基于光能利用率模型估算大興安嶺北部火燒跡地生產力1)

胡海清 蘇志杰 孫 龍 魏書精

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

森林作為陸地生態系統的主體［1］，占陸地面積的27%，以及全球80%以上的地上碳儲量和40%以上的全球土壤碳儲量［2］，對于維持全球碳平衡起著不可替代的作用［3］。森林火災是森林生態系統的重要干擾因子，是導致植被和土壤碳儲量發生變化的重要原因［4］。植被凈第一性生產力(Net primary productivity，NP，P)是生態系統中植被碳固定與碳釋放之差，是大氣中的碳進入生物群落的主要途徑?；馃E地植被NP，P的變化直接影響該區域碳平衡和碳循環，因此，了解其變化規律對理解火干擾對森林碳平衡的影響有重要意義，也是目前國外對火燒跡地植被恢復的研究熱點。我國林火研究起步較晚，但發展較快，許多學者在森林可燃物、林火規律、林火碳釋放、林火對森林生態的影響方面進行了卓有成效的研究［5-7］。隨著遙感的應用，以火干擾后NP，P的變化研究森林恢復已成為新的熱點，我國在這方面還幾近空白。本文以我國林火發生典型地區大興安嶺北部為例，對火燒跡地森林分布和NP，P進行定量分析，旨在為火干擾后森林恢復的研究提供參考數據。

1 研究區概況

研究區域位于大興安嶺林區北部(52°20' ～53°30'N，121°40' ～124°20'E)，是1987年“5·6”大火主要過火區域，面積16 799 km2(圖1)。

圖1 研究區域位置

該區海拔300 ～1 400 m，坡度一般小于15°，為寒溫帶季風區，最低溫度-52.3 ℃，最高氣溫39.0℃。年降水量350 ～500 mm，降水集中于7—8月份。相對濕度70% ～75%，積雪期達5 個月，林內雪深30 ～50 cm。區內廣泛分布著大片連續多年凍土和島狀多年凍土，土壤以棕色針葉林土和暗棕壤為主，植被類型簡單，優勢樹種是興安落葉松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris)和白樺(Betula platyphylla)。興安落葉松是該地區最穩定的氣候演替頂級群落，樟子松為干旱瘠薄生境上的土壤演替頂級群落，白樺往往以先鋒樹種在森林火燒跡地和采伐跡地形成天然更新次生林［8］。該區為我國森林火災高發區，年均森林過火面積居全國之首，是我國森林火災危害最嚴重的地區。

2 研究方法與數據來源

2.1 遙感數據

本研究所利用的ETM +影像由美國NASA 陸地衛星計劃Landsat7 采集，來源于中國科學院對地觀測與數字地球科學中心，圖像空間分辨率為30 m×30 m，時間為1999年8月30日。Landsat7 攜帶的傳感器在成像時受到太陽位置、大氣氣溶膠、傳感器自身特性、地形起伏等因素的影響，使遙感圖像產生了幾何畸變和輻射失真，從而降低了圖像的質量，影響了圖像應用和價值，因此對數據進行了幾何校正、大氣校正、去云處理以及傳感器訂正等預處理。

2.2 氣象數據和植被分類數據

本研究所采用的氣象數據為1999年大興安嶺地區氣候資料日值數據集和輻射日值數據集，來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cbc. cma.gov.cn/)。利用GIS 對氣象數據進行了柵格化，并從空間上與遙感數據相匹配。

植被分類數據來源于黑龍江省二級土地覆蓋分類圖，由中國科學院編制。在此基礎上，本研究用較成熟的最大似然分類器將土地覆蓋類型分為針葉林、闊葉林、針闊混交林和其他4 種類型。其他類型是非林地，主要為沼澤、荒草地等。經檢驗，分類精度達到70%以上。

2.3 火災等級圖

1987年火災等級圖為火后實地調查并結合遙感資料形成的手繪圖，火災等級劃分為3 類:輕度火燒，燒死木蓄積量＜林分蓄積量30%;中度火燒，燒死木蓄積量占林分蓄積量31% ～60%;中度火燒，燒死木蓄積量＞林分蓄積量60%。在Arcgis 9.2 中利用已校正的ETM+影像對火災等級圖進行了配準和數字化，裁剪得到研究區火災等級分布圖(圖2)。

