施肥对滇中地区4种主要易燃树种叶燃烧性的影响

李国辉，张桥蓉，马瑞杰，陈宏刚，白磊，罗静,4，李世友,4*

(1.西南林业大学 消防研究所 土木工程学院，昆明 650224；2.云南省玉溪市江川区林业和草原局，云南 玉溪 652600；3.应急管理部南方航空护林总站，昆明 650021；4.云南省森林灾害预警与控制重点实验室，昆明 650224)

0 引言

森林火灾发生、蔓延需具备3个必要条件：一是可燃物，二是危险的天气，三是火源[1-8]。可燃物理化性质是影响其燃烧性的一个重要因素，在可燃物燃烧性等级划分、防火树种筛选等森林防火工作中具有重要作用[9-18]。磷是植物生长发育不可缺少的营养元素之一，对植物的物质合成、生理代谢和光合作用等生长过程有直接影响，能够促进植物粗脂肪合成，增加生物量积累，使其燃烧性增强[19-22]。国内外学者在磷对植物的影响方面进行了大量研究，谢志明[20]发现磷肥施用能够增加糜子(Panicummiliaceum)的脂肪含量；宁海龙等[23]发现在较低氮肥和钾肥水平时大豆(Glycinemax)脂肪含量随磷肥施用量增加而升高；周录英等[24]发现氮肥、磷肥施用可增加花生仁的脂肪含量；戴开结等[25-26]发现经不同磷含量培养液处理的云南松(Pinusyunnanensis)幼苗的总生物量、株高和茎叶生物量差异极为明显；陈琦乐等[27]发现磷肥施用会增加羊草(Leymuschinensis)、针茅(Stipacapillata)等牧草的生物量；陈闻等[28]发现适量氮磷钾复合肥能够增加普陀樟(Cinnamomumjaponicumvar.chenii)苗木的生物量；吴国欣等[29]发现一定配比的氮磷复合肥可促进降香黄檀(Dalbergiaodorifera)苗木的高、茎生长和生物量积累；Jiang等[30]发现磷添加能够显著增加植物的地上生物量；汤宏等[31]发现磷肥施用可增加烟叶的燃烧性。云南省是我国磷矿资源大省，其滇中地区具有大量露天开采的浅层磷矿，调研和试验发现，该区表土有效磷含量远大于其他无矿区，且大部分磷矿分布区正好位于以安宁为中心的滇中重点火险片区，是我国森林火灾多发区和重灾区，森林火灾具有发生次数多、过火面积大、损失严重和地域分布不均匀等特点，历史上发生大面积森林火灾、重大人员伤亡森林火灾的位置不少与磷矿分布区高度吻合。对滇中安宁、澄江和东川等地森林可燃物进行理化性质和燃烧性对比研究发现，主要森林植物燃烧性随土壤有效磷含量增加总体呈增强趋势[32-33]。

由于采样时间、地点跨度较大，并不是所有取样点植物燃烧性均呈随土壤有效磷含量增加而增强的一致变化规律。为进一步验证以往研究得出的初步结论，文中通过对滇中地区主要易燃针叶树种进行施肥试验，分析土壤中氮、磷、钾元素对森林植物叶燃烧性的影响，以期为探寻滇中地区森林火灾多发原因、正确认识滇中地区历史森林火灾发生规律、合理选择滇中重点火险区治理手段等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于昆明市盘龙区云南省森林自然中心圆宝山林区，以云南松、华山松(Pinusarmandii)、地盘松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)、藏柏(Cupressustorulosa)4种主要易燃针叶树种的同龄植株为试验材料，每树种各选择40株，分别施用磷肥(磷酸一铵：NH4H2PO4质量分数≥98%)、氮肥(尿素：含氮量≥46%)、钾肥(硫酸钾：氯化钾质量分数≥50%)和复合肥(N-P2O5-K2O：总养分≥25%)各10株，不同肥料施用样地之间保持一定距离起隔离作用。各树种另选取10株未施肥木作为对照。云南松平均胸径11.17 cm，华山松平均胸径10.30 cm，藏柏平均胸径19.24 cm，地盘松平均冠幅为275.00 cm(宽)×280.00 cm(高)。华山松、藏柏林均为同龄人工林，林地平整，土壤条件较好；云南松和地盘松林位于典型阳坡地段。2013—2018年雨季初期和8月各施肥1次，4种化肥单次施肥量均为0.5 kg。2017和2018年12月，采集2次施肥和对照组林木针叶，每株样品采集一捆(5支左右)直径约1 cm带叶小枝为试验样品，带回实验室风干，粉碎并过60目筛后干燥备用。

