云南松林计划烧除地表碳损失量及碳排放量估算

宋灯辉，付迪，黎建强，付钇珊，邢学霞，田原

西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224

近年来，由于大气中CO2浓度增加导致的全球气候变暖已引起全世界的关注，如何降低碳排放则成为全球性重大生态与环境的安全问题（Mbow et al.，2017）。森林是陆地生态系统的主体，也是最大的碳库，森林生长需要吸收大量的CO2，并以生物量的形式固定下来，每年的碳固定量约占整个陆地生物碳固定的2/3（Valliant et al.，2013；Yang et al.，2018），在一定程度上减少了温室气体的累积，在调节全球碳平衡、缓解温室气体浓度上升以及维护全球气候方面有着不可替代的作用（Boer et al.，2020；宋瑞朋等，2022）。

森林火灾对森林碳储量变化有重要影响，不仅把生物碳释放到大气中，而且对土壤碳库也会造成部分损失，经火烧后植被固碳量也会受到影响（张志华等，2008）。森林火灾造成的多重影响，不利于自然生态建设、环境保护以及应对全球气候变暖（Li et al.，2021）。为减少森林火灾发生的频率与强度，“计划烧除”（Prescribed burning）被广泛应用于生产实践中（Wiedinmyer et al.，2010）。计划烧除作为重要的营林措施，是利用低强度火烧的有利方面，烧除林下累积过多的可燃物，改变可燃物的数量和连续性，从而减少在火灾易发地区的特重大森林火灾的潜在发生和程度（马爱丽等，2009；Bradstock et al.，2012；张清等，2016）。然而，计划烧除一方面燃烧过程可以直接导致草灌层、枯落物层和土壤有机质层中的碳以气态的形式损失（Volkova et al.，2021），另一方面引起土壤碳输入、土壤环境及生物因素的改变，从而对土壤碳储存和碳排放产生重要影响（Korontzi et al.，2003；Scharko et al.，2019）。因此，准确评价计划烧除对森林生态系统碳循环的影响，对于提高森林生态系统可持续管理的水平和制定科学有效的林火管理策略等具有重要意义。

目前，有关林火对生态系统碳排放的影响主要集中在森林火灾过程中生物质燃烧释放的含碳痕量气体估算（罗碧珍，2020；胡海清等，2020；罗碧珍等，2023）和土壤生态系统恢复过程中呼吸作用的变化，即火灾后土壤生态系统向大气排放碳量的过程（田晓瑞等，2003；Hu et al.，2016；胡同欣等，2018；孙龙等，2019）。上述研究成果均是基于低频率、高强度的森林火灾对生态系统碳排放的影响。而与森林火灾相比，计划烧除具有强度低和频率高的特点，计划烧除过程中地表碳损失量及含碳气体排放量估算的相关研究还鲜有报道。因此亟待对计划烧除过程中地表碳损失量及含碳气体排放量进行估算，从而准确评价计划烧除过程中的碳排放量。云南松林是云南省主要的乡土树种，约占云南森林总面积的70%，是云南乃至中国西南部最重要的森林资源（邓喜庆等，2013；王秋华等，2018），而且是计划烧除实施的主要对象，因此本研究以云南松林为研究对象，对计划烧除过程中云南松林地地表碳损失量进行估算，研究结果可为定量评估云南松林计划烧除对土壤碳源/汇的影响提供数据支撑，对于森林生态系统可持续管理和林火管理策略的制定具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

研究区位于云南省新平县，地理位置为23°38′15″－24°26′05″N、101°16′30″－102°16′50″E，属温带季风气候区，年平均气温18.1 ℃，年最高气温32.8 ℃，年最低气温1.30 ℃，年降水量869 mm，总日照时数2.84×103h，无霜期316 d。全县有林面积32.0×104hm2，森林覆盖率61%，是滇中重点火险区，也是全国森林火灾高危区（王秋华等，2018）。云南松林是新平县的主要林种，20 世纪80 年代进行的飞播造林，后经疏伐及抚育管理后形成云南松林，林分郁闭度0.85，平均树高15 m，平均胸径16.1 cm，树龄约为30 a。林下植被主要有帽斗栎（Quercus guyavifoliaH. Léveillé）、紫茎泽兰（Ageratina adenophora(Sprengel) R. M. King & H.Robinson）、柯（Lithocarpus glaber(Thunb.) Nakai）、香薷（Elsholtzia ciliata(Thunb.) Hyland.）、斑鸠菊（Strobocalyx esculenta(Hemsley) H. Robinson et al.）等。研究区以一年为一个计划烧除周期，于每年1月下旬至2 月中旬开展计划烧除，已连续10 年以上，计划烧除样地火熏平均高度为1.48 m，为低强度火烧，乔木层保留完整，林下灌木草本稀少，盖度约为10%。

