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土壤是社会生态和自然系统中最有价值的自然资源之一[1]。土壤化学性质是衡量土壤质量的关键标准,影响林木和土壤微生物的生长和发育,为其提供有效的营养元素[2−3]。森林土壤在很大程度上决定了森林结构和功能[4] 。火是森林最重要的干扰之一,影响着植被和土壤[5−8]。全球气候变化背景下,极端高温和干旱导致全球尤其是北方森林火干扰的频率、强度和燃烧面积大幅增加[9−11]。计划烧除是林火管理的有效手段之一[11] ,在预防森林大火的同时,也影响着植被和土壤[12−21]。研究表明:计划烧除在一定程度上改变了森林土壤理化性质[12−17],尤其是土壤养分元素[18−25] ,且其效果受植被类型和烧除间隔时间等因素的影响[19−25]。如间隔周期为2 a的计划烧除使得澳大利亚昆士兰岛东南部森林土壤全碳、全氮分别降低了48%、59%,而间隔周期为4 a的计划烧除对亚热带土壤碳氮库的影响不显著[14] 。
云南松Pinus yunnanensis林分布区历来是中国林火频发和高火险区域[22],也是中国计划烧除主要实施区域[23−25]。计划烧除在一定程度上影响着云南松林土壤的理化性质[26−27]。田荣等[26]分析了每年连续计划烧除对滇中云南松林土壤养分元素的影响,表明烧除2周后云南松林烧除样地0~20 cm土层土壤有机碳、全氮和全磷显著低于未烧除样地,0~10 cm 土层土壤pH、硝态氮、全钾、速效磷和速效钾显著高于未烧除样地,然而烧除后间隔时间对云南松林土壤的影响尚不明确。本研究以云南省玉溪市新平彝族傣族自治县照壁山云南松林为研究对象,分别在连续实施计划烧除后1和3 a样地及其相应的对照(未烧除)样地采集0~10和10~20 cm土层土壤,测定其pH和碳、氮、磷、钾质量分数,探讨计划烧除及烧除后间隔时间对滇中云南松林土壤养分的影响。本研究可以为该区制定科学合理的计划烧除方案,预防森林大火并维持或提高云南松林生态功能提供参考。
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研究区位于滇中高原玉溪市新平彝族傣族自治县照壁山。照壁山地处亚热带高原季风区南北部过渡带,年平均降水量为1 050.0 mm,年平均最高气温为 32.0 ℃,年平均最低气温为 1.0 ℃ ,年平均气温为 15.1 ℃。照壁山的土壤类型为红壤,主要植被类型为云南松林,该林分为20 世纪七八十年代经飞播造林、疏伐管理后形成的云南松林。灌木植物主要有金叶子Craibiodendron stellatum、珍珠花Lyonia ovalifolia、羊耳菊Duhaldea cappa、乌鸦果Vaccinium fragile和麻栎Quercus acutissima。草本植物主要有四脉金茅Eulalia quadrinervis、刺芒野古草Arundinella setosa、白健杆Eulalia pallens、黄背草Themeda triandra、十字薹草Carex cruciata和野拔子Elsholtzia rugulosa。研究区自2016年开始每年1—2月开展低强度计划烧除,2020和2021年中止了2 a,2022年2月再次实施低强度计划烧除,为本研究探讨不同计划烧除间隔时间对森林土壤的影响提供了条件。
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计划烧除(轻度火烧)对土壤的影响仅限于表层土壤[2, 28]。本研究分别在2020年1月和2022年1月对烧除间隔1 a (T1)和烧除间隔3 a (T2)样地进行2次野外取样,每次取样分别设置7个烧除样地和7个对照样地(未实施过计划烧除,分别设对照1和对照2)。所有样地均为阳坡中坡位,每个样地包括3个10 m×10 m样方,相邻样方间距为50~200 m,共计84个样方。测量并记录每个10 m×10 m样方内的乔木高度和胸径,每个样方按照梅花形设置5个2 m×2 m的小样方记录灌木高度和盖度,5个1 m×1 m的小样方记录草本高度和盖度,并在每个1 m×1 m的小样方内分层(0~10、10~20 cm)采集土壤样品,合计采集土样168个。土样采集完成后立即带回实验室置于通风处风干。样地基本情况见表1。
表 1 样地基本信息
Table 1. Basic information of sample plots
样地类型 海拔/m 郁闭度 密度/(株·hm−2) 乔木高度/m 乔木胸径/cm 灌木高度/cm 灌木盖度/% 草本高度/cm 草本盖度/% T1 2 064.91±50.82 0.35±0.34 1162.50±529.69 13.67±0.47 15.50±1.93 38.82±11.90 4.06±3.60 38.72±4.28 6.14±2.00 对照1 2 118.42±48.14 0.40±0.12 1228.57±318.32 14.00±0.54 15.71±2.47 64.27±22.28 13.86±8.04 53.72±15.43 6.69±4.04 T2 2 015.30±32.91 0.40±0.06 1163.64±430.16 8.93±2.74 18.11±7.36 51.55±45.69 2.85±2.43 22.38±5.39 7.85±3.03 对照2 2 067.09±41.93 0.45±0.06 1240.00±372.02 9.40±2.33 18.71±6.30 99.35±43.03 21.03±13.87 23.25±9.25 9.40±4.68 说明:数据为平均值±标准差。 -
土壤样品风干后,通过20目土壤筛测定土壤pH,通过60目土壤筛测定土壤碳、氮、磷、钾4种元素的质量分数。土壤pH采用玻璃电极法测定(水土质量比为2.5∶1.0);土壤全碳(TC)质量分数采用燃烧-红外吸收光谱法;土壤有机碳(SOC)质量分数采用全碳分析仪测定;土壤全氮(TN) 质量分数采用微量凯氏定氮法测定;土壤碱解氮(AN) 质量分数采用连续流动分析仪(BRAN and LUEBBE AA3)测定;土壤有效磷(AP) 质量分数采用紫外可见分光光度计法测定;土壤速效钾(AK) 质量分数采用醋酸铵-火焰光度计法测定;根据全碳和全氮计算出碳氮比(C/N)。
