【中科院之聲】野火對(duì)于野草，是敵是友？
“離離原上草，一歲一枯榮。野火燒不盡，春風(fēng)吹又生”。這是大家耳熟能詳?shù)囊皇自姟Ｒ安輵{借頑強(qiáng)的生命力，承受住了野火的肆虐，并在春天再度繁榮。野火的無情與野草的頑強(qiáng)形成了鮮明的對(duì)比。長(zhǎng)期以來，人們談火色變，熊熊野火具有不可逆的強(qiáng)大破壞力。但是，倘若“兇神惡煞”的野火也有柔情的一面呢?“遠(yuǎn)芳侵古道，晴翠接荒城”，野草在經(jīng)過一場(chǎng)火燒后，愈發(fā)旺盛。那么，野火是怎么推動(dòng)野草實(shí)現(xiàn)一片繁榮的呢?
圖1 草地火燒 (圖片來源于網(wǎng)絡(luò))
野火，非滅不可嗎？
我國是一個(gè)野火頻發(fā)的國家，我國西南、東南、東北地區(qū)的森林和草原是野火發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。據(jù)報(bào)道，2001-2017年間，我國共發(fā)生草地火162990次， 年均9588次。我國北方草地的火燒主要集中在春秋兩季，在此期間枯黃的地表可燃物配合干燥多風(fēng)的天氣，為火燒的頻繁發(fā)生創(chuàng)造了條件。由于火強(qiáng)大的破壞力，我們制定了完善的森林草原防火條例來保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。
但是火燒作為一個(gè)重要的生態(tài)因子，是一種自然選擇力量，其缺失勢(shì)必會(huì)對(duì)物種的進(jìn)化，群落和生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生重要的影響。圖2表明火燒的缺失會(huì)逐漸減少草地-森林生境中草地的面積，進(jìn)而威脅到對(duì)草地具有依賴性的鳥類 Dasyornis brachypterus 的生存。因此系統(tǒng)全面地認(rèn)識(shí)火在自然界中的作用，加強(qiáng)火的科學(xué)管理顯得尤為重要。
圖2 火燒缺失對(duì)草原-森林生境的影響(Stone et al. 2022)
注：在火燒缺失2-5年時(shí)，草地-森林生境會(huì)保持一個(gè)和諧穩(wěn)定的狀態(tài);當(dāng)火燒缺失5-8年時(shí)，生境中灌木的比例會(huì)逐漸增加;當(dāng)火燒缺失8年以上時(shí)，草地所占的比例會(huì)進(jìn)一步減少，直至完全消失。
野火，輕輕敲醒種子沉睡的心靈
“離離原上草，一歲一枯榮”，原野上野草春榮秋枯，歲歲循環(huán)。種子萌發(fā)是野草實(shí)現(xiàn)繁殖更新、原野實(shí)現(xiàn)春天繁榮的主要途徑。許多植物的種子在離開母體的呵護(hù)后，選擇以一種休眠的狀態(tài)來面對(duì)惡劣的外界環(huán)境。而火燒通過降低物種間的競(jìng)爭(zhēng)和提高資源的可利用性為種子萌發(fā)和幼苗建植創(chuàng)造了有利的外部條件。
圖3 火后幼苗成功建植(作者拍攝)
圖4 黃土高原半干旱草原火燒實(shí)驗(yàn)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
燃燒既是一個(gè)物理過程又是化學(xué)過程。植物燃燒產(chǎn)生的含氮化合物、煙、以及與煙相關(guān)的丁烯酸內(nèi)酯karrikins(KARs)和甘油腈glyceronitrile(SP1)等萌發(fā)刺激物質(zhì)被稱為化學(xué)信號(hào)。燃燒過程中產(chǎn)生的高溫和燃燒后光照條件的變化屬于物理信號(hào)(圖5)。這些火燒信號(hào)就像原野上的鬧鐘一樣，輕輕敲醒種子沉睡的心靈，使種子結(jié)束休眠狀態(tài)進(jìn)行萌發(fā)。
火燒產(chǎn)生的高溫可以促進(jìn)土壤種子庫中的種子萌發(fā)。火燒后，植物源煙中促進(jìn)種子萌發(fā)的化學(xué)物質(zhì)會(huì)沉積在土壤表面。這些萌發(fā)刺激物質(zhì)具有揮發(fā)性和水溶性。萌發(fā)刺激物質(zhì)溶于水形成煙水，既可以避免揮發(fā)，又可以從地表轉(zhuǎn)移到地下，透過種皮，刺激土壤種子庫中的種子萌發(fā)。因此火燒后一場(chǎng)降雨對(duì)于火燒生境中的植被恢復(fù)和種子萌發(fā)具有重要意義。