2 研究方法

2.1 样地设置

于2020 年和2021 年在新平县古城街道照壁山，平甸乡磨盘山和扬武镇鲁奎山开展了相关调查和实验。在3 个调查区域，选择自然条件、土壤、坡度、坡向、林相等情况基本一致的计划烧除（prescribed burning，BP）和未实施计划烧除（unburned，UB）云南松林地分别设置6 个20 m×20 m 的样地，在每个样地内于计划烧除前一周内分别设置3 个采样点对草灌层、枯落物层和土壤有机质层的可燃物载量进行调查。于实施计划烧除后一周内，在3 个调查区域计划烧除云南松林地内分别设置3 个20 m×20 m 的样地，在每个样地设置3 个采样点对草灌层、枯落物层和土壤有机质层燃烧剩余量进行调查。

2.2 样品采集

如图1 所示，根据计划烧除和未实施计划烧除样地内灌木、草本分布的均匀程度沿对角线设置3个2 m×2 m 的小样方，对样方内的灌木进行收割称重并取样；同样的方法在样地内设置3 个1 m×1 m的小样方，按草本、枯枝落叶和土壤有机质（包括分解层和半分解层）种类分别收集样方内的草本、枯枝落叶和土壤有机质，称质量并取样，带回实验室进行内业测定及分析。

图1 野外调查样地样方示意图Figure 1 Schematic diagram of sample plot for field investigation

2.3 样品测定及参数计算

2.3.1 可燃物载量的测定

采集得到的草灌层、枯落物层和土壤有机质层样品，在105 ℃烘箱中连续烘干24 h 至质量恒定，用精度0.01 g 的电子称称质量，通过换算得出单位面积内可燃物载量（t·hm-2）。

2.3.2 可燃物碳含量及碳储量的测定

将风干的灌、草层、枯落物层和土壤有机质层可燃物的实验样品粉碎，经100 目（0.15 mm）筛过滤，进行预处理，然后用总碳分析仪（Vario TOC，德国）分别测定草灌层、枯落物层及土壤有机层可燃物全碳（TC）质量分数（%）。可燃物碳储量计算公式为（高仲亮等，2011；Li et al.，2021）：

式中：

Sc——单位面积内可燃物碳储量（t·hm-2）；

M——可燃物载量（t·hm-2）；

Tc——可燃物含碳量（%）。

2.3.3 燃烧效率的测定

燃烧效率是估算计划烧除过程中碳损失量的关键参数，是指燃烧掉物质的量占总质量的比例。通过计划烧除样地调查，并在计划烧除样地内布设标准样地进行采样，对计划烧除后的残余可燃物载量进行调查，计算残余可燃物载量，并结合计划烧除前地表可燃物载量计算可燃物消耗量和燃烧效率（胡海清等，2012）。其计算公式为：

式中：

U——燃烧效率（%）；

Mi——可燃物消耗量（t·hm-2），即计划烧除前可燃物载量-残余可燃物载量；

M——可燃物载量（t·hm-2）。

2.3.4 排放因子测定

排放因子是指可燃物燃烧过程中排放的4 种含碳气体，CO2、CO、CH4和和非甲烷烃（nonmethane hydrocarbons，NMHC）的量占总碳排放量的比值（胡海清等，2012）。排放因子测定通常是采用动态燃烧系统进行测定，应用综合烟气分析仪（KANE，英国）进行含碳气体的连续分析，根据可燃物所排放的某种含碳气体量和可燃物燃烧过程中总碳排放量的比例，计算出不同含碳气体的排放因子。本研究参考胡海清等（Lü et al.，2005；Lu et al.，2011；Wei et al.，2011；Hu et al.，2012；胡海清等，2012）的方法进行测定、计算。其计算公式为：

