07-08第三章 林火生态

林火生态与管理ForestFireEcologyandManagement林学院牛树奎[e-mail]2020/3/81第三章林火生态ForestFireEcology第一节火与森林环境第二节火与植物第三节火与野生动物第四节火与森林生态系统第五节不同森林生态系统火的影响与作用第六节火与森林景观第七节不同森林生态系统火的影响与作用第八节火与生物多样性03/18/09林火生态(ForestFireEcology)是研究火与森林环境和生物之间相互关系的一门科学。它是现代应用生态学的一个分支，是森林防火、营林用火、生物防火的理论基础。火生态学的内容包括：火对森林环境、野生动物、植物、植物群落、森林生态系统的影响；动物、植物、林分、环境对火的制约作用等等。03/18/09303/18/094第一节火与森林环境Fireandforestenvironment一、火对温度的影响二、火对土壤性质的影响三、火对水分的影响四、火对大气环境的影响火对森林环境的影响的程度取决于火强度的大小和火持续的时间。火影响的环境因子有土壤、温度、水分、空气等。03/18/09一、火对温度的影响（一）火对空气温度的影响1.直接影响火烧时，600℃以上的高温，增加空气温度，但时间很短。2.间接影响是火烧后改变了地面温度的状况而引起的空气温度的改变①植被覆盖度减少，增加光照②木炭吸收热量，增加地面辐射的强度03/18/09603/18/097（二）火对土壤温度的影响1.火对土壤温度的间接影响是指火烧以后土壤温度的改变火烧后，留在地表的灰分和木炭可吸收大量太阳辐射，使土壤温度升高。火烧后，没有了植被的覆盖，阳光直射地面引起的土壤温度的升高。2.火对土壤温度的直接作用火强度越大，土壤温度越高①轻度火,小于75KW/m,土壤表层的温度在100℃以内，对下层土壤的理化性质几乎没有什么影响。②低度火,75～750KW/m,土壤表面100～200℃，距地表1cm深处小于106℃③中度火,750～3500KW/m,土壤表面300～400℃，距地表1cm深处200～300℃；3cm深处60～80℃；5cm深处40～50℃。④高度火,3500～10000KW/m,土壤表面500～750℃，距地表1cm深处350～450℃；3cm深处150～300℃；5cm深处小于100℃。⑤强度火,大于10000KW/m,土壤表面温度大于750℃。03/18/0983.影响因素土壤温度受影响的程度取决于可燃物类型、枯枝落叶的性质、土壤质地、土壤含水量等。（1）可燃物类型：不同可燃物类型燃烧时的土壤温度也不同。草本植物群落的地表温度是150～250℃；灌木植物群落的地表温度是700℃以上；乔木植物群落的地表温度居中。（2）枯枝落叶层的厚度、紧密度、含水率地表枯枝落叶层越厚，可燃物负荷量大，燃烧放出的热量越大；紧密度适中，燃烧速度最快，释放的能量越大；含水率的大小决定着枯枝落叶的燃烧速度或是否能够燃烧。（3）土壤质地、含水率不同的土壤质地有不同的比热和导热率，从而影响土壤的热量的传递的数量和速度。沙土和沙壤土比粘土的传热速度快三倍，所以沙土和沙壤土的土壤温度增加较快。土壤含水率越大，吸收的热量越多，能迅速向下层传递热量。03/18/099二、火对土壤性质的影响几乎每一次火灾都燃烧土壤表面的枯枝落叶，所以林火对土壤的影响很大。火对土壤的影响主要是土壤温度的升高，进而影响土壤的物理性质、化学性质和土壤微生物。火对土壤的影响程度主要取决于土壤类型、土壤的含水率、火强度、火的持续时间等。03/18/091003/18/0911（一）土壤物理性质的变化火对土壤物理性的影响主要表现在土壤结构、土壤侵蚀等方面。1.