1987年5月6日，我国大兴安岭北部发生了自有火灾记录以来最为严重的一场森林大火，几乎烧遍了大兴安岭北部地区，导致大兴安岭的森林覆盖率从76%下降到61.5%，仅森林资源一方面经济损失就达70亿元(罗菊春，2002)。除此之外，1987年大兴安岭共发生森林火灾45起，为森林火灾最为严重的一年，如此大规模的森林火灾对当地生态系统的影响是重大和深远的(夏云春，2002)，尤其对森林生态系统碳平衡的影响更值得关注。早在20世纪70年代后期相继有学者提出森林火灾释放的温室气体对全球气候变化具有重要影响(Cruzten et al., 1979；Seiler et al., 1980)，但在我国对此方面的研究寥寥无几，多数研究集中于火后的景观格局和景观生态恢复的研究(孔繁花等，2005；王绪高等，2005；解伏菊等，2007)。对森林火灾碳释放以及火后生产力恢复的研究尚未见报道。

大兴安岭林区是我国北方森林集中典型分布区，林火是北方森林的主要干扰因子之一，在很大程度上决定着该生态系统的碳平衡。正确评估林火对森林生态系统碳平衡的影响，能够为维护我国在世界碳贸易中的有利地位提供科学依据。本文针对1987年大兴安岭林火中主要乔木树种的碳释放进行估算，探求林火对森林净初级生产力恢复的影响，为进一步开展林火对北方森林生态系统碳收支影响机制研究奠定基础。

1 研究地区概况及方法 1.1 自然概况

研究地点位于黑龙江省大兴安岭林区(50°10′—53°33 ′N，121°12′—127°00′E；面积为8.35×10⁶ hm²)。该区属寒温带季风气候，年均气温-2~4 ℃，最低气温-52.3 ℃，最高气温39.0 ℃。年降水量350~500 mm，降水集中于7—8月。相对湿度70 %~75%。积雪期达5个月，林内雪深30~50 cm。土壤以棕色针叶林土和暗棕壤为主。全区山势比较平缓，海拔在300~1 400 m左右，15°以内的缓坡占80%以上。

大兴安岭林区属于寒温带针叶林区。森林类型以兴安落叶松(Larix gmelinii)林、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)林、兴安落叶松-白桦(Betula platyphylla)林和白桦林为主。该区为我国森林火灾高发区，年均森林过火面积居全国之首，是我国森林火灾危害最严重的地区。

1.2 研究方法 1.2.1 火烧前植被类型的确定

1987年火警火灾登记报表显示，大兴安岭地区1987年共发生火警火灾46起。其中森林火警19起，轻度火灾16起，中度火灾8起，重度火灾5起。应用ArcInfo 8.3软件，将大兴安岭地区1987年的46个火点经纬度转换成大地坐标。将火点与1985年大兴安岭地区一类森林资源连续清查资料样地叠加，确定火烧前的植被类型。

1.2.2 火烧前生物量的确定

从清查资料中统计得样地内各树种的蓄积量，通过大兴安岭地区各树种的木材密度换算得到样地各树种的树干生物量。结合大兴安岭地区不同林龄的各树种的干、枝、叶和皮所占全树生物量的比例(冯宗炜等，1999；周振宝，2006)，进而求得各器官生物量以及火烧前林分的生物量。

1.2.3 生物量损失比例的确定

生物量损失比例的确定主要依据燃烧效率。燃烧效率指生物质燃烧掉的部分占总质量的比例，是估计森林火灾释放含碳气体量的关键，同时也是一个争议比较大的参数(Frank et al., 1995；王效科等，1998)，迄今为止仍然缺乏林火烧等级与森林生物量消耗之间的定量关系的研究结果。本文引用此前关于不同火烧等级下森林生物量燃烧效率的研究结果(曹卉娟，1992；吕新双，2006；胡海清等，2007)(表 1)。

1.2.4 林火碳释放量

通过燃烧效率，结合火灾损失的生物量以及各树种各器官的含碳率(吕新双，2006；周振宝，2006；胡海清等，2007)及火烧面积，最后推算出1987年火烧的碳释放量。计算公式(Seiler et al., 1980)如下：M_c=C_c×M，其中M_c表示碳释放量，C_c表示含碳率(表 2)，M为损失的生物量。

