林火是世界森林中廣泛存在的干擾因子,對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的組成和分布有重要作用。它能影響包括寒帶、溫帶和熱帶在內(nèi)的森林、泥炭地、灌木和草地等全球多種植被類(lèi)型。林火可在短時(shí)間內(nèi)使大面積植被蕩然無(wú)存,使生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程和功能發(fā)生劇烈改變,增加碳排放,改變?nèi)驓夂�。�?jù)統(tǒng)計(jì),全世界每年有1000萬(wàn)hm~2林地受到林火的影響。隨著全球氣候變化,極端高溫、干旱天氣事件增多,科學(xué)家們紛紛預(yù)測(cè)世界范圍內(nèi)的林火可能會(huì)持續(xù)爆發(fā),林火的發(fā)生起數(shù)和受害森林面積也可能增加�？λ固丨h(huán)境極其脆弱,受干擾后極易形成石漠化。地表植被的覆被狀況對(duì)喀斯特環(huán)境的石漠化進(jìn)程有重要影響。一旦形成石漠化,在裸露的基巖上,植物根本無(wú)法生長(zhǎng)。而植被退化,又反過(guò)來(lái)影響氣候水文條件,可能使植被的生長(zhǎng)條件變得更為嚴(yán)酷,加速石漠化進(jìn)程。因此,當(dāng)脆弱的巖溶生境遇上頻繁的林火干擾,林火的生態(tài)效應(yīng)研究變得尤為重要。以貴州為中心的我國(guó)西南部喀斯特區(qū)是世界上連片裸露碳酸鹽巖面積最大的地區(qū)。同時(shí),貴州也是國(guó)內(nèi)歷年來(lái)森林火災(zāi)次數(shù)最多、受害面積最大的省區(qū)之一。脆弱的巖溶地質(zhì)背景加上頻繁的林火干擾,使得該區(qū)的生態(tài)平衡面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了解林火對(duì)巖溶山區(qū)土壤及種子萌發(fā)的生態(tài)效應(yīng),并為林火管理提供決策依據(jù),本文以貴州省西北部畢節(jié)巖溶山區(qū)為例,研究了以下問(wèn)題:(1)林火對(duì)森林土壤養(yǎng)分及酶活性的影響;(2)伴隨林火產(chǎn)生的相關(guān)因子(高溫、植物燃煙)對(duì)種子萌發(fā)的影響;(3)在研究區(qū)內(nèi)是否能找到阻火性較強(qiáng)的鄉(xiāng)土防火植物以構(gòu)建生物防火林帶?主要研究結(jié)果如下:(1)火燒干擾在短時(shí)間內(nèi)會(huì)導(dǎo)致土壤溫度顯著升高,并且隨著土層加深,溫度升高的幅度減小。在土壤養(yǎng)分方面,火燒后短期內(nèi)土壤堿解氮和氨氮的含量顯著提升,而有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、全氮、全磷、有效磷、速效磷、速效鉀的含量無(wú)顯著變化�；馃蠖唐趦�(nèi),除土壤酸性磷酸酶活性顯著提升外,脲酶、纖維素酶、β-葡糖苷酶、蔗糖酶活性均無(wú)顯著變化。研究結(jié)果表明:火干擾在短時(shí)間內(nèi)使土壤中堿解氮和氨氮的含量增加,而對(duì)其余的有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、全氮、全磷、有效磷和速效鉀無(wú)顯著影響。同時(shí),火干擾顯著提升土壤酸性磷酸酶活性,而對(duì)土壤脲酶、纖維素酶、β-葡糖苷酶、蔗糖酶活性無(wú)顯著影響。(2)參與試驗(yàn)的11種種子中有7種(火棘、粉葉栒子、朝天罐、煙管頭草、鬼針草、柳葉斑鳩菊、絲茅)成功萌發(fā)。不同溫度和時(shí)間處理對(duì)不同植物種子萌發(fā)的影響不同。當(dāng)熱擊時(shí)間為5min時(shí),在較低溫度(70℃)處理下,煙管頭草和絲茅種子萌發(fā)率顯著提高,而火棘種子萌發(fā)率顯著降低,其余4種種子萌發(fā)率無(wú)顯著變化。隨著溫度繼續(xù)升高到100℃時(shí),煙管頭草、朝天罐、鬼針草和柳葉斑鳩菊不再萌發(fā)。只有絲茅能夠耐受150℃的熱擊,而火棘和粉葉栒子在120℃以上處理下均不再萌發(fā)。當(dāng)熱擊時(shí)間為10min時(shí),除絲茅能夠耐受100℃處理外,其余所有植物均只能耐受70℃以下的溫度處理。這表明:熱擊溫度的高低以及熱擊時(shí)間的長(zhǎng)短均極顯著影響種子的萌發(fā),但高溫?zé)釗艉髮?dǎo)致種子萌發(fā)率提高的熱沖擊效應(yīng)在被試物種中并不普遍;伴隨林火產(chǎn)生的高溫一旦超過(guò)70℃持續(xù)熱擊10min,就會(huì)抑制絕大部分被試植物種子的萌發(fā)。(3)在不同濃度煙水溶液處理下,不同植物的種子萌發(fā)響應(yīng)不同。