林火对毕节岩溶山区土壤与种子萌发的生态效应及防火植物研究

发布时间：2020-10-19 08:35

　　 林火是世界森林中广泛存在的干扰因子,对自然生态系统的组成和分布有重要作用。它能影响包括寒带、温带和热带在内的森林、泥炭地、灌木和草地等全球多种植被类型。林火可在短时间内使大面积植被荡然无存,使生态系统的过程和功能发生剧烈改变,增加碳排放,改变全球气候。据统计,全世界每年有1000万hm~2林地受到林火的影响。随着全球气候变化,极端高温、干旱天气事件增多,科学家们纷纷预测世界范围内的林火可能会持续爆发,林火的发生起数和受害森林面积也可能增加。喀斯特环境极其脆弱,受干扰后极易形成石漠化。地表植被的覆被状况对喀斯特环境的石漠化进程有重要影响。一旦形成石漠化,在裸露的基岩上,植物根本无法生长。而植被退化,又反过来影响气候水文条件,可能使植被的生长条件变得更为严酷,加速石漠化进程。因此,当脆弱的岩溶生境遇上频繁的林火干扰,林火的生态效应研究变得尤为重要。以贵州为中心的我国西南部喀斯特区是世界上连片裸露碳酸盐岩面积最大的地区。同时,贵州也是国内历年来森林火灾次数最多、受害面积最大的省区之一。脆弱的岩溶地质背景加上频繁的林火干扰,使得该区的生态平衡面临严峻挑战。为了解林火对岩溶山区土壤及种子萌发的生态效应,并为林火管理提供决策依据,本文以贵州省西北部毕节岩溶山区为例,研究了以下问题:(1)林火对森林土壤养分及酶活性的影响;(2)伴随林火产生的相关因子(高温、植物燃烟)对种子萌发的影响;(3)在研究区内是否能找到阻火性较强的乡土防火植物以构建生物防火林带?主要研究结果如下:(1)火烧干扰在短时间内会导致土壤温度显著升高,并且随着土层加深,温度升高的幅度减小。在土壤养分方面,火烧后短期内土壤碱解氮和氨氮的含量显著提升,而有机质、硝态氮、全氮、全磷、有效磷、速效磷、速效钾的含量无显著变化。火烧后短期内,除土壤酸性磷酸酶活性显著提升外,脲酶、纤维素酶、β-葡糖苷酶、蔗糖酶活性均无显著变化。研究结果表明:火干扰在短时间内使土壤中碱解氮和氨氮的含量增加,而对其余的有机质、硝态氮、全氮、全磷、有效磷和速效钾无显著影响。同时,火干扰显著提升土壤酸性磷酸酶活性,而对土壤脲酶、纤维素酶、β-葡糖苷酶、蔗糖酶活性无显著影响。(2)参与试验的11种种子中有7种(火棘、粉叶栒子、朝天罐、烟管头草、鬼针草、柳叶斑鸠菊、丝茅)成功萌发。不同温度和时间处理对不同植物种子萌发的影响不同。当热击时间为5min时,在较低温度(70℃)处理下,烟管头草和丝茅种子萌发率显著提高,而火棘种子萌发率显著降低,其余4种种子萌发率无显著变化。随着温度继续升高到100℃时,烟管头草、朝天罐、鬼针草和柳叶斑鸠菊不再萌发。只有丝茅能够耐受150℃的热击,而火棘和粉叶栒子在120℃以上处理下均不再萌发。当热击时间为10min时,除丝茅能够耐受100℃处理外,其余所有植物均只能耐受70℃以下的温度处理。这表明:热击温度的高低以及热击时间的长短均极显著影响种子的萌发,但高温热击后导致种子萌发率提高的热冲击效应在被试物种中并不普遍;伴随林火产生的高温一旦超过70℃持续热击10min,就会抑制绝大部分被试植物种子的萌发。(3)在不同浓度烟水溶液处理下,不同植物的种子萌发响应不同。在较低浓度(1/1000)处理下,火棘种子萌发率显著提高,而其余植物种子萌发率无显著变化。随着烟水溶液处理浓度升高,朝天罐、丝茅的种子萌发率均不同程度提高,而柳叶斑鸠菊的种子萌发率逐渐降低。粉叶栒子的萌发率在任何浓度烟水溶液处理下均无显著变化。除粉叶栒子和柳叶斑鸠菊外,其余5种植物在所设置的6个浓度烟水溶液处理中,均存在着相对效果最佳的处理浓度。这表明:植物源烟对大部分被试植物种子的萌发具有促进作用。(4)在高温下热击20min时,种子库萌发幼苗无显著差异,随着热击时间延长(30min以上),种子库萌发幼苗的密度显著降低。在烟水溶液处理下,种子库萌发幼苗密度有所提高,但未达到统计学差异。就单个物种而言,热击和烟水溶液处理对各物种的影响不同。在烟水溶液处理下,种子库萌发幼苗的种类数和香农多样性指数均显著增加,而热击50min以上,将显著降低种子库萌发幼苗的种类数,同时显著提高萌发幼苗的均匀度指数。在高温下热击较短时间(30min以下),热击并不能影响种子库萌发的起始时间;但随着热击时间延长(50min以上),种子库幼苗萌发起始时间显著延迟;在热击较短时间(20min)与烟水溶液同时处理下,种子库幼苗萌发起始时间显著延迟。但单独热击、烟水溶液处理及二者同时处理均不能影响种子库萌发的持续时间。说明:烟水溶液处理会提升种子库萌发的幼苗数和物种多样性,而100℃热击20min以上则会降低种子库萌发的幼苗数;高温热击与植物源烟水溶液同时处理时,热击占主导作用,且可能对种子库萌发产生叠加的负效应,比热击单独作用时的抑制作用更强。(5)与阻火性相关的4个理化性质指标在被试的9种植物叶片间有显著差异。云南杨梅和珍珠荚蒾的灰分含量最高,而茅栗、椭圆叶越桔和小叶女贞最低;小叶女贞、茅栗和粉叶栒子的着火时间最长,而火棘、杉木和杜鹃最短。燃烧热值最高的是茅栗、椭圆叶越桔和小叶女贞,其次是杉木、粉叶栒子和火棘,最低的是云南杨梅。运用PCA分析与TOPSIS分析相结合的方法得出9个树种叶片的阻火性大小依次为:云南杨梅(阻火性最强)、椭圆叶越桔、小叶女贞、粉叶栒子、茅栗、珍珠荚蒾、杜鹃、火棘、杉木(阻火性最弱)。结果表明,云南杨梅、椭圆叶越桔的阻火性较强,而火棘、杉木属于较易燃的植物,与前人研究基本吻合。说明利用主成分分析(PCA)结合加权逼近理想解排序分析法(TOPSIS)能对植物的阻火性进行合理评判。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S762
【部分图文】：

