基于光能利用率模型估算大兴安岭北部火烧迹地生产力1)

胡海清 苏志杰 孙 龙 魏书精

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

森林作为陆地生态系统的主体［1］，占陆地面积的27%，以及全球80%以上的地上碳储量和40%以上的全球土壤碳储量［2］，对于维持全球碳平衡起着不可替代的作用［3］。森林火灾是森林生态系统的重要干扰因子，是导致植被和土壤碳储量发生变化的重要原因［4］。植被净第一性生产力(Net primary productivity，NP，P)是生态系统中植被碳固定与碳释放之差，是大气中的碳进入生物群落的主要途径。火烧迹地植被NP，P的变化直接影响该区域碳平衡和碳循环，因此，了解其变化规律对理解火干扰对森林碳平衡的影响有重要意义，也是目前国外对火烧迹地植被恢复的研究热点。我国林火研究起步较晚，但发展较快，许多学者在森林可燃物、林火规律、林火碳释放、林火对森林生态的影响方面进行了卓有成效的研究［5-7］。随着遥感的应用，以火干扰后NP，P的变化研究森林恢复已成为新的热点，我国在这方面还几近空白。本文以我国林火发生典型地区大兴安岭北部为例，对火烧迹地森林分布和NP，P进行定量分析，旨在为火干扰后森林恢复的研究提供参考数据。

1 研究区概况

研究区域位于大兴安岭林区北部(52°20' ～53°30'N，121°40' ～124°20'E)，是1987年“5·6”大火主要过火区域，面积16 799 km2(图1)。

图1 研究区域位置

该区海拔300 ～1 400 m，坡度一般小于15°，为寒温带季风区，最低温度-52.3 ℃，最高气温39.0℃。年降水量350 ～500 mm，降水集中于7—8月份。相对湿度70% ～75%，积雪期达5 个月，林内雪深30 ～50 cm。区内广泛分布着大片连续多年冻土和岛状多年冻土，土壤以棕色针叶林土和暗棕壤为主，植被类型简单，优势树种是兴安落叶松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris)和白桦(Betula platyphylla)。兴安落叶松是该地区最稳定的气候演替顶级群落，樟子松为干旱瘠薄生境上的土壤演替顶级群落，白桦往往以先锋树种在森林火烧迹地和采伐迹地形成天然更新次生林［8］。该区为我国森林火灾高发区，年均森林过火面积居全国之首，是我国森林火灾危害最严重的地区。

2 研究方法与数据来源

2.1 遥感数据

本研究所利用的ETM +影像由美国NASA 陆地卫星计划Landsat7 采集，来源于中国科学院对地观测与数字地球科学中心，图像空间分辨率为30 m×30 m，时间为1999年8月30日。Landsat7 携带的传感器在成像时受到太阳位置、大气气溶胶、传感器自身特性、地形起伏等因素的影响，使遥感图像产生了几何畸变和辐射失真，从而降低了图像的质量，影响了图像应用和价值，因此对数据进行了几何校正、大气校正、去云处理以及传感器订正等预处理。

2.2 气象数据和植被分类数据

本研究所采用的气象数据为1999年大兴安岭地区气候资料日值数据集和辐射日值数据集，来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cbc. cma.gov.cn/)。利用GIS 对气象数据进行了栅格化，并从空间上与遥感数据相匹配。

植被分类数据来源于黑龙江省二级土地覆盖分类图，由中国科学院编制。在此基础上，本研究用较成熟的最大似然分类器将土地覆盖类型分为针叶林、阔叶林、针阔混交林和其他4 种类型。其他类型是非林地，主要为沼泽、荒草地等。经检验，分类精度达到70%以上。

2.3 火灾等级图

1987年火灾等级图为火后实地调查并结合遥感资料形成的手绘图，火灾等级划分为3 类:轻度火烧，烧死木蓄积量＜林分蓄积量30%;中度火烧，烧死木蓄积量占林分蓄积量31% ～60%;中度火烧，烧死木蓄积量＞林分蓄积量60%。在Arcgis 9.2 中利用已校正的ETM+影像对火灾等级图进行了配准和数字化，裁剪得到研究区火灾等级分布图(图2)。

