李國輝，張橋蓉，馬瑞杰，陳宏剛，白磊，羅靜,4，李世友,4*

(1.西南林業(yè)大學(xué) 消防研究所 土木工程學(xué)院，昆明 650224；2.云南省玉溪市江川區(qū)林業(yè)和草原局，云南 玉溪 652600；3.應(yīng)急管理部南方航空護(hù)林總站，昆明 650021；4.云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650224)

0 引言

森林火災(zāi)發(fā)生、蔓延需具備3個必要條件：一是可燃物，二是危險(xiǎn)的天氣，三是火源[1-8]。可燃物理化性質(zhì)是影響其燃燒性的一個重要因素，在可燃物燃燒性等級劃分、防火樹種篩選等森林防火工作中具有重要作用[9-18]。磷是植物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素之一，對植物的物質(zhì)合成、生理代謝和光合作用等生長過程有直接影響，能夠促進(jìn)植物粗脂肪合成，增加生物量積累，使其燃燒性增強(qiáng)[19-22]。國內(nèi)外學(xué)者在磷對植物的影響方面進(jìn)行了大量研究，謝志明[20]發(fā)現(xiàn)磷肥施用能夠增加糜子(Panicummiliaceum)的脂肪含量；寧海龍等[23]發(fā)現(xiàn)在較低氮肥和鉀肥水平時大豆(Glycinemax)脂肪含量隨磷肥施用量增加而升高；周錄英等[24]發(fā)現(xiàn)氮肥、磷肥施用可增加花生仁的脂肪含量；戴開結(jié)等[25-26]發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同磷含量培養(yǎng)液處理的云南松(Pinusyunnanensis)幼苗的總生物量、株高和莖葉生物量差異極為明顯；陳琦樂等[27]發(fā)現(xiàn)磷肥施用會增加羊草(Leymuschinensis)、針茅(Stipacapillata)等牧草的生物量；陳聞等[28]發(fā)現(xiàn)適量氮磷鉀復(fù)合肥能夠增加普陀樟(Cinnamomumjaponicumvar.chenii)苗木的生物量；吳國欣等[29]發(fā)現(xiàn)一定配比的氮磷復(fù)合肥可促進(jìn)降香黃檀(Dalbergiaodorifera)苗木的高、莖生長和生物量積累；Jiang等[30]發(fā)現(xiàn)磷添加能夠顯著增加植物的地上生物量；湯宏等[31]發(fā)現(xiàn)磷肥施用可增加煙葉的燃燒性。云南省是我國磷礦資源大省，其滇中地區(qū)具有大量露天開采的淺層磷礦，調(diào)研和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)表土有效磷含量遠(yuǎn)大于其他無礦區(qū)，且大部分磷礦分布區(qū)正好位于以安寧為中心的滇中重點(diǎn)火險(xiǎn)片區(qū)，是我國森林火災(zāi)多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，森林火災(zāi)具有發(fā)生次數(shù)多、過火面積大、損失嚴(yán)重和地域分布不均勻等特點(diǎn)，歷史上發(fā)生大面積森林火災(zāi)、重大人員傷亡森林火災(zāi)的位置不少與磷礦分布區(qū)高度吻合。對滇中安寧、澄江和東川等地森林可燃物進(jìn)行理化性質(zhì)和燃燒性對比研究發(fā)現(xiàn)，主要森林植物燃燒性隨土壤有效磷含量增加總體呈增強(qiáng)趨勢[32-33]。

