长江黄河上游高寒退化森林火烧迹地研究进展及建议

李 勋，张 艳，彭 彬

（四川民族学院高原地区生态修复与特色产业培育研究中心&川藏滇青林草抚育和利用研究中心 四川，康定626001）

甘孜藏族自治州（简称甘孜州）高寒森林地处青藏高原东南部边缘地带，四川省西部，是长江中上游重要的水土保持区域和水源涵养地。主要分布于海拔3000m 以上，多为亚高山暗针叶林、山地针阔叶混交林以及亚高山落叶阔叶林。该地区每年11月至次年4月低温且冻融循环频繁，植被生长期短，土壤发育缓慢，属于脆弱生态系统的典型地区。“十三五”期间，甘孜州人工造林1.90×104km2，封山育林3.08×104km2，森林抚育10.73×104km2。森林覆盖率达35.02%，森林面积达5.36×106km2，森林蓄积量达4.84×108m3，州内各县森林面积占比如图1。森林覆盖率提高的背后，暗含着森林火灾增多风险。

图1 甘孜州各县占全州森林面积百分比图

自20世纪70年代以来，四川省的森林火灾发生次数和受灾面积均为全国前列，四川森林火灾高危区县市区占全国23.18%（《全国森林防火规划（2016～2025年）》），其中甘孜州又是四川省火灾发生最频繁的区域。甘孜州高寒森林土壤层浅薄且大多来自地上部分凋落物形成的有机物质，林内可燃物负荷量也远超其他地区。2011年～2019年期间，甘孜州发生110次森林火灾。其中，重大火灾3 次，较大火灾46 次，一般火灾61 次，受害森林面积2923.63km2，火场面积5623km2（甘孜州农牧农村局）。在州内主要集中于森林覆盖率较高的雅江县、九龙县、稻城县。其中雅江县在2011～2019年发生火灾22 次，重大火灾3次，州内各县森林火灾发生情况如图2。这些频繁发生的林火致使甘孜州境内天然林资源大幅锐减，高寒森林生态系统遭到严重破坏。同时，作为森林生态系统常见的影响因子，林火去除了林冠层、地表植被和凋落物层，使土壤直接暴露在自然环境中，改变了土壤的物理、化学性质，增加了土壤可蚀性和地表径流量，且由于甘孜地区地处高寒地带，土层薄，土壤结构松散，极易发生大面积泥石流，大量土壤养分随雨水径流等方式流失[1]。因此，森林火灾已成为甘孜地区高寒森林生态系统可持续经营的重要限制因子。

图2 甘孜州2011～2019年森林火灾发生情况

1 植被多样性对林火干扰的响应

在火灾林地的治理以及恢复过程中，选择或者筛选高效的先锋建群树种能够有效减少群落演替时间[2]。近年来较多学者发现通过集约造林的方式恢复的退化森林生态系统，在生物多样性以及生态系统稳定性等方面出现降低的现象，因此火烧迹地退化森林治理一般采取林地植被自然更新的方式。在发生林火3年后调查发现，林地内草本灌木的多样性以及均匀度指数均随森林火烧强度（即火烈度）的升高而表现出降低的趋势，而林地内植物的优势度指数则呈现出增加的变化趋势[3]。在这些优势物种中，一部分本地原生或者引进栽培到本地，且高度适应高寒环境的一类树种，被称为乡土树种（Indigenous species）,这些树种能够体现地域特色，具有相应的地区文化内涵，本地群众和林业部门对其生长习性有一定了解，具备较好的培育及养护经验，常作为本地区林业的先锋树种。

