變化環境下火干擾研究進展

魏芳莉,王 帥,傅伯杰,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 北京師范大學地理科學學部地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875

火是地球系統的重要過程[1],是生態系統變化的驅動力和催化劑,影響著生態系統的分布格局和演化動態,對生物多樣性以及生物地球化學循環有著廣泛的影響[1—3]。火也是一種劇烈的環境干擾因素,它燒毀地表植被并重啟群落演替過程,在調節草木競爭中扮演著重要角色[4—6]。火干擾通過改變地表狀況(粗糙度、反射率、蒸散發)和陸-氣相互作用影響地表能量平衡,最終反饋給氣候系統[7—9]。此外,火干擾釋放大量的溫室氣體和顆粒物加劇了空氣污染,對人體健康、生命安全和社會財富產生嚴重威脅。全球每年火燒直接向大氣釋放2—3Pg(1Pg=1015g)的碳,顯著促進大氣CO2濃度升高[10]。在氣候變化和人類活動的共同影響下,全球火干擾體系發生了不可忽視的變化。認識和把握變化環境下火的時空格局、驅動機制及其生態效應對于理解生態系統演化和全球氣候變化具有重要意義[1,4,9,11—13]。

近年來,美國、加拿大、俄羅斯、希臘、巴西、澳大利亞、智利、葡萄牙等國家相繼爆發了歷史上罕見的森林大火,使得火干擾、氣候變化和人類活動之間的相互作用關系得到空前關注[14]。未來氣候情景下,高溫、大風、干旱等極端氣候事件增多,產生了一個火干擾易發環境,全球大部分區域火干擾發生的風險增加[15—16]。人類活動通常有意或無意地提供著火源來增加火的頻率。人類也通過對生態系統的管理,如農田擴張和道路建設等增加景觀破碎化,抑制火的發生和傳播[17—18]。此外,人類通過火管理,如計劃火燒和建設綠色防火帶等,降低不可控的火風險。氣候和人為因素的復雜關聯如何在大尺度上影響火動態仍不清楚,增加了全球變化背景下未來火趨勢預測的不確定性。

在上述背景下,國際火干擾研究在火的監測、影響和管理等方面取得了顯著進展。本文著重從火干擾的時空格局、驅動機制和生態效應3個方面,對變化環境下火干擾研究進行了綜述,進而促進火干擾生態學理論的發展。此外,本文也討論了未來火變化趨勢的不確定性以及火適應性管理的重要性。本文不僅有助于深化理解人類世變化環境下氣候-植被-火之間的相互作用和反饋機制,也可以為火干擾預測和極端大火防治提供科學依據。

1 火發生的時空格局

1.1 火干擾體系

火長期、廣泛地作用于陸地表面大多數生態系統,并成為許多植被類型和物種賴以存續的關鍵過程,重塑生態系統的群落組成和結構[1,4]。火燃燒面積和火干擾體系構成了火監測評估的兩大主題,分別體現了全球-區域尺度和景觀尺度火相關研究的關注焦點。火干擾體系包括火的空間分布(燃燒面積、大小),時間屬性(傳播速度、持續時間、季節性、頻率)及其行為特征(強度、烈度)等。近年來,火相關研究由過去側重火燃燒面積單一因素,轉向運用多重屬性來定量刻畫火干擾體系的時空軌跡。

自20世紀90年代后期,隨著遙感火監測技術的發展,火的空間定位、動態變化、驅動機制及影響評估主要依賴于衛星遙感手段[19]。MODIS火燃燒面積產品(MCD45A1和MCD64A1)、阿姆斯特丹自由大學建立的全球0.25°分辨率的火燃燒面積、各種火排放氣體和顆粒物產品(GFED4s)得到廣泛的應用[20—21]。相關學者基于衛星遙感的火燃燒面積數據,發展了火干擾體系的多重指標,可以跟蹤單次火的演化動態,確定點火的時間和位置、火的大小和持續時間、以及日擴張速度、火線長度、蔓延速度和方向等,因此能更好地刻畫火干擾的行為特征和演化軌跡[22—23]。火干擾體系指標的建立通常基于以下思路：火燃燒面積( km2/d)等于火大小(km2)和著火源(d-1)的乘積；火大小等于火持續時間(day)和日擴張速度(km2/d)的乘積；日擴張速度等于火蔓延速度(km/d)、火線長度(km)及蔓延方向(°)的乘積。

