亚热带大沼泽现代火情动态：1978-2023年埃弗格莱兹火制度演变与生态管理启示

《Scientific Data》：Contemporary Fire Regimes of the Subtropical Everglades

本研究针对气候变化与土地利用背景下火制度演变对生态系统功能的影响问题，聚焦佛罗里达埃弗格莱兹保护区，通过分析1978-2023年间野火与计划火烧数据，揭示火烧面积呈显著增长趋势(7.3 km2 yr?1)，且计划火烧成为驱动该趋势的主要因素。研究构建30米分辨率火历史图谱，证实火返回间隔存在生态系统差异，为湿地森林（如柏树沼泽）和旱地生态系统（如松林）的火适应性管理提供科学依据，对维持生物多样性及生态系统韧性具有重要意义。

　　

在佛罗里达州南部的广袤湿地中，火一直是一股塑造自然的原始力量。埃弗格莱兹（Everglades）这片独特的亚热带沼泽地，其生态系统中的植被组成、演替过程和结构多样性都与火有着千丝万缕的联系。火制度（Fire Regime），即火的频率、强度和季节性格局，在不同生态系统中千差万别，在像埃弗格莱兹这样的火依赖型（fire-dependent）景观中，它更是维持生态平衡的关键。历史上，闪电引发的自然火是这里的常客，它们与水文、植被结构相互作用，共同塑造了这片“草之河”的独特面貌。然而，随着土地管理方式的改变和气候变化的影响，火制度正在全球范围内发生显著偏移，当代的火情动态与历史模式已大不相同，这可能对生态系统的功能产生意想不到的冲击。

在埃弗格莱兹，这种变化尤为值得关注。这里的植物群落，从短小的湿地、淡水沼泽、湿草原到高地森林（如南佛罗里达湿地松Pinus elliottii var. densa林）和被称为“哈蒙克”（hammocks）的硬木林，都适应于特定的火模式。例如，松林依赖于频繁、低强度的地表火来维持其物种组成和结构，而哈蒙克的核心区域历史上可能每100-200年才燃烧一次。没有火，松林特有的草本植物和草类会在5到10年内被入侵的硬木植被遮蔽，导致生态系统向哈蒙克过渡。因此，理解当代的火制度对于评估生态系统的健康状况和恢复成效至关重要。

为了回答这些问题，由Sparkle L. Malone领导的研究团队开展了一项系统研究，旨在定义埃弗格莱兹亚热带生态系统的当代火制度。研究人员利用埃弗格莱兹国家公园（Everglades National Park, ENP）和大柏树国家保护区（Big Cypress National Preserve, BCNP）自1978年至2023年的火周长（fire perimeter）数据，详细描述了近45年来的火模式。他们的分析揭示了火烧面积的年度高度变异性，以及一个强烈的增长趋势。值得注意的是，计划火烧（prescribed fires）——即土地管理者为模仿自然火循环而故意点燃的火——是这种火活动趋势的基础，而野火（wildfires）在整个研究期间保持稳定。这项研究不仅量化了火情动态，还生成了高分辨率的火历史图层，为埃弗格莱兹的规划和恢复评估提供了宝贵的资源。研究成果已发表于《Scientific Data》期刊。

研究方法上，作者主要整合了历史火记录数据库，将纸质火报告中的空间信息（包括手绘地图、聚酯薄膜地图和数字数据层）数字化并构建火周长多边形。对于早期缺乏精确地图的火场，根据严格的准则使用圆形或矩形作为火周长的代理。数据经过与Landsat卫星影像的视觉对比验证，以确保准确性。随后，将火周长矢量数据栅格化到30米分辨率的网格（与Landsat数据对齐），生成年度过火区域图层，用以计算火频率（1978年以来发生的火次数）和距上次火年份（time since fire）等火历史变量。通过2500个随机点对生成的栅格图层进行验证，显示其与矢量数据高度一致（R2=0.99）。最后，使用普通最小二乘法（OLS）和非参数方法（如Spearman's rho、Mann-Kendall和Sen's slope）分析火烧面积、火大小等变量的时间趋势。

