模拟火灾后的树木再生过程表明，21世纪期间大黄石地区的森林将会发生重组

《Ecosphere》：Simulated postfire tree regeneration suggests reorganization of Greater Yellowstone forests during the 21st century

通过iLand模型模拟美国大角谷地区未来气候情景下的火灾与树木再生，发现湿润气候下再生率稳定，干燥炎热气候下再生率显著下降，尤其对火敏感的云杉和松树受影响最大。尽管部分区域出现再生失败，但森林通过结构重组和树种更替适应气候变化，未出现全面退化为非森林生态系统。

　　### 研究背景与意义

森林的再生能力是衡量其适应性和恢复力的重要指标。随着全球气候变化和森林火灾频率的增加，未来森林的动态变化变得愈发复杂和难以预测。在21世纪，气候条件和火灾模式的改变可能会显著影响森林的结构、组成以及再生过程。为了理解这些变化，科学家们需要对森林火灾后的再生速率、物种组成以及空间分布模式进行系统分析。本文通过模拟研究，探讨了在未来气候条件下，火后森林再生的变化趋势，特别是如何在不同的气候情景下维持或改变森林的结构和组成。

在研究中，重点关注了北美落基山脉地区——大黄石生态系统（Greater Yellowstone Ecosystem, GYE）。该地区是研究森林火灾与再生过程的理想场所，因为其历史火灾模式和森林结构已经得到了充分的研究和记录。研究还涉及了多种关键树种，包括对火灾敏感的 Engelmann 松和亚高山冷杉，以及对火灾具有较强适应能力的白杨（Douglas-fir）和白杨（aspen）。这些树种的再生能力与火灾频率、气候条件、土壤湿度和光照等因素密切相关，它们在火灾后的表现将直接影响森林的恢复能力和生态系统的稳定性。

随着全球变暖，森林火灾的频率和强度预计会增加，这可能对森林的再生过程造成严重影响。然而，模拟结果显示，森林再生并非一定会失败，而是可能在某些情况下转变为更适应未来气候的森林类型。这一研究为理解未来森林如何在气候和火灾的双重压力下维持其功能提供了重要依据，同时为制定森林管理和保护策略提供了科学支持。

### 研究方法与模型概述

为了分析未来气候条件下火后森林再生的变化，研究团队使用了 iLand 模型，这是一种基于过程的森林与火灾动态模拟工具。iLand 模型能够模拟个体树木的生长、竞争和死亡过程，并通过考虑土壤、水分和营养的可用性，评估种子传播和幼苗建立的条件。模型中还考虑了火灾的动态传播过程，包括燃料负荷、风速和地形等因素对火灾扩散的影响。

研究在 GYE 的五个典型景观中进行了模拟，每个景观面积约为6万公顷，涵盖了不同的地形和环境梯度。研究使用了四种气候情景，其中包括干湿程度和温度变化的组合（即湿气候与温暖气候、湿气候与炎热气候、干气候与温暖气候、干气候与炎热气候）。这些情景基于 CMIP5 全球气候模型（HadGEM2-ES 和 CanESM2）以及代表浓度路径（RCP 4.5 和 RCP 8.5）生成。在模拟中，研究团队通过概率模型生成了火灾的发生、位置和潜在规模，并在每个景观中进行了20次重复模拟，总计400次模拟，以确保结果的可靠性。

为了评估火灾后的再生速率，研究团队对每种树种的幼苗密度进行了统计，并使用广义线性模型（Generalized Linear Models, GLMs）来分析这些密度随时间的变化趋势。模型采用负二项分布和对数链接函数，以确保幼苗密度始终大于零，并考虑了数据的过度分散问题。研究还通过绘制累积频率分布图，分析了不同气候情景下火灾后幼苗密度的失败比例（即每公顷幼苗密度低于50的区域），以评估森林再生失败的范围。

### 研究结果与分析

研究结果表明，在湿气候情景下，森林的总体再生速率在2100年之前保持稳定，甚至在某些情况下有所增加。然而，在干气候情景下，特别是炎热且干燥的组合中，总体再生速率出现了明显下降。这种下降趋势主要体现在对火灾敏感的树种，如 Engelmann 松和亚高山冷杉，其幼苗密度在所有景观中均显著减少，部分区域甚至完全失败。相比之下，对火灾具有较强适应能力的树种，如白杨和白杨，其再生速率在干气候情景下有所上升，显示出更强的适应性和恢复力。

在物种组成方面，研究发现，随着气候变暖，某些树种的再生能力下降，而其他树种则显示出上升趋势。例如，在炎热干燥的情景中，Engelmann 松的再生速率下降幅度最大，达到了-20%到-71%。而白杨和白杨的再生速率在干气候情景下则有所增加，表明这些树种可能在未来更适宜的环境中占据主导地位。此外，一些树种如白杨和白杨的再生能力在所有气候情景下都保持稳定，这说明它们在应对气候变化和火灾活动方面具有更强的适应性。

在空间分布模式上，研究发现，森林的恢复路径在不同气候情景下存在显著差异。在湿气候情景下，大部分景观保持了相对稳定的结构和组成，而在干气候情景下，许多景观经历了显著的结构和组成变化。例如，在炎热干燥的情景中，某些景观出现了森林向非森林状态转变的趋势，但这种转变的比例并未超过20%。研究还发现，不同景观的恢复路径可能不同，有的景观经历了森林结构的重新组织（restructuring），有的则出现了物种组成的重建（reassembly）或替换（replacement）。这些变化表明，未来的森林可能不会完全消失，而是通过调整其结构和组成来适应新的气候条件。

### 讨论与结论

研究结果揭示了未来气候变化对森林再生过程的深远影响。尽管在某些极端气候情景下，如炎热干燥的条件，森林的再生速率下降显著，但并未出现大规模的森林消失。这表明，森林可能通过调整其物种组成和结构来维持其功能，而不是完全崩溃。例如，在某些景观中，虽然 Engelmann 松的再生能力下降，但其他树种如白杨和白杨的再生能力上升，从而维持了森林的整体存在。

此外，研究还发现，火灾的频率和强度增加可能会促进森林的重新组织，而不是导致其灭绝。在某些景观中，火灾后的森林恢复路径显示出向更稀疏的森林结构转变的趋势，这可能是由于某些树种的适应能力增强，而其他树种的适应能力减弱。这种变化可能反映了森林对气候变化的适应策略，即通过减少密度和改变物种组成来维持其生态功能。

然而，研究也指出了其局限性。由于模型采用了4公里分辨率的气候数据，未能充分考虑微气候对森林再生的影响。此外，研究未考虑火灾以外的其他自然干扰，如山松甲虫（Dendroctonus spp.）的爆发，这些因素可能会进一步影响森林的再生过程。因此，未来的研究需要更加细致地考虑这些因素，以提高模型的准确性。

总体而言，研究结果表明，大黄石生态系统中的森林可能在未来经历显著的结构和组成变化，但不会完全消失。这些变化可能有助于森林适应未来的气候和火灾条件，从而维持其生态功能。然而，具体的恢复路径和物种组成变化仍需进一步研究，以更好地理解和预测森林的未来动态。