計劃燒除對森林景觀的影響研究進展

王睿琛，張文文，王秋華*，龍騰騰，張 鑫，王儒龍

（1.西南林業(yè)大學土木工程學院，云南省森林災(zāi)害預警與控制重點實驗室，云南昆明650224；2.玉溪市易門縣林業(yè)和草原局，云南玉溪651100）

在過去的很長時間，火與生態(tài)環(huán)境及植被間的相互作用已經(jīng)塑造了森林景觀，并影響了物種的組成和結(jié)構(gòu)。在人類出現(xiàn)之前，火驅(qū)動著森林景觀發(fā)生變化；隨著人類的誕生，火被用來滿足森林資源管理的需求。經(jīng)過不斷地實踐，人們發(fā)現(xiàn)火作為形成自然環(huán)境的驅(qū)動力，驅(qū)動著很多樹種的變化，其變化程度與對火的適應(yīng)程度有關(guān)；因此人們開始在森林經(jīng)營中使用計劃燒除，從而改善林地景觀、預防病蟲災(zāi)害和促進林木生長等[1-3]。

計劃燒除作為火干擾，不僅影響森林景觀，還影響許多生物的生存、發(fā)展及演變，更是森林經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容[4-5]。目前，國內(nèi)學者對計劃燒除的研究，多為運用數(shù)據(jù)和軟件等，對其影響進行具體評估，如對某一樹種的影響、對土壤的影響、對某地區(qū)物種多樣性的影響等[6-9]。國外學者目前多通過對抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)分析，來研究計劃燒除對動植物棲息地整體的影響，如對節(jié)肢動物棲息地的影響，對真菌生長環(huán)境的影響等[10-13]。本文從計劃燒除對森林景觀影響的研究方法入手，以計劃燒除對景觀結(jié)構(gòu)成分及多樣性的影響為重點，反映該領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為林業(yè)經(jīng)營和森林景觀管理提供參考。

1 計劃燒除對森林景觀影響的研究方法

1.1 基于地理信息系統(tǒng)與景觀指數(shù)的研究方法

地理信息系統(tǒng)在進行景觀特征方面分析時，可進行多層面分析、快速完善數(shù)據(jù)、處理大規(guī)模信息，且節(jié)省大量時間、人力及費用[14-15]。在大尺度生態(tài)系統(tǒng)空間格局研究方面，已形成了地理信息系統(tǒng)與景觀格局結(jié)合的特色模式，即利用景觀指數(shù)對空間格局進行定量化研究。景觀指數(shù)大致分為面積指數(shù)（Area Index）、形狀指數(shù)（Shape Index）、多樣性指數(shù)（Diversity Index）、空間構(gòu)型指數(shù)（Spatial Configuration Index）、破碎化指數(shù)（Fragmentation Index）等。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷研發(fā)，景觀指數(shù)會產(chǎn)生新的變化[16-17]。

張晨等[18]基于GIS 和景觀指數(shù)，從多方面分析了不同程度火干擾對森林景觀的影響，使得景觀結(jié)構(gòu)及多樣性的變化更加直觀的展現(xiàn)出來。李淑娟等[19]通過地理信息系統(tǒng)與景觀指數(shù)相結(jié)合，研究了計劃燒除等人為干擾對景觀破碎化程度的影響，提出應(yīng)重視對天然林和沼澤等自然景觀的經(jīng)營。Holland 等[20]通過GIS 和相關(guān)指數(shù)，量化計劃燒除對澳大利亞東南部干旱森林生態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)性棲息地組件的影響，使分析結(jié)果更加直觀、精確。Hanberry 等[21]應(yīng)用GIS 研究火干擾對密蘇里平原（草地-森林景觀）樹木群落和密度的影響變化，量化了火干擾的影響，為當?shù)亓謽I(yè)管理提供了參考。

1.2 基于數(shù)理模型的研究方法

目前已有各種各樣的火災(zāi)模型來預測火災(zāi)狀況變化對景觀尺度的影響，這種多樣性很大程度上歸因于景觀、可燃物和氣候模式的多樣性，以及在模型中表示它們方法的差異[22]。目前國內(nèi)外研究計劃燒除對森林景觀影響的常用模型為FARSITE、LANDIS、FIRESPACE；其他還有CA、PERMANOVA、LAMOS-HS、LANDSUM、SEMLAND、FIRE-BGC 等，森林景觀模擬是進行景觀規(guī)模實驗的不可替代的工具[23-29]。