土壤侵蚀①火烧毁地表枯枝落叶层，增加地表迳流；②坡度、植被盖度、降水强度；③火强度：高强度火会增加土壤侵蚀，而低强度火对土壤侵蚀的影响很小，甚至没有影响。2.土壤结构与通透性火烧对土壤影响最大的是土壤结构的改变。一般来讲，低强度火不会直接影响土壤结构。高强度火可烧毁土壤有机质，破坏土壤的团粒结构。土壤结构的破坏直接影响土壤的通透性。抗水层：火烧土壤表面的枯枝落叶层下面生成一些不溶于水的物质。由于火烧使土壤形成较大的温度梯度，在热的蒸馏作用下，使这些物质向土壤下层扩散，结果在不同的土壤深度，这些不溶于水的物质附着在土壤颗粒的表面，当水分下渗时，就形成了一层不透水的“抗水层”。03/18/091203/18/0913（二）土壤化学性质的变化土壤酸碱度和物质循环是土壤化学的主要特性。火的影响表现为把复杂的有机物质转化为简单的无机物质，并重新与土壤发生化学反应，进而影响土壤的酸碱性和土壤肥力。1.火烧对土壤pH值的影响一般火烧的灰分含有大量的钙、钾、镁等离子，增加土壤的pH值。土壤的pH值增加幅度主要取决于火烧前的可燃物负荷量、火强度、降水量等。降水量大可造成养分流失，降低土壤pH值，与坡度相关多次火烧可是营养元素流失严重，会使土壤pH值降低火烧对土壤pH值的影响一般只作用于巨土壤表层15-20cm的深度。2.火烧对土壤有机质的影响火强度是影响土壤有机质的关键因素。高强度火烧可是土壤有机质全部破坏，进而引起土壤物理、化学、生物过程的改变。低强度火使地表有机质减少，但是下层土壤有机质含量增加。土壤含水量大，温度低，对土壤有机质有保护作用土壤深度，影响递减。如果地表枯枝落叶烧掉50%，土层1cm深处的腐殖质损失20%，2cm深处损失10%。03/18/09143.养分循环氮在火烧后极易挥发（温度、土壤湿度）。N在200℃开始挥发，大于500℃全部挥发。高强度火烧，在干燥条件下氮损失达67%，而湿润条件下为20%。低强度火烧反而使土壤氮有所增加，因为pH值增加导致土壤的固氮能力增强。磷循环：美国南方松林区稀树草原火烧后，地上部分的全磷损失达46%；磷在土壤中速效磷增加，美国西部黄松林计划火烧后，土壤有效磷增加了32倍。钾在土壤中的速效钾含量增加。当土壤温度大于500℃时，钾大量挥发。钙和镁有所增加。也有研究有下降趋势。土壤不同深度上的变化与火强度和火烧后的时间有关。见书98页03/18/091503/18/0916（三）火对土壤微生物的影响土壤微生物是土壤肥力的重要指标之一。土壤微生物的数量的多少直接影响森林生产力。火对土壤微生物的影响表现在两个方面：一是直接影响，火作为高温体直接作用于微生物，使其致死；二是间接影响，火烧改变土壤的理化性质，间接对微生物产生影响。火强度、土壤的通透性、土壤含水量、土壤pH值、土壤温度以及土壤中可利用营养等的变化均影响土壤微生物的种类和种群数量。火强度土壤微生物的抗性：土壤含水率大，降低炕性；真菌比细菌和放线菌反应敏感，见书99页03/18/0917（四）火在改善土壤环境中的应用1.在冷湿条件下，采用火烧能增加土壤温度，促进土壤微生物的活动，加速土壤有机质的矿化过程。2.对于一些不易分解的枯枝落叶，也可采用定期火烧加速其无机化过程。3.在沼泽及高寒地区，如果定期火烧，可以改变土壤的泥炭环境，提高土壤肥力。4.在冻原地带，如果采用火烧会使永冻层下降，扩大森林的分布区。三、火对水分的影响火烧对水的影响是间接的。主要表现在火烧后的植被、地被物、土壤以及生态环境的改变而影响水分循环过程、水质及水生生物等方面。（一）火对水分循环的影响雨水截留（树冠）；土壤渗透（抗水层）；土壤持水和保水性（团粒结构）；积雪（火烧强度和面积）和融雪（黑色吸热）；地表迳流（落叶）；土壤滑坡（水饱和）；土壤干蚀（干旱）03/18/091803/18/0919（二）火烧对河流的影响火烧对下游水域的影响主要表现：增加河流流量增加河流的淤积降低水质（①混浊度；②河水的化学组成）。