圖5 影響種子萌發(fā)的火燒信號(hào) (李紹陽等.2021)
在生態(tài)系統(tǒng)中，許多一年生草本、多年生草本、灌木、喬木等不同生活史特征的植物種子萌發(fā)都會(huì)對(duì)火燒信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)。比如，豆科植物的種子往往具有物理休眠，由于種皮不透水層的存在，使得水分的進(jìn)入變成了一件比較困難的事情。燃燒產(chǎn)生的高溫可以破壞種皮厚實(shí)的不透水層，打破物理休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)。
在自然界中，還有一類的種子，它們雖然沒有厚實(shí)的種子，但是在適宜的條件下也不能進(jìn)行萌發(fā)，這類種子往往具有生理休眠。van de Venter和Esterhuizen兩位科學(xué)家在1988年的時(shí)候率先指出高溫不是火燒信號(hào)中唯一影響種子萌發(fā)的因素，種子萌發(fā)與多種火燒信號(hào)密切相關(guān)。科學(xué)家們通過對(duì)煙中復(fù)雜的化合物進(jìn)行分離、測(cè)定，最終發(fā)現(xiàn)了丁烯酸內(nèi)酯karrikinolide和甘油腈glyceronitrile兩種萌發(fā)刺激物質(zhì)。對(duì)于部分休眠的種子而言，同時(shí)施加熱激和煙信號(hào)處理往往會(huì)取得意想不到的結(jié)果。但值得注意的是，高強(qiáng)度的火燒信號(hào)同樣也會(huì)對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。
圖6 不同煙熏時(shí)間對(duì)狗尾草種子萌發(fā)的影響(作者拍攝)
圖7 不同煙熏時(shí)間對(duì)狗尾草幼苗生長(zhǎng)的影響(作者拍攝)
結(jié)語：
火燒作為一個(gè)基礎(chǔ)的生態(tài)過程，對(duì)森林、草地等陸地生態(tài)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要的影響。野火和野草能否成為朋友，這需要雙方的共同努力。首先是野火的脾氣不能太暴躁，要有一個(gè)適宜的火燒強(qiáng)度;其次是野草要有適應(yīng)火燒的性狀或者策略。
參考文獻(xiàn)：
1. Li, S., H. Ma, M. K. Ooi. 2021. Fire-Related Cues Significantly Promote Seed Germination of Some Salt-Tolerant Species from Non-Fire-Prone Saline-Alkaline Grasslands in Northeast China. Plants 10: 2675.
2. 李紹陽,馬紅媛,趙丹丹,馬夢(mèng)謠,亓雯雯. 火燒信號(hào)對(duì)種子萌發(fā)影響的研究進(jìn)展. 植物生態(tài)學(xué)報(bào) 45: 1177.
3. Stone, Z. L., M. Maron,E. Tasker. 2022. Reduced fire frequency over three decades hastens loss of the grassy forest habitat of an endangered songbird. Biological Conservation 270: 109570.
4. 靳全鋒, 沈培福, 黃海松, 陳兵紅, 付春伶，郭福濤. 2019. 基于 MODIS 影像估算中國大陸區(qū)域草地火污染物時(shí)空格局. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 39: 1412-1424.
附件下載：
吉公網(wǎng)安備22017302000214號(hào)