2.4 光能利用率模型

自20 世纪70年代初，Leith 首次提出估算全球NP，P值［9］。NP，P研究经历了站点实测、统计回归及模型估算3 个研究阶段。通过参数的选取可以利用模型估测区域或全球尺度的NP，P，目前已成为NP，P研究的主流方向。光能利用率模型以遥感数据、植被分类数据和气象数据为基础，利用植被吸收的光合有效辐射(Absorbed photo-synthetically active radiation，AP，A，R)和光能利用率(ε)来估算植被NP，P［10］。光能利用率模型基于植被的生理生态过程，在全球和区域NP，P研究及全球碳循环、碳平衡研究中被广泛应用［11］。国内研究学者将模型应用在我国时，对光能利用率模型进行了适当改进，模拟结果得到了较好的验证［12-14］。光能利用率模型的参数少，遥感数据主要由光合有效辐射和光能利用率这两个变量驱动，避免了由于参数缺乏而人为简化或者估计所带来的误差。模型算法为:

式中:x 表示空间位置;t 表示时间;AP，A，R(x，t)表示t月像元x 所吸收的光合有效辐射;ε(x，t)表示t月像元x 实际光能利用率。

图2 数字化火灾等级图

AP，A，R(x，t)可以根据遥感数据中植被对红外和近红外波段的反射特征来实现。光合有效辐射(photosynthetically active radiation，PA，R)是植物光合作用的驱动力，它与植物生长直接相关。植被吸收的光合有效辐射由太阳总辐射和植物特性决定，如式(2):

式中:SO，L(x，t)表示t月在像元x 处的太阳总辐射;FP，A，R(x，t)为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例;常数0.5 表示植被所能利用的太阳总辐射的比例。

FP，A，R(x，t)与归一化植被指数(ND，V，I)、比值植被指数(VI)有很好的线性关系。研究发现:FP，A，R(x，t)可以利用遥感资料提取的归一化植被指数(ND，V，I)和比值植被指数(VI)分别来估算［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，由两者估算的AP，A，R(x，t)平均值效果最好。

光能利用率是在一定时期单位面积上生产的干物质中所包含的化学潜能与同一时刻投射到该面积上的光合有效辐射能之比。在现实条件下，光能利用率ε 受温度、水分及最大光能利用率εmax的影响:

式中:Tε1(x，t)和Tε2(x，t)表示温度对光能转化率的胁迫作用;Wε(x，t)为水分胁迫作用系数［10，16］。

Tε1和Tε2利用气象资料计算，方法见文献［12］。Wε(x，t)的计算涉及到土壤水分子模型，比较复杂，数据不易获取。本文采用改进的方法，利用实际蒸散量与区域潜在蒸散量的比值来反映水分对NP，P的影响，详细方法见文献［13］、［17］、［18］。月最大光能利用率εmax与植被类型有关［19］，本研究采用Zhu等［20］模拟的各植被类型的最大光能利用率。

3 结果与分析

3.1 不同强度过火区森林类型分布

不同火强度后林型分布如表1所示。针叶林在未过火区以及轻、中、重度过火区的比重分别为40%、36.8%、31.6%、20.8%，并随火烧强度的增加而降低，表明针叶林的分布与火烧强度密切相关。轻度过火区针叶林的比重接近未过火区，一方面是该地区针叶林中主要为兴安落叶松林，对轻度火烧有一定的抵抗性，因此轻度火烧对针叶林造成的损失很小。另一方面，轻度火烧后，利于兴安落叶松种子的萌发，使得过火后针叶林恢复迅速。重度过火区针叶林的比重为20. 8%，相比未过火区针叶林40%的比重降幅较大。重度火烧造成了70%以上的树木死亡，林下枯枝落叶层全部被烧毁，埋藏在土壤表层的种子大部分丧失萌发能力。火烧后虽然采取了人工恢复措施，但是由于立地条件的差异，人工恢复措施效果一般［21］，针叶林的生长恢复最差。中度过火区针叶林恢复介于轻度过火区和重度过火区之间。