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采用单因素方差分析法(ANOVA)分析烧除对云南松林土壤碳、氮、磷和钾4种元素化学计量的影响,采用Spearman相关系数分析土壤养分质量分数之间及其可能影响因子的关系;采用主成分分析(PCA)探讨烧除间隔时间对土壤养分质量分数的影响;采用多因素方差分析(MANOVA)解释海拔、计划烧除、烧除间隔时间和土层深度及其交互作用对土壤养分质量分数的影响。数据统计分析和作图均采用R 4.2.3软件完成。
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单因素方差分析表明:烧除后间隔时间对土壤pH和养分元素质量分数的影响有差异。与对照相比,T1样地0~10和10~20 cm土层的土壤pH均无显著差异,T2样地2个土层土壤pH分别极显著增加了9.42%和6.67% (图1A~B,P<0.01);T1和T2样地0~10和10~20 cm土层的土壤全碳、有机碳、全氮、碱解氮无显著变化(图1C~J),T2 样地0~10 cm土层土壤碳氮比变化不明显,T2样地10~20 cm土层土壤碳氮比显著增加了14.55% (P<0.05,图1K~L);与对照相比,T1样地0~10和10~20 cm土层土壤有效磷和速效钾质量分数均无显著差异,T2样地0~10 cm土层土壤有效磷质量分数减少了37.28% (P<0.05),0~10和10~20 cm土层土壤速效钾质量分数分别显著增加了82.23%和37.11% (P<0.05,图1M~P)。
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土壤pH和养分元素质量分数受海拔、计划烧除、烧除后间隔时间和土层深度等因素的影响,且土壤养分元素之间存在一定的相关性(图2)。 Spearman相关系数表明:各土壤养分元素之间及其与土壤pH均呈显著正相关(P<0.05),与土层深度显著负相关(P<0.05)。
图 2 土壤pH、养分元素及潜在影响因子之间相关性
Figure 2. Relations among soil pH, nutrient and potential influencing factors
土壤各养分元素质量分数与计划烧除、植被特征、海拔、土层深度等可能影响因子的相关性有较大差异。土壤全碳和土壤有机碳仅与土层深度显著负相关(P<0.05);土壤全氮与海拔显著正相关(P<0.05),与土层深度显著负相关(P<0.05);土壤碱解氮与烧除后间隔时间显著正相关(P<0.05),与土层深度显著负相关(P<0.05);土壤速效钾与计划烧除和烧除后间隔时间显著正相关(P<0.05),与土层深度显著负相关(P<0.05);土壤有效磷与土层深度显著负相关(P<0.05)。
土壤pH与乔木高度和密度、灌草层的高度和盖度、土层深度和海拔均呈负相关,与计划烧除和烧除后间隔时间呈正相关,但仅与灌木层植物高度和盖度、草本层高度、计划烧除、烧除后间隔时间和土层深度6个因素的相关性显著(P<0.05)。
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主成分分析表明:前2个轴分别解释了总方差的49.10%和19.60% (图3),土壤全碳、有机碳、全氮、碱解氮、速效钾和土层深度解释了大部分方差(表2)。土壤全碳、有机碳、全氮、碱解氮、土层深度和速效钾主要解释了第1轴的变化,烧除间隔时间、土壤全碳、土壤有机碳、土壤碱解氮、土壤有效磷与第1轴呈正相关关系,土层深度与第1轴呈负相关关系;计划烧除、海拔、烧除间隔时间和土壤碳氮比主要解释了第2轴的变化,烧除间隔时间和土层深度与第2轴存在正相关关系,土壤全碳、有机碳、碱解氮和有效磷与第2轴呈负相关关系。主成分分析同样表明:T1样地与对照样地的土壤养分质量分数几乎无差异,T2样地与对照样地的土壤养分元素质量分数有较大差异。
表 2 主成分分析前2轴各变量贡献率
Table 2. Contribution rates of variables on the first two axes of PCA
排序轴 贡献率/% 烧除后间隔时间 土层深度 pH 全碳 有机碳 全氮 碱解氮 有效磷 速效钾 碳氮比 PCA1 1.12 12.20 5.37 15.88 15.52 12.77 12.33 8.38 9.75 6.38 PCA2 15.70 0.90 7.58 0.27 0.96 6.36 0.65 2.58 2.66 9.91 -
多因素方差分析表明:计划烧除、土层深度和海拔及其交互作用对于土壤各养分元素的相对贡献有差异(表3)。土壤全碳受土层深度和烧除间隔时间的影响显著,相对贡献分别为52.80%和3.78%;土壤有机碳受土层深度和海拔及其交互作用的影响显著,其相对贡献分别为74.38%、17.62%和8.00%;土壤全氮受土层深度、海拔、烧除后间隔时间、土层深度和海拔的交互作用、烧除后间隔时间和土层深度的交互作用的影响显著,其相对贡献分别为63.37%、23.13%、1.66%、10.33%和1.51%;土壤碱解氮的显著影响因子为土层深度和烧除后间隔时间,其相对贡献分别为86.34%和17.33%;土壤有效磷的显著影响因子为海拔、土层深度、烧除后间隔时间和计划烧除,相对贡献分别为52.41%、26.77%、4.78%和2.04%,且计划烧除和土层深度及烧除后间隔时间和土层深度交互作用的影响也显著(相对贡献分别为1.91%和0.95%);土壤速效钾受土层深度和计划烧除的影响显著,相对贡献分别为71.37%和26.21%;土壤pH的显著影响因子为海拔、计划烧除、土层深度和烧除后间隔时间,相对贡献分别为52.94%、17.82%、16.07%和6.73%,因子间交互作用不明显;土壤碳氮比受烧除后间隔时间、土层深度和计划烧除的影响显著,相对贡献分别为49.67%、35.28%和13.03%,因子间交互作用不明显。
表 3 土壤养分元素主要影响因子的相对贡献
Table 3. Relative contributions of major influencing factors of soil nutrient elements
