资源目标野火如何将森林结构与可燃物恢复到火干扰前状态——来自亚利桑那州偏远荒野地区的生态恢复证据

《Fire Ecology》：Resource objective wildfires shifted forest structure and fuels toward pre-fire-exclusion conditions in a remote Arizona wilderness

本研究针对美国西部频繁火干扰森林因气候变暖及人为火排除导致大面积高强度火灾增加的问题，在亚利桑那州芒特特朗布尔荒野区，评估了资源目标野火（RO wildfires）对森林结构的恢复效果。通过对比历史（约1870年）、火前（1999年）及火后（2023年）的森林数据，研究发现两次RO野火（2012年、2019年）显著降低了树木密度、胸高断面积和冠层燃料负荷，使森林结构向历史范围变异（HRV）靠拢，并降低了未来火灾严重性。该研究为荒野地区基于自然干扰的生态恢复策略提供了重要科学依据。

　　

在美国西部广袤的森林中，火曾经是一种常见的自然力量，它们定期清理林下植被，维持着森林的健康与活力。然而，自19世纪末以来，由于人类活动导致的火排除政策、20世纪初的土地利用方式遗留问题，以及日益加剧的气候变暖，这些“频繁火干扰森林”正经历着前所未有的变化。森林变得异常茂密，大量小径级树木拥挤生长，为大规模、高强度的灾难性野火创造了条件。这种情况在偏远的荒野地区尤为突出，那里的机械处理措施通常被禁止或不经济，使得管理者们迫切需要一种既有效又可行的生态恢复工具。

正是在这样的背景下，“资源目标野火”（Resource Objective Wildfires, RO wildfires）作为一种管理策略逐渐受到重视。这种策略允许自然引发的野火在预设的范围内燃烧，以达到减少可燃物、恢复森林结构等管理目标。然而，一个关键的科学问题尚未被充分解答：这些“放任自流”的野火，究竟能在多大程度上将已经退化的森林恢复到其历史自然状态？它们是一把精准的“恢复手术刀”，还是一把难以控制的“钝器”？

为了回答这个问题，一个研究团队将目光投向了美国亚利桑那州北部的芒特特朗布尔荒野区（Mount Trumbull Wilderness）。这项发表在《Fire Ecology》上的研究，巧妙地利用了一个难得的长期监测网络。该团队早在1999年就在该区域设置了20个永久监测样地，并重建了约1870年（即人为火排除开始之时）的森林历史结构。幸运的是，该研究区在之后相继经历了两次被作为资源目标来管理的野火——2012年的“特朗布尔复合火”和2019年的“特朗布尔火”。这为研究人员提供了一个天然的实验场，使他们能够在2023年重新测量样地，从而精确评估这两场RO野火对森林的影响。研究旨在揭示：（1）RO野火在多大程度上将火灾后的森林状况推向了历史参考条件；（2）它们如何影响树木死亡率和新苗更新的格局。

为了开展这项研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法。研究核心是基于1999年建立的20个永久样地的长期监测数据，并利用树木年轮生态学（Dendroecology）方法重建了约1870年的历史森林结构（树木密度、直径分布、胸高断面积）。通过采集树木年轮样本，在实验室进行打磨、交叉定年，并运用生长模型反推历史直径。对2012年和2019年两次RO野火的火烧严重度（Burn Severity）进行了景观尺度分析，利用Landsat卫星影像和随机森林模型预测复合燃烧指数（Composite Burn Index, CBI），并评估高严重度斑块的面积和空间格局。野外测量涵盖了所有活立木和枯立木的物种、胸径（DBH）、状况等级，以及林下更新苗、冠层郁闭度、地表燃料（凋落物、腐殖质、细小可燃物）和冠层燃料负荷（Canopy Fuel Load, CFL）等指标。数据分析主要采用威尔科克森符号秩检验（Wilcoxon signed-rank tests）比较不同时期（1870年 vs. 1999年 vs. 2023年）森林结构和燃料的差异。

研究结果

历史变化

重建结果显示，在火排除之前（约1870年），研究区域的森林呈现出典型的开阔林地结构。平均树木密度极低，仅为62.3 棵/公顷，胸高断面积（Basal Area, BA）为8.8 m2/ha，但树木个体粗大，二次平均直径（Quadratic Mean Diameter, QMD）达到41.9厘米。树种组成几乎由北美黄松（Pinus ponderosa）主导（占比超过98%）。当时的直径分布呈单峰型，绝大多数树木（80%）的胸径集中在20至60厘米之间。