由于采樣時間、地點(diǎn)跨度較大，并不是所有取樣點(diǎn)植物燃燒性均呈隨土壤有效磷含量增加而增強(qiáng)的一致變化規(guī)律。為進(jìn)一步驗(yàn)證以往研究得出的初步結(jié)論，文中通過對滇中地區(qū)主要易燃針葉樹種進(jìn)行施肥試驗(yàn)，分析土壤中氮、磷、鉀元素對森林植物葉燃燒性的影響，以期為探尋滇中地區(qū)森林火災(zāi)多發(fā)原因、正確認(rèn)識滇中地區(qū)歷史森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律、合理選擇滇中重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)治理手段等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于昆明市盤龍區(qū)云南省森林自然中心圓寶山林區(qū)，以云南松、華山松(Pinusarmandii)、地盤松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)、藏柏(Cupressustorulosa)4種主要易燃針葉樹種的同齡植株為試驗(yàn)材料，每樹種各選擇40株，分別施用磷肥(磷酸一銨：NH4H2PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%)、氮肥(尿素：含氮量≥46%)、鉀肥(硫酸鉀：氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥50%)和復(fù)合肥(N-P2O5-K2O：總養(yǎng)分≥25%)各10株，不同肥料施用樣地之間保持一定距離起隔離作用。各樹種另選取10株未施肥木作為對照。云南松平均胸徑11.17 cm，華山松平均胸徑10.30 cm，藏柏平均胸徑19.24 cm，地盤松平均冠幅為275.00 cm(寬)×280.00 cm(高)。華山松、藏柏林均為同齡人工林，林地平整，土壤條件較好；云南松和地盤松林位于典型陽坡地段。2013—2018年雨季初期和8月各施肥1次，4種化肥單次施肥量均為0.5 kg。2017和2018年12月，采集2次施肥和對照組林木針葉，每株樣品采集一捆(5支左右)直徑約1 cm帶葉小枝為試驗(yàn)樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，粉碎并過60目篩后干燥備用。

1.2 試驗(yàn)方法

將施用相同肥料處理的同一樹種視為一組樣品，未經(jīng)施肥處理的同一樹種視為一組樣品。測定每組樣品的粗脂肪、灰分含量和熱值，求取平均值作為該組樣品最終測定結(jié)果。通過分析施肥處理后樣品理化性質(zhì)和燃燒性的變化情況，探究施肥對樹種燃燒性的影響。

灰分含量采用干灰分法測定；熱值采用XRY-1C型微機(jī)氧彈熱量計(jì)測定；粗脂肪含量采用索氏提取法測定，稱取1 g左右樣品用濾紙包好先放入石油醚中浸泡24 h，再用粗脂肪含量測定儀在80 ℃條件下浸提8 h，烘干后稱重，根據(jù)樣品前后質(zhì)量變化計(jì)算其粗脂肪含量[34]。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

將粗脂肪、灰分含量和熱值測定結(jié)果分別取平均值與未施肥針葉進(jìn)行比較，計(jì)算3項(xiàng)指標(biāo)增幅，利用Origin 2019完成數(shù)據(jù)分析和作圖?？扇嘉锶紵允嵌鄠€指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，利用燃燒性綜合指數(shù)評價施肥對葉燃燒性的影響。以葉粗脂肪、灰分含量和熱值為評價指標(biāo)，采用多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行主成分分析確定評價指標(biāo)權(quán)重，通過計(jì)算燃燒性綜合指數(shù)確定葉燃燒性[34]。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對針葉理化性質(zhì)的影響

以未施肥針葉測定結(jié)果為對照，分析施肥后針葉各項(xiàng)指標(biāo)的變化，如圖1所示。施磷肥后，各樹種針葉粗脂肪含量和熱值有所增加，灰分含量變化因樹種和施肥年份而異，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為17.05%、1.27%和3.55%,如圖1(a)所示；施氮肥后，粗脂肪含量和熱值變化總體增加，灰分含量變化總體減少，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為8.29%、-11.63%和2.85%，如圖1(b)所示；施鉀肥后，粗脂肪含量和熱值變化總體增加，灰分含量變化因樹種而異，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為11.09%、-4.32%和1.94%，如圖1(c)所示；施復(fù)合肥后，粗脂肪含量和熱值變化總體增加，灰分含量變化總體減少，粗脂肪、灰分含量和熱值平均增幅分別為18.19%、-3.35%和1.63%，如圖1(d)所示。