1.2 试验方法

将施用相同肥料处理的同一树种视为一组样品，未经施肥处理的同一树种视为一组样品。测定每组样品的粗脂肪、灰分含量和热值，求取平均值作为该组样品最终测定结果。通过分析施肥处理后样品理化性质和燃烧性的变化情况，探究施肥对树种燃烧性的影响。

灰分含量采用干灰分法测定；热值采用XRY-1C型微机氧弹热量计测定；粗脂肪含量采用索氏提取法测定，称取1 g左右样品用滤纸包好先放入石油醚中浸泡24 h，再用粗脂肪含量测定仪在80 ℃条件下浸提8 h，烘干后称重，根据样品前后质量变化计算其粗脂肪含量[34]。

1.3 数据处理方法

将粗脂肪、灰分含量和热值测定结果分别取平均值与未施肥针叶进行比较，计算3项指标增幅，利用Origin 2019完成数据分析和作图。可燃物燃烧性是多个指标综合作用的结果，利用燃烧性综合指数评价施肥对叶燃烧性的影响。以叶粗脂肪、灰分含量和热值为评价指标，采用多元统计方法进行主成分分析确定评价指标权重，通过计算燃烧性综合指数确定叶燃烧性[34]。

2 结果与分析

2.1 施肥对针叶理化性质的影响

以未施肥针叶测定结果为对照，分析施肥后针叶各项指标的变化，如图1所示。施磷肥后，各树种针叶粗脂肪含量和热值有所增加，灰分含量变化因树种和施肥年份而异，粗脂肪、灰分含量和热值平均增幅分别为17.05%、1.27%和3.55%,如图1(a)所示；施氮肥后，粗脂肪含量和热值变化总体增加，灰分含量变化总体减少，粗脂肪、灰分含量和热值平均增幅分别为8.29%、-11.63%和2.85%，如图1(b)所示；施钾肥后，粗脂肪含量和热值变化总体增加，灰分含量变化因树种而异，粗脂肪、灰分含量和热值平均增幅分别为11.09%、-4.32%和1.94%，如图1(c)所示；施复合肥后，粗脂肪含量和热值变化总体增加，灰分含量变化总体减少，粗脂肪、灰分含量和热值平均增幅分别为18.19%、-3.35%和1.63%，如图1(d)所示。

图中数字和文字组合代表施肥年份和树种，如“17云”表示2017年采集云南松针叶。

对比施肥后与未施肥针叶可以看出，施肥后针叶粗脂肪含量和热值总体呈增加趋势，灰分含量变化随施肥种类、施肥年份和树种不同而有所差异，施用氮肥和复合肥时，针叶灰分含量总体呈下降趋势；施用磷肥和钾肥时，灰分含量无明显变化趋势。3项理化指标增幅的变化规律因施肥种类而异，粗脂肪含量增幅由大到小依次为：复合肥、磷肥、钾肥、氮肥；灰分含量降幅由大到小依次为：氮肥、钾肥、复合肥、磷肥;热值增幅由大到小依次为：磷肥、氮肥、钾肥、复合肥。

2.2 施肥对燃烧性的影响

2.2.1 各指标权重

采用主成分分析计算各指标的负荷系数、贡献率和公因子方差，计算各指标权重。从表1可以看出，各指标在燃烧性综合指数评价中所占权重没有太大差异，与以往研究结果[10]一致。

表1 主成分因子负荷系数、贡献率、公因子方差及权重Tab.1 Principal component factor load coefficient, contribution rate, common factor variance and weight

2.2.2 各指标隶属度

采用连续性质隶属度函数计算各指标隶属度。粗脂肪含量和热值隶属度用升型分布函数，灰分含量隶属度用降型分布函数，结果见表2。

表2 各项指标的隶属度值Tab.2 Membership values for indicators

2.2.3 燃烧性综合指数

依据各指标的隶属度和权重，计算燃烧性综合指数。从表3可以看出，除施钾肥后华山松叶燃烧性综合指数低于对照组外，其余针叶燃烧性综合指数均高于对照组。从综合排序也可看出，对照组针叶燃烧性综合排序均排在试验组后(施钾肥的华山松除外)。燃烧性综合指数越大，综合排序越靠前，说明针叶燃烧性越强，可见施肥均可增加云南松、地盘松和藏柏针叶燃烧性。此外，2017和2018年施肥后地盘松针叶燃烧性综合指数由大到小排序均为：钾肥、磷肥、氮肥、复合肥，其他树种叶燃烧性综合指数排序无一定规律。磷肥、氮肥、钾肥、复合肥以及对照组样品平均燃烧性综合指数为0.591、0.577、0.570、0.578和0.498。施磷肥后综合排序靠前样品数所占比例最大，样品平均燃烧性综合指数最大，对照组综合排序靠前样品数所占比例最小，样品平均燃烧性综合指数最小。由此推断，施肥后针叶燃烧性总体上增强，且施磷肥对提高针叶燃烧性的作用最明显。

