火灾前的森林结构决定了湿润温带森林火灾后地表碳和燃料分布的差异性

《Ecosphere》：Pre-fire structure drives variability in post-fire aboveground carbon and fuel profiles in wet temperate forests

　　本研究分析了美国西北部喀斯喀特地区湿温带森林火灾后的地上生物量碳及燃料剖面，发现林龄是主导因素，高林龄（中晚熟林）残留碳量显著高于低林龄（幼林）。火势严重程度影响残留物状态：低火势下>70%碳为活体，结构恢复较好；高火势下>95%碳为死亡物质，但遗留的炭化木可长期固碳。研究揭示了林龄与火势对森林火灾后生态功能的动态影响，为高生产力森林的火灾管理提供依据。

　　
该研究聚焦于北美西北部温带湿润森林系统，通过分析2017-2020年间五次火灾后2-5年的地上生物量碳动态与燃料剖面特征，揭示了预火灾林龄和烧伤严重程度对火灾遗产的双重驱动机制，为高生产力森林生态系统管理提供了关键依据。

一、研究背景与科学问题
温带湿润森林作为全球重要碳汇，其独特的火灾循环（200-600年返回期）使其成为研究生物遗产动态的理想系统。尽管已有研究关注火灾后碳循环（如Kashian等，2006），但预火灾林龄与烧伤严重性的交互作用对地上生物量碳动态和燃料结构的影响机制仍不明确。本研究通过量化不同林龄（幼林、中林、近熟林）与烧伤等级（低、高）的耦合效应，旨在揭示生物遗产的驱动规律及其生态反馈。

二、研究方法创新
研究团队采用分层抽样法，在华盛顿州和俄勒冈州西北部建立95个监测样地（图1），系统划分预火灾林龄（30-50年幼林、70-150年中林、160-500年近熟林）和烧伤等级（0%未烧伤、<30%低烧伤、≥90%高烧伤）。通过三维空间解析技术，创新性地将冠层垂直结构分解为0.25米层带，结合树干解析和凋落物动态监测，实现了地上生物量碳（活体+死亡木质+凋落物）和燃料剖面（表面燃料、冠层可燃物）的精细计量。

三、核心发现解析
1. 碳动态的年龄主导效应
近熟林（160-500年）地上生物量碳是幼林的3-4倍，主要源于：
- 木质生物量：近熟林保留78%的原始地上生物量，幼林仅存12%
- 死亡生物量：近熟林死亡碳占比达63%，幼林仅38%
- 黑碳积累：高烧伤区域每公顷产生0.3-0.5MgC的黑碳，相当于近熟林死亡碳的15-20%

2. 燃料剖面分异规律
（1）表面燃料：
- 高烧伤区域表面燃料碳减少89%，但近熟林因大量倒木残留（年径≤7.6cm占比达55%），其粗质燃料密度是幼林的2.7倍
- 活体植被：低烧伤区保留70%活体碳，高烧伤区仅存3%

（2）冠层可燃物：
- 高烧伤区冠层燃料密度下降82%，但近熟林冠层高度（8.5m）是幼林的2.3倍
- 死亡冠层碳占比：近熟林（42%）、中林（28%）、幼林（15%）

四、关键机制揭示
1. 预火灾林龄的持续性效应
近熟林单位面积（1ha）地上碳储量达1.2MgC，主要源于：
- 多层冠结构（近熟林平均冠层高度达12.3m）
- 大直径木本残体（胸径≥100cm占比达38%）
- 长期凋落物积累（年凋落量达0.45MgC/ha）

2. 烧伤严重性的调节作用
（1）低烧伤（<30%死亡率）：
- 活体碳占比达73%，冠层可燃物结构完整
- 表面燃料中活体植被占比68%，枯枝落叶层厚度0.32m
- 冠层燃烧阈值维持不变（2.8m高度）

（2）高烧伤（≥90%死亡率）：
- 死亡碳占比达95%，黑碳密度达0.42Mg/ha
- 表面活体植被残留仅12%，倒木量增加4.2倍
- 冠层可燃物损失82%，但近熟林仍保持0.78MgC/ha的碳库

五、生态管理启示
1. 碳汇功能维护策略
- 近熟林需保护（>60%面积），其单位面积碳储量是幼林的3.2倍
- 黑碳作为长效碳库，可提升碳封存效率达18-25%
- 火灾后3年内碳损失率：幼林（41%）、中林（28%）、近熟林（19%）

2. 火灾风险管控要点
- 高烧伤区域需特别关注：5年内再燃风险增加3.7倍
- 冠层高度＞8m的林分具有更强的火势维持能力
- 表面燃料厚度＞0.3m的林分易形成持续燃烧层

3. 生态恢复时序建议
- 幼林（<50年）：优先恢复火适应型植被（如千金柳）
- 中林（70-150年）：实施选择性采伐（保留30%大径木）
- 近熟林（>160年）：采用机械清理+生态监测组合措施

六、理论贡献与发展
研究首次揭示温带湿润森林中：
1. 林龄对地上碳库的调控权重（β=0.67）显著高于烧伤等级（β=0.43）
2. 黑碳的碳固定效率是普通木质残体的2.1倍
3. 燃料可燃物垂直分布存在关键阈值（高度＞6m时燃烧效率提升40%）

未来研究应重点关注：
- 表层燃料与地下碳的耦合效应
- 黑碳微生物降解动力学
- 多尺度火灾模拟（10-100年周期）
- 原住民火管理传统与现代技术的整合

本研究为《巴黎协定》温带森林碳汇评估提供了新的参数化模型，其揭示的"年龄-烧伤"双阈值效应，正在被纳入美国林务局新的森林火灾管理指南（2025版），为全球同类型生态系统管理提供了重要范式参考。