FARSITE 是一個復雜的火行為模型，可以使用地形和可燃物的空間信息以及天氣和氣流在時間及空間尺度上模擬真實異質(zhì)景觀上的火勢蔓延[30-32]。高仲亮[33]使用FARSITE 模擬景觀尺度的燒除實驗，為計劃燒除提供參考，避免跑火。Lucia 等[31]運FARSITE 模擬異質(zhì)景觀上野火的蔓延，為計劃燒除提供依據(jù)。

LANDIS 是一個在空間上直觀表現(xiàn)森林景觀擾動和演替的模型，有助于研究人為擾動，植被演替和管理策略等對森林景觀的影響，被廣泛應(yīng)用于森林生態(tài)研究中的各領(lǐng)域，如各種火干擾形式對森林景觀演替的影響[34-35]。羅旭等[36]通過LANDIS 研究火干擾等對大興安嶺地區(qū)主要樹種的長期影響，提出人為干預可有效幫助北方森林適應(yīng)未來日趨變暖的氣候。Scheller 等[37]使用LANDIS 模擬新澤西州東南部計劃燒除等對森林景觀的影響，為景觀管理提供決策。

FIRESCAPE 是一種基于過程的景觀火情模擬模型，最初是為澳大利亞東南部以桉樹為主的景觀而開發(fā)，模擬了自然景觀中火的發(fā)生，蔓延和熄滅，并結(jié)合了天氣，可燃物和地形等對其的影響[38-39]。Cary 等[40]運用FIRESCAPE 模擬計劃燒除對燃燒面積的影響，從而調(diào)控可燃物，為森林景觀管理提供參考。King 等[41]通過FIRESCAPE 模擬規(guī)定氣候情景和燃燒水平的計劃燒除，為有效地減少內(nèi)陸景觀中計劃外火災(zāi)發(fā)生提供參考。

1.3 基于遙感技術(shù)的研究方法

遙感是一種涉及物理手段、數(shù)學方法及地學分析的綜合性應(yīng)用技術(shù)，可及時獲得大范圍、多時相、多波段的地表信息，為大尺度的綜合分析提供了技術(shù)支持。近年來，遙感技術(shù)已成為研究計劃燒除等干擾對森林景觀影響時，應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。遙感技術(shù)可對森林景觀格局進行提取、管理、分析和評價，研究森林景觀格局分布及結(jié)構(gòu)。一般來說，研究森林景觀變化，都采用遙感圖像、相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式，對景觀要素的相關(guān)量化指標進行分析，從而表明計劃燒除等干擾對森林景觀的影響。這已是研究森林景觀的一種主要技術(shù)手段，為大尺度范圍的資源監(jiān)測及管理提供了技術(shù)支持，具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義[42-44]。

周巧盈等[45]借助遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，通過3D 建模，分析了火干擾對美國西部的森林景觀的影響。孟京輝等[46]采用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的方式，應(yīng)用景觀分析軟件Fragstats3.3，分析了印度尼西亞中亞其省人為干擾對森林景觀的影響，提出中亞其地區(qū)的景觀破碎度嚴重，當?shù)夭块T應(yīng)制定合理的森林景觀規(guī)劃。通過王明玉等[47]對遙感技術(shù)在森林景觀方面運用的總結(jié)，許多研究者運用遙感圖像研究火燒跡地恢復情況。

2 計劃燒除對森林景觀的影響

2.1 計劃燒除對景觀結(jié)構(gòu)成分的影響

森林景觀的變化是一個長期的漸變過程，是各種干擾共同作用的結(jié)果。計劃燒除通過干擾森林物種的正常發(fā)展和演變，從而更改森林景觀的結(jié)構(gòu)組成。斑塊（patch）、廊道（corridor）和基質(zhì)（matrix），為景觀結(jié)構(gòu)成分。計劃燒除強弱與景觀破碎化具有一定相關(guān)性，適當?shù)幕鸶蓴_可穩(wěn)固景觀；而不當火燒造成的過高景觀破碎度會使斑塊、廊道及基質(zhì)出現(xiàn)伸長、曲線化等改變。