式中：

Efs——不同含碳气体的排放因子(以 C计)/(g·kg-1)；

Es——可燃物燃烧过程中排放的某种气体量（t·hm-2）；

Ct——可燃物燃烧过程中总碳排放量（t·hm-2）。

2.3.5 总碳排放量计算

本文采用French 等修正后的火灾损失生物量模型（French et al.，2004；胡海清等，2013）对火灾过程中总碳排放量进行计算。其计算公式为：

式中：

Ct——单位面积内可燃物燃烧过程中地表碳损失的总碳量（t·hm-2）；

Ba——地上草灌层可燃物载量（t·hm-2）；

fca——地上草灌层物质的碳所占比重（%）；

Ua——火灾过程中草灌层物质的燃烧效率（%）；

CL——枯落物层碳密度（t·hm-2）；

UL——火灾过程中枯落物层物质的燃烧效率（%）；

Cg——土壤有机质层的碳密度（t·hm-2）；

Ug——火灾过程中土壤有机质层物质的燃烧效率（%）。

2.3.6 含碳气体排放量计算

含碳气体排放量采用排放因子法计算（Lü et al.，2005；胡海清等，2012），其计算公式为：

把公式（4）代入公式（5）可得：

利用公式（6）就可以对可燃物各组分的含碳气体排放量进行计算。

3 结果与分析

3.1 云南松林地可燃物载量及碳储量

3.1.1 云南松林地可燃物载量

计划烧除过程中的可燃物主要包括灌木、草本、枯落物和土壤有机质层，计划烧除林地和未实施计划烧除林地可燃物载量见表1。从表1 可以看出实施计划烧除能有效减少地表可燃物载量，未实施计划烧除林地可燃物载量总和为41.4 t·hm-2，显著（P＜0.05）高于计划烧除林地，其可燃物载量总和为15.6 t·hm-2，经过实施计划烧除林地总可燃物载量减少了62.5%，就可燃物不同组分而言，实施计划烧除林地的草灌层、枯落物层和土壤有机质层的可燃物载量分别为2.27、7.18 和6.10 t·hm-2，显著（P＜0.05）小于未实施计划烧除林地各组分可燃物载量，未实施计划烧除林地草灌层、枯落物层和土壤有机质层的可燃物载量分别为4.32、15.9 和21.2 t·hm-2；实施计划烧除林地草灌层、枯落物层和土壤有机质层的可燃物载量比未烧除林地分别减少47.5%、54.9%和71.2%。

表1 云南松林地可燃物载量Table 1 Fuel load per unit area of Pinus yunnannensis forests

3.1.2 云南松林地地表可燃物含碳量及碳储量

实施计划烧除和未烧除云南松林地可燃物含碳率和碳储量分别见表2 和图2。由表2 可以看出实施计划烧除和未烧除云南松林地可燃物含碳率介于44.1%－51.4%，平均值为48.9%。2 种林地草灌层和枯落物层含碳率无显著差异（P＞0.05），而地表有机层含碳率差异显著（P＜0.05）。2 种林地不同组分可燃物含碳率表现为草灌层＞枯落物层＞土壤有机质层。

表2 云南松林地可燃物含碳率Table 2 Carbon content of fuel of Pinus yunnannensis forests

图2 云南松林地可燃物碳储量Figure 2 Carbon storage of fuel of Pinus yunnannensis forests

可燃物碳储量与可燃物载量及含碳率关系密切，从图2 可以看出实施计划烧除显著减少了林地地表碳储量。实施计划烧除林地地表碳储量为7.61 t·hm-2，显著（P＜0.05）小于未烧除林地，其地表碳储量为19.5 t·hm-2，实施计划烧除的林地地表碳储量比未实施计划烧除林地减少了60.9%。计划烧除林地草灌层、枯落物层和土壤有机质层的碳储量分别为1.16、3.55 和2.90 t·hm-2，分别比未烧除云南松林地减小47.8%、55.1%和69%。

3.2 云南松林计划烧除过程中燃烧效率及总碳排放量估算

3.2.1 云南松林计划烧除过程中燃烧效率

云南松林计划烧除过程中不同组分的可燃物载量、燃烧剩余量、烧损量和燃烧效率见表3。由表3 可以看出，计划烧除过程中烧毁了一定量的地表可燃物，地表可燃物烧损总量为4.62 t·hm-2，以枯落物层烧损量最高为2.95 t·hm-2，草灌层次之，其烧损量为1.28 t·hm-2，土壤有机质层烧损量最小，为0.39 t·hm-2。云南松林计划烧除燃烧效率平均为34.6%，不同组分燃烧效率介于6.4%－56.4%，其中以草灌层燃烧效率最高，为56.4%，其次为枯落物层，燃烧效率为41.1%，而土壤有机质层燃烧效率仅为6.4%。

表3 云南松林计划烧除过程中燃烧效率Table 3 Fuel combustion efficiency of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