指标 相对贡献/% 计划烧除 烧除后间隔时间 土层深度 海拔 烧除后间隔时间与土层
深度交互作用土层深度与海拔
相交互作用计划烧除与土层
深度交互作用全碳 − 3.89** 52.80*** − − − − 有机碳 − − 74.38** 17.62*** − 8.00* − 全氮 − 1.66** 63.37*** 23.13** 1.51** 10.33* − 碱解氮 − 17.33*** 86.34*** − − − − 有效磷 2.04* 4.78** 26.77*** 52.41* 0.95* − 1.91* 速效钾 26.21*** − 71.37*** − − − − pH 17.82*** 6.73** 16.07*** 52.94* − − − 碳氮比 13.03*** 49.67*** 35.28*** − − − − 说明:仅列出了影响显著的各因子及其交互作用的相对贡献。−表示无显著交互作用,*表示交互作用显著(P<0.05),**表示交互作用极显著(P<0.01),***表示交互作用极其显著(P<0.001)。 -
轻度火烧对土壤的影响仅限于表层土壤[2, 26, 28−30]。本研究中计划烧除为轻度火烧,故而仅分析0~20 cm土层土壤养分元素化学计量特征对烧除的响应。本研究中云南松林实施计划烧除区域,每年烧除样地0~20 cm土层土壤pH无显著变化,而NEILL等[16]的研究表明:每年烧除显著增加了美国东北部松栎混交林土壤pH,这可能是土壤质地差异引起的。间隔3 a烧除样地0~10和10~20 cm土层土壤pH分别增加了0.46和0.32,与计划烧除对西班牙东北部松栎混交林表层土壤pH的影响相似[17]。土壤pH约0.50的差异就会影响酸性土壤养分可用性和周转[31−32]。本研究中烧除间隔1 a样地和间隔3 a样地土壤pH的变化可能不会引起养分可利用性和周转的变化。
本研究表明计划烧除间隔1 a对云南松林0~20 cm土层土壤碳、氮、磷质量分数无显著影响,这与计划烧除对美国东北部松栎混交林0~20 cm土层土壤碳、氮、磷质量分数的影响结果一致[16],但FRANCOS等[17]计划烧除显著降低了西班牙东北部松-栎混交林表层0~2.5 cm土壤碳和氮质量分数,这可能是土层深度差异造成的。本研究土壤养分质量分数与土层深度显著相关。研究区0~10和10~20 cm土层土壤碳氮比均有增加,烧除间隔3 a样地10~20 cm土层显著增加,这与NEILL等[16]和FRANCOS等[17]的研究结论相似。FRANCOS等[17]表明火后土壤碳氮比立即增加,且火后13 a碳氮比仍处于增加的状态。研究区烧除后间隔1 a样地0~10和10~20 cm土层土壤速效钾均无显著变化,间隔3 a样地0~10和10~20 cm土层的土壤速效钾均显著增加,这与ALCAÑIZ等[33]的结论相似。西班牙加泰罗尼亚森林实施计划烧除后,土壤速效钾立即增加,火后1 a土壤速效钾略有下降,火后9 a呈现增加。田荣等[26]研究表明:每年连续烧除实施半个月后,滇中云南松林土壤有机碳、全氮和有效磷显著降低,硝态氮、土壤全钾和速效钾显著增加。本研究表明:烧除1 a后云南松林土壤全碳、有机碳、全氮、碱解氮和有效磷质量分数与未烧除样地均无显著差异。
计划烧除对森林土壤养分元素和pH的影响受火烧烈度、烧除后间隔时间、气候、植被类型、海拔、土壤性质等多种因素的综合作用[34]。本研究中云南松林0~20 cm土层土壤养分元素的变化受烧除后间隔时间的影响较大。今后,将继续对研究区云南松林土壤碳、氮、磷、钾质量分数进行长期监测,综合考虑气象因素、植物生长和地形特征对计划烧除样地土壤物理和化学性质的影响,以便制定科学合理的计划烧除方案,达到既预防森林大火又能维持森林生态效益的目的。
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本研究以云南省新平彝族傣族自治县照壁山云南松林计划烧除实施区域为例,揭示了计划烧除及烧除间隔时间对滇中云南松林土壤养分元素化学计量特征的影响。得出以下结论:计划烧除对研究区云南松林 0~20 cm土壤碳、氮、磷、钾各元素质量分数的影响受烧除后间隔时间、土层深度和海拔等因素的共同影响;相对于烧除后间隔1 a,研究区0~20 cm土层土壤各养分元素化学计量特征对烧除后间隔3 a的响应更敏感;计划烧除对土壤有效磷、土壤速效钾、土壤碳氮比和土壤pH影响显著,土壤pH与烧除后间隔时间、灌木层植物高度和盖度等因素显著相关;土壤全碳、全氮、碱解氮、速效钾、有效磷和碳氮比均与烧除后间隔时间显著相关,烧除后间隔时间是影响土壤碳氮比的最大因子,但对土壤全碳、全氮和有效磷的相对贡献均不足5%;乔灌草等植被因子与0~20 cm土层土壤碳、氮、磷、钾各养分元素化学计量特征相关性均不显著;海拔是土壤有机碳、全氮、有效磷和pH的显著影响因子,对土壤有效磷和pH的影响最大,土层深度是土壤全碳、有机碳、全氮、碱解氮和速效钾的影响最大的因子,计划烧除、烧除后间隔时间和海拔对土壤养分元素的影响均受土层深度的影响。
Effect of prescribed burning on soil nutrient content of Pinus yunnanensis forest in central Yunnan Province
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摘要:
目的 探究计划烧除及其时间间隔对云南松Pinus yunnanensis林土壤碳氮磷钾化学计量特征的影响。 方法 以滇中地区玉溪市新平彝族傣族自治县照壁山云南松林为研究对象,分别在未烧除样地(对照)、连续每年实施计划烧除后间隔1 a样地(T1)和间隔3 a样地(T2),分层采集0~10和10~20 cm土层土壤,测定土壤碳、氮、磷、钾4种养分元素质量分数,采用方差分析、Spearman相关分析和主成分分析(PCA)探究计划烧除后不同间隔时间对滇中云南松林土壤化学计量特征的影响。 结果 与对照样地相比,T1样地的2个土层土壤pH均无显著变化,T2样地的2个土层土壤pH均极显著增加(P<0.01);T1和T2样地2个土层的土壤总碳、有机碳、总氮、碱解氮质量分数均无显著差异,T2样地的0~10 cm土层土壤有效磷质量分数显著降低(P<0.05),2个土层的土壤速效钾质量分数均显著增加(P<0.05),土壤碳氮比仅在T2样地10~20 cm土层显著增加(P<0.05)。 结论 计划烧除对研究区土壤养分质量分数的影响受烧除间隔时间和土层深度等因素的共同影响,2种烧除后间隔时间均对研究区云南松林土壤碳氮质量分数无显著影响,但对土壤pH、碳氮比、有效磷和速效钾有显著影响。图3表3参34 Abstract:Objective This study aims to analyze the impact of evaluate prescribed burning and intervals on soil chemical stoichiometry of carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) in Pinus yunnanensis forest. Method The study object was P. yunnanensis forest in Xinping Zhaobi Mountain, Yuxi in central Yunnan Province. Soil samples of 0 − 10 and 10 − 20 cm soil layers were collected separately from unburned plots (control), plots of 1 year after prescribed burning (T1) and plots of 3 years after prescribed burning (T2), respectively, and the mass fractions of soil C, N, P, and K were measured. The impact of prescribed burning on soil stoichiometry in P. yunnanensis forest was studied. Analysis of variance (ANOVA), Spearman’s correlation analysis and principal component analysis (PCA) were used to investigate the effects of different burning intervals on the soil stoichiometry. Result Compared with the control, there was no significant change in soil pH in both soil layers (0 − 10 and 10 − 20 cm) of T1 plot, while there was a significant increase in soil pH in both layers of T2 plot (P<0.01). In the 0 − 10 and 10 − 20 cm soil layers of T1 and T2 plots, there was no significant variation in total carbon (TC), organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), and hydrolysable nitrogen (AN). The available phosphorus (AP) in the 0 − 10 cm soil layer of T2 plot significantly decreased (P<0.05), while the available potassium (AK) in both soil layers significantly increased (P<0.05). The soil carbon-to-nitrogen (C/N) ratio significantly increased only in the 10 − 20 cm soil layer of T2 plot (P<0.05). Conclusion The impact of the prescribed burning on the quality fraction of soil nutrients in the study area is influenced by such as factors burning interval and soil depth. Both interval time after prescribed burning has no significant impact on C and N contents of soil in P. yunnanensis forest. However, burning has a larger effect on soil pH, C/N ratio, AP, and AK. [Ch, 3 fig. 3 tab. 34 ref.] -
近年来,国内绿道建设发展迅猛。目前,已有广东、浙江、河北、江苏、四川、福建、安徽、新疆等省(自治区)的众多城市开展了绿道网规划和建设工作。绿道网的规划建设行动源于对日趋严峻的城乡环境问题和对传统生态绿色空间保护政策实效的主动反思和应对,然而,在部分地区绿道建设的快速推进中也出现了绿道生态性不足,存在功能单一、基础设施缺乏、绿道特色欠缺等问题[1]。当前,亟需对已建成的绿道价值进行评价与分析,以便清晰地呈现绿道建设的综合效益,为科学规划和建设绿道提供参考和依据。国内对于绿道评价体系的研究已有一定积累,但多为对绿道某一方面的性质或功能评价,对于绿道服务价值全面系统的评价较少。研究主要集中在2个方面:一为景观资源评价,包括植物景观评价[2]和景观视觉评价等[3];二是功能评价,包括生态效益评价[4-5]、休闲游憩功能评价[6]、生态系统服务功能评价[7]、使用后评价(POE)[8-9]和社会绩效评价[10]。