胡同欣 杨艺璇, 孙 龙 高传宇
(1.东北林业大学林学院 森林生态系统可持续经营教育部重点实验室 哈尔滨 150040;2.中国科学院东北地理与农业生态研究所 中国科学院湿地生态与环境重点实验室 长春 130102)
火是森林生态系统的干扰因子 (Neerajaetal., 2021),具有两重性: 低、中强度的林火(350~750、750~3 500 kW·m-1),例如可烧毁大部分有机表土的地下火、烧毁下层植被的地表火等(Pérez-Izquierdoetal., 2021; 郑焕能等., 1988; Alexanderetal., 2012) ,可为各种喜光植物和动物提供开阔的栖息地,有助于控制害虫、减少灾难性火灾发生、调节生物地球化学循环、促进植物进化更新(Lietal., 2021; Pausasetal., 2019); 但极剧烈和破坏性的林火(林火强度大于4 000 kW·m-1),例如使大多数树木死亡的树冠火(Pérez-Izquierdoetal., 2021; Roosetal., 2018),会造成重大的社会、经济和环境危害,包括植被丧失和土地退化,二氧化碳和其他温室气体排放,森林生态系统结构和功能变化(Bowmanetal., 2019; García-Cimarrasetal., 2021; Ziccardietal., 2021; Santínetal., 2016; Huetal., 2021)。
林火的独特之处在于它的强度和频率取决于可消耗的可燃物(活和死的植被)的积累速度(生长和分解)(Zhaoetal., 2021; Prioretal., 2018)。因此降低可燃物载量会使林火发生频率和强度降低(Fernndez-Guisuragaetal., 2021)。地表可燃物中的枯落物层包括地衣、苔藓、干草、枝叶等,是地表火中最重要的可燃物(Ivanovaetal., 2020)。地表可燃物增加会使地表火强度增加、热传递加剧(Cornelissenetal., 2017),使地表火更易蔓延至树冠,同时对树干(茎)、树冠和根组织的热传递加剧可直接导致更多树冠损伤及树木死亡(Belcheretal., 2021; Fernndez-Guisuragaetal., 2021)。因此降低地表可燃物载量对森林防火至关重要。
可燃物管理旨在改变可燃物载量和结构,从而提高防火和灭火的有效性(Cawsonetal., 2021)。主要方式有机械处理、计划火烧及生物防火(Cawsonetal., 2021; Cowmanetal., 2021)。机械处理包括切割、切碎、修剪林下树木和灌木来改变可燃物结构和减少其载量(Kreyeetal., 2014),但成本较高。在许多森林类型中,计划火烧是减少可燃物积累、降低大规模高强度野火发生可能性的最具成本效益的方法之一(Pausasetal., 2019; Clarketal., 2020),但存在跑火风险。生物防火包括建设防火林带、混交耐火树种及利用微生物筛选高效降解菌剂等方式。微生物降解菌剂具有成本低、风险小、高效降解纤维素木质素以降低枯落物载量的特点(Sunetal., 2020; Djarwantoetal., 2009; Bobergetal., 2011),比较适合我国森林防火现状。虽然目前筛选出的菌剂具有加速分解枯落物的作用,但仅喷洒菌剂无法带来经济效益。食用真菌大球盖菇(Strophariarugosoannulata)可分泌纤维素酶及木质素酶,从而加速分解基料中的纤维素及木质素(孙萌, 2013)。并且大球盖菇抗逆性强,可直接以林地枯落物为原料。大球盖菇温度范围适应广,大兴安岭地区6~8月的温度能满足大球盖菇出菇要求(谷维等, 2017; 朱世兵, 2009)。按照每公顷土地利用率为57%进行计算,每公顷产量约为80 t,经济效益显著(曹荣利等, 2020)。因此, 林下种植大球盖菇可充分发展林下经济,增加林业附加值,促进林业可持续发展,巩固生态建设成果,可为践行“绿水青山就是金山银山”理念提供新方法。