在較低濃度(1/1000)處理下,火棘種子萌發(fā)率顯著提高,而其余植物種子萌發(fā)率無(wú)顯著變化。隨著煙水溶液處理濃度升高,朝天罐、絲茅的種子萌發(fā)率均不同程度提高,而柳葉斑鳩菊的種子萌發(fā)率逐漸降低。粉葉栒子的萌發(fā)率在任何濃度煙水溶液處理下均無(wú)顯著變化。除粉葉栒子和柳葉斑鳩菊外,其余5種植物在所設(shè)置的6個(gè)濃度煙水溶液處理中,均存在著相對(duì)效果最佳的處理濃度。這表明:植物源煙對(duì)大部分被試植物種子的萌發(fā)具有促進(jìn)作用。(4)在高溫下熱擊20min時(shí),種子庫(kù)萌發(fā)幼苗無(wú)顯著差異,隨著熱擊時(shí)間延長(zhǎng)(30min以上),種子庫(kù)萌發(fā)幼苗的密度顯著降低。在煙水溶液處理下,種子庫(kù)萌發(fā)幼苗密度有所提高,但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。就單個(gè)物種而言,熱擊和煙水溶液處理對(duì)各物種的影響不同。在煙水溶液處理下,種子庫(kù)萌發(fā)幼苗的種類(lèi)數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)均顯著增加,而熱擊50min以上,將顯著降低種子庫(kù)萌發(fā)幼苗的種類(lèi)數(shù),同時(shí)顯著提高萌發(fā)幼苗的均勻度指數(shù)。在高溫下熱擊較短時(shí)間(30min以下),熱擊并不能影響種子庫(kù)萌發(fā)的起始時(shí)間;但隨著熱擊時(shí)間延長(zhǎng)(50min以上),種子庫(kù)幼苗萌發(fā)起始時(shí)間顯著延遲;在熱擊較短時(shí)間(20min)與煙水溶液同時(shí)處理下,種子庫(kù)幼苗萌發(fā)起始時(shí)間顯著延遲。但單獨(dú)熱擊、煙水溶液處理及二者同時(shí)處理均不能影響種子庫(kù)萌發(fā)的持續(xù)時(shí)間。說(shuō)明:煙水溶液處理會(huì)提升種子庫(kù)萌發(fā)的幼苗數(shù)和物種多樣性,而100℃熱擊20min以上則會(huì)降低種子庫(kù)萌發(fā)的幼苗數(shù);高溫?zé)釗襞c植物源煙水溶液同時(shí)處理時(shí),熱擊占主導(dǎo)作用,且可能對(duì)種子庫(kù)萌發(fā)產(chǎn)生疊加的負(fù)效應(yīng),比熱擊單獨(dú)作用時(shí)的抑制作用更強(qiáng)。(5)與阻火性相關(guān)的4個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)在被試的9種植物葉片間有顯著差異。云南楊梅和珍珠莢蒾的灰分含量最高,而茅栗、橢圓葉越桔和小葉女貞最低;小葉女貞、茅栗和粉葉栒子的著火時(shí)間最長(zhǎng),而火棘、杉木和杜鵑最短。燃燒熱值最高的是茅栗、橢圓葉越桔和小葉女貞,其次是杉木、粉葉栒子和火棘,最低的是云南楊梅。運(yùn)用PCA分析與TOPSIS分析相結(jié)合的方法得出9個(gè)樹(shù)種葉片的阻火性大小依次為:云南楊梅(阻火性最強(qiáng))、橢圓葉越桔、小葉女貞、粉葉栒子、茅栗、珍珠莢蒾、杜鵑、火棘、杉木(阻火性最弱)。結(jié)果表明,云南楊梅、橢圓葉越桔的阻火性較強(qiáng),而火棘、杉木屬于較易燃的植物,與前人研究基本吻合。說(shuō)明利用主成分分析(PCA)結(jié)合加權(quán)逼近理想解排序分析法(TOPSIS)能對(duì)植物的阻火性進(jìn)行合理評(píng)判。
【學(xué)位單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：S762
【部分圖文】：

西南大學(xué)博士學(xué)位論文尤其是對(duì)土壤性質(zhì)和土壤動(dòng)物的影響完全不同。因此，自然火和火替代研究（Fireand Fire Surrogate, FFS）結(jié)果建議人類(lèi)應(yīng)盡可能在可控范圍內(nèi)保留一些林火（Mciver et al., 2013）。林火可通過(guò)直接或間接影響生物環(huán)境而誘導(dǎo)植被變化（Sousa, 1984; Buhk &Hensen, 2006）。在經(jīng)常發(fā)生林火的生態(tài)系統(tǒng)中，許多植物進(jìn)化出了一些適應(yīng)火環(huán)境的特征，使得他們不僅能在火后幸存，而且能長(zhǎng)得更好，有的甚至成為依賴(lài)火而生存的植物（Sousa, 1984；Everson & Tainton, 1984）。如：山楊（Populusdavidiana）、菅草（Themeda triandra）、Geranium bohemicum 以及 G. lanuginosum 等（Ghebrehiwot et al., 2009; Risberg & Granstr m, 2009）。