此外,也有学者提出了以“使用者(人)—绿道(环境)”关系为中心的区域绿道网评价体系研究假设以及研究思路,但未进行实证研究[11]。“景观绩效”是“衡量景观解决方案在实现其预设目标的同时满足可持续性方面效率的指标”[12],即基于可持续发展目标,从环境、经济、社会等3个方面对景观进行全面的绩效评价。其评价以生态系统服务为基础,补充适合景观研究内容的评价指标[13],因此更具有针对性。美国景观设计基金会(Landscape Architecture Foundation,简称 LAF)于 2010 年提出“景观绩效系列”(Landscape Performance Series,简称 LPS)研究计划,针对已建成的景观项目,形成一套依托案例调查研究(case study investigation, CSI)的开放性评价体系。当前,景观绩效研究呈现迅速增长的发展态势[13],其研究主要集中于评价指标的选取[14]、评价体系的构建[15-16]和评估方法的应用[17]等方面。国内景观绩效的研究多集中于较小尺度风景园林的建成项目[18-19],或景观绩效中某些可持续特征的部分[13,20],缺少对大尺度区域景观的研究,对建成项目从环境、经济、社会等3个方面进行全面评价的研究也较少。为此,笔者依托案例研究,尝试对浙江青山湖国家森林公园环湖绿道1期的景观绩效进行评价,以期全面评估绿道的综合价值,为绿道的设计与建设提供参考,并向社会传播绿道的综合价值。
1. 研究地概况与研究方法
1.1 研究地概况
浙江省杭州市临安区青山湖国家森林公园环湖绿道(简称“青山湖绿道”)1期,曾入选2017年“浙江省十大经典绿道”,并获2018年浙江建设工程“钱江杯”一等奖,2019年度中国风景园林学会科学技术奖一等奖。青山湖绿道位于杭州市临安区锦城镇东郊。青山湖为大型人工湖,水域开阔,湖山一体,环湖森林覆盖率79%,自然景色优美,生态环境优越。青山湖绿道沿湖而建,连接城、村、湖、山,全长42.195 km,分3期建设,于2019年7月全线贯通。本研究区段为青山湖绿道1期,长10 km,于2017年1月建成开放。
1.2 评价方法
根据中国住房与城乡建设部2016年9月编制的《绿道规划设计导则》(简称《导则》),郊野型绿道的功能包括生态环保、休闲健身、社会与文化、旅游与经济[21]。其中,生态环保作为其核心价值,体现在绿道有助于固土保水、净化空气、缓解热岛等,并为生物提供栖息地及迁徙廊道。以上功能与LPS中游径(trail,包含绿道类项目)[22]、滨水景观再开发(waterfront redevelopment)[23]等相关案例中所采用的评价指标(表1)高度吻合。另外,LPS基于可持续的发展目标,其经济评价指标还加入了节约建设成本。基于以上分析,结合青山湖绿道的实际情况,确定了本研究采用的景观绩效指标体系,包含环境、经济、社会等3个方面的17项指标(表2)。收集分析以上绩效数据,结合统计学、生态学、经济学、使用后评价等方法,进行景观绩效评价。
表 1 郊野型绿道的功能与LPS相关案例评价指标的对照表Table 1 Comparison between the function of country greenways and the evaluation indexes of LPS-related cases《绿道规划设计导则》中的郊野绿道功能 LPS相关案例采用的评价指标 生态环保 固土保水、净化空气、缓解热岛、生物提供栖息地及
迁徙廊道环境 土壤保护、水岸线保护、涵养水源、固碳释氧、空
气质量、调节气温和城市热岛效应、栖息地改善/
保护/创建/恢复旅游与经济 整合旅游资源,促进相关产业发展,提升沿线土地价值 经济 地产价值、工作岗位、旅游业收入、节约建设成本 休闲健身 提供亲近自然、游憩健身的场所和途径,倡导健康的生
活方式社会 娱乐及社会价值、文化保护、健康、教育、可达
性、景观质量社会与文化 连接城乡居民点、公共空间以及历史文化节点,保护和
利用文化遗产,促进人际交往、社会和谐与文化传承表 2 郊野型滨水绿道景观绩效指标体系Table 2 Country waterfront greenway landscape performance indicators system环境绩效 经济绩效 社会绩效 土壤保护 房产价值 文化保护 水岸线保护 工作岗位 健康 涵养水源 旅游业收入 教育价值 固碳释氧 节约建设成本 可达性 调节气温 娱乐及社会价值 景观质量 净化空气 增加物种多样性、
提高生态完整性等1.2.1 环境绩效评价方法
在LPS的案例中,环境绩效的评价多通过相应的绩效评估工具集进行计算,但由于本研究场地尺度较大,利用工具集评估所需的部分数据获取较为困难,故本研究的环境绩效评价,主要参考了欧阳志云等[24]对中国陆地生态系统服务功能进行评估时所综合运用的生态学及经济学方法。吴隽宇[8]曾采用此方法对珠江三角洲区域绿道1号线进行评估。首先确定绿道线路、类型和控制范围,再对其相应的生态系统面积进行计算。研究采用的绿道图纸由绿道的设计单位提供。《浙江省绿道规划设计技术导则》[25]规定,根据绿道所处区域和功能要求,分为城镇型绿道、乡野型绿道、山地型绿道3种类型。其中,乡野型绿道是指城镇规划建设用地范围外,依托林地、园地、湿地、水体、农田,连接风景名胜区、旅游度假区、历史文化名镇名村、农业观光区、特色乡村、农家乐等的绿道。乡野型绿道的总宽度一般不小于100 m。青山湖绿道依托青山湖国家森林公园,一面临水,一面靠山,属于该导则中的乡野型绿道。本研究将100 m作为其控制范围的宽度。以青山湖绿道1期的总体平面图为基本研究范围,将卫星图片导入Auto CAD软件,依据其控制范围的宽度,描绘其具体范围。再根据卫星图片及实地踏勘,确定绿道沿线生态系统的类型,主要包括林地、耕地、草地、湿地、水域等5种类型。根据设计单位提供的信息,在Auto CAD软件中分层描绘,并统计新增及因绿道建设而被保护的各类型生态系统的面积。在此基础上,分别计算其保持土壤、涵养水源、固碳释氧、调节气温、净化空气等方面的环境绩效。
1.2.2 经济绩效评价方法
经济绩效的评估采用市场价值法。工作岗位数据源自现场调研,旅游业收入的数据来自于对绿道周边乡村村委会的调研,节约建设成本的数据由绿道设计单位提供。
1.2.3 社会绩效评价方法