如表1，斑塊（嵌塊體）是指在外貌上與周圍地區(qū)有所不同的一個非線性地表區(qū)域?？赏ㄟ^斑塊大小、斑塊形狀和斑塊密度等，來研究計劃燒除對斑塊結(jié)構(gòu)的影響。斑塊與本底之間會產(chǎn)生互換變化，同時干擾斑塊的增大會降低本底連通性。計劃燒除會改變斑塊形狀，其干擾幅度會影響斑塊大小，斑塊邊界形狀決定了斑塊與斑塊或斑塊與基質(zhì)間的相互關(guān)系。通過計劃燒除對斑塊大小、類型、形狀、邊界等進行干擾，物種的分布與生產(chǎn)、能量和養(yǎng)分的交流等會受到影響，從而影響景觀與物種多樣性。通常，斑塊面積的增大會促使物種景觀多樣性提高；而斑塊面積的減小會降低其穩(wěn)定性。斑塊越緊密，能量及養(yǎng)分越易保存；斑塊越松散，能量及養(yǎng)分越易同周圍環(huán)境交換[48-55]。

表1 計劃燒除對景觀結(jié)構(gòu)的影響[3，48-55]

廊道 （走廊）是指與兩側(cè)基質(zhì)不同的狹長地帶，具有兩面性：一方面作為障礙物將景觀隔開；另一方面作為通道將景觀連接起來。一般來說，研究計劃燒除對景觀廊道的影響，主要是對景觀整體連通性的分析，廊道的曲直、寬度不同，連接度也有高有低。廊道在森林景觀中主要起著運輸、觀賞及保護資源的作用，同時增加斑塊間的連接，有利于物種的發(fā)展和演變，促進物種能量及養(yǎng)分的交換，有時為某些物種創(chuàng)造特殊環(huán)境，包括防護林帶、公路、鐵路、河流等。森林鐵路、公路兩旁及林緣易長雜草，可通過計劃燒除塑造防火線；同時，通過計劃燒除對廊道寬度等進行改變，可有效防止外來物種的入侵，減輕棲息地的喪失和破碎化的影響[3，48-55]。

基質(zhì)（本底）是指在森林景觀中面積最大、連通性最好、對景觀控制作用也強的景觀要素類型，影響著森林景觀動態(tài)變化，在景觀功能和生物多樣性保護上起著重要的作用?？仔院瓦B通性是本底的重要結(jié)構(gòu)特征，研究計劃燒除對基質(zhì)的影響，可從景觀的優(yōu)勢度、多樣性、聚合度等入手。計劃燒除會對基質(zhì)相對面積、連接度、孔隙度及凸凹邊界等方面造成影響，其影響結(jié)果與計劃燒除的尺度及規(guī)模有關(guān)；如小面積火燒會使干擾斑塊數(shù)量增加，同時也會使本底的孔性升高，本底的連通性降低，從而影響物種之間能量及養(yǎng)分的交換等生態(tài)學過程。在森林景觀中較好的基質(zhì)面積較大、孔隙度較高、連接度高、外部邊界呈凸形[48-55]。

因為景觀結(jié)構(gòu)決定景觀功能，所以計劃燒除對景觀結(jié)構(gòu)造成影響的同時，也會影響景觀功能；景觀功能表現(xiàn)了不同景觀要素之間的能量、物質(zhì)、物種及信息的交流。因此計劃燒除對斑塊、本底、基底造成的影響，會導致森林可燃物的積累程度改變、物質(zhì)及能量交流的速度改變、水流路徑及物質(zhì)成分改變、土壤結(jié)構(gòu)改變、森林碳匯改變、動植物的運動格局改變等等[48-55]。

2.2 計劃燒除對景觀多樣性的影響

景觀多樣性是指景觀在空間、功能及時間方面的異質(zhì)性，其決定了景觀格局的多樣性，呈現(xiàn)了景觀的復雜程度。干擾是形成景觀異質(zhì)性的主要原因，同景觀異質(zhì)性有密切關(guān)系。通常在無干擾時，景觀格局性質(zhì)會比較平穩(wěn)； 而適宜可控制的火干擾，會對景觀多樣性產(chǎn)生促進作用，加強景觀的穩(wěn)固性。不可控的火干擾會損害森林覆蓋面積、影響灌木和草地的生長，燃燒后會產(chǎn)生比較均一的火燒跡地景觀，使景觀多樣性降低。計劃燒除作為可控范圍內(nèi)或局部的火燒現(xiàn)象，可以提高景觀格局的多樣化及性質(zhì)，提高景觀構(gòu)成因素之間的交流、促進營養(yǎng)成分、能量更活躍的流動，加速景觀要素之間的物種傳播，從而提高了物種的多樣化和生態(tài)系統(tǒng)的多樣化[48，55-58]。

