澳大利亚东部凉温带雨林凋落物床可燃性量化研究：气候变化下的火灾风险与生态管理启示

《American Journal of Botany》：Fires in rainforests: Quantifying litter bed flammability of cool temperate rainforests in eastern Australia

本研究通过实验室可控燃烧实验，首次系统量化了澳大利亚东部凉温带雨林13个常见树种的凋落物床可燃性差异。研究发现，64%的雨林物种可燃性低于易燃的桉树林，其中叶片面积和纤维素含量是驱动可燃性的关键性状因子。研究揭示了气候变暖背景下雨林火灾行为特征（如缓慢的火蔓延速率（0.15 cm/s）、较低的火焰高度（27 cm）和最高温度（412°C）），为高保护价值生态系统（如冈瓦纳古陆植物区系）的火灾风险管理提供了科学依据。

　　

材料与方法

研究区域位于澳大利亚新南威尔士州的威利威利（Willi Willi）和韦里金贝（Werrikimbe）国家公园，聚焦于正式归类为Nothofagus moorei–Ceratopetalum apetalum亚群落的凉温带雨林。该区域属于凉爽温带气候，年平均降雨量为1929毫米，年平均气温为14.6°C，相对湿度通常超过90%。研究采用了两种规模的 flammability（可燃性）实验：小规模圆形托盘实验（0.07 m²）和大型CSIRO Pyrotron（燃烧风洞）实验（7.2 m²）。样本采集于2013年2月，共收集了14种常见温带雨林树种和一种相邻桉树林树种（Eucalyptus campanulata）的凋落叶片。实验室测量了叶片形态（如叶面积、比叶面积SLA）和化学性状（如磷、总碳、氮、纤维素、木质素含量等）。可燃性指标包括 ignition time（点燃时间）、flame spread rate（火蔓延速率）、maximum flame height（最大火焰高度）、maximum temperature（最高温度）和consumption（消耗量）。

结果

雨林物种的凋落物床可燃性

研究结果显示，凉温带雨林物种在其凋落物床可燃性方面存在差异。Cryptocarya foveolata 的可燃性最低，其重复燃烧均未蔓延至托盘边缘（约15厘米），具有较长的点燃时间（57秒）、较低的最高温度（38.9°C）、较少的物质消耗（9.1%）和较低的火焰高度（19厘米）。其他可燃性较低的物种包括 Ceratopetalum apetalum、Nothofagus moorei、Trochocarpa laurina、Ackama paniculosa 和 Persoonia media。可燃性较高的物种包括 Quintinia verdonii、Callicoma serratifolia 和 Eucalyptus campanulata，这些物种具有较短的点燃时间（9-15秒）、较快的火蔓延速率（0.28-0.35厘米/秒）和较高的火焰（69-78厘米）。64%的雨林物种其凋落物床的可燃性低于通常存在于更易发生火灾环境中的桉树叶凋落物。

叶片性状与凋落物床可燃性

叶片的结构和化学性状与某些凋落物床可燃性指标密切相关。叶面积与消耗量呈正相关，与最高温度呈正相关，与点燃时间呈负相关。纤维素含量与点燃时间呈负相关，与消耗量呈正相关。具体而言，叶片较小的物种（如 Cryptocarya foveolata）形成的凋落物床可能具有更高的堆积比，导致可用于燃烧的氧气减少，从而可燃性降低。而富含纤维素的叶片在热解过程中可能产生更多高热值的气体，有利于火焰传播。

雨林混合凋落物床的可燃性

与桉树林凋落物床相比，雨林凋落物床需要更长的点燃时间（平均值：雨林28.2秒 vs. 桉树林20.7秒），具有更慢的火蔓延速率（0.15厘米/秒 vs. 0.22厘米/秒）、更低的火焰高度（27厘米 vs. 34厘米）、更低的最高温度（412°C vs. 506°C）以及更少的物质消耗（50.3% vs. 71.3%）。两者在 flaming duration（持续燃烧时间）上没有显著差异（188秒 vs. 194秒）。大型Pyrotron实验的结果与小规模圆形托盘实验的结果一致，雨林凋落物床的火蔓延速率低于桉树林，且火焰高度显著更低（平均值：雨林10厘米 vs. 桉树林23厘米）。值得注意的是，在Pyrotron实验中，尽管凋落物干燥（雨林和生态过渡带样本的燃料水分含量分别为7.5%和8.5%），但雨林和生态过渡带凋落物床的第二个重复实验均未能维持燃烧。

讨论

凉温带雨林物种的凋落物可燃性

凉温带雨林物种的凋落物可燃性存在差异，这主要由叶片大小和纤维素含量等性状驱动。小叶物种（如 Cryptocarya foveolata）通常形成堆积更紧密的凋落物床，限制了氧气供应，从而降低了可燃性。而高纤维素含量则可能通过促进热解和可燃气体产生来增强可燃性。在群落尺度上，雨林凋落物床的整体可燃性低于桉树林，这与其凋落物负荷较低、结构更稀疏以及优势物种（如 Ceratopetalum apetalum 和 Nothofagus moorei，它们共同贡献了凋落物中叶成分的78%）的凋落物可燃性较低有关。凋落物中细枝（<6毫米）的比例（平均占25%）等其他因素也可能影响火行为，但这需要进一步研究。本研究所有可燃性测试均在烘箱干燥的样本上进行，平均水分含量为9%，虽然未发现水分含量对总体结果有显著影响，但个别高水分含量物种（如 Trochocarpa laurina）的低可燃性是否源于叶片性状或水分含量，或两者兼有，尚无法确定。

对未来火灾的启示

气候变化导致的更频繁、更温暖、更干燥的条件可能减小雨林与相邻桉树林之间的水分差异，增加火灾侵入雨林的风险。尽管雨林凋落物床的可燃性较低，但在足够干燥的条件下，它们仍然可以燃烧，只是火强度较低。预计雨林中的地表火将比相邻的易燃桉树林更慢、释放的热量更少、产生的火焰更短。然而，具体的火行为特征将取决于林分组成及其凋落物床的物种构成。如果凋落物床由小叶、低纤维素含量的非易燃物种（如 Cryptocarya foveolata）主导，火灾可能不蔓延或强度较低。反之，如果由更易燃的物种（如 Quintinia verdonii）主导，火灾可能更强烈、蔓延更快。火灾后植物群落的恢复也影响未来的火灾风险，例如，常见的先锋树种 Callicoma serratifolia 具有较高的凋落物可燃性，其在雨林边缘的再生可能会增加未来火灾的可能性，并可能导致雨林斑块的收缩和更易燃物种组成的形成。

结论

本研究评估了凉温带雨林凋落物床的可燃性。研究发现雨林物种的凋落物床可燃性存在差异，这主要受叶片大小和纤维素含量变化的影响。研究表明，在干燥条件下，雨林中可以发生地表火，但与相邻的易燃桉树林相比，这些火灾蔓延更慢、释放的热量更少、消耗的物质也更少。然而，火灾特征（如强度、火蔓延速率、点燃时间、消耗量）可能会因林分物种组成及其凋落物床的物种构成而异。这些发现有助于更好地理解雨林群落中的地表火行为，并为气候变化背景下这些高保护价值生态系统的管理提供了重要的科学见解。