物種對(duì)火的適應(yīng)可被看作是形態(tài)學(xué)和行為學(xué)的進(jìn)化，使物種得以繁殖和持續(xù)發(fā)展。與火相關(guān)的更新策略，包括形態(tài)學(xué)和生理學(xué)特征，如繁殖體生產(chǎn)策略（種子、分蘗和根莖）能使物種在火后得以存活、萌發(fā)、分蘗和開(kāi)花（Zacharias,1988）。研究與火相關(guān)的更新策略，對(duì)于預(yù)測(cè)和理解火后植被的恢復(fù)及變化十分重要。因此，加強(qiáng)對(duì)本地植物在林火影響下的種子萌發(fā)和幼苗建成規(guī)律的認(rèn)識(shí)，具有重要意義。

圖1-2. 2005-2012年野火與生態(tài)地理區(qū)分布Figure1-2. Wildfire distribution and ecological zones in 2005-2012注：a. 野外發(fā)生的火災(zāi)分布 Wildfire distribution; b.衛(wèi)星連續(xù)監(jiān)測(cè)到的野火 Continuous hotspots for wildfires. R0為無(wú)植被分布區(qū)域R0 means no vegetation region. 摘自田曉瑞 等（2015）。Cited from Xiaorui Tian et al. (2015).1.1 林火對(duì)森林土壤性質(zhì)的影響火對(duì)土壤的影響可分為物理、化學(xué)和生物三個(gè)方面。在物理影響方面，林火產(chǎn)生的高溫以及火后植被覆蓋度的減少必然會(huì)引起土壤密度、孔隙度、分散系數(shù)及容重等物理性質(zhì)的變化；在化學(xué)方面，由于燃燒釋放了植物體和枯落物中的養(yǎng)分元素，這也必然導(dǎo)致土壤的有機(jī)質(zhì)含量、氮含量、鉀含量等化學(xué)元素發(fā)生變化；而與此同時(shí)，土壤酶的活性也將會(huì)發(fā)生改變。然而，對(duì)于火后土壤的響應(yīng)方式，目前并沒(méi)有太多一致的結(jié)論。1.1.1 林火對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響土壤的物理性質(zhì)關(guān)系到土壤的保水能力、通氣狀況等，影響到植物的生長(zhǎng)和土壤動(dòng)物微生物的生存。Bowker 等（2004）研究發(fā)現(xiàn)美國(guó)大草原火燒后土壤會(huì)發(fā)

第 1 章 文獻(xiàn)綜述中對(duì)種子萌發(fā)具有促進(jìn)效應(yīng)的物質(zhì)可能是氮氧化物（Keeley & Fotheringham, 1997;Malakoff, 1997）。然而，2003 年 Light 等報(bào)道氮氧化物對(duì)種子萌發(fā)沒(méi)有促進(jìn)作用，從而否定了氮氧化物為燃煙中的活性物質(zhì)這一假說(shuō)。2004 年，F(xiàn)lematti 等研究發(fā)現(xiàn)，植物燃煙中的主要萌發(fā)活性物質(zhì)是丁羥烯酸內(nèi)酯（butenolide），后又命名為 KAR1（Karrikinolide 1，卡里金 1）。至此，掀起了一場(chǎng)燃煙種子生態(tài)學(xué)研究的新篇章。然而，在研究澳大利亞的一種植物（曼氏袋鼠爪屬）對(duì)火的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該屬大多數(shù)植物種子對(duì)燃煙都有響應(yīng)，但是對(duì)卡里金（KAR）卻沒(méi)有反應(yīng)。這說(shuō)明煙霧中不止卡里金一種萌發(fā)刺激物，可能還存在另外的萌發(fā)刺激物。2011 年，F(xiàn)lematti等發(fā)現(xiàn)，這種能夠促進(jìn)曼氏袋鼠爪屬植物種子萌發(fā)的活性物質(zhì)的確不是卡里金，而是燃煙中的另外兩種化學(xué)物質(zhì)——氰醇類(lèi)物質(zhì)和 2,3 -二基丙腈。同時(shí)，研究者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)煙氣中的其他化合物也有促進(jìn)種子萌發(fā)的效應(yīng)，比如：KAR2、KAR3、KAR4、獨(dú)腳金內(nèi)酯、香豆素、吡喃酮等。其作用過(guò)程見(jiàn)（圖 1-3）（Nelson et al., 2012）。
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