3.2.2 云南松林计划烧除过程中总碳排放量

计划烧除过程中不同组分碳排放量见图3。由图3 可以看出，云南松林计划烧除过程中碳排放量总和为0.24 t·hm-2，其中以枯落物层燃烧过程中碳排放量最高，为0.15 t·hm-2，占总碳排放量的63.5%，草灌层燃烧过程中碳排放量为0.07 t·hm-2，占总碳排放量的28.5%，土壤有机质层燃烧过程中碳排放量最小，为0.02 t·hm-2，仅占总碳排放量的8.1%。

图3 云南松林计划烧除过程中总碳排放量Figure 3 Total carbon emission of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

3.3 云南松林计划烧除的含碳气体排放因子及排放量估算

不同组分的可燃物排放含碳气体的排放因子见表4。由表4 可以看出CO2排放因子以土壤有机质层最高为3.43×103g·kg-1，草灌层次之，为3.36×103g·kg-1，而枯落物层最低，为3.02×103g·kg-1；土壤有机质层和枯落物层CO 排放因子相当，分别为219 g·kg-1和216 g·kg-1，草灌层最低，为177 g·kg-1；CH4排放因子范围为7.60－10.6 g·kg-1，以土壤有机质层最高；草灌层、枯落物层和土壤有机质层NMHC 排放因子分别为6.80、5.90 和5.60 g·kg-1。计划烧除过程中各层次含碳气体排放量均以CO2最高，不同层次CO2排放量以枯落物层最高，为439 kg·hm-2，其次为草灌层，排放量为220 kg·hm-2，土壤有机质层为63.6 kg·hm-2，分别占各层次总含碳气体碳排放量的94.6%，92.9%和93.6%。

表4 云南松林计划烧除过程中含碳气体排放因子及排放量Table 4 Main Carbonaceous gases emission factors and emission of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

计划烧除过程中含碳气体排放总量见图4。从图4 可以看出云南松林计划烧除过程中主要含碳气体排放量总量为773 kg·hm-2，其中CO2、CO、CH4和NMHC 排放总量分别为723、47.1、1.90 和1.41 kg·hm-2，分别占主要含碳气体排放总量的93.5%，6.1%，0.3%和0.2%。

图4 云南松林计划烧除过程中含碳气体排放总量Figure 4 Total main Carbonaceous gases emission of prescribed fire in Pinus yunnannensis forests

4 讨论

4.1 计划烧除对云南松林地碳储量和碳排放量的影响

计划烧除作为一种实用、可行的营林措施，具有操作简单、成本低、速度快等优点，计划烧除利用林火中有利的方面，减少林下地表过多的可燃物，烧除导致森林火灾发生的可燃物条件，起到预防森林火灾的作用（Scharko et al.，2019），从而降低森林火灾发生的频率和强度，使其充分发挥在生态系统中的生态作用，为森林可持续管理提供科学合理的路径（Volkova et al.，2021）。本研究表明实施计划烧除的云南松林地可燃物载量比未实施计划烧除林地减少62.5%，这与张文文等（2022）研究的计划烧除对云南松林地表可燃物烧除率达62%左右的结果相近，表明低强度、高频率的计划烧除能够有效降低林下可燃物的积累，并且实施计划烧除后林地可燃物在计划烧除过程中发生碳化，燃烧效率降低，即使发生火灾也很难演变为树冠火。从研究结果来看，未实施和实施计划烧除的林下可燃物含碳率差异并不大，但实施计划烧除的土壤有机质层含碳率比未实施计划烧除林地高，其原因是林下草灌层和枯落物层可燃物烧损后变成细小颗粒和灰分落入土壤有机质层所致（高仲亮等，2011），且不同组分的含碳率结果与国内外研究结果相近（田晓瑞等，2003；胡海清等，2012；魏书精等，2014）。虽然计划烧除能够有效降低林下可燃物的积累，但是计划烧除也在一定程度上减少了林地地表的碳储量。长期实施计划烧除林地地表碳储量仅为7.61 t·hm-2，比未实施计划烧除林地减少了60.9%，主要是计划烧除后林地可燃物储量显著减少所致。此外，计划烧除后林地水土流失增加，林地土壤有机质层冲刷严重（赵雨田等，2021），也会造成地表碳储量减小。因此科学合理的计划烧除能够有效降低林下可燃物载量，是森林可持续管理和林火管理的一种重要手段，但是计划烧除不利于地表碳的储存，会造成一定程度的森林碳库的损失。