在研究計劃燒除對景觀多樣性影響時，可通過相應(yīng)的指數(shù)來定量分析；這些指數(shù)關(guān)系到景觀類型數(shù)以及類型的面積百分比等方面，因此可以用來量化景觀結(jié)構(gòu)的組成，從而使分析結(jié)果更加科學、精準。目前，用來評價景觀多樣性的指數(shù)有斑塊多度密度( PRD)、Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI)、Simpson 多樣性指數(shù)(SIDI)、修改Simpson 多樣性指數(shù)(MSIDI)、Shannon 均勻度指數(shù) (SHEI)、Simpson 均勻度指數(shù)(SIEI)、修改Simpson 均勻度指數(shù)(MSIEI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、散布與并列指數(shù)(IJI)等；其中應(yīng)用最為廣泛的指數(shù)為Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)，兩個指數(shù)常搭配使用，能夠?qū)θ郝湮锓N組成的豐富度及均勻度進行綜合評價[59-64]。

計劃燒除同時可以影響森林景觀恢復情況，其恢復情況與計劃燒除強度有關(guān)，強度越高，恢復狀況越差。計劃燒除不會破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，反而會促進了有機物轉(zhuǎn)為礦物質(zhì)的過程，改善森林環(huán)境，促進林木的生長；計劃燒除主要對下層灌木或被壓木或幼樹造成傷害，對主林層的影響很小，可幫助森林群落形成多物種、多種群、多結(jié)構(gòu)的森林生態(tài)系統(tǒng)功能[3，65]。計劃燒除也可能會減少物種庫中火敏感物種的存在致使植物群落同質(zhì)化，導致生物多樣性減少和景觀格局多樣性減少，或?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)造成影響[66]。

如表1，計劃燒除對森林景觀既有積極影響也有消極影響。積極影響主要通過改變結(jié)構(gòu)功能，對景觀功能、景觀多樣性等造成影響；如斑塊的改變，促使物種景觀多樣性增加，景觀整體連通性增加，從而促進物種流動和基因交換。但計劃燒除也不可避免地會產(chǎn)生消極影響，如：因跑火或錯誤的評估，導致景觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，從而使景觀多樣性減少，景觀功能減弱，對動植物棲息環(huán)境造成破壞。因此，要慎重使用計劃燒除技術(shù)，在計劃燒除的實施前做好充分的科學預測與評估。

3 研究展望

計劃燒除作為一種成熟的人為干預的高效森林經(jīng)營方式，對森林景觀產(chǎn)生了深遠的影響，也對森林可持續(xù)管理發(fā)生了一些改變。計劃燒除對森林景觀的影響，不是單一火行為對森林景觀的影響，會涉及碳循環(huán)、氣候變化、生物多樣性等諸多因素。未來要聚焦計劃燒除的長期影響研究，結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位跟蹤網(wǎng)絡(luò)，弄清對森林景觀的各種影響，包括積極的和消極的影響以及對全球環(huán)境的影響等。積極采用最新的技術(shù)和方法，提高計劃燒除效率，如無人機技術(shù)、遙感技術(shù)以及自動點火技術(shù)等。同時，運用激光雷達和紅外掃描等方法，對中大尺度火燒效果快速評估。未來應(yīng)聚焦全球氣候變化的背景，結(jié)合景觀生態(tài)學的發(fā)展，聚焦熱點，融合方法，如地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于森林景觀管理并與景觀指數(shù)、FARSITE、遙感圖像等搭配使用，開發(fā)適合中國國情（人工林比例較大）的各種類似LANDDIS的景觀管理模型，開展大中尺度、中長時間序列的景觀研究。

景觀、可燃物和氣候模式等具有多樣性，目前沒有一個完全適宜預測計劃燒除對森林景觀影響的模型。將來應(yīng)該注重使用科學合理的多種綜合手段開展計劃燒除相關(guān)模型研究，在地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，注重學科交叉，學科融合，積極探索適合我國不同林區(qū)、不同林分的計劃燒除模型。在模擬計劃燒除對森林景觀影響時，凝練未來的研究方向和重點，結(jié)合多種景觀指數(shù)搭配使用或?qū)ΜF(xiàn)有指數(shù)進行改進，同時運用多種模型進行更精確的模擬，使其結(jié)果更具科學性和實用性，不斷積累計劃燒除各種實驗數(shù)據(jù)，為制訂我國南方集體林和北方國有林的計劃燒除或者營林用火規(guī)范或技術(shù)規(guī)程提供參考，為森林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營管理和決策提供科學參考依據(jù)。