气候变化下西北森林计划区野火影响的生态评估与管理启示

《Forest Ecology and Management》：Implications of recent wildfires for forest management on federal lands in the Pacific Northwest, USA

　　本研究针对气候变化背景下美国西北森林计划(NWFP)区日益严峻的野火威胁，系统评估了过去四十年间2200余场火灾的燃烧烈度模式及其驱动因素。研究人员量化了不同土地利用分配和主要森林带内的火灾严重性变化趋势，发现年过火面积和高烈度斑块平均尺寸显著增加，历史上频繁火灾的森林类型受灾最重。研究结果为NWFP的修订及气候适应策略提供了关键科学依据，对联邦土地森林管理具有重要指导意义。

　　

在全球气候变化背景下，森林生态系统正面临着前所未有的挑战。野火季节不断延长且愈加严重，干旱、虫害爆发等胁迫因素交织作用，使得传统以设立保护区为主的森林保护策略面临严峻考验。在美国太平洋西北地区，1994年实施的西北森林计划(Northwest Forest Plan， NWFP)曾是联邦森林管理的里程碑事件，标志着从集约化木材采伐向生态系统管理的转变。该计划通过建立横跨湿润和干燥森林带的保护区网络，重点保护以北部斑点鸮等濒危物种为主的晚演替和老龄林栖息地。然而计划实施三十年后，加速的野火威胁促使人们寻求适应气候变暖的修订方案，但人们对近期火灾对NWFP森林的实际影响仍知之甚少。

为了填补这一知识空白，由华盛顿大学等机构的研究人员组成的研究团队在《Forest Ecology and Management》上发表了最新研究成果。他们系统评估了NWFP区域内过去四十年间超过2200场火灾，旨在为保护工作和计划修订提供信息。研究聚焦于三个核心问题：近期野火在不同土地利用分配和森林带上产生了怎样的生态效应？影响火灾严重性的主要驱动因素（火险天气、燃料、地形）是什么？这些趋势对管理和政策有何启示？

为了回答这些问题，研究人员运用了多项关键技术方法。他们首先整合了来自加州、华盛顿州和国家跨部门消防中心的多源火灾周长数据，筛选出1985-2022年间面积大于4公顷的2254场火灾。利用Landsat卫星影像和Google Earth Engine平台，研究人员采用了Parks等人（2019）开发的先进工作流程，为每场火灾生成了30米分辨率的预测综合燃烧指数（Composite Burn Index， CBI）图像，该指数比单纯的光谱指数更能反映生态学上可解释的火灾后植被变化。为了专门评估对联邦森林的影响，他们应用了NWFP监测计划开发的森林能力掩膜，排除了非联邦土地和非森林像元。在分析火灾严重性模式时，研究团队计算了四个关键的景观指标：按严重等级划分的总过火面积、高烈度火灾斑块的核心区域面积、高烈度及未燃烧/低烈度合并斑块的平均斑块大小，以及未燃烧/低烈度斑块的连通性。为了探究驱动因素，研究人员构建了基于随机森林（Random Forest）的机器学习模型，分别针对干燥和湿润森林带以及国会保护区（Congressional Reserves， CR）、晚演替保护区（Late Successional Reserves， LSR）和矩阵地（Matrix）这三种主要的土地利用分配建立了六个模型。模型考虑的预测变量涵盖了地形（如高程、坡度、地形位置指数TPI）、林分结构（如冠层盖度、生物量、林龄、老龄林结构指数OGSI）和火险天气（如风速、蒸汽压亏缺VPD、能量释放组分ERC）三大类共18个变量。此外，研究还采用了沙普利加和解释（SHAP）值来探索预测变量在单个像素层面的局部重要性，从而更精细地揭示驱动机制。

研究结果揭示了NWFP区域野火影响的深刻变化和空间格局。

3.1. 近期野火对NWFP森林的生态效应

研究发现，1985至2022年间，NWFP区域内超过360万公顷森林遭受火烧，其中90%发生在CR、LSR和Matrix土地分配区。干燥森林带的过火面积是湿润森林带的4-5倍，尤其在干燥森林带的CR和LSR中，火灾活动最为活跃，分别有67.5%和59.4%的面积被烧过。更令人担忧的是，干燥森林带CR总面积的22%和LSR总面积的19%经历了高烈度火灾效应。在湿润森林带，LSR的过火面积比例最高（16.9%），但Matrix土地经历了最严重的比例影响，其总面积的5.4%遭受高烈度火灾。时间趋势分析显示，两个森林带及各土地分配区的年过火面积均显著增加，其中最近十年的火灾活动尤为突出。湿润森林带的火灾活动在2015年后呈现急剧上升态势。对森林类型的分析表明，历史上频繁火灾的森林类型，如松-橡树林地、橡树林地和干燥混交林，遭受的高烈度火灾影响最大。例如，干燥森林带CR内的松-橡树林地，其总面积的61%遭受了高烈度火烧。研究还发现，干燥和湿润森林带的平均高烈度斑块大小均显著增加，干燥森林带从1985年的40.1公顷增至2022年的154.1公顷，湿润森林带则从6.12公顷增至39.79公顷。同时，干燥森林带LSR内未燃烧/低烈度斑块的聚集性显著下降，表明其连通性降低、破碎化加剧。高烈度内部核心区域的分布呈现“多数小斑块、少数大斑块”的特点，干燥森林带的核心区域斑块数量和累计面积均大于湿润森林带。