西南大学博士学位论文尤其是对土壤性质和土壤动物的影响完全不同。因此，自然火和火替代研究（Fireand Fire Surrogate, FFS）结果建议人类应尽可能在可控范围内保留一些林火（Mciver et al., 2013）。林火可通过直接或间接影响生物环境而诱导植被变化（Sousa, 1984; Buhk &Hensen, 2006）。在经常发生林火的生态系统中，许多植物进化出了一些适应火环境的特征，使得他们不仅能在火后幸存，而且能长得更好，有的甚至成为依赖火而生存的植物（Sousa, 1984；Everson & Tainton, 1984）。如：山杨（Populusdavidiana）、菅草（Themeda triandra）、Geranium bohemicum 以及 G. lanuginosum 等（Ghebrehiwot et al., 2009; Risberg & Granstr m, 2009）。物种对火的适应可被看作是形态学和行为学的进化，使物种得以繁殖和持续发展。与火相关的更新策略，包括形态学和生理学特征，如繁殖体生产策略（种子、分蘖和根茎）能使物种在火后得以存活、萌发、分蘖和开花（Zacharias,1988）。研究与火相关的更新策略，对于预测和理解火后植被的恢复及变化十分重要。因此，加强对本地植物在林火影响下的种子萌发和幼苗建成规律的认识，具有重要意义。

图1-2. 2005-2012年野火与生态地理区分布Figure1-2. Wildfire distribution and ecological zones in 2005-2012注：a. 野外发生的火灾分布 Wildfire distribution; b.卫星连续监测到的野火 Continuous hotspots for wildfires. R0为无植被分布区域R0 means no vegetation region. 摘自田晓瑞 等（2015）。Cited from Xiaorui Tian et al. (2015).1.1 林火对森林土壤性质的影响火对土壤的影响可分为物理、化学和生物三个方面。在物理影响方面，林火产生的高温以及火后植被覆盖度的减少必然会引起土壤密度、孔隙度、分散系数及容重等物理性质的变化；在化学方面，由于燃烧释放了植物体和枯落物中的养分元素，这也必然导致土壤的有机质含量、氮含量、钾含量等化学元素发生变化；而与此同时，土壤酶的活性也将会发生改变。然而，对于火后土壤的响应方式，目前并没有太多一致的结论。1.1.1 林火对土壤物理性质的影响土壤的物理性质关系到土壤的保水能力、通气状况等，影响到植物的生长和土壤动物微生物的生存。Bowker 等（2004）研究发现美国大草原火烧后土壤会发

第 1 章 文献综述中对种子萌发具有促进效应的物质可能是氮氧化物（Keeley & Fotheringham, 1997;Malakoff, 1997）。然而，2003 年 Light 等报道氮氧化物对种子萌发没有促进作用，从而否定了氮氧化物为燃烟中的活性物质这一假说。2004 年，Flematti 等研究发现，植物燃烟中的主要萌发活性物质是丁羟烯酸内酯（butenolide），后又命名为 KAR1（Karrikinolide 1，卡里金 1）。至此，掀起了一场燃烟种子生态学研究的新篇章。然而，在研究澳大利亚的一种植物（曼氏袋鼠爪属）对火的响应时发现，该属大多数植物种子对燃烟都有响应，但是对卡里金（KAR）却没有反应。这说明烟雾中不止卡里金一种萌发刺激物，可能还存在另外的萌发刺激物。2011 年，Flematti等发现，这种能够促进曼氏袋鼠爪属植物种子萌发的活性物质的确不是卡里金，而是燃烟中的另外两种化学物质——氰醇类物质和 2,3 -二基丙腈。同时，研究者陆续发现烟气中的其他化合物也有促进种子萌发的效应，比如：KAR2、KAR3、KAR4、独脚金内酯、香豆素、吡喃酮等。其作用过程见（图 1-3）（Nelson et al., 2012）。
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本文编号：2846980