中,應(yīng)進(jìn)一步引入風(fēng)速、溫度、濕度等林火驅(qū)動(dòng)因子,在最大程度上模擬林火發(fā)生時(shí)的火環(huán)境及火行為,盡可能的增加實(shí)驗(yàn)方法的可靠性。