1.2.5 火后NPP恢复

净初级生产力(NPP，net primary production)通常有单位面积单位时间生物量的增加量或碳量的增加量2种表达，本文将计算分析的是火烧迹地每年每公顷增加的碳的量，单位是t·hm^-2a^-1。

由火警火灾登记表可知，大兴安岭地区自1987年至今，每年都有林火发生，即在研究区域内每年都能找到火后恢复1年、2年、3年……的林分。本研究以空间代替时间，将不同年分发生的相同火烧等级的落叶松林乔木NPP进行比较分析，得到一系列火后不同年份森林乔木层NPP值(Amiro et al., 2000)。于不同火烧年份(包括2007，2006，2002，2000，1998，1995和1987年)的火烧迹地内设置20 m×30 m的样地6块，并在火烧迹地的相邻未过火林分中设置对照样地。每个样地内进行每木检尺，钻取各树种大中小3个径级的生长芯30株左右。

将取回的生长芯固定、打磨后，用年轮分析仪扫描，经WinDENDRO Density 2003软件计算出每个年轮宽度(Wang et al., 2001)。由样地调查中实测的树木胸径D₁，和生长锥上的火后年轮宽度推算得到的过火前的树木胸径D₂ 2个胸径值，查大兴安岭地区一元材积表中对应的2个的材积值做差，求得材积差，乘以树种密度，即得到生物量差值(木村允，1981)，进而求出每株样木的近年NPP。将各树种各径级的样木NPP，推算到样地水平上。样地总NPP计算公式为，其中i为样地第i个树种, j为样地中树种数，C_ci为第i个树种的含碳率，ρ_i为第i个树种材积密度，ΔV为材积差，n为材积差代表的年数，s为样地面积。

2 结果与分析 2.1 火灾中消耗的生物量估算

根据火烧前林分的生物量和不同火烧等级下树木各器官的燃烧效率，计算得到不同火烧等级下各树种各器官的生物损失量(表 3)。

由表 3可得1987年林火中乔木损失生物量为4.60×10⁶~5.83×10⁶ t。其中，落叶松的生物量损失最大，共消耗2.25×10⁶~2.81×10⁶ t，占损失总生物量的48.22%~48.89%；其次为白桦，共损失生物量1.61×10⁶~2.11×10⁶ t，占总损失生物量的34.89%~36.29%；山杨、樟子松、红皮云杉和蒙古栎损失的生物量占火灾中损失的总生物量的比例依次减小。

重度森林火灾造成的生物量损失为4.58×10⁶~5.79×10⁶ t，占总损失生物量的99.40%左右；而中度火灾、轻度火灾和森林火警造成的生物量损失总和为0.027×10⁶~0.035×10⁶ t，仅占总损失生物量的0.6%左右。

2.2 火灾中森林碳释放量的估算 2.2.1 各树种碳释放量的估算

根据碳释放的计算公式得到不同火烧等级下的各树种各器官的碳释放量(表 4)。

由表 4可以得出1987年林火中乔木共释放碳约1.97×10⁶~2.47×10⁶ t，占大兴安岭1980—1999年20年间林火中乔木释放碳总量(胡海清，2007)的51.67%~64.80%。其中，落叶松在1987年林火中释放的碳量最大，共释放0.96×10⁶~1.19×10⁶ t，占1987年释放总碳量的49%左右；其次为白桦，火灾中的碳释放量为0.68×10⁶~0.89×10⁶ t，约占释放总碳量的35%；与生物量损失情况相同，山杨、樟子松、红皮云杉和蒙古栎所释放的碳量的比例依次减小，共占1987年释放总碳量的16%左右。