3.2. NWFP区域内火灾严重性的主要驱动因素

随机森林模型分析表明，火险天气变量（风速、VPD、ERC）是除干燥森林带CR模型外所有模型中最重要的火灾严重性预测因子。在干燥森林带CR模型中，植被类型、高程、生物量和冠层盖度的重要性超过了天气变量。高程是仅次于天气变量的重要驱动因子。植被类型在干燥森林CR和LSR以及湿润森林CR和Matrix模型中也都是重要的预测因子。此外，距上次干扰的时间、生物量和冠层盖度也是重要的驱动因素，但其重要性顺序因模型而异。局部驱动因素分析（SHAP值）显示，虽然在大范围的高烈度斑块内，天气（如风速）常常是主导驱动因子，但在局部尺度上，林分结构、地形等自下而上的控制因素也表现出强烈的驱动作用。例如，在2020年的Big Hollow火灾中，湿润森林带LSR内的大片高烈度斑块主要与风有关，而在2003年的Booth火灾中，干燥森林带CR内的高烈度斑块则主要由火烧前的冠层盖度和植被类型驱动。

4. 讨论与启示

研究的讨论部分深入剖析了上述发现的管理和政策含义。NWFP成功地通过限制联邦土地上的采伐，特别是在LSR内，保护和增强了晚演替和老龄林（LSOG）森林。然而，气候变化和日益严重的大规模野火已经深刻地改变了NWFP区域的景观，并现在威胁着LSOG栖息地的未来。研究表明，野火的影响已经超出了计划的预期，特别是在干燥森林带。

4.1. 生态效应启示

日益增大的高烈度斑块大小对NWFP的保护区设计构成了严峻挑战。干燥森林带的LSR被设计为能够抵御大型火灾事件的连续区域，但单个斑块可达上万公顷的规模可能挑战这种设计。同时，未燃烧/低烈度斑块的破碎化加剧，意味着随着更多森林被烧，LSOG栖息地可能会因大型替代性斑块的综合影响和未燃烧区域连通性的增加而受到侵蚀。在湿润森林带，尽管总体上高烈度火灾影响的比例较小，但在某些区域，单个LSR单元几乎全部被高烈度火烧毁，这对未来的计划考量具有重要意义。研究强调，基于火灾前森林状况和NSO保护策略划定的静态保护区网络，在面对气候驱动的动态干扰体系时，可能需要调整。

4.2. 驱动因素与适应性管理

尽管研究主要关注天气极端条件下才能发展起来的大火，但自下而上的控制因素（如植被、燃料、地形）在局部尺度上仍然显示出强大的影响力。这表明，即使在极端天气条件下，地方性的管理措施（如燃料处理）仍有可能调节火灾严重性。这为适应性管理提供了科学依据。适应性管理被定义为基于学习成果和监测的系统性迭代规划和决策过程。研究人员建议，对于湿润森林带的LSR，在已遭受严重高烈度火灾影响的区域，管理者可以在剩余的次生林中进行可变密度疏伐，以加速老龄林结构条件的形成。对于干燥森林带，管理策略应转向恢复其历史上频繁火灾所维持的、更开放的结构，重点保护大型古老树木，并将其作为动态变化景观中的锚点。生态恢复措施，包括疏伐、计划烧除和文化用火以及野火利用，可以降低燃料连续性，促进耐气候和耐火的大树保留，恢复历史火制度。

4.3. 管理触发点与未来展望

研究最后指出，确定适应性管理的“触发点”是一个关键挑战。这些触发点是预先确定的承诺，当监测数据显示出现不希望的生态结果时，便启动管理策略的转变。评估火灾严重性的空间格局趋势，例如监测高烈度斑块大小、高烈度影响比例或森林覆盖率的侵蚀是否超过特定阈值，可以作为有价值的工具来告知管理触发点。在流域尺度上进行此类评估尤为有益，因为中尺度既足够小以理解变化的当地状况，又足够大以评估累积效应并将广泛的管理指令具体化。

5. 结论

综上所述，野火对NWFP区域的森林产生了深远影响。年过火面积和高烈度斑块平均尺寸的增加是显著的趋势。干燥森林带经历了最严重的火灾活动，其中干燥混交林以及松-橡树林等文化上重要的干燥森林类型受影响最为严重。湿润森林带虽然相对过火面积较小，但近期的火灾也导致了林冠覆盖的大规模侵蚀，特别是在LSR内。研究结果对NWFP的修订具有重要的启示意义。调整保护区的设计和管理、增加火前和火后森林恢复活动、基于现有火烧迹地扩大野火利用的机会、以及确定告知适应性管理的“触发点”，可能是实现计划目标所必需的。这项研究为在气候变化加剧野火风险的背景下，如何科学地管理和保护太平洋西北地区宝贵的森林资源提供了关键的数据支持和决策依据。