2.4 光能利用率模型

自20 世紀70年代初，Leith 首次提出估算全球NP，P值［9］。NP，P研究經歷了站點實測、統計回歸及模型估算3 個研究階段。通過參數的選取可以利用模型估測區域或全球尺度的NP，P，目前已成為NP，P研究的主流方向。光能利用率模型以遙感數據、植被分類數據和氣象數據為基礎，利用植被吸收的光合有效輻射(Absorbed photo-synthetically active radiation，AP，A，R)和光能利用率(ε)來估算植被NP，P［10］。光能利用率模型基于植被的生理生態過程，在全球和區域NP，P研究及全球碳循環、碳平衡研究中被廣泛應用［11］。國內研究學者將模型應用在我國時，對光能利用率模型進行了適當改進，模擬結果得到了較好的驗證［12-14］。光能利用率模型的參數少，遙感數據主要由光合有效輻射和光能利用率這兩個變量驅動，避免了由于參數缺乏而人為簡化或者估計所帶來的誤差。模型算法為:

式中:x 表示空間位置;t 表示時間;AP，A，R(x，t)表示t月像元x 所吸收的光合有效輻射;ε(x，t)表示t月像元x 實際光能利用率。

圖2 數字化火災等級圖

AP，A，R(x，t)可以根據遙感數據中植被對紅外和近紅外波段的反射特征來實現。光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PA，R)是植物光合作用的驅動力，它與植物生長直接相關。植被吸收的光合有效輻射由太陽總輻射和植物特性決定，如式(2):

式中:SO，L(x，t)表示t月在像元x 處的太陽總輻射;FP，A，R(x，t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例;常數0.5 表示植被所能利用的太陽總輻射的比例。

FP，A，R(x，t)與歸一化植被指數(ND，V，I)、比值植被指數(VI)有很好的線性關系。研究發現:FP，A，R(x，t)可以利用遙感資料提取的歸一化植被指數(ND，V，I)和比值植被指數(VI)分別來估算［15］。但利用ND，V，I估 算 的FP，A，R(x，t)偏 高，而VI估 算 的FP，A，R(x，t)偏低，由兩者估算的AP，A，R(x，t)平均值效果最好。

光能利用率是在一定時期單位面積上生產的干物質中所包含的化學潛能與同一時刻投射到該面積上的光合有效輻射能之比。在現實條件下，光能利用率ε 受溫度、水分及最大光能利用率εmax的影響:

式中:Tε1(x，t)和Tε2(x，t)表示溫度對光能轉化率的脅迫作用;Wε(x，t)為水分脅迫作用系數［10，16］。

Tε1和Tε2利用氣象資料計算，方法見文獻［12］。Wε(x，t)的計算涉及到土壤水分子模型，比較復雜，數據不易獲取。本文采用改進的方法，利用實際蒸散量與區域潛在蒸散量的比值來反映水分對NP，P的影響，詳細方法見文獻［13］、［17］、［18］。月最大光能利用率εmax與植被類型有關［19］，本研究采用Zhu等［20］模擬的各植被類型的最大光能利用率。

3 結果與分析

3.1 不同強度過火區森林類型分布

不同火強度后林型分布如表1所示。針葉林在未過火區以及輕、中、重度過火區的比重分別為40%、36.8%、31.6%、20.8%，并隨火燒強度的增加而降低，表明針葉林的分布與火燒強度密切相關。輕度過火區針葉林的比重接近未過火區，一方面是該地區針葉林中主要為興安落葉松林，對輕度火燒有一定的抵抗性，因此輕度火燒對針葉林造成的損失很小。另一方面，輕度火燒后，利于興安落葉松種子的萌發，使得過火后針葉林恢復迅速。重度過火區針葉林的比重為20. 8%，相比未過火區針葉林40%的比重降幅較大。重度火燒造成了70%以上的樹木死亡，林下枯枝落葉層全部被燒毀，埋藏在土壤表層的種子大部分喪失萌發能力?；馃箅m然采取了人工恢復措施，但是由于立地條件的差異，人工恢復措施效果一般［21］，針葉林的生長恢復最差。中度過火區針葉林恢復介于輕度過火區和重度過火區之間。