表1 1999年8月不同火强度过火区林型分布 %

阔叶林在轻、中、重度火烧区的比重分别为7.9%、13.6%、8.8%，相对未过火区17.0%的比重均有降低。混交林的比重在未过火区为11.4%，在轻、中、重度过火区的比重分别为13.0%、11.1%、17.4%，除中度过火区与未过火区比重接近外，其它都有增加。火烧后乔木被大量烧死，火烧迹地上透光率增加，阳光充足，白桦、山杨等先锋树种迅速生长，形成阔叶林或与未烧死的针叶林形成针阔混交林。随着林内乔木均匀度的增加，土壤养分在短时间内无法补充白桦、山杨等速生树种的需求，在土壤养分多的地方乔木分布比较集中，从而又使乔木层的生长受到限制。十几年林龄的阔叶林出现了大量的枯烂现象，使适合本地生长的针叶林有了更好的生长环境，这是混交林比重增加的原因。

过火区林地的NP，P相比未过火区明显下降，与此对应的是非林地的比重明显增加。在火烧前处于沼泽边缘和水分条件优越的河谷地带的林地，由于立地条件较差，林木生长不良，火烧后立地条件进一步恶化，很难重新形成林地，导致林地对降水的截留量和蒸散量减少。而该地区土壤下层普遍存在永冻层，水分不能下移，使过火区地表积水增加，土壤含水量增大，土壤沼泽化增加［22］，而随着火后地表径流量的增加，逐渐发育成沼泽。在阳坡和陡坡地带，火烧使土壤失去了植被的保护作用，造成了水土流失和土壤干旱化、贫瘠化。贫瘠的土壤更不利于植被的恢复，使森林发生了逆行演替。在火后12 a时，过火区非林地面积比未过火区提高了20%多，这也可能是造成阔叶林在过火区的比重下降、针阔混交林的比重较低的原因。

3.2 不同强度过火区NP，P

表2所示为火干扰12 a 后不同强度过火区针叶林、阔叶林、针阔混交林的NP，P。轻度和中度过火区针叶林NP，P超过了未过火区针叶林。轻度和中度火烧只烧毁了灌草层、乔木层中的小径木和幼林，保留了很多针叶林母树，为过火区针叶林生产力提供了基础。而火灾后过火区林窗加大，充足的阳光促进了林下植被生长恢复。重度火烧使大部分针叶林母树死亡，其自然恢复情况要比轻度和中度过火区差，但火后进行了大量的人工恢复措施，使植被恢复速度大大增快。到1999年8月，重度过火区针叶林达到未过火区NP，P的99%，植被生长恢复情况良好。

表2 1999年8月不同强度过火区的NP，P g·m -2

阔叶林耐火性较差，但轻度火烧由于强度较低，只烧毁了些幼树，大径木都得以保留，火后林内立木间空间较大，土壤养分供应充足，生长情况比同时期未过火区阔叶林好。中度和重度过火区乔木层死亡很多，火后白桦和山杨等快速生长，并在演替层成为优势树种。火干扰12 a 时，其生长情况与未过火区基本相同，比轻度过火区差。

轻度和中度火烧对针阔混交林的影响较小，虽然灌草层全部被烧毁，但乔木层针叶树和阔叶树大径木均保留了下来，因此其林内生长环境要好于未过火区，火后12 a 时轻度和中度过火区NP，P超过了未过火区，重度过区NP，P比未过火区低。重度过火区只保留下来一部分针叶树，林内空地上白桦和山杨快速萌生，镶嵌在针叶树间，形成了大量针阔混交林，并很快郁闭。由于阔叶树受制于养分和空间，生长放缓，因此重度过火区针阔混交林NP，P比未过火区低，但其生长恢复也很快。

4 结论

通过火后森林分布和NP，P的研究发现，在1987年“5·6”大火12 a 后，与未过火区相比，轻、中、重度过火区林地的比重下降，且随火强度的增加而降低。火干扰造成了部分森林的逆行演替，以重度过火区最严重。林地内轻度和中度过火区NP，P超过了未过火区，重度过火区林地NP，P虽低于未过火区，但已接近未过火区NP，P的水平。

本文研究的是火后植被覆盖和NP，P的变化状况，未探讨立地条件和林龄对火后NP，P的影响，这是以后需要进一步研究的问题。

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