火灾对热带半干旱自然群落中树木多样性、结构及地上碳储量的长期影响

《Ecological Informatics》：Legacy effects of fire on tree diversity, structure and aboveground carbon in tropical semi-arid naturally assembled communities

热带稀树草原中火灾频率与气候、树木多样性和碳储存的关系研究。结果表明，频繁火灾显著减少大型树木密度和地上碳储量，且与降雨季节性负相关。维护火管理策略和大型树木保护对生态系统稳定至关重要。

　　### 热带稀树草原中季节性火灾的生态影响及应对策略

季节性火灾是热带稀树草原生态系统正常运作的重要组成部分。然而，随着火灾频率的增加，这种自然现象正在威胁这些生态系统的完整性，主要表现为生产力下降以及其所支持的生态系统服务减少。理解火灾对植物群落的影响机制，包括物种数量变化、功能特征和系统发育结构，对于评估生态系统对火灾的响应具有重要意义。本研究结合了西非稀树草原地区的288个样地的树木调查数据与2001至2021年间遥感技术获取的火灾历史，分析了气候与火灾之间的反馈机制，并探讨了树木多样性的多个维度（包括分类学、结构、功能和系统发育）以及关键的群落特征如何与火灾频率、气候波动和地上生物量碳储量相关联。

#### 火灾频率与气候的关系

研究发现，火灾频率与降雨量及其季节性密切相关，这表明长期干旱期在燃料积累中起到了重要作用。虽然重复的火灾并未显著影响树木多样性的任何维度，但它们与最大树木密度（即按树径大小前5%的树木）和地上生物量碳储量之间存在负相关关系。值得注意的是，那些在20年内燃烧超过五次的样地，其树木碳储量显著下降。在所有测量变量中，最大树木密度是地上生物量碳储量最强的关联因素，其次是物种丰富度和系统发育多样性。然而，只有最大树木密度在火灾频率与地上生物量碳储量之间的负向路径中表现出一致的中介作用。

这些发现表明，多个树木多样性维度在面对频繁火灾时表现出一致的响应，说明稀树草原的树木多样性具有一定的恢复能力，这可能源于当地物种池的长期适应。同时，也突显了生物量积累和碳储存对火灾引起的种群变化的脆弱性。随着气候变化和人类活动在周边农业用地中对火灾频率的影响，这些植物群落的碳储存能力可能受到威胁，因此需要制定有效的火灾管理策略，以维持生态系统功能在未来的环境压力下。

#### 研究方法

研究区域为西非的苏丹稀树草原，该地区具有半干旱特征，位于苏丹萨赫尔以南和苏丹-几内亚过渡带以北。样地分布在加纳、多哥和贝宁的森林保护区及保护区内，以及布基纳法索的南部。研究中采用的树木调查数据包括直径胸高（DBH）和总树高，以识别大于5厘米的树木。为了评估火灾的影响，研究限制了分析范围至有火灾历史记录的样地，利用全球卫星数据集MCD64A1来获取火灾发生频率的信息。这些数据以500米的分辨率记录了像素相关的燃烧面积信息，使得研究能够评估长期火灾的影响。

此外，研究还考虑了气候变量和土壤属性，包括年均降雨量、降雨季节性和年均温度。这些变量在研究中被用于评估其对地上生物量（AGB）的影响，因为它们在决定AGB方面具有重要作用。土壤属性包括总土壤氮含量和土壤细粒度（粘土和粉砂的百分比），这些属性影响植被组成和生产力。研究还计算了树木的功能性多样性指标，如功能分散度（FDis），并利用系统发育树来评估系统发育多样性。通过这些指标，研究揭示了火灾对生态系统结构和功能的影响。

#### 研究结果

研究发现，火灾频率与年均降雨量呈正相关，与降雨季节性呈负相关。这种关系支持了之前关于年均降水与火灾频率之间正相关的研究。同时，降雨季节性与火灾频率之间存在显著的负相关关系，表明长期干旱事件在火灾频率的形成中起到了重要作用。这些发现揭示了降雨季节性在火灾频率模式中的决定性作用，表明降雨季节性较高的地区可能更容易发生火灾，因为这些地区的燃料积累更多。

研究还发现，火灾频率对最大树木密度和Lorey高度有显著的负面影响。这种模式表明，频繁的火灾会限制树木从较小到较大类别的过渡，从而减少大树木的数量。此外，火灾频率与地上生物量碳储量之间也存在显著的负相关关系，这表明火灾在维持开放树冠方面发挥了重要作用，通过限制树木的生长和大小。研究还发现，地上生物量碳储量与生物因素如物种丰富度、系统发育多样性（sesMNTD）和大树木密度呈正相关，其中大树木密度与火灾频率之间存在显著的负相关，表明火灾对地上生物量碳储量的影响主要通过大树木密度来实现。

#### 火灾对生态系统的影响

研究结果表明，虽然火灾频率对物种丰富度和功能多样性的影响较小，但对大树木密度和地上生物量碳储量的影响显著。这种影响可能源于大树木对环境变化（如干旱和升温）的高敏感性，以及它们在火灾中受到的直接暴露。因此，维持大树木的密度和分布对于地上生物量碳储量至关重要。此外，研究还发现，火灾对生态系统的影响可能不仅仅局限于直接的破坏，还包括间接的生态反馈机制，如气候变化和土地利用方式的变化。

#### 研究的局限性

尽管研究结果提供了有价值的见解，但仍然存在一些局限性。首先，研究主要关注地上生物量的生产，但稀树草原生态系统中的地下碳储量可能也是一个重要的组成部分，受到火灾的影响。其次，研究发现的火灾对树木群落的影响可能比现有研究更为复杂，这些影响可能依赖于其他因素，如火灾的范围、强度和严重程度。此外，20年的火灾数据可能不足以全面反映树木的整个生命周期，因此，某些研究结果可能是在不同背景下获得的，这些背景可能影响火灾造成的损害程度，包括不同的火灾强度、物种组成和适应策略。

#### 结论与建议

研究结果表明，频繁的火灾对稀树草原生态系统中的生物量和碳储量有显著的负面影响，同时也揭示了树木多样性对这些影响的响应。为了维持这些生态系统中的生物量和碳储量，建议采取有效的火灾管理策略，包括限制高火灾频率和根据干旱季节的火灾模式进行季节性火灾控制。此外，建议与当地农业社区合作，制定参与式的火灾控制策略，以减少周边农业用地中非计划的火灾。

研究还建议优先保护大树木，通过设立专门的保护区域，排除或严格限制火灾，以支持大树木的生存。维持不同树木大小和物种的多样结构有助于缓冲火灾的影响，并支持长期的地上生物量碳储量。虽然火灾频率对树木多样性的多个维度影响较小，但维持物种丰富度和系统发育多样性对于碳储量的稳定性至关重要。因此，建议建立长期的监测样地，以跟踪功能性特征和生态系统的恢复能力。

最后，建议通过促进自然再生和在频繁火灾的区域推动再造林，以恢复树木覆盖并减少整体可燃性。未来的研究应进一步探讨当地物种的适应性，以及火灾耐受性与生长之间的权衡，以指导恢复计划和火灾智能管理策略。