2.2.2 不同等级林火碳释放量的估算

由1987年林火资料，统计出大兴安岭地区不同等级火灾的林地过火面积及单位面积的碳释放量(表 5)。

由表 5可见，1987年林火中重度火灾面积占过火林地总面积的99.82%，共释放碳量约1.95×10⁶~2.45×10⁶ t，占1987年火灾中总释放量的99.4%左右。1987年林火中单位面积碳释放量平均为2.59×10⁶~3.25×10⁶ t·hm^-2。其中重度火灾中单位面积的碳释放量并非最大，反而中度火灾中单位面积的碳释放量最大。与多年的火点资料比对后发现，重度火灾虽然过火面积大，但是火烧地区的很大部分都是在1980—1987年反复经历火烧的地区，甚至在1980—2005年期间都是经历多次火烧的地区，这与其地理位置，湿度和温度等条件相关。因此，在火灾发生前，中度火灾和重度火灾过火的林分情况不同，也就是说，尽管重度火灾中燃烧效率高，但是火烧前单位面积内存在的生物量少，导致重度火灾下单位面积的碳释放量并不特别高。

2.3 火后NPP的恢复

经计算得到火烧后1，3，5，10，12，17，20和21年的落叶松林乔木NPP，以及火后1，3，5，7，10，13和20年的对照林分的乔木NPP(图 1)。

对照样地的NPP趋势即代表未发生林火的落叶松林乔木的生产力的情况。由图 1可见，对照样地的NPP值随着未过火时间的增加而增加，之后又有下降趋势。与之相比火后迹地内的平均NPP值大约低0.18 t·hm^-2a^-1，这说明火烧后林地乔木的生产力有所下降，这可能由于大兴安岭林区的火灾以地上火为主，火烧后林冠的叶量遭到大量破坏，直接导致乔木层的生产力下降。但是由图中火烧迹地NPP值的走向来看，火后林地乔木的NPP随着火后恢复时间的增加而增大，并且与未发生火灾的林地乔木NPP之间的差值逐渐减小。如图所示，火后20年以后，火烧迹地内的NPP值变化不大；在火后大约23~24年的时候，火烧迹地内的NPP值几乎与对照样地的乔木NPP相等，并且之后有继续上升的趋势。这说明林地在火烧20年后，生产力水平基本稳定；火后23~24年后，乔木生产力将恢复到未发生火灾的森林的乔木生产力水平，甚至生产力有继续增加，超过未过火的林地的乔木生产力的趋势。

3 结论与讨论

大兴安岭林区在1987年林火中，过火的林地面积共7.58×10⁵ hm²，乔木生物量损失约为4.60×10⁶~5.83×10⁶ t，碳释放量约为1.97×10⁶~2.47×10⁶ t，单位面积的碳释放量约为2.59~3.25 t·hm^-2，表明林火的发生在短时间内促进了森林生态系统碳的大量释放。由火后NPP恢复的研究可知，火后林分的生产力下降，落叶松林火烧迹地乔木层的平均NPP值大约比对照样地乔木层的平均NPP低0.18 t·hm^-2a^-1。但是在火后23~24年的时候，火烧迹地的乔木层NPP几乎与对照样地的乔木层NPP相等，并随着恢复时间的增加有超过对照样地乔木层NPP的趋势。Amiro等(2000)在加拿大北方森林区应用过程模型进行火后NPP的研究，得出火后15年内NPP随火后时间大致呈线性增加，火后20年达到生产力较为稳定水平，在火后20~30年时增长速率减慢，与本研究的结果基本一致。1987年林火距今已21年，中度过火的火烧迹地的生产力正在恢复并已经接近了未经过火烧的林分的生产力。

本研究中只研究了乔木层碳的释放量及落叶松林乔木层的NPP恢复情况，而未估算灌草层的碳释放和生产力。假设灌草的生长恢复速度快，能够几年之内将灌草火烧所释放的碳重新固定。为此，于2007年10月在大兴安岭林区开展了火后不同年份的迹地内与相邻未过火林地的灌木和草本生物量的对比研究，通过设置样地并采用全部收获法和含水率的测定，结果表明大约在火烧5年后，火烧迹地内的灌木和草本生物量能够恢复到火烧前的水平，甚至在火后第6~8年时，火烧迹地恢复的灌草生物量要高于林火发生前。表明灌草的火后生产力恢复周期较短。1987年林火过后至今已21年，在这样的时间尺度下，仅需研究乔木层的释放量和火后NPP的恢复，可有效了解森林火后恢复的总体动态。

本研究中的NPP值及其在火后的变化趋势，代表研究区域典型林分兴安落叶松林经中度火强干扰后的总体情况，未探讨不同火烧等级以及林龄对火后NPP恢复的影响，这也是本研究需要进一步解决的问题。