社会绩效的评估主要采用使用后评价、问卷调查等方法。在2017年3−5月、11月、2018年4月,本研究对583位场地使用者进行了现场问卷调查,其中有效问卷531份,问卷有效率91%。问卷内容根据社会绩效的相应指标设置,包括受访者对绿道的娱乐价值、文化保护、教育价值、景观质量评价,以及绿道对受访者健康的影响。
2. 结果与分析
2.1 环境绩效评价
根据彭建等[26]的经验,生态系统面积为有效林地、草地、湿地沼泽和水域面积的和,其中有效林地面积=林地面积+耕地面积×0.2(表3)。
表 3 青山湖绿道1期生态系统面积Table 3 Ecosystem area of Qingshan Lake Greenway Phase I有效林地/hm2 草地/hm2 湿地沼泽/hm2 水域/hm2 生态系统面积/hm2 针叶林 阔叶林 耕地(按0.2系数折算成林地) 1.670 13.692 0.896 7.198 17.250 0.134 40.840 2.1.1 保持土壤效益
保持土壤带来的经济价值,以林地、草地每年减少土壤侵蚀的总量为基础,计算林地、草地对表土损失、肥力损失和减轻泥沙淤积灾害3个方面的价值。(1)林地、草地每年减少的土壤侵蚀总量。潜在土壤侵蚀量是指无任何植被覆盖的情况下,土壤的最大侵蚀量。而不同植被覆盖下的土壤侵蚀量有很大差别。林地、草地减少的土壤侵蚀量=潜在土壤侵蚀量−林地、草地覆盖区土壤侵蚀量。本研究参考欧阳志云等[24]统计的侵蚀模数进行计算(表4~6)。(2)效益估算。①每年减少的土地损失面积及间接价值。根据土壤侵蚀量和土壤耕作层的平均厚度来推算土地损失面积。每年减少的土壤损失量按表5的平均值计,土壤密度以1.3 g·cm−3计,先算出每年减少的土壤损失量对应的体积。将中国耕作土壤的平均厚度0.5 m作为林地、草地的土层厚度[16],进而算出每年林地、草地减少的土地损失面积分别为0.798、0.353 hm2·a−1。单位面积的生产收益根据2014年浙江省林业、牧业生产的平均收益2 224.8和1 489.7元·hm−2·a−1计算,则每年减少的林地、草地损失的经济价值分别为1 094、2 620元·a−1。②减少土壤肥力损失的间接效益。土壤侵蚀带走了大量的土壤营养物质,主要是土壤有机质、氮、磷、钾。根据实地调查,绿道所在区域土壤主要为红黄泥土,按照临安农林信息网[27]中红黄泥土的有机质、氮、磷、钾质量分数为标准,结合每年林地、草地分别减少的土壤损失平均值,估算林地、草地每年减少的有机质、氮、磷、钾元素的损失量分别为195.10 t·a−1、9.21 t·a−1、51.51 kg·a−1、1 075.05 kg·a−1。根据浙江价格网的公示,2018年第3季度浙江省化肥市场价格的平均值约2.52元·kg−1,据此可以估算林地、草地每年减少的土壤氮、磷、钾损失的经济价值为26 044元·a−1。③减少泥沙淤积的经济效益。根据中国主要流域的泥沙运动规律,一般土壤侵蚀流失的泥沙有24%淤积于水库、江河、湖泊,另有33%滞留,37%入海[28]。本研究仅考虑淤积于水库、江河、湖泊的24%,这部分泥沙直接造成蓄水量的下降。按林地、草地每年减少的土壤损失量平均值计算蓄水损失量,再根据蓄水成本计算其价值。按水库建设需投入成本5.714元·m−3计[29],减少泥沙淤积的经济价值为7 897元·a−1。
表 4 每年林地草地的潜在土壤侵蚀量Table 4 Annual potential soil erosion of woodland and grassland侵蚀模数/(t·hm−2·a−1) 林地 草地 总潜在侵蚀量/(t·a−1) 面积/hm2 潜在侵蚀量/
(t·a−1)面积/hm2 潜在侵蚀量/
(t·hm−2·a−1)最低值 192.0 16.258 3 121.536 7.198 1 382.016 4 503.552 最高值 447.7 7 278.707 3 222.545 10 501.251 平均值 319.8 5 199.308 2 301.920 7 501.229 表 5 每年林地草地覆盖区的土壤侵蚀量Table 5 Annual soil erosion of woodland and grassland林地 草地 总侵蚀量/(t·a−1) 侵蚀模数/(t·hm−2·a−1) 面积/hm2 侵蚀量/(t·a−1) 侵蚀模数/(t·hm−2·a−1) 面积/hm2 侵蚀量/(t·a−1) 0.630 16.258 10.243 0.500 7.198 4.535 14.777 表 6 每年林地草地减少的土壤损失量Table 6 Annual reduction in soil loss of woodland and grassland林地减少的土壤损失量/(t·a−1) 草地减少的土壤损失量/(t·a−1) 总减少土壤损失量/(t·a−1) 最低值 3 111.293 最低值 1 377.481 4 488.775 最高值 7 268.464 最高值 3 218.010 10 486.474 平均值 5 189.066 平均值 2 297.386 7 486.452 综合以上,青山湖绿道1期每年保持土壤的总经济价值包括减少土壤损失面积的经济价值3 714元·a−1,减少土壤氮磷钾损失的经济价值26 044元·a−1,减少泥沙淤积的经济价值为7 897元·a−1,合计37 655元·a−1。
2.1.2 涵养水源效益
本研究采用替代工程法评估涵养水源的价值。根据浙江省杭州市临安区气象局的数据,临安多年年均降水量为1 506.0 mm。参考陈波等[30]对杭州西湖风景区绿地储水保土研究,假设降水的蒸散量为65%,则青山湖绿道1期每年截留水量为1 506.0 mm×35%×23.45 hm2=123 636.58 m3。单位库容的水库工程费用仍以5.714元·m−3计,则每年涵养水源价值为70.65万元·a−1。
2.1.3 固碳释氧效益
