【中科院之聲】野火對于野草,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”。這是大家耳熟能詳的一首詩(shī)。野草憑借頑強的生命力,承受住了野火的肆虐,并在春天再度繁榮。野火的無(wú)情與野草的頑強形成了鮮明的對比。長(cháng)期以來(lái),人們談火色變,熊熊野火具有不可逆的強大破壞力。但是,倘若“兇神惡煞”的野火也有柔情的一面呢?“遠芳侵古道,晴翠接荒城”,野草在經(jīng)過(guò)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)現一片繁榮的呢?
圖1 草地火燒 (圖片來(lái)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、東北地區的森林和草原是野火發(fā)生的高風(fēng)險區。據報道,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。由于火強大的破壞力,我們制定了完善的森林草原防火條例來(lái)保障人們的生命財產(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,其缺失勢必會(huì )對物種的進(jìn)化,群落和生態(tài)系統的動(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)而威脅到對草地具有依賴(lài)性的鳥(niǎo)類(lèi) Dasyornis brachypterus 的生存。因此系統全面地認識火在自然界中的作用,加強火的科學(xué)管理顯得尤為重要。
圖2 火燒缺失對草原-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)和諧穩定的狀態(tài);當火燒缺失5-8年時(shí),生境中灌木的比例會(huì )逐漸增加;當火燒缺失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)現繁殖更新、原野實(shí)現春天繁榮的主要途徑。許多植物的種子在離開(kāi)母體的呵護后,選擇以一種休眠的狀態(tài)來(lái)面對惡劣的外界環(huán)境。而火燒通過(guò)降低物種間的競爭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(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò ))
燃燒既是一個(gè)物理過(guò)程又是化學(xué)過(guò)程。植物燃燒產(chǎn)生的含氮化合物、煙、以及與煙相關(guān)的丁烯酸內酯karrikins(KARs)和甘油腈glyceronitrile(SP1)等萌發(fā)刺激物質(zhì)被稱(chēng)為化學(xué)信號。燃燒過(guò)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(圖5)。這些火燒信號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)?;馃?,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),又可以從地表轉移到地下,透過(guò)種皮,刺激土壤種子庫中的種子萌發(fā)。因此火燒后一場(chǎng)降雨對于火燒生境中的植被恢復和種子萌發(fā)具有重要意義。
圖5 影響種子萌發(fā)的火燒信號 (李紹陽(yáng)等.2021)
在生態(tài)系統中,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 )對火燒信號產(chǎn)生響應。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(lèi)的種子,它們雖然沒(méi)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(lèi)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)與多種火燒信號密切相關(guān)??茖W(xué)家們通過(guò)對煙中復雜的化合物進(jìn)行分離、測定,最終發(fā)現了丁烯酸內酯karrikinolide和甘油腈glyceronitrile兩種萌發(fā)刺激物質(zhì)。對于部分休眠的種子而言,同時(shí)施加熱激和煙信號處理往往會(huì )取得意想不到的結果。但值得注意的是,高強度的火燒信號同樣也會(huì )對種子萌發(fā)和幼苗生長(cháng)產(chǎn)生抑制作用。
圖6 不同煙熏時(shí)間對狗尾草種子萌發(fā)的影響(作者拍攝)
圖7 不同煙熏時(shí)間對狗尾草幼苗生長(cháng)的影響(作者拍攝)
結語(yǔ):
火燒作為一個(gè)基礎的生態(tài)過(guò)程,對森林、草地等陸地生態(tài)的結構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)適宜的火燒強度;其次是野草要有適應火燒的性狀或者策略。
參考文獻:
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