圖中數(shù)字和文字組合代表施肥年份和樹種，如“17云”表示2017年采集云南松針葉。

對比施肥后與未施肥針葉可以看出，施肥后針葉粗脂肪含量和熱值總體呈增加趨勢，灰分含量變化隨施肥種類、施肥年份和樹種不同而有所差異，施用氮肥和復(fù)合肥時，針葉灰分含量總體呈下降趨勢；施用磷肥和鉀肥時，灰分含量無明顯變化趨勢。3項(xiàng)理化指標(biāo)增幅的變化規(guī)律因施肥種類而異，粗脂肪含量增幅由大到小依次為：復(fù)合肥、磷肥、鉀肥、氮肥；灰分含量降幅由大到小依次為：氮肥、鉀肥、復(fù)合肥、磷肥;熱值增幅由大到小依次為：磷肥、氮肥、鉀肥、復(fù)合肥。

2.2 施肥對燃燒性的影響

2.2.1 各指標(biāo)權(quán)重

采用主成分分析計(jì)算各指標(biāo)的負(fù)荷系數(shù)、貢獻(xiàn)率和公因子方差，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。從表1可以看出，各指標(biāo)在燃燒性綜合指數(shù)評價中所占權(quán)重沒有太大差異，與以往研究結(jié)果[10]一致。

表1 主成分因子負(fù)荷系數(shù)、貢獻(xiàn)率、公因子方差及權(quán)重Tab.1 Principal component factor load coefficient, contribution rate, common factor variance and weight

2.2.2 各指標(biāo)隸屬度

采用連續(xù)性質(zhì)隸屬度函數(shù)計(jì)算各指標(biāo)隸屬度。粗脂肪含量和熱值隸屬度用升型分布函數(shù)，灰分含量隸屬度用降型分布函數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度值Tab.2 Membership values for indicators

2.2.3 燃燒性綜合指數(shù)

依據(jù)各指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重，計(jì)算燃燒性綜合指數(shù)。從表3可以看出，除施鉀肥后華山松葉燃燒性綜合指數(shù)低于對照組外，其余針葉燃燒性綜合指數(shù)均高于對照組。從綜合排序也可看出，對照組針葉燃燒性綜合排序均排在試驗(yàn)組后(施鉀肥的華山松除外)。燃燒性綜合指數(shù)越大，綜合排序越靠前，說明針葉燃燒性越強(qiáng)，可見施肥均可增加云南松、地盤松和藏柏針葉燃燒性。此外，2017和2018年施肥后地盤松針葉燃燒性綜合指數(shù)由大到小排序均為：鉀肥、磷肥、氮肥、復(fù)合肥，其他樹種葉燃燒性綜合指數(shù)排序無一定規(guī)律。磷肥、氮肥、鉀肥、復(fù)合肥以及對照組樣品平均燃燒性綜合指數(shù)為0.591、0.577、0.570、0.578和0.498。施磷肥后綜合排序靠前樣品數(shù)所占比例最大，樣品平均燃燒性綜合指數(shù)最大，對照組綜合排序靠前樣品數(shù)所占比例最小，樣品平均燃燒性綜合指數(shù)最小。由此推斷，施肥后針葉燃燒性總體上增強(qiáng)，且施磷肥對提高針葉燃燒性的作用最明顯。

表3 針葉的燃燒性綜合指數(shù)

由表3可知：①施肥增強(qiáng)了云南松、地盤松、藏柏3種樹種針葉的燃燒性，而鉀肥施用降低了華山松葉的燃燒性，另外3種化肥施用提升了華山松葉的燃燒性；②2017、2018年施肥對地盤松葉燃燒性的影響由大到小均排序?yàn)椋衡浄省⒘追?、氮肥、?fù)合肥，而對其他3種樹種在2017和2018年的影響呈現(xiàn)不同規(guī)律；③施肥能夠增強(qiáng)針葉的燃燒性，且影響程度綜合排序由大到小依次為：磷肥、復(fù)合肥、氮肥、鉀肥。