参考孙燕飞[31]在临安的研究,杉木Cunninghamia Lanceolata林的固碳量为2.44 t·hm−2·a−1,释氧量为6.52 t·hm−2·a−1;针阔混交林的固碳量为2.16 t·hm−2·a−1,释氧量为5.76 t·hm−2·a−1。根据温家石[32]对城市建成区所做研究,考虑到绿道的草坪修剪次数远低于城市内部,假设绿道的草坪修剪次数是后者的1/4,得出绿道草地固碳量6.68 t·hm−2·a−1,草地释氧量为11.55 t·hm−2·a−1。对于生态系统二氧化碳吸收功能经济价值的评估多采用碳税法和造林成本法[33],并取两者的平均值。国际上通常采用瑞典碳税,折合人民币1 010元·t−1,中国造林成本折合为255元·t−1[34]。对于释放氧气的价值采用工业制氧法进行评估,中国工业制氧的平均成本为400元·t−1。经计算可得青山湖绿道1期每年固碳价值为5.17万元·a−1元,释放氧气价值为6.92万元·a−1。
2.1.4 调节气温效益
根据已有研究测定[35],夏季绿地可从环境中吸收81.8 MJ·hm−2·d−1的热量,相当于189台空调机全天工作的制冷效果。室内空调机耗电0.86 kWh·h−1·台−1,电费按浙江省电费价格0.538元·kWh−1计,则绿地节约电费为2 098.7元·hm−2·d−1。按每年使用空调60 d计,则青山湖绿道1期每年调节气温所创造的价值为295.29万元·a−1。
2.1.5 净化空气效益
(1)吸收二氧化硫的价值。阔叶林对二氧化硫的吸收能力为88.65 kg·hm−2·a−1,针叶林对二氧化硫的平均吸收能力值为215.60 kg·hm−2·a−1,两者对二氧化硫的平均吸收能力为152.13 kg·hm−2·a−1,二氧化硫的治理代价为3 000元·t−1,得到吸收二氧化硫价值为0.74万元·a−1。(2)吸收氮氧化物的价值。目前,汽车尾气脱氮治理的代价是1.6万元·t−1。林地可吸收氮氧化物380 kg·hm−2·a−1,得到吸收氮氧化物价值为9.88万元·a−1。(3)滞尘价值。针叶林的滞尘能力为33.20 t·hm−2·a−1,阔叶林的滞尘能力为10.11 t·hm−2·a−1,平均为21.67 t·hm−2·a−1。削减粉尘价格为170元·t−1,则其滞尘价值为5.99万元·a−1。因此,绿道净化空气的总价值为16.61万元·a−1。
2.2 经济绩效评估
2.2.1 房产价值
绿道的建设,极大地改善了周边居民的生活环境。根据安居客网站的数据,绿道建设前的2015年11月与竣工投入使用后的2018年12月相比,紧邻绿道的房产单价增幅约27.76%,可见绿道对于房产价值提升有积极影响。
2.2.2 工作岗位和旅游业收入
绿道建成后为管理维护提供了20个就业岗位,为带动旅游业发展而提供了37个就业岗位。绿道建成后对周边如泥山湾村等乡村的农家乐、民宿等有显著促进作用。据不完全统计,该区域旅游产值增幅超过20.00%。
2.2.3 节约建设成本
回收利用场地遗留的废旧材料,如红砖、青砖、石等,节约了废旧材料外运与处理费用,以及购买等量新材料的材料费和运输费用,节约成本为23.33万元(表7)。利用原有水利废弃设施等构筑物而产生的节约费用,包括拆除、清运、处理费用,及新建相应设施的费用,合计66.75万元(表8)。
表 7 利用废旧建材产生的节约建设成本Table 7 Construction costs savings from the use of waste building materials废旧材料 工程量/ m3 外运处理总价/元 新材料单价(含材料费、运费)/元 新材料总价/元 合计节约建设成本/元 砖 4.4 132 730 3 212 3 344 卵石 16.3 489 330 5 379 5 868 景观石 233.4 2 334 810 189 054 191 388 老石板 54.0 162 603 32 562 32 724 合计 233 324 表 8 利用原有构筑物产生的节约建设成本Table 8 Construction costs savings from the use of existing structures构筑物名称 工程量/ m3 拆除、清运、处理费用/元 新建栈道基础费用/元 合计节约建设成本/元 钓鱼台 63 15 750 31 500 47 250 观星台 675 168 750 337 500 506 250 “鱼头”小品 51 12 750 25 500 38 250 青风徐来亭 101 25 250 50 500 75 750 合计 667 500 2.3 社会绩效评价
根据问卷调查统计结果,青山湖绿道在1期自开放以来,已吸引大量长期使用者,首次来绿道的人群比例较低;绿道的使用者主要来自临安本地,尽管绿道距离杭州主城区有36 km,依然吸引了不少来自杭州的游人。表9记述了社会绩效调查的结果。多数使用者认为绿道建设提升了城市形象,绿道设计体现了临安的历史文化。82.7%的受访者对绿道的骑行或步行体验表示满意。多数受访者认为绿道提升了其户外活动的参与度,近半数使用者表示绿道改变了其生活方式。在可达性方面,公共交通的可达性较差,间接导致了选择私家车出行的游人增多,在节假日游客高峰时期,交通及停车问题较为突出。10.0%的受访者表示绿道当前最突出的问题即到达绿道的路线不畅通。增设绿道附近的公交站点,是增强其可达性及缓解交通与停车压力的有效方式。作为郊野型绿道,青山湖绿道吸引游客的主要因素是其自然环境优美,而绿道设计中对于乡土材料的应用也受到了使用者的关注,57.0%的受访者表示对于可持续设计有了更深的了解。
表 9 青山湖绿道1期的景观绩效评价结果Table 9 Landscape performance evaluation results of Qingshan Lake Greenway Phase I类别 项目 指标 评价结果 环境
绩效土地 土壤保护 经济价值为3.8万元 水岸线保护 未进行评估 水 涵养水源 经济价值为70.65万元 碳及空
气质量固碳释氧 固碳价值为5.17万元,释氧价值为6.92万元 调节气温 经济价值为295.29万元 净化空气 经济价值为16.61万元 栖息地 增加物种多样性、提高
生态完整性等未进行评估 经济
绩效房产价值 绿道建设后,紧邻绿道的房产单价增幅约27.76% 工作岗位 绿道建成后管理维护提供了57个就业岗位 旅游业收入 绿道拉动了地方旅游业的发展,旅游产值增幅超过20.00% 节约建设成本 利用废旧建材节约23.33万元,利用原有构筑物设节约66.75万元 社会