目前,国内外学者对热重法的研究已经较为透彻。一些学者对比热重失重比例与实际样品的生物质含量的差异后认为,热重作为一种工具可以直接通过对热重曲线的分析近似确定生物质样品的成分含量(Garcíaetal., 2013; Ahmedetal., 2021)。生物质(可燃物)的热解主要是半纤维素、纤维素和木质素三个组分的热解 (Chenetal., 2017)。可燃物成分是影响燃烧性的内在因素,热值、燃点则是燃烧性的外在表现(Lunguleasaetal., 2020),但燃烧性是可燃物的综合特性,若仅从单一指标评估燃烧特性较为片面,聂其红等(2001)使用热重分析法评价了褐煤混煤的燃烧性,近似用Arrhenius定律表达燃烧速率,综合了着火温度、最大燃烧速率、平均燃烧速率以及燃尽温度来反映燃烧性能,提出了综合燃烧性指数,利用热重分析对燃烧性进行更全面的评价,王新然(2020)将这一方法用于枯落物燃烧性评价。本研究进行了大兴安岭地区兴安落叶松(Larixgmelinii)林和白桦(Betulaplatyphylla)林两种典型林分的枯落物热重分析,探明林下种植大球盖菇对枯落物燃烧性的影响,在森林防火的同时寻找发展林下经济的新方法。
研究地点位于大兴安岭松岭区西北端的松岭林业局壮志林场(123°29′—124°18′E,50°58′—51°23′N),属寒温带大陆性气候,年均气温-3 ℃,年均降水量458.3 mm,主要土壤类型为棕色针叶林土,顶级植被为兴安落叶松林,兴安落叶松砍伐后白桦作为先锋树种萌生较快(朱世兵, 2009)。
本研究在兴安落叶松林和白桦林内分别设置1块2 500 m2的样地,样地基本信息见表1。
表1 样地基本信息Tab.1 Basic information of stands
在每块样地(郁闭度0.7左右)中,分别布设12个70 cm×70 cm样方。以枯落物为栽培基质进行大球盖菇的种植,以每个样方栽植的菌袋(每袋质量为1 kg。配方: 阔叶树木屑86.5%,麸皮10.0%,豆粉2.0%,石灰0.5%,石膏1.0%)数量设置CK(0袋)、低(2袋)、中(4袋)、高(6袋)4种密度。2020年6月种植在上述2种森林的枯落物层中,(每种森林每种密度种植3块样方),共24块样方。2020年10月采集枯落物样品,采集覆盖层枯落物(包括基本未分解、保持原状的落叶以及腐烂分解的有机质残体),在每个样方内随机选择3个10 cm×10 cm的小样方进行全部覆盖层枯落物采集,放入自封袋中带回实验室,将每个样方中3个小样方的样品混合,置于烘箱内65 ℃烘干至恒质量,然后用粉碎机粉碎并过80目筛,放入自封袋中备用。
采用美国TA公司生产的TGAQ500热重分析仪进行热重(TG)-微商热重(DTG)分析, 以温度为横坐标,建立与样品微商热重DTG即失重速率的函数关系。以99.99%的氮气为载气,在空气气氛下,气体流量为60 mL·min-1,从室温升温到700 ℃,升温速率为10 ℃·min-1(金森等, 2015; Magdziarzetal., 2013)。每份样品取15 mg,试验过程中确保每份样品不会溢出热重分析仪的铂金坩埚。
热重分析数据中的失重比例特性包括兴安落叶松林及白桦林的综纤维素阶段(190~440 ℃)失重比例、木质素阶段(280~500 ℃)失重比例(Shenetal., 2010; Yangetal., 2006; Liodakisetal., 2002),失重率特性指标K(%·min-1) 由失重阶段温度跨度(ΔT)、失重比例(W)及本研究所选的升温速率(10 ℃·min-1)计算得出,公式为:
(1)
采用鹤壁市鑫泰高科仪器制造有限公司生产的QZLRY-5E微机全自动量热仪,按照仪器要求在燃烧皿中称取分析试样1.0 g(粒度小于 0.2 mm),充氧到压力为3.0 MPa的条件下进行热值测试。
在动力学意义上,活化能指的是使非活性分子转化为活性分子所需的最小能量(Reshadetal., 2017),活化能的大小反映着样品的热稳定性,活化能越低,物质越容易发生反应,热稳定性越差(Guoetal., 2019)。指前因子指在热运动中的分子碰撞频率,分子反应的剧烈性(金森等, 2015)。采用Coats-Redfem法(胡海清等, 2020),对活化能及指前因子进行分析。
燃点可以反映可燃物燃烧过程中的起始被引燃特性(Liodakisetal., 2005)。采用鹤壁市鑫泰高科仪器制造有限公司生产的XTRD-5燃点测试仪进行燃点测试。每份样品取0.1 g加入干燥的亚硝酸钠0.075 g混匀放入试管后开始测样。
