森林大火防不住……火:冤呐,是树想要利用我

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  一项最新研究表明:火促使了植物向高可燃性的进化。这一切都源于植物求生的“小心机”。

  

  新生的树芽 | 图虫创意

  作者 | 赵序茅 兰州大学 青年研究员

  编辑 | 张昊

  责编 | 高佩雯

  “咬定青山不放松,立根原在破岩中”。诗人用来赞美竹子坚韧不拔的品质时,一定没想到山火发生时的情景。一场大火吱吱烧过 ,鸟飞兽走四散而逃,植物却只能默默站在原地接受命运,令无数人哀婉叹息。

  我们可能会想,大火多发地区的植物为了保全自身,会不会进化出更好的耐燃性?然而,事实却恰好相反。

  一项最新研究表明,正是火促成了植物向高可燃性的进化。

  4月13日,来自英国和新西兰的科学家在《自然·植物》上发文称:植物的可燃性与其种间亲缘性及所处的火环境密切相关,火在植物的进化过程中可能发挥着重要的作用。

  具体而言,他们得出了两个结论:亲缘性较高的植物往往具有类似的可燃性,如桉树、新西兰茶树以及松红梅同属于桃金娘科,它们都是易燃植物的代表。而且植物可燃性还与其生长环境中林火发生的概率有关,林火多发地区的植物往往并不尝试向耐燃方向进化,进化历程反而让它们的可燃性越来越高。

  这项研究印证了一个实践经验:不少植物只有在火烧后才能长得更好,火也是森林生态系统的重要组成部分。并且,该研究对于如何应对森林火灾也有重要参考价值,尤其是在当前全球变暖导致林火日益频发的情况下。

  林火多发地的植物为什么要给山火推波助澜?火灾能给森林带来什么好处?这项新研究带给我们什么具体启示呢?

  难以避免的火灾

  

  澳大利亚大火,2020 | 纽约时报

  我们先从林火发生的机制说起。简单来说,森林大火避无可避。除却我们知道的天气/气候因素,森林很容易集齐各种起火要素——燃料、地形和点火。其中天气最为关键,其次是燃料,多寡和森林群落结构相关,地形则是大火的助推剂。各种条件一旦全部具备,发生点火就是迟早的事情了。

  点火又分为人为点火和自然点火。对于森林火灾来说人为点火所占的比例并不大,因为如果形成森林火灾的条件不具备,就是有意点火(可能属于严重的违法犯罪行为)也未必能引起火灾。

  而自然点火就不一样了。它主要有两大诱因:其一是雷电;其二是露珠在阳光照射下可以发挥凸透镜的效果,引发阴燃继而转成明火。由于自然界引发火灾的可能性很大,所以森林火灾防不胜防。

  林火是把双刃剑

  

  林火正在烧掉地表 | 图虫创意

  林火的确可以造成森林火灾,但我们也不必谈火色变。因为火对森林系统的影响是双面的。

  一方面,大型的灾难性林火可能对森林造成严重危害,导致一定时期内森林生态平衡的破坏;另一方面,普通烈度的林火是自然界不可缺少的生态因素,一定频率、一定强度的火烧能维护森林生态系统的平衡和稳定,使其保持健康状态。

  可以说,森林大火和阳光、水分、土壤一样,都是森林生态系统中的重要组成部分,在森林中发挥着重要作用。

  林火至少在如下几个方面影响着森林生态系统:

  1)林火是森林群落演替的重要驱动力。火烧后会造成森林环境和小气候发生改变,比如,更多的土地裸露可以让阳光更好地直射地表,使土壤表面温度增加,湿度变小。林火还会引起其他生态因子的重新分配,通过彻底摧毁所有植被,促使整个森林重新演替(中、高火);或仅烧掉地表植被及枯枝落叶,促进劣势树种退化和新树种发育,推动森林生态系统的演替(中、低地表火)。

  2)林火影响生态系统的物质和能量循环。低强度火烧可以使森林生态系统的能量缓慢释放,促进森林生态系统营养物质转化和物种更新,有益于森林生态系统的健康,火烧后森林反而容易恢复。

  3)林火促进生物多样性。小面积或低强度的火,火焰很难达到树冠,对森林生态系统起到一定“清理”作用,使植物种子和幼苗容易接触到土壤,促进某些植物种子的萌发,如班克松、黑云杉和、美国黄松的球果被林火烘烤开裂而脱落种子,处于休眠状态下的胡枝子的种子也是靠火的高温作用打破休眠促进生长。此外,火烧也能维持某些珍稀动物的生存,如北美的松鸡。

  4)林火提升森林生态弹性。生态弹性指生态系统受到扰动后恢复到稳定状态的能力,包括维持其重要特征,如组成、结构、生态系统功能的能力,是维持生态系统服务功能的必要条件。气候变化、林火和营林措施等一直影响着北方森林生态系统弹性。研究表明对于北方寒温带森林来说,火干扰增加30%可以带来森林生态弹性的提升,而火干扰增加200%却降低了森林生态弹性均值。