1.2 時空格局

火干擾主要分布在干濕季分明的區域：濕季燃料累積、干季燃料變干,進而促進火的發生。全球尺度上,火的大小和著火源的空間格局明顯不同且兩者呈負相關[22]。大火多分布在澳大利亞、非洲和南美洲,而亞洲和歐洲多是小火。非洲火燃燒面積占全球的 70%,主要是由于密集的著火源。在生產力高的熱帶草地和北方森林,由于濕度和燃料負荷較大,火擴張速率低,持續時間長,火的大小和火燃燒面積主要受火持續時間的控制。在半干旱的草地和灌叢地,火持續時間和火的大小主要受燃料負荷和連通性的限制,火持續時間較短,而火蔓延速率大,火線長。

衛星遙感提供了全球尺度氣候變化和土地管理作用下火動態變化的證據。1998至2015年間全球火燃燒面積減少了約25%,減少最多的區域分布在非洲和南美洲的稀樹草原、亞洲半干旱的草地,這些區域主要是由于人類土地管理導致景觀破碎化,降低了燃料的連通性。西澳大利亞沙漠區、地中海的半干旱草地和灌叢,氣候變暖相關的干旱限制了燃料的累積,致使火干擾減少[17]。熱帶地區火干擾表現出較強的年際變異,主要受厄爾尼諾與南方濤動(ENSO)的影響。

近年來,全球極端火事件持續增加,如2017年哥倫比亞大火、2018年加州大火、2019年西伯利亞大火和亞馬遜大火、2019/2020年澳大利亞南部大火等。考慮到未來全球變暖、大氣水汽壓虧缺持續加劇,高溫、強風、干旱等極端氣候事件增多,極端大火將變得更加頻繁[24—25]。聯合國環境規劃署(UNEP)發布的最新報告《像野火一樣蔓延：極端火災與日俱增的威脅》指出：2030年全球范圍內極端火災的數量將增加14%,到2050年底將增加30%,截至本世紀末將增加50%[26]。極端大火對生態系統具有較大破壞性,且對人體健康、生命安全、和經濟財富形成嚴重威脅。因此,迫切需要加深對極端大火行為的了解,包括其發生機制、社會生態影響和風險評估,呼吁發展適應性森林管理模式來降低大火風險。

2 火發生的驅動機制

一般地,火的發生要滿足4個條件：一是燃料負荷；二是燃料可燃性；三是天氣狀況,通常用火危險性系數,主要受溫度、風速的影響；四是著火源,即自然閃電或者人為點燃。氣候變化和人類活動共同決定著火干擾的分布格局、頻率和強度[27—29]。氣候系統不僅直接影響火發生的天氣條件,而且間接影響火發生所需要的燃料物質[3,15,30—31]。閃電是北方森林火的主導因素,能夠解釋火年際變異的55%[32]。ENSO通過影響氣候和植被的年際變異,進而影響著熱帶火的動態演化。相對于拉尼娜時期,厄爾尼諾時期火干擾發生的頻率更高[18,33]。

氣候的季節性也是影響火干擾的關鍵因素,考慮降水和溫度的季節性能夠提高全球火干擾的預測能力[34—36]。降水和降水季節性很大程度上決定了火干擾發生的時間和強度,并且降水季節性對火的影響程度要遠大于年均降水量[34—35]。需要注意的是,降水對火的影響具有時空異質性[18,37]。旱季降水降低了燃料的可燃性,抑制火的發生；濕季降水增加了燃料負荷,促進火的發生。不同區域火發生的限制因素不同,降水對火的影響機制不同：相對濕潤的區域,降水增加使得雨季延長、燃料可燃性降低,抑制火發生；而相對干旱的區域,降水增加能夠促進燃料累積,有助于火發生。

除了自然過程,人類活動也塑造著火。人類活動對火的影響取決于人口密度、社會經濟發展、景觀破碎化程度等[17—18,38—40]。一方面人類通過增加著火源促進火發生,如用火來清理土地、焚燒農作物、管理自然資源等。另一方面通過道路建設、農田開墾等降低可燃物的連通性來減少火發生。此外,人類通過火管理,如計劃火燒(prescribed/controlled fire)來減少燃料累積,降低不可控的火風險[41]。總體而言,人類活動對火干擾的影響以抑制作用為主：農田擴張和農業集約化是21世紀以來全球火燃燒面積減少的主要驅動力,特別是在非洲北部[17—18]。

由于氣候-植被-火之間相互作用和反饋機制的復雜性,加之人類對火的管理(圖1),厘清各要素對火干擾的影響仍存在很大的挑戰。有學者基于火-氣候模型,結合土地覆蓋和人口數據,揭示了過去一千年全球火干擾驅動機制的演變,結果表明前工業時代,全球火干擾主要受降水驅動；工業革命時期,以人為驅動為主；21世紀,全球火干擾轉向以溫度驅動為主[16]。盡管未來氣候變暖將創造一個前所未有的火易發環境,但是人類對火的管理可能會使火和氣候之間的關系發生解耦。例如,最近研究表明1998—2015年間全球范圍內火燃燒面積減少了約1/4,其中農田擴張和農業集約化是火干擾減少的主要驅動力[17]。