可燃性是受多种因素影响的复杂特性,着火温度不能完全表达出可燃物燃烧开始时的着火能力,可燃性指数(C)的计算公式(王新然, 2020)为:
(2)
用综合燃烧性指数(P)来表征试验样品的综合燃烧性能,即化学动力学因素控制反应速度,近似用Arrhenius定律表达燃烧速率(聂其红等, 2001; 王新然, 2020),对燃烧性进行更全面评价,计算公式如下:
(3)
采用最小显著性差异法(LSD)在P=0.05水平下分别对兴安落叶松和白桦两组数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA),使用R 4.0.2、Origin2021软件对数据进行处理、作图和分析。
在综纤维素热解阶段(190~440 ℃),兴安落叶松林枯落物DTG曲线随大球盖菇种植密度增大而降低(图1); 兴安落叶松林枯落物的综纤维素失重峰所在温度为190~360 ℃,除高密度种植以外,其他种植密度的曲线峰值对应的温度升高,在190~360 ℃下高密度种植曲线更加平缓; 在木质素热解阶段(280~500 ℃),兴安落叶松林枯落物的木质素失重峰所在的温度为360~500 ℃,其DTG曲线趋势较综纤维素失重峰平缓,随着种植密度增大,曲线越发趋于平缓。
由图1可看出: 在综纤维素热解阶段(190~440 ℃),白桦林下枯落物种植大球盖菇的DTG曲线也低于未种植对照; 白桦林枯落物木质素失重峰所在的温度为190~373 ℃,随种植密度增大,曲线的峰值降低,对应的温度升高,但在中密度种植条件下DTG曲线降低幅度较高密度大; 在木质素热解阶段(280~500 ℃),白桦林枯落物的木质素失重峰所在温度为373~500 ℃,未种植对照及低密度种植处理出现一个明显的峰。
图1 不同大球盖菇种植密度下的兴安落叶松、白桦枯落物微商热重曲线(DTG)Fig.1 Derivative weight (DTG) curve of Larix gmelinii and Betula platyphylla litter under different planting densities of Stropharia rugosoannulata
对比兴安落叶松林、白桦林的枯落物失重曲线(图1),兴安落叶松林下未种植对照及低、中密度种植的枯落物DTG曲线的峰值均低于对应的白桦林枯落物,且兴安落叶松林的对照与低密度处理的曲线差异大于白桦林,但中、高密度种植的DTG曲线差异在两个树种之间相近。两树种的对照与低密度种植处理的DTG曲线变化均比较相似,但兴安落叶松林的趋势更加平缓,在中、高密度处理的曲线变化趋势也差别不大。
在综纤维素热解阶段(图2),兴安落叶松林枯落物样品的热解失重比例在种植大球盖菇后均显著(P<0.05)低于未种植对照(40.50%±0.77%),以中、高密度种植的热解失重比例较低,失重率特性指标也较低,且以上两个指标在中、高密度间差异不显著(P>0.05); 白桦林枯落物在此阶段的热解失重比例也表现为种植大球盖菇后较对照显著(P<0.05)降低且中、高种植密度的降幅较大,比对照分别显著(P<0.05)降低了69.15%和64.19%(P<0.05); 热解失重率特性指标与失重比例的变化类似(图2),在中密度处理(0.70±0.07)%·min-1、高密度处理(0.6±0.06)%·min-1下比未种植对照(1.86±0.03)%·min-1显著(P<0.05)降低。
图2 不同大球盖菇种植密度下的兴安落叶松林、白桦林枯落物热解特性对比Fig.2 Comparison of pyrolysis characteristics of Larix gmelinii and Betula platyphylla litter under different planting densities of Stropharia rugosoannulata同一林分不同字母表示在0.05水平差异显著,下同。Different lowercase letters in the same stand indicate significant differences at the 0.05 level, the same below.