  5)适度林火可降低火险。对于有些森林群落,长期阻止自然火的发生,反而容易酿成更大的火灾。比如,森林中的地表小火可以及时清理掉灌木和小树。如果任由灌丛和小树生长,会聚集更多的森林燃料,一旦成火火势会顺着灌丛爬上大树的树冠,会毁掉整个森林。美国在林业上就广泛采用“计划烧除法”来清除林内累积物,从而在一定程度上减少了大火发生的可能性,把大火分解成人工控制下的若干小火,以低能量火取代高能量火,把火害转变为火利。

  植物进化的“小心机”

  

  高耸笔直的桉树林 | Freepik.com

  如果说,以上讨论还有些像在吃“大锅饭”,新研究则让我们看到不同植物的“小心机”。

  研究人员测量了194个陆地植物的可燃性,尝试从分子遗传学层面探寻植物可燃性的进化模式。结果发现,亲缘关系近的植物往往可燃性也相似,并且火在植物可燃性进化中起到了重要作用。

  毫无疑问,植物确实有利用火的动机。在林火多发地区,它们通过让自己变得更加易燃,增加林火发生的概率,以享受林火发生后给自身种群繁衍和繁盛带来的好处。

  而在那些在气候和地形条件上难以发生林火的地区,非常有意思的是,植物遵从了相反的进化策略——它们变得更加不易燃了。这可能是因为,适度燃烧确实有不少益处,但鉴于大环境下林火发生的低概率,即便进化出种种易燃特质也还是很难被点燃,干脆就不指望了。

  反观林火高发地区,火势起来后再怎么努力也难逃被烧的厄运,不如索性烧个痛快,搭上种群更新繁衍的“火”车。

  不过,到底要烧到什么程度才算合适呢?也是需要一点“智慧”。烧得不到位犹如隔靴搔痒,烧过头了又很可能给种群繁衍带来危机,毕竟出发点不过是想“洗牌”,弄成“掀桌”就不好收场了。

  实际上,很多易燃植物对于这个关键问题,拿捏得非常精准,简直令人称绝。

  以澳洲林火的“带头”角色——桉树为例,它们在林火中同时扮演着受害人、受益人乃至加害者的多重角色,哪种角色的戏分多一点,完全取决于林火的规模和烈度。

  由于树皮中含有大量油分,桉树的可燃性极高。且树皮脱落后会堆积在根部,当夏季气温达到四十摄氏度时就会自燃,从而引发大火,桉树也因此从当地人那里得到了“汽油树”这个称号。

  

  桉树脱皮后留下独特花纹 | Freepik.com

  桉树厚实的树皮下,孕育着不少处于休眠状态的芽,高温烘烤可以让树皮开裂并唤醒沉睡的芽。此外森林火灾还能让桉树种子的外壳崩裂,从而促进生根发芽,在燃烧后充满腐殖质的森林生态系统中占据先发地位。

  最为奇妙的是,在进化过程中,桉树树干逐渐变得越发高大笔直,树冠仅仅生长在树尖。火灾发生时坚硬厚实的树皮能挡住烈火的烘烤,而高大的树干又能避免火苗攀爬,从而保住树冠。这种得天独厚的优势,让它不仅不惧怕火,还能借助林火来达到铲除异己、开疆拓土的目的。桉树甚至很可能是森林火灾的“罪魁祸首”。

  为防火护林提供重要参考

  科学家们为什么要研究这个问题呢?有何实际意义?

  由于类似的火环境下,能繁衍至今的植物大多选择了类似的进化策略,亲缘相近的植物大多具有相似的燃烧特性,因此,通过一些已知的标志性植物,就能大致判断其他植物物种的可燃性。

  这也为寻找低可燃性物种提供了数据。而低可燃性物种可应用于生物防火林的建设和城市规划,帮助我们更好地避免森林火灾的发生。

  同时,由于植物的可燃性与火环境密切相关,我们还可以通过观察高可燃性植物喜好在哪些环境下生长繁殖,来帮助森林管理员预测和预防地区火灾的发生。

  

  复杂而精密的森林系统 | 作者供图

  当然,关于植物可燃性的研究还远未结束。因为影响植物可燃性的未知因素可能还有很多,比如植物的生长形态、系统发育、其他生物性状等。若我们大胆猜想,生态学家将来或许可以从植物的外在形态中估计植物的可燃性。不过,所有因素都不会是孤立存在的,想要准确预测植物的可燃性,可能还需要更系统综合的分析。

  就目前而言,这一研究让我们理解了:林火与易燃植物间的关系,绝非“爱你的人伤你最深”这般单纯,进化得越来越“好烧”的植物们也绝非“受虐狂”,而更可能是“心机鬼”。

  自然界的这场“宫斗”上演了数亿年,唯有主角们克服万难、顽强生长的意志从未改变。

  论文信息:

  Cui XL et al, Shoot flammability of vascular plants is phylogenetically conserved and related to habitat fire-proneness and growth form

  https://www.nature.com/articles/s41477-020-0635-1

  DOI:10.1038/s41477-020-0635-1

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