圖1 變化環境下氣候-植被-火相互作用及反饋關系Fig.1 Interactions and feedback of climate-vegetation-fire in a changing environment

3 火干擾的生態效應

火是陸地生態系統重要的生態過程,調節著生態系統的結構和功能,也影響著區域和全球氣候系統。近年來,火的生態效應及其火對氣候的反饋機制受到廣泛關注[7,42—44]。火干擾直接影響著生態系統的組成：相較草本植被,火更能抑制木本植被的生長。相關研究表明：火燃燒面積減少的區域和木本入侵的區域大體一致[45]。此外,一些植物物種進化出了專門抵抗火干擾和從火干擾中恢復的策略,它們的生活史與特定的火干擾體系有關,例如火燒能夠刺激開花和種子的釋放[46]。這意味著火干擾體系的變化、火的引入或者去除都會引起生態系統群落組成的變化。因此,火干擾對于生物多樣性和生境的維持非常重要[4]。

火干擾對氣候的影響主要體現在兩方面：一是通過生物質燃燒釋放的大量溫室氣體(如二氧化碳、甲烷、氣溶膠等)來影響大氣組成和空氣質量,這些統稱為生物地球化學效應；二是通過改變地表物理特征(如反照率、蒸騰、粗糙度等)來影響陸地-大氣間的物質、能量和水分交換,這些統稱為生物物理效應[7,42—44]。火對陸地植被碳循環的影響是評價火生態效應的一個重要方面[47—48]。全球每年火燒直接向大氣釋放2—3Pg(1Pg=1015g)的碳,這些直接的碳釋放可通過火燒后冠層和土壤呼吸的變化以及植被生產力的增加而得到部分補償[49—50]。此外,火釋放的一些空氣污染物也影響著陸地生態系統生產力,如臭氧通過影響氣孔抑制植被生產力,氣溶膠顆粒通過增強散射輻射促進植被生產力[51]。總體上,火降低了陸地生態系統碳匯能力,但降低的幅度存在不確定性。

全球尺度上,火燒引起地表溫度的變化具有明顯的緯度特征：高緯度地區,林火使得夏季增溫,冬季制冷,全年具有增溫效應；低緯度地區,林火主要是增溫效應。火干擾對地表溫度的反饋與火燒后植被演替有關,主要受地表反照率和蒸騰相互作用的影響[9]。火干擾對降水的影響機制更為復雜,目前仍缺少大尺度的觀測證據。一方面,火燒后釋放的感熱可能會增加氣團的不穩定,產生對流雨。另一方面,火燒后土壤水持續減少、蒸發減少,可能會形成一個更干的大氣邊界層抑制降水[52]。此外,旱季后期火釋放的氣溶膠可能會抑制雨季的降雨,但氣溶膠的生命周期和影響范圍不確定[43,53]。火燒后地表反照率發生變化,進而通過影響地表吸收的太陽輻射來影響降水[54—55]。一般地,火燒后,由于燒焦物的沉積,短期地表反照率降低；隨后降雨和風消除了燒焦物,地表裸露使得反照率增加。但是火燒后地表反照率由減少到增加轉折的時間不確定[8],因此,火干擾對降水的影響存在時空異質性,不確定性更大。

4 未來火動態及不確定性

由于氣候-植被-火之間相互作用和反饋機制的復雜性以及人類活動對火的管理,未來火動態預測仍存在很大不確定性。一方面,CO2施肥作用可能增加碳同化,提高植物的水分利用效率,改變生態系統的草木平衡,樹木和灌叢入侵草地,影響燃料的累積。另一方面,氣候變化引起的干旱可能抵消CO2施肥作用,增加燃料的可燃性。此外,全球變暖使得大氣水汽壓虧缺和潛在蒸散發增加,地表物質含水量降低,燃料可燃性增加[56]；溫度升高使得大氣運動更加活躍,大風發生的幾率可能隨之升高；同時,氣溫升高也會產生更多的閃電,使得受著火源限制的區域火干擾增加[57]。總之,隨著未來氣候變化,全球大部分地區火季節變得越來越長、極端火天氣增加、極端大火發生的風險增加,特別是地中海、北方森林和亞馬遜地區[24,58—60]。然而,在干旱半干旱區域,火主要受到燃料負荷的限制,未來氣候變化相關的干旱限制燃料的累積,火可能會減少。