由图2可看出: 在木质素热解阶段,兴安落叶松林枯落物失重比例在未种植对照为25.37%±0.16%,种植大球盖菇处理的失重比例显著(P<0.05)降低,中、高种植密度的失重比例较低且二者差异不显著(P>0.05),分别为9.44%±1.18%和11.02%±2.3%,但均显著(P<0.05)低于低种植密度处理(16.49%±0.33%); 白桦林下枯落物在木质素热解阶段的失重比例在对照与低密度处理之间差异不显著(P>0.05),但中、高种植密度处理的失重比例显著(P<0.05)降低,失重比例分别为9.55%±0.85%和11.52%±1.15%,且相互差异不显著(P>0.05)。
由图2还可看出,两个树种的枯落物在种植大球盖菇后的综纤维素及木质素热解阶段的失重比例及失重率特性指标均表现为白桦林大于兴安落叶松林,失重比例和失重率特性指标降幅较大的均为中、高种植密度。
由图3可看出: 3种种植密度的兴安落叶松林枯落物热值均显著(P<0.05)低于对照(12 929.90±4.10)kJ·kg-1,中密度(3 334.25±98.95)kJ·kg-1与高密度(2 998.25±53.75)kJ·kg-1处理的热值又显著(P<0.05)低于低密度处理(10 510.60±345.20)kJ·kg-1,中、高密度处理较低密度处理分别降低了74.21%和76.81%; 兴安落叶松林枯落物的综纤维素活化能在中、高密度处理中分别为(12.06 ±0.22)kJ·mol-1和(12.31±0.9 8)kJ·mol-1,均显著(P<0.05)低于对照的(18.96±0.10)kJ·mol-1,中、高密度处理分别较对照降低了36.39%和35.07%; 低、中、高密度3种处理的综纤维素指前因子分别为(0.63±0.18)min-1、(0.30±0.04)min-1和(0.36±0.18)min-1均显著(P<0.05)低于对照的(1.61±0.08)min-1; 低、中、高密度和对照处理的兴安落叶松林枯落物木质素活化能分别为(22.34±0.03)kJ·mol-1、(17.61±0.10)kJ·mol-1、(20.80±1.04)kJ·mol-1和(21.40±0.12)kJ·mol-1,中密度处理显著(P<0.05)低于其他处理,在其他密度处理及对照之间均无显著(P<0.05)差异。对于兴安落叶松林枯落物的木质素指前因子,中密度(1.72±0.05)min-1及高密度(1.41±0.75)min-1处理显著(P<0.05)低于对照(3.67±0.23)min-1及低密度(4.65±0.01)min-1处理。
由图3还可看出,对照与低密度处理的白桦林枯落物热值分别为(17 360.10±194.20)kJ·kg-1和(16 942.45±279.55)kJ·kg-1,差异不显著(P>0.05),但中密度(3 688.70±46.20)kJ·kg-1和高密度处理(4 848.00±23.80)kJ·kg-1比对照显著(P<0.05)降低了78.75%和72.07%,且中密度处理显著(P<0.05)低于高密度处理。白桦林枯落物的综纤维素活化能在3种密度处理(低密度11.81±0.24 kJ·mol-1、中密度13.73±0.13 kJ·mol-1、高密度14.89±0.01 kJ·mol-1)下均显著(P<0.05)低于对照(17.62±0.10 kJ·mol-1),低密度处理最低,较对照降低了32.97%,且各处理之间彼此差异显著(P<0.05)。白桦林枯落物的综纤维素指前因子为低密度(0.26±0.03)min-1显著(P<0.05)低于中密度(0.44±0.04)min-1、高密度(0.60±0.01)min-1处理及对照(1.14±0.07)min-1。白桦林枯落物的木质素活化能及指前因子均表现为中、高密度种植处理降幅较大,木质素活化能较对照分别降低了11.00%及7.71%,指前因子较对照分别降低了42.20%及32.50%。