国内外对火灾过程中总碳排放量模型进行了一系列的研究，提出了多个总碳排放量模型（Seiler et al.，1980；Levine et al.，1995；Kasischke et al.，1995），然而估算的单位面积内碳损失量会小于实际单位面积内碳损失量，因为其忽略了地上枯落物层和地表有机层的物质对碳损失量的贡献。计划烧除过程是在林下水平上进行燃烧的，其可燃物在空间上主要包括草灌、枯枝落叶、土壤有机质等，为了计量计划烧除过程中碳排放量，本研究将可燃物分为3 个层次分别计量，分别测定了各层的碳排放计量参数，理论上更精确地对计划烧除过程中碳排放量进行了估算。计划烧除过程中总碳和含碳气体排放量的计量模型中涉及到一系列的计量参数，涉及到可燃物载量、可燃物碳含量、燃烧效率等（魏书精等，2014），在实际计量中还受火灾强度、火烈度、气象条件等因子的影响（魏帽等，2022）。然而，仅仅通过模型手段或估测会导致计量结果的不确定性（French et al.，2000；胡海清等，2012；冯东阳等，2017），因此为了更精确地测定计划烧除过程中碳排放的计量参数，本研究通过野外计划烧除迹地调查与室内控制实验相结合的方法确定了各计量参数。计划烧除作为预防森林火灾的林火行为，是森林生态系统重要的干扰因子，计划烧除过程中含碳气体的排放对区域碳平衡及碳循环产生重要影响（胡海清等，2012；魏书精等，2014）。研究区云南松林单次计划烧除过程中排放的总碳量为0.24 t·hm-2，含碳气体排放量CO2、CO、CH4和NMHC 分别为723、47.1、1.90 和1.41 kg·hm-2。森林是陆地表面最大的碳库，具有碳汇功能（曹吉鑫等，2009），而且森林具有吸收大气CO2，缓解气候变化的作用（刘魏魏等，2016），然而计划烧除不仅造成了地表的碳损失，而且烧除过程中还向大气排放含碳气体，导致森林碳汇效应降低，对区域碳平衡及碳循环产生重要影响。

4.2 计划烧除对云南松林碳汇的影响

森林火灾干扰作为森林生态系统重要的干扰因子，通过破坏森林的碳汇功能和向大气中排放含碳气体，从而对区域乃至全球的碳循环与碳平衡产生重要影响。据统计，全国森林火灾年均排放碳量为1.10 t·hm-2，年均森林火灾各含碳气体排放量CO2、CO、CH4和NMHC 分别为3.55×103、226、14.6 和7.17 kg·hm-2（Lü et al.，2006；魏书精等，2014），计划烧除过程中年均排放量约占全国年均森林火灾排放碳量的21.8%，含碳气体排放量CO2、CO、CH4和NMHC 分别占全国年均森林火灾各含碳气体排放量的20.4%，20.9%，13%和19.6%。由此可见，计划烧除过程中排放的总碳和含碳气体远少于森林火灾。全球气候逐渐变暖是全世界公认的事实（Mbow et al.，2017），全球气候变暖不仅为森林火灾直接提供了气象条件，而且为其间接提供了可燃物条件及火源条件。有研究表明随着全球气温不断升高，森林火灾发生的强度和频率也会随之升高，各种预测模型也显示，未来随着全球气温升高，森林火灾干扰发生的强度和频率将增加（胡海清等，2012；Pellegrini et al.，2018），如何降低森林火灾发生的强度和频率则成为森林可持续管理中的关键问题。因此，计划烧除是森林生态系统可持续管理和林火管理的一种重要营林措施，是降低森林火灾发生频率和强度的有效措施，更是一种以小规模泄漏代替重特大森林火灾造成大量碳排放的森林管理模式（Wiedinmyer et al.，2010）。

5 结论

以云南松林为研究对象，通过对草灌层、枯落物层及土壤有机质层可燃物载量的调查和含碳率的测定，对计划烧除对地表可燃物载量和碳储量的影响进行了研究，并在此基础上通过对计划烧除燃烧效率、含碳气体排放因子的测定，对计划烧除过程中总碳和含碳气体的排放量进行了估算。研究结果表明：

1）计划烧除能够有效降低林下可燃物的积累，实施计划烧除的云南松林地可燃物载量比未实施计划烧除林地减少62.5%。

2）计划烧除显著减少了林地地表碳储量，长期实施计划烧除林地地表碳储量仅为7.61 t·hm-2，比未实施计划烧除林地减少了60.9%。

3）云南松林计划烧除过程中主要含碳气体排放量总量为773 kg·hm-2，其中CO2、CO、CH4和NMHC 排放总量分别为723、47.1、1.90 和1.41 kg·hm-2。

4）计划烧除过程中总碳排放量和含碳气体排放量显著小于森林火灾，是一种以小规模泄漏代替重特大森林火灾造成大量碳排放的森林管理模式。