盡管未來氣候變化將創造一個火干擾易發環境,然而簡單的依據氣候變化來推斷火動態具有很大的挑戰性。隨著社會經濟的發展和人口的增長,生態系統的開發強度加大,人為火源在增加；同時道路建設、農田開墾等土地管理活動降低了景觀的連通性,抑制火的發生和傳播。人類也通過計劃火燒、綠色防火工程等加強對火風險的管理。未來氣候和土地利用驅動下,地球系統過程模型預測全球火將增加,但是存在很大的不確定性。不確定性主要源于動態的反饋,即氣候-火之間的關系是動態變化的,然而相關模型并沒有考慮。其次,模型主要基于未來經濟發展情景以及人口密度、農田面積、火源以及燃料可燃性之間的數量關系,很難表示真實的人類活動。此外,模型缺乏考慮人類活動對火的抑制作用,特別是在人為撲救火、土地管理集約化和道路建設導致地表破碎化和可燃物連通性下降等方面。

5 火適應性管理

火是人類文明的起源,認識和掌握火表示著人類智慧的啟迪。遠古時代,人們在火光中得到光明,在寒冷中取得溫暖,利用火抵御野獸侵襲、用火加熱食物。狩獵者用火來管理自然資源,將食草動物吸引來燒死。工業化前農民進一步用火來清理土地,焚燒農作物殘骸,即所謂的“ 燒荒農業”。當代人主要通過計劃燃燒、土地清理等來抑制火源、減少易燃物、改造景觀和生態。盡管如此,傳統多強調火有害的一面及其破壞力,而較少展示火有利的一面以及在生態中的作用。火循環維持著生態平衡,從火適應的景觀中排除火不可能也不可取。

自20世紀80年代中期以來,美國、加拿大、澳大利亞等國家已從防火階段進入火管理階段,在管理與技術等方面取得了新的進展。以火防火是保護、照料土地的重要方式。火管理最常見的就是計劃火燒,即有計劃的消除易燃物,來降低大火爆發的可能,通常是在旱季早期集中燃燒(相比旱季晚期火燒強度更低)。實施前綜合考慮可燃物周圍的氣候、地形等因素,考慮火燒后生態系統的恢復力，使火燒強度盡量控制在剛好能燒掉多余積累的易燃物,減少對當地生態系統的破壞[41,61—62]。然而,計劃火燒也可能引起煙霧空氣污染、影響人體健康。此外,人們也通過種植帶狀防火樹木,創造“綠色防火帶”進行生物防火,即充分利用某些植物的抗燃燒性,形成林火阻隔網絡,對森林實行分區控制,防止火蔓延,以最大限度地降低林火損失[63]。

適應性火管理強調的不是防火或者滅火,而是適應火。通過科學管理燃料來減少極端大火發生的風險及其對社會經濟系統的負面影響,同時也能夠保護生物多樣性、減少溫室氣體排放、維持生態系統服務。一些土著居民和可燃性景觀共存了數千年,因此可以借鑒他們關于火干擾體系的知識,如“文化性放火”[64]。此外,森林砍伐容易引發極端大火,加速土壤中碳的排放,因此必須通過政策、經濟刺激和教育來減少森林砍伐,重視森林的保護和火災的防護。未來火適應性管理需要增加跨學科研究,充分了解人類世變化環境下火干擾體系是如何演化的,以及人類如何來適應。

6 結論

火長期、廣泛地作用于陸地表面大多數生態系統,重塑生態系統的群落組成和結構,同時也影響著區域和全球氣候系統。近年來,世界多個國家極端大火頻發,火干擾、氣候變化和人類活動之間的相互作用受到空前關注。變化環境下火干擾研究進展主要體現在火干擾的時空格局、驅動機制和生態效應等方面。總結起來,自20世紀90年代以來,火監測和風險評估技術已經進入高分辨率和大數據時代,觀測內容由過去側重火燒面積單一因素轉向火干擾體系多重指標,精細刻畫火干擾的行為特征和演化軌跡。氣候變化和人類活動共同決定著火的分布、格局和演化動態。氣候不僅直接決定著火發生的天氣條件,也通過調節燃料負荷和燃料可燃性間接影響火。此外,氣候的季節性也是影響火干擾的重要因素,考慮氣候季節性能大大提高火的預測能力。人類活動一方面通過增加著火源來增加火發生的頻率,另一方面通過農業實踐和生態系統管理來控制可燃物質的積累,降低燃料的連通性,抑制火的發生和傳播。火干擾對于生物多樣性和生境的維持非常重要。此外,火干擾通過生物地球化學(生物質燃燒釋放的溫室氣體和固體顆粒物)和生物地球物理(地表狀況和陸-氣相互作用)過程影響著氣候系統。全球變暖背景下,干旱、高溫、閃電和強風等極端氣候事件頻發,火季節持續時間更長,極端大火發生的風險增加。因此,未來亟需考慮火的適應性管理,減少火的生態環境和社會經濟損失。