研究结果

火历史图层的验证与总体趋势

研究首先验证了30米分辨率火历史图层的可靠性。通过比较2500个随机点的观测值（基于火周长矢量）和预测值（基于30米栅格火频率图层），发现两者高度一致，决定系数R2高达0.99（p < 2e-16），表明该分辨率足以保持埃弗格莱兹火历史的时空变异。

总年度火烧面积在埃弗格莱兹表现出高度变异性，但其5年滚动平均线显示出强烈的增长趋势（图3a）。从1978年到2023年，年度火烧面积范围在22平方公里到1338平方公里之间。趋势分析表明，年火烧面积以每年7.3平方公里的速度显著增加（Sen's Slope估计值）。野火和计划火烧都对总火烧面积有重要贡献，野火在研究期间的平均贡献约为40%。然而，趋势分解显示，野火烧面积没有显著增加趋势，而计划火烧面积则表现出强劲的增长趋势，年增长约6.35平方公里（图3b, 3c；表2）。这表明土地管理决策通过计划火烧极大地影响了当代的火制度。

火大小与形态的变化

火的大小（平均每次火的过火面积）和火的形态（火面积与周长之比）也呈现出显著的时间趋势。

火大小呈现出增加趋势，Sen's Slope估计值为每年0.135平方公里（图4a）。在2001年之前，平均火大小小于2±0.2平方公里，而在2010年至2023年间，平均火大小增加到6.6±1.1平方公里。同样，火面积与周长之比也表现出强烈的正趋势，每年增加2.822公里（图4b）。这些变化可能与计划火烧规模的扩大以及火管理策略的调整有关。

火情空间格局与生态系统差异

埃弗格莱兹不同地点自1978年以来经历的火活动存在显著差异。

一个地点的总火次数（1978-2023年）范围在0到17次之间（图5a）。虽然20%的地点在该期间内未曾燃烧，但大部分景观都经历了至少一次火。从生态系统类型来看，火频率的中位数在旱地森林（如松林）中最高，在湿地森林中最低。尽管沙丘（dunes）在景观中占比很小，但其火频率中位数最高，其次是森林和沼泽（图5c, 5d）。这反映了不同生态系统对火依赖性的差异。

距上次火年份（Time Since Fire）的范围在2年到47年之间（图6a）。在不同生态系统中，距上次火年份的中位数从2年到8年不等。沙丘的距上次火年份最短，其次是沼泽和沼泽森林（图6b, 6c）。对于旱地生态系统，距上次火年份的中位数为7年。这些空间格局明确显示了火返回间隔（Fire Return Interval）在不同生态系统间的差异，旱地生态系统比湿地生态系统经历更频繁的火。

结论与意义

本研究系统地定义了佛罗里达埃弗格莱兹亚热带生态系统1978-2023年的当代火制度。结果表明，总火烧面积呈现出强劲的增长趋势，这一趋势主要由计划火烧的增加所驱动，而野火活动保持稳定。火情在空间上存在显著异质性，火返回间隔因生态系统类型而异，旱地生态系统（如松林）的火频率高于湿地生态系统（如柏树沼泽）。火大小和形态也随着时间推移而增大。

这些发现深刻揭示了火管理在塑造现代火制度中的核心作用。计划火烧作为一项主动管理工具，对于维持埃弗格莱兹独特景观的生物多样性、生态系统功能和韧性至关重要。它通过清除入侵物种和茂密植被、促进养分循环、创造栖息地镶嵌体以及降低高烈度野火风险，来模拟自然的火循环。本研究产生的精细火历史空间数据层，为评估生态系统恢复力、规划保护行动以及识别火模式与植被类型不匹配的区域提供了强大支持。随着气候持续变化，理解并审慎管理火制度将成为确保埃弗格莱兹等火依赖型生态系统未来健康的关键。