表3 针叶的燃烧性综合指数

由表3可知：①施肥增强了云南松、地盘松、藏柏3种树种针叶的燃烧性，而钾肥施用降低了华山松叶的燃烧性，另外3种化肥施用提升了华山松叶的燃烧性；②2017、2018年施肥对地盘松叶燃烧性的影响由大到小均排序为：钾肥、磷肥、氮肥、复合肥，而对其他3种树种在2017和2018年的影响呈现不同规律；③施肥能够增强针叶的燃烧性，且影响程度综合排序由大到小依次为：磷肥、复合肥、氮肥、钾肥。

3 结论与讨论

索炎炎等[35]研究发现，磷肥能够增加花生的粗脂肪含量；陈慧娟等[36]研究发现，五节芒(Miscanthusfloridulus)叶热值随磷肥量增加而增加；汤宏等[31]研究发现，磷肥可增强烟叶燃烧性。上述研究表明，磷能够增加植物脂肪含量、热值，增强植物燃烧性，与本文研究结论相似。化肥施用能够增加针叶粗脂肪含量和热值，尤其是施用含磷成分的化肥(磷肥和复合肥)时粗脂肪含量增幅较大，且施磷肥时针叶燃烧性综合指数最大。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针叶粗脂肪含量和热值，且磷肥对叶燃烧性的提升效果最好，进一步验证土壤有效磷含量增加能够增强森林植物燃烧性。磷矿分布多、土壤有效磷含量高是滇中地区森林火灾多发的重要原因之一。

土壤缺钾时增施钾肥对植物影响效果更加显著，且不同植物对供钾水平需求不同[36]。同一株植物，不同部位、不同叶龄的树叶粗脂肪、灰分含量和热值也存在差异[37]。因本研究施肥前未测定土壤肥力基础条件，故难以分析华山松针叶施钾肥后与施用其他肥料、其他树种施钾肥后不同表现的原因。

此外，由于农学阈值的存在，当土壤中有效磷含量超过农学阈值后，植物对磷的响应不再灵敏，此时土壤有效磷含量已不是限制植物生长的主要因素。研究表明，玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)等农作物的土壤有效磷含量阈值为4.3～29.4 mg/kg[38-42]。而森林木本植物是多年生植物，生长周期长，关于森林木本植物土壤有效磷含量阈值的研究极少，故本研究未考虑土壤有效磷含量阈值的影响。今后要在测定土壤肥力基础条件的前提下，通过延长研究周期,设置多种施肥量和施肥周期试验,更多立地条件，多种不同林龄和径级的研究对象，增加森林植物种数量，对树冠多部位分别取样等措施继续开展深入研究，为更加深入研究土壤肥力条件对森林植物燃烧性综合影响奠定坚实基础。

磷能够增加生物量积累，王满莲等[43]研究发现，经施磷处理的紫茎泽兰(Ageratinaadenophora)和飞机草(Eupatoriumodoratum)的生物量大于对照组，飞机草生物量随供磷量增加呈先升后降趋势。张德等[44]研究表明，磷能够增加柱花草(Stylosanthesguianensias)的生物量。Kozovits等[45]在巴西中部一处热带稀树草原进行的田间试验中，发现氮和磷能够增加凋落物分解速率，且氮和磷联合施用时效果更明显。李文亚等[46]研究发现，氮、磷养分(N、P、NP)添加能够明显促进羊草、冷蒿(Artemisiafrigida)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)叶凋落物的分解，分解至417 d时各叶凋落物残留率在43%～53%。今后研究要关注施肥对森林凋落物燃烧性、森林可燃物积累的影响，为评价土壤肥力条件对森林燃烧性影响提供科学依据。

施肥可以增加针叶粗脂肪含量和热值，降低灰分含量，但不同肥料对不同树种针叶理化性质和燃烧性的影响有所不同。钾肥施用降低了华山松的燃烧性，其余施肥处理针叶燃烧性均在不同程度上得到了增强。