影响因素：火烧面积的大小、火的强度、土壤类型、河流的大小及其所处的地理位置等对河流都具有较大的影响。（三）火烧对水生生物的影响⒈水温的升高（可增加10℃以上）⒉水质的变化四、火对大气环境的影响（一）燃烧所产生的污染物质⒈二氧化碳⒉一氧化碳火焰内8000ppm；火线周围可达200ppm⒊硫化物⒋臭氧⒌含氮化合物⒍碳水化合物⒎微粒物质（大于0.002微米，小于500微米）5～10ppm属悬浮颗粒，能顺风远距离传播。03/18/0920（二）烟雾1.烟雾的产量大气污染和大气能见度2.烟雾对植物的影响烟雾长时间笼罩，影响光合作用3.烟雾管理计划火烧的时间、条件，烟雾控制标准03/18/09第二节火与森林植物一、火对植物的影响二、植物对火的适应三、火与植物种群03/18/0922一、火对植物的影响火对植物的影响是多方面的，其影响程度取决于火行为（如火蔓延速度、火强度、火烧时间、火周期等），也取决于植物对火的适应能力03/18/0923（一）直接影响1.高温的伤害作用：烧死和烧伤①火烧使草本、灌木植物致死；②火烧掉树木的叶和枝条；③火烧伤树木，烧死树木2.促进作用：主要是种子的释放和萌发①火烧加速植物宿存种子的释放，如王桉；②火烧升温促进植物种子萌发；一些树种火烧后大量萌发③火烧频繁,种子萌发越多；④火烧促进迟开球果开裂，如王桉、扭叶松、北美短叶松03/18/0903/18/0925（二）间接影响火烧对植物的间接影响主要指火烧后环境的改变而引起的火烧迹地上植物所发生的变化。⒈阳性植物增加，阴性植物减少⒉含N植物（需N较多）减少，固N植物（如豆科植物）增加⒊光照充足，喜光浆果类植物增加二、植物对火的适应（一）植物的种子植物的种子对温度有较强的忍耐力大多数植物的种子能耐115-127℃（5min）的高温，并且在这种处理后萌发能力增强。（二）植物叶子⒈叶子的理化性质与抗火性①挥发性油类、树脂，如松类；易燃，抗火性差②灰分、水分，如木荷、落叶松、水曲柳等；难燃，具抗火性⒉丛生叶子对顶芽的保护（叶子的着生位置）⒊叶子对火的适应。火烧后叶子的叶绿素含量增加（自我调节）03/18/092603/18/0927（三）树皮对火的适应（抗火性）⒈厚度⒉结构⒊树皮对芽的保护（四）根的无性繁殖植物根的萌发能力越强，种群对火的适应能力越强。有些树种火烧后能从根部的不定芽产生萌条（根蘖）。地下茎、树干的基部等。（五）火促进植物和树木开花结实1.光照（火烧疏伐）2.土壤C/N增加3.火烧增温三、火与植物种群（一）树种易燃性和树种敏感性树种易燃性是指树种在森林火灾中燃烧的难易程度，主要取决于树种的理化性质和生物学特性树种敏感性是指树种对火的反应，主要是与树木的生命力有关，如白桦两者之间有一定的关联性03/18/0928（二）树种的火生态对策生长在潮湿的环境下休眠芽，如桉树等的萌芽更新树皮增厚，如落叶松叶片含水量大，如阔叶常绿灰分含量大，油脂含量小，如阔叶树球果迟开特性，一些松树03/18/0903/18/0930（三）不同树种的火适应对策澳大利亚的王桉（火后更新）美国的黑松、杰克松（球果迟开）中国樟子松、长白松、油松、马尾松、云南松等（树皮增生和球果迟开特性）红松、华山松等（混交林）落叶松：兴安、长白、华北等（落叶、树皮增厚、）杨、桦（无性繁殖、种子传播）栎类：蒙古栎、辽东栎、麻栎、槲栎、栓皮栎等（无性繁殖）常绿阔叶树（常绿，叶片含水量大）03/18/0931（四）树种对火的适应类型（火对策种类型）1.耐火树种耐火树种是指树木遭火烧后仍具有生存能力的树种。一般耐火树种具有较强的萌芽更新的能力。如樟树、檫树、油茶、桉树、白桦等。2.抗火树种抗火树种是指会林火燃烧和蔓延有较强抵抗能力