表1 1999年8月不同火強度過火區林型分布 %

闊葉林在輕、中、重度火燒區的比重分別為7.9%、13.6%、8.8%，相對未過火區17.0%的比重均有降低?；旖涣值谋戎卦谖催^火區為11.4%，在輕、中、重度過火區的比重分別為13.0%、11.1%、17.4%，除中度過火區與未過火區比重接近外，其它都有增加?；馃髥棠颈淮罅繜?，火燒跡地上透光率增加，陽光充足，白樺、山楊等先鋒樹種迅速生長，形成闊葉林或與未燒死的針葉林形成針闊混交林。隨著林內喬木均勻度的增加，土壤養分在短時間內無法補充白樺、山楊等速生樹種的需求，在土壤養分多的地方喬木分布比較集中，從而又使喬木層的生長受到限制。十幾年林齡的闊葉林出現了大量的枯爛現象，使適合本地生長的針葉林有了更好的生長環境，這是混交林比重增加的原因。

過火區林地的NP，P相比未過火區明顯下降，與此對應的是非林地的比重明顯增加。在火燒前處于沼澤邊緣和水分條件優越的河谷地帶的林地，由于立地條件較差，林木生長不良，火燒后立地條件進一步惡化，很難重新形成林地，導致林地對降水的截留量和蒸散量減少。而該地區土壤下層普遍存在永凍層，水分不能下移，使過火區地表積水增加，土壤含水量增大，土壤沼澤化增加［22］，而隨著火后地表徑流量的增加，逐漸發育成沼澤。在陽坡和陡坡地帶，火燒使土壤失去了植被的保護作用，造成了水土流失和土壤干旱化、貧瘠化。貧瘠的土壤更不利于植被的恢復，使森林發生了逆行演替。在火后12 a時，過火區非林地面積比未過火區提高了20%多，這也可能是造成闊葉林在過火區的比重下降、針闊混交林的比重較低的原因。

3.2 不同強度過火區NP，P

表2所示為火干擾12 a 后不同強度過火區針葉林、闊葉林、針闊混交林的NP，P。輕度和中度過火區針葉林NP，P超過了未過火區針葉林。輕度和中度火燒只燒毀了灌草層、喬木層中的小徑木和幼林，保留了很多針葉林母樹，為過火區針葉林生產力提供了基礎。而火災后過火區林窗加大，充足的陽光促進了林下植被生長恢復。重度火燒使大部分針葉林母樹死亡，其自然恢復情況要比輕度和中度過火區差，但火后進行了大量的人工恢復措施，使植被恢復速度大大增快。到1999年8月，重度過火區針葉林達到未過火區NP，P的99%，植被生長恢復情況良好。

表2 1999年8月不同強度過火區的NP，P g·m -2

闊葉林耐火性較差，但輕度火燒由于強度較低，只燒毀了些幼樹，大徑木都得以保留，火后林內立木間空間較大，土壤養分供應充足，生長情況比同時期未過火區闊葉林好。中度和重度過火區喬木層死亡很多，火后白樺和山楊等快速生長，并在演替層成為優勢樹種?；鸶蓴_12 a 時，其生長情況與未過火區基本相同，比輕度過火區差。

輕度和中度火燒對針闊混交林的影響較小，雖然灌草層全部被燒毀，但喬木層針葉樹和闊葉樹大徑木均保留了下來，因此其林內生長環境要好于未過火區，火后12 a 時輕度和中度過火區NP，P超過了未過火區，重度過區NP，P比未過火區低。重度過火區只保留下來一部分針葉樹，林內空地上白樺和山楊快速萌生，鑲嵌在針葉樹間，形成了大量針闊混交林，并很快郁閉。由于闊葉樹受制于養分和空間，生長放緩，因此重度過火區針闊混交林NP，P比未過火區低，但其生長恢復也很快。

4 結論

通過火后森林分布和NP，P的研究發現，在1987年“5·6”大火12 a 后，與未過火區相比，輕、中、重度過火區林地的比重下降，且隨火強度的增加而降低?；鸶蓴_造成了部分森林的逆行演替，以重度過火區最嚴重。林地內輕度和中度過火區NP，P超過了未過火區，重度過火區林地NP，P雖低于未過火區，但已接近未過火區NP，P的水平。

本文研究的是火后植被覆蓋和NP，P的變化狀況，未探討立地條件和林齡對火后NP，P的影響，這是以后需要進一步研究的問題。

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