与外来树种相比，以乡土树种作为退化林地的先锋恢复树种具有极大优势。一方面由于其本身在当地生长良好，适应性强，不存在生态危险；另一方面，乡土树种能够有效保留乃至提升人工林土壤的水分以及和养分含量，减弱林地内土壤的侵蚀程度[4]，也能够增加林地土壤微生物种群数量和多样性[5]。近年来，乡土树种已成为干旱和高寒地区森林生态系统恢复中的重要植物资源。常明等[6，7]对我国西南亚热地区退化程度较为严重的森林生态系统内34 个乡土树种的应用价值以及恢复潜力进行了评估，研究发现与外来树种相比，先锋乡土树种的种子萌发率、种子存活率以及树种的早期生长指标等均表现出更强的优势，而在演替中期以及掩体后期部分乡土树种的生长特性也优于外来树种，这些先锋乡土树种通过改良土壤理化性质加快了森林火烧迹地的演替恢复进程。李捷等[8，9]研究了火灾发生后阔叶林地与针叶林地内土壤的理化性质差异，发现针叶林地内土壤的碳氮比高于阔叶林地以及两者组成的混交林。针叶林凋落物的碳氮含量较高，树种和枯枝落叶中含有易燃油和有机化合物，会增加火势，而硬阔叶林产生的易燃枯枝落叶和木屑较少，不易引起森林火灾或火势较小。目前，国内外关于森林火烧迹地养分循环及地力维护相关的研究主要侧重于林火发生对土壤C 库、土壤N、P 循环以及植被更新等[10]，而对于火烧迹地背景下，先锋乡土树种对林下植物多样性的影响及机理还不清楚。

2 土壤理化性质对林火干扰的响应

森林火灾对林地内土壤理化因子的作用主要与火灾因子（火烈度、林火发生的频率以及林火发生后恢复的年限）有直接关系。轻度火烧对植被演替有促进作用，而中度/重度林地自然恢复年限需要15～30年。高强度林火可充分燃烧有机质，C、N 元素在200℃～500℃时挥发损失，造成土壤C 元素挥发损失[9]和全氮含量增加[11]，从而导致土壤碳氮比明显降低，但是随着火后恢复年限的延长，土壤碳氮比逐渐提升[12]。火后初期，部分挥发温度较高的土壤养分（如P）的有效性和含量增加，从而有利于植被更新[13]。然而，高强度和高频率的森林火灾导致地面大面积裸露，林地表面的径流和侵蚀造成养分分配格局的转变，这对森林生态系统的植被群落以及养分组成具有长期的负面影响[9]。火烧发生8年后土壤全氮和速效氮分别了减少19.7%和9.5%[14]。火烧31年后土壤全氮(TN)才恢复到火烧前水平[15]。土壤养分的再分配因其自身性质而异，一般来说，小型土壤团聚体对土壤C与N有更好的保护作用[16]。作为影响火灾后土壤养分的主要因素之一，不同植被类型在化学特征、生产力和凋落物分解率方面存在明显差异，导致火灾后对土壤碳、氮、磷反馈的影响不同。与针叶树相比，落叶阔叶树生长更快，叶片中氮、磷含量更高，凋落物分解速度更快。高强度森林火灾会分解土壤团聚体，火灾后裸露的土壤受到雨水冲刷和风的搬运侵蚀[17]，导致土壤大粒径团聚体增加，土壤小粒径团聚体占比降低，从而改变土理化性质。森林火灾还能够通过改善隔水层的形成和灰沉积，导致地表径流和土壤表面侵蚀[18]，增加养分流失和生态化学计量学的重新分布，从而降低土壤的持水能力。

3 展望

我们前期发现土壤动物及植物群落结构、乡土树种的种类与林地内树种的养分归还特征息息相关[19,20]，树种的差异以及森林生态系统环境的改变（如发生林火）将通过影响林下生物群落结构的差异影响土壤肥力的提升。这些研究结果给予的启示是，林火发生后土壤养分的差异影响更新植被的多样性及生物量等，对提升火烧迹地的生物多样性具有重要现实意义。现在的科学问题是：目前，在高寒森林生态系统中，尽管现有研究对火烧迹地的林下植被的季节变化动态进行了报道[21]，探讨了火后植物的演替[9,22]等。但仍是从整体植物群落演替及对土壤的作用机理入手，但由于缺乏与非火烧区域的对比，对高寒地区火烧迹地林下更新植被的生物多样性变化特征仍然不清楚[23-25]。因此亟待筛选适宜甘孜州高寒地区的防火树种，充分利用乡土植物资源，促进退化林地修复，对提高长江黄河上游高寒地区水土保持和水源涵功能有重要意义。