绩效娱乐及社会价值 531名受访者中有82.7%对绿道骑行或步行的体验是满意的,67.0%的受访者认为绿道建设提升了城市形象,有组织的大型徒步、毅行、马拉松活动达到近1.5万余人次 文化保护 73.4%的受访者表示绿道设计体现了临安的历史文化 健康 65%的受访者表示绿道提升了其户外活动的参与度,68%的受访者来绿道活动的目的是散 步,25%选择了旅游观光,17%选择了骑行,10%选择聚会;43%的受访者表示绿道改变 了其生活方式,骑行、散步、聚会、摄影、钓鱼等活动对其生活产生了积极影响; 82%的受访者表示愿意居住在步行可达的范围内 教育价值 9%的受访者表示来此地是为了研究学习,57%的受访者表示对于可持续设计有了更深 的了解 可达性 38%的受访者开私家车到达绿道,其次为步行占30%,骑自行车或电动自行车前来的 占20%,采用公交交通者仅占11% 景观质量 82%的受访者表示由于绿道自然环境优美而选择来此 3. 结论
在环境绩效评价中,青山湖绿道1期的相应经济价值约398.44万元·a−1,其中调节气温价值为295.29万元·a−1,占总价值的74%,其次为涵养水源价值为70.65万元·a−1,占总价值的18%,净化空气价值为16.61万元·a−1,固碳释氧价值为12.09万元·a−1,保持土壤的经济价值较低,为3.80万元·a−1。
在经济绩效评价中,青山湖绿道1期充分利用废旧建材与原有构筑物,节约建设成本约90.08万元;绿道建成后提供了新的工作岗位,拉动了当地旅游业发展。
在社会绩效评价中,绿道的建设提升了城市形象,体现了临安的历史文化,提升了人们的户外活动参与度,在一定程度上改变了人们的生活方式,大多数人因自然环境优美而来到绿道,超半数受访者表示对可持续设计有了更深的了解。
本研究的郊野型滨水绿道景观绩效进行了较为全面的评价,客观、清晰地呈现了绿道建设的综合效益。青山湖绿道1期的建设投入约7 200万元,仅以环境绩效价值398.44万元·a−1计算,约18 a可获得与建设投入相当的经济价值,而其对于地区发展和市民健康的促进也将产生更大的价值。对于场地中废旧建材与原有构筑物进行充分利用,能够创造较大的经济价值。
景观绩效评价可以更全面地考察、直观地展现绿道建成的综合价值,但因绿道的规模尺度较大,沿线的自然、人文资源类型丰富,需要在绿道建设前,即结合评价指标体系进行全面的数据收集,且此过程需要延续至项目建成后的数年,才能够得到更客观且全面的评价结果。本研究也存在一定局限,其中水岸线保护、栖息地恢复等指标由于原始数据缺失而无法获取;经济绩效中,房产价值的增长未排除绿道之外的其他要素影响比例;针对健康等方面的评价可在对使用者进行问卷调查的基础上,采用更完善的研究方法,以获得更客观、准确的结果。
4. 致谢
浙江农林大学风景园林与建筑学院史琰副教授对本文写作提供帮助,谨致谢意。
-
表 1 样地基本信息
Table 1. Basic information of sample plots
样地类型 海拔/m 郁闭度 密度/(株·hm−2) 乔木高度/m 乔木胸径/cm 灌木高度/cm 灌木盖度/% 草本高度/cm 草本盖度/% T1 2 064.91±50.82 0.35±0.34 1162.50±529.69 13.67±0.47 15.50±1.93 38.82±11.90 4.06±3.60 38.72±4.28 6.14±2.00 对照1 2 118.42±48.14 0.40±0.12 1228.57±318.32 14.00±0.54 15.71±2.47 64.27±22.28 13.86±8.04 53.72±15.43 6.69±4.04 T2 2 015.30±32.91 0.40±0.06 1163.64±430.16 8.93±2.74 18.11±7.36 51.55±45.69 2.85±2.43 22.38±5.39 7.85±3.03 对照2 2 067.09±41.93 0.45±0.06 1240.00±372.02 9.40±2.33 18.71±6.30 99.35±43.03 21.03±13.87 23.25±9.25 9.40±4.68 说明:数据为平均值±标准差。 表 2 主成分分析前2轴各变量贡献率
Table 2. Contribution rates of variables on the first two axes of PCA
排序轴 贡献率/% 烧除后间隔时间 土层深度 pH 全碳 有机碳 全氮 碱解氮 有效磷 速效钾 碳氮比 PCA1 1.12 12.20 5.37 15.88 15.52 12.77 12.33 8.38 9.75 6.38 PCA2 15.70 0.90 7.58 0.27 0.96 6.36 0.65 2.58 2.66 9.91 表 3 土壤养分元素主要影响因子的相对贡献
Table 3. Relative contributions of major influencing factors of soil nutrient elements
指标 相对贡献/% 计划烧除 烧除后间隔时间 土层深度 海拔 烧除后间隔时间与土层
深度交互作用土层深度与海拔
相交互作用计划烧除与土层
深度交互作用全碳 − 3.89** 52.80*** − − − − 有机碳 − − 74.38** 17.62*** − 8.00* − 全氮 − 1.66** 63.37*** 23.13** 1.51** 10.33* − 碱解氮 − 17.33*** 86.34*** − − − − 有效磷 2.04* 4.78** 26.77*** 52.41* 0.95* − 1.91* 速效钾 26.21*** − 71.37*** − − − − pH 17.82*** 6.73** 16.07*** 52.94* − − − 碳氮比 13.03*** 49.67*** 35.28*** − − − − 说明:仅列出了影响显著的各因子及其交互作用的相对贡献。−表示无显著交互作用,*表示交互作用显著(P<0.05),**表示交互作用极显著(P<0.01),***表示交互作用极其显著(P<0.001)。 -
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