3 結(jié)論與討論

索炎炎等[35]研究發(fā)現(xiàn)，磷肥能夠增加花生的粗脂肪含量；陳慧娟等[36]研究發(fā)現(xiàn)，五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)葉熱值隨磷肥量增加而增加；湯宏等[31]研究發(fā)現(xiàn)，磷肥可增強(qiáng)煙葉燃燒性。上述研究表明，磷能夠增加植物脂肪含量、熱值，增強(qiáng)植物燃燒性，與本文研究結(jié)論相似。化肥施用能夠增加針葉粗脂肪含量和熱值，尤其是施用含磷成分的化肥(磷肥和復(fù)合肥)時粗脂肪含量增幅較大，且施磷肥時針葉燃燒性綜合指數(shù)最大。磷肥施用增加土壤中有效磷含量，即土壤中有效磷含量增加提高了針葉粗脂肪含量和熱值，且磷肥對葉燃燒性的提升效果最好，進(jìn)一步驗(yàn)證土壤有效磷含量增加能夠增強(qiáng)森林植物燃燒性。磷礦分布多、土壤有效磷含量高是滇中地區(qū)森林火災(zāi)多發(fā)的重要原因之一。

土壤缺鉀時增施鉀肥對植物影響效果更加顯著，且不同植物對供鉀水平需求不同[36]。同一株植物，不同部位、不同葉齡的樹葉粗脂肪、灰分含量和熱值也存在差異[37]。因本研究施肥前未測定土壤肥力基礎(chǔ)條件，故難以分析華山松針葉施鉀肥后與施用其他肥料、其他樹種施鉀肥后不同表現(xiàn)的原因。

此外，由于農(nóng)學(xué)閾值的存在，當(dāng)土壤中有效磷含量超過農(nóng)學(xué)閾值后，植物對磷的響應(yīng)不再靈敏，此時土壤有效磷含量已不是限制植物生長的主要因素。研究表明，玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)等農(nóng)作物的土壤有效磷含量閾值為4.3～29.4 mg/kg[38-42]。而森林木本植物是多年生植物，生長周期長，關(guān)于森林木本植物土壤有效磷含量閾值的研究極少，故本研究未考慮土壤有效磷含量閾值的影響。今后要在測定土壤肥力基礎(chǔ)條件的前提下，通過延長研究周期,設(shè)置多種施肥量和施肥周期試驗(yàn),更多立地條件，多種不同林齡和徑級的研究對象，增加森林植物種數(shù)量，對樹冠多部位分別取樣等措施繼續(xù)開展深入研究，為更加深入研究土壤肥力條件對森林植物燃燒性綜合影響奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

磷能夠增加生物量積累，王滿蓮等[43]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)施磷處理的紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)和飛機(jī)草(Eupatoriumodoratum)的生物量大于對照組，飛機(jī)草生物量隨供磷量增加呈先升后降趨勢。張德等[44]研究表明，磷能夠增加柱花草(Stylosanthesguianensias)的生物量。Kozovits等[45]在巴西中部一處熱帶稀樹草原進(jìn)行的田間試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)氮和磷能夠增加凋落物分解速率，且氮和磷聯(lián)合施用時效果更明顯。李文亞等[46]研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷養(yǎng)分(N、P、NP)添加能夠明顯促進(jìn)羊草、冷蒿(Artemisiafrigida)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)葉凋落物的分解，分解至417 d時各葉凋落物殘留率在43%～53%。今后研究要關(guān)注施肥對森林凋落物燃燒性、森林可燃物積累的影響，為評價土壤肥力條件對森林燃燒性影響提供科學(xué)依據(jù)。

施肥可以增加針葉粗脂肪含量和熱值，降低灰分含量，但不同肥料對不同樹種針葉理化性質(zhì)和燃燒性的影響有所不同。鉀肥施用降低了華山松的燃燒性，其余施肥處理針葉燃燒性均在不同程度上得到了增強(qiáng)。