图3 兴安落叶松林、白桦林枯落物热值及热解动力学分析Fig.3 Calorific value and pyrolysis kinetics analysis of litter in Larix gmelinii and Betula platyphylla forests
在两种森林中,白桦林枯落物的对照及3种密度处理的热值、木质素的活化能和指前因子均高于兴安落叶松林。在中、高密度下的兴安落叶松林枯落物热值降低较多,中密度白桦林枯落物热值最低且与兴安落叶松林差别不大。不同于兴安落叶松林枯落物的综纤维素活化能及指前因子降低幅度均在中、高密度较大,白桦林枯落物低密度处理的降低幅度最大。两种林分的枯落物木质素活化能和指前因子均为中、高密度降低幅度较大。
3.3.1 燃点及可燃性指数 由图4可看出,兴安落叶松林枯落物在对照(273±1)℃与中密度处理的燃点分别为(273±1)℃和(276±2)℃,两者差异不显著(P>0.05),但两者均显著(P<0.05)高于低密度处理的(266±1)℃,三者均显著(P<0.05)高于高密度处理的(255.5±0.5)℃。兴安落叶松林枯落物对照的可燃性指数为(7.07±0.21)pg·min-1℃-2,显著(P<0.05)高于3种处理,低密度处理为(4.20±0.40)pg·min-1℃-2,又显著(P<0.05)高于中密度的(2.43±0.23)pg·min-1℃-2和高密度处理的(2.48±0.26)pg·min-1℃-2,但后二者无显著(P<0.05)差异。
由图4还可看出,白桦林枯落物对照的燃点为(255±0)℃,显著(P<0.05)低于 3 种密度处理,中密度处理最高,为(276.5±1.5)℃,其显著(P<0.05)高于高密度处理的(272±0)℃,而且这二者显著(P<0.05)高于低密度处理的(264±1)℃。白桦林枯落物的可燃性指数变化趋势与兴安落叶松林相同,对照为(9.82±0.39)pg·min-1℃-2,显著(P<0.05)高于所有3种处理,低密度处理为(8.01±0.44)pg·min-1℃-2,显著(P<0.05)高于中密度处理的(2.10±0.28)pg·min-1℃-2和高密度处理的(2.40±0.20)pg·min-1℃-2,但后二者无显著(P<0.05)差异。
图4 兴安落叶松林和白桦林的枯落物燃点与可燃性指数Fig.4 Ignition point and flammability index of litter in Larix gmelinii and Betula platyphylla forests
在两种森林枯落物的燃点之间,兴安落叶松林的对照和低密度处理的值高于白桦林的值,中密度处理表现为兴安落叶松林的值低于白桦林的值,高密度处理表现为兴安落叶松林的值低于白桦林的值。在可燃性指数方面,对照和低处理时表现为兴安落叶松林低于白桦林,而中、高密度处理时表现为兴安落叶松林高于白桦林。
3.3.2 综合燃烧性指数 兴安落叶松林枯落物的综合燃烧性指数表现为对照最高(图5),为(19.30±0.90)ng2·min-2℃-3,随种植密度增大而逐渐降低,在低和中密度处理均显著(P<0.05)地快速下降,在中密度处理降到(2.56±0.48)ng2·min-2℃-3,高密度处理为(2.41±0.05)ng2·min-2℃-3,下降不显著(P>0.05),3个密度处理较对照分别降低了58.39%、86.74%和87.51%。
白桦林枯落物的综合燃烧性指数的变化趋势与兴安落叶松林相似,只是变化幅度更大,对照处理最高 (图5),为(32.80±0.41)ng2·min-2℃-3,低密度处理较对照显著(P<0.05)降低到(26.60±1.85)ng2·min-2℃-3,在中密度处理的降幅最大并降低到(2.09±0.46)ng2·min-2℃-3,但高密度处理较中密度处理不显著(P>0.05)地轻微增加(2.78±0.46)ng2·min-2℃-3,低、中和高密度处理分别较对照降低了18.90%、93.63%和91.52%。