到1999年，经过100多年的火排除，森林面貌发生了翻天覆地的变化。树木密度飙升至1223.3 棵/公顷，增加了1864%；胸高断面积增至34.9 m2/ha，增加了297%。与此相反，二次平均直径降至21.7厘米，减少了48%。森林变得郁闭，直径分布严重左偏，75%的树木胸径小于20厘米。甘贝尔栎（Quercus gambelii）等硬木树种的比例也有所上升。冠层燃料负荷（CFL）从0.25 kg/m2大幅增加至1.0 kg/m2。

火效应

到2023年，在经历了2012年和2019年两场RO野火之后，森林结构发生了显著改变。与1999年相比，总树木密度显著降低了50%（至606.4 棵/公顷），胸高断面积降低了20%（至27.8 m2/ha），冠层郁闭度从66.7%降至43.1%。与此同时，平均树木尺寸增大，二次平均直径显著增加了21%，达到26.3厘米。直径分布显示，减少的树木主要集中于小径级（<30厘米 DBH），分布曲线向右移动，更接近历史状态。

燃料方面，地表凋落物和腐殖质深度减少了60%，细小可燃物负荷减少了36%。冠层燃料负荷（CFL）降低了19%至0.8 kg/m2，平均冠层基部高度（Canopy Base Height, CBH）和20%分位数的CBH均显著增加，降低了树冠火发生的风险。尽管RO野火带来了这些积极变化，但2023年的树木密度仍是历史水平的近10倍，胸高断面积和冠层燃料负荷也显著高于1870年，表明恢复尚未完全实现。

火干扰还改变了树木更新格局。北美黄松的更新苗密度下降了35%，且在样地中出现的机会减少。而甘贝尔栎和新墨西哥刺槐（Robinia neomexicana）等具有萌芽能力的硬木树种，其更新苗密度略有增加，并在景观中分布更广。一个值得关注的发现是，在1999年存活的老树（约1870年前即存在）中，有59%在2023年前死亡，这可能与火灾损伤和持续干旱的共同作用有关。

火烧严重度格局

遥感分析表明，两次RO野火的火烧严重度格局存在差异。2012年特朗布尔复合火的平均复合燃烧指数（CBI）为0.71，高于2019年特朗布尔火（CBI=0.60）。2012年火灾中高严重度（CBI ≥ 2.25）的面积比例较小（1.1%），其最大连续高严重度斑块面积为6.2公顷。2019年火灾中高严重度面积比例较高（8.1%），最大斑块面积为46.6公顷。但两者均处于美国西南部北美黄松生态系统历史范围变异（Historical Range of Variability, HRV）之内。研究还发现了一个重要的“火致火严重度降低”效应：在2019年火灾范围内，那些在2012年曾经燃烧过的区域，其2019年的火烧严重度（平均CBI=0.36）显著低于未经历过2012年火的区域（平均CBI=0.90）。

结论与讨论

本研究通过长期的实地监测数据，有力地证明了资源目标野火（RO wildfires）在偏远荒野地区进行生态恢复的有效性。总体而言，2012年和2019年的两场RO野火成功地使芒特特朗布尔荒野区的森林结构朝着历史参考条件（约1870年）的方向发生了显著转变。它们有效地降低了树木密度，移除了大量的小径级树木（减少了阶梯燃料），增加了平均树木尺寸，并降低了冠层和地表燃料负荷。这些变化无疑增强了森林对未来高强度树冠火的抵抗力。

然而，研究也清醒地指出，即使经过两场野火，2023年的森林密度仍然是历史水平的近10倍，这意味着要达到基于历史范围变异（HRV）的恢复目标，还需要进一步减少树木密度。RO野火作为一种管理工具，其效果也存在局限性。它被证明是一把“相对钝性的工具”，虽然能在大尺度上改变森林结构，但缺乏机械处理那样的精确性。此外，野火也带来了一些非预期的后果，特别是导致了大量老树（约1870年前存活至今）的死亡（59%），这可能是火灾损伤和同期极端干旱共同作用的结果，对生态系统的结构和生物多样性保护构成了挑战。

尽管如此，研究的积极发现更为突出。RO野火产生的高严重度斑块面积处于历史变幅之内，且2012年的火显著降低了2019年火的严重度，证明了火具有“自我限制”的特性，能够为未来的良性火干扰创造条件。这对于在荒野地区逐步恢复火的生态功能至关重要。

综上所述，这项研究为在政策限制严格的荒野地区使用RO野火作为生态恢复策略提供了强有力的科学支持。它表明，尽管RO野火无法一蹴而就地实现完全恢复，但它们是当前条件下在广阔荒野景观上启动恢复进程、降低火灾风险、并使生态系统朝着更具韧性的方向发展的可行且有效的途径。对于管理者而言，在芒特特朗布尔这样的荒野区，继续利用RO野火，并考虑结合计划烧除等更多主动管理措施，将能更有效、更快速地推进生态恢复目标的实现。