图5 兴安落叶松、白桦林下枯落物综合燃烧性指数Fig.5 Comprehensive combustion index of litter in Larix gmelinii and Betula platyphylla forests
兴安落叶松林和白桦林的枯落物综合燃烧性指数均在低密度和中密度处理持续地显著(P<0.05)降低,在高密度处理时不显著(P>0.05)地降低或增加; 白桦林的枯落物综合燃烧性指数在对照和低密度处理较兴安落叶松林高,但由于白桦林枯落物的综合燃烧性指数在低密度到中密度阶段大幅快速降低,两种林分的中、高密度处理的综合燃烧性指数非常相近并保持在最低水平。
食用菌分泌的纤维素酶及木质素酶的降解效果随其种植密度不同而不同(Singhetal., 2021),本研究的中、高密度大球盖菇种植使兴安落叶松林和白桦林的枯落物在综纤维素及木质素热解阶段的失重比例均较低,表明综纤维素及木质素含量变低了(Garcíaetal., 2013; Ahmedetal., 2021),即降解效果好,这与孙思琦等(2020)筛选出的纤维素高效降解菌的菌剂通过分泌纤维素酶促进纤维素分解并降低地表可燃物载量的研究结果相似。白桦林地未种植大球盖菇的对照处理的枯落物在综纤维素、木质素热解阶段的失重比例均高于兴安落叶松林,表明白桦林枯落物的综纤维素及木质素含量高于兴安落叶松林枯落物。综纤维素的平均失重率特性指标在中、高密度处理较低,表明这时的样品燃烧剧烈程度降低(高健, 2020; 金森等, 2015)。
综纤维素是枯落物的主要组分且热值较高(Chenetal., 2020; Zamoraetal., 2013),因此在质量相差不大的样品中,综纤维素和木质素含量低时其热值也低(Akhtaretal., 2016; Ahmedetal., 2021)。在本研究里,中、高密度的枯落物综纤维素及木质素含量较低,热值也较低,这与彭徐剑(2012)利用筛选的纤维素菌剂降解可燃物进而降低热值的研究结果一致。降低热值可减少林火发生可能性,降低林火蔓延速度,因为热值越大释放能量越多,火强度越大,燃烧速度越快(Núez-Regueiraetal., 1999),如果遇到丰富的垂直可燃物时火焰高度可能会增加,且沿可燃物梯度引发树冠火的危险变大(李颖等, 2020)。综纤维素、木质素作为枯落物中难分解的成分,对枯落物分解的贡献极高(Margidaetal., 2020),在中、高密度处理时其含量较低,这降低了枯落物的活化能即热稳定性(Guoetal., 2019),且指前因子同样被降低,即在热运动中的分子碰撞频率降低,从而降低了分子反应的剧烈性(金森等, 2015)。
在兴安落叶松林中种植大球盖菇使燃点降低,而在白桦林中种植大球盖菇使燃点升高,说明大球盖菇的种植对不同林分燃点的影响效果不同,可能改变了可燃物的引燃特性(Liodakisetal., 2005)。然而,可燃物的着火性能不仅与其所含成分种类有关,还与其不同成分的含量有很大关系(王新然, 2020),中、高密度处理的枯落物综纤维素及木质素含量较低,这影响了其可燃性,使枯落物的可燃性降低效果较好。综合燃烧性指数全面反映了可燃物从着火到燃尽整个过程的燃烧情况(聂其红等, 2001),本研究结果表明,中、高密度处理的两种森林枯落物综合燃烧性指数较低,其燃烧性差,所以防火效果好。
本研究从林下种植食用菌促进林下经济发展并籍此加速枯落物分解而降低火险的角度,在兴安落叶松林和白桦林对比了大球盖菇3种种植密度对枯落物的热解参数、热解动力学、热值、燃点、可燃性指数以及综合燃烧性指数的影响,评估了大球盖菇种植加速枯落物中综纤维素、木质素分解的作用,探究了其对枯落物燃烧性的影响,表明低、中、高密度种植均能显著(P<0.05)降低枯落物的综合燃烧性指数,但中、高密度种植降低枯落物燃烧性的效果均高于低密度种植,其中兴安落叶松林枯落物的综合燃烧性指数分别降低了86.74%和87.51%,白桦林枯落物分别降低了93.63%和91.52%。未来研究可进一步深入研究大球盖菇种植降低枯落物燃烧性的机理,探究兼顾防火效益与种菇收益的最佳种植密度。