大西洋灌丛带野火与计划烧除的火灾行为及严重性对比研究：对火灾管理的启示

《Fire Ecology》：Comparing fire behavior and severity between a wildfire and a controlled burn in an Atlantic shrubland

本研究针对气候变化和土地利用导致的大西洋灌丛带火灾风险加剧问题，通过对比分析高强度计划烧除与野火的火灾行为（R、L、I等参数）和火灾严重性（CBI、PFD、S%等指标），发现计划烧除可实现93%以上的燃料削减，且通过选择侧翼火（FB）等点火模式可显著降低土壤阴燃（S%<2%）。该研究为突破传统烧除季节限制、优化点火策略以平衡生态影响与防火效能提供了关键科学依据，对火灾易发生态系统的可持续管理具有重要实践价值。

　　

在伊比利亚半岛西北部郁郁葱葱的群山之中，一片片由欧石楠（Erica spp.）和金雀花（Ulex spp.）主导的 Atlantic shrublands（大西洋灌丛带）正悄然发生着危险的转变。几个世纪以来，传统的农牧业实践如同一位熟练的园丁，通过放牧和可控用火维系着景观的多样性与平衡。然而，近几十年来，随着土地抛荒和严格的火灾扑救政策，这片土地的故事被改写了——灌丛以前所未有的速度蔓延，积累了大量的可燃物。这使得该地区成为欧洲最易发生火灾的区域之一，火灾形态也悄然演变：火灾总数或许有所减少，但单个火灾的规模更大、强度更高，2015、2017和2023等年份的特大火灾季便是明证。这种转变不仅威胁着生态系统平衡，也对人类社区构成了严峻挑战。

面对这一困境，计划烧除（Prescribed fire）作为一种主动的景观管理工具，其价值日益凸显。它旨在通过可控的、有计划的燃烧来减少燃料负荷和连续性，从而降低野火风险及其潜在影响。然而，在阿斯图里亚斯等地区，计划烧除通常被严格限制在10月15日至次年4月15日的秋冬季窗口期内进行，且多为低强度燃烧，这极大地限制了其在需要高强度燃烧才能有效削减茂密灌丛燃料的场景中的应用。计划烧除在灌丛地带的效果和生态影响也一直存在争议，亟需更深入的科学研究来提供证据支持。一个核心问题悬而未决：在相似的植被和地形条件下，一场有意为之的高强度计划烧除，与一场不受控制的野火，其火灾行为和生态影响究竟有何异同？

机遇青睐有准备的头脑。2017年10月8日，研究人员在阿斯图里亚斯的伊比亚斯市进行了一项开创性的尝试——在常规计划烧除季节之外（仅提前一周），对一片6.7公顷的大西洋灌丛实施了中高强度的计划烧除。这本身就是一次对现有管理框架的突破。仿佛是为了成就一个完美的“自然实验”，仅仅一周之后（10月15日），一场席卷3380公顷、创下该地区纪录的大型野火吞噬了与计划烧除区相邻的、环境条件极为相似的6.8公顷灌丛。这为直接比较计划烧除与野火提供了千载难逢的机会。

为了回答上述问题，Pérez-Rodriguez及其同事开展了一项精细化的对比研究。他们在计划烧除区和野火区分别设置了8个10米×10米的样地，进行了一系列详尽的监测和测量：

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  火灾行为监测：在计划烧除中，研究人员综合运用移动气象站、96个K型热电偶（每秒记录温度）、无人机（UAV）航拍和照片来获取关键参数，如火焰蔓延速率（R, m/min）、火焰长度（L, m）、火线强度（I, kW/m）、单位面积热量（H, kcal/m²）以及不同温度阈值（如60°C和100°C）下的火焰驻留时间（RT, RT60, RT100, s）。研究还特意采用了三种点火模式：顺风上山火（HB, Heading-fire burning）、侧翼火（FB, Flanking-fire burning）和逆风下山火（BB, Backing-fire burning），以探究点火方式对火灾行为的影响。对于野火，其行为参数则主要通过消防员提供的带地理参考的照片和视频进行估算。
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  火灾严重性评估：火灾过后，研究人员立即在两地样地内进行了实地评估。指标包括衡量土壤和灌丛层受损程度的复合燃烧指数（CBI, Composite Burn Index）、表征燃料消耗程度的火后最小枝条直径（PFD, Post-fire diameter）、火后枝条高度（PFH）以及指示土壤有机质燃烧情况的土壤阴燃比例（S, Smoldering %）。同时，通过破坏性采样计算了燃料消耗量（FC, Fuel consumption）和燃料削减率（FR, Fuel reduction %）。此外，还尝试利用哨兵-2号（Sentinel-2）影像计算差分归一化燃烧指数（dNBR）和哨兵-1号（Sentinel-1）合成孔径雷达（SAR, Synthetic Aperture Radar）数据计算雷达燃烧指数（RBR, Radar Burn Ratio），以评估遥感技术在监测此类高强度火灾严重性方面的能力。

主要关键技术方法概述

本研究的关键技术方法包括：1) 通过设置标准样方进行火烧前、后的燃料负荷（FL, Fuel Load）详细调查（包括活死燃料比例、含水率MC）和破坏性采样；2) 综合运用气象站、热电偶阵列、无人机（UAV）多光谱成像和现场摄影等手段，精确监测计划烧除过程中的火焰蔓延速率（R）、火焰长度（L）、温度曲线和驻留时间（RT）等火灾行为参数；3) 采用复合燃烧指数（CBI）、火后枝条直径（PFD）和土壤阴燃比例（S%）等多项指标进行实地火灾严重性评估；4) 利用哨兵-2号（Sentinel-2）和哨兵-1号（Sentinel-1）卫星影像，计算差分归一化燃烧指数（dNBR）和雷达燃烧指数（RBR），尝试进行遥感火灾严重性制图；5) 对计划烧除实施不同的点火模式（HB, FB, BB），以比较其效果。

研究结果

Pre-fire fuel characteristics（火烧前燃料特性）

计划烧除区和野火区在火烧前的总燃料负荷（FL）、死燃料负荷（DFL）和活燃料比例（LF）均无显著差异。燃料负荷范围在25.6至38.2吨/公顷之间，死燃料占比高达约42%，这凸显了大西洋灌丛的高可燃性特征。计划烧除时，主要灌木物种的活燃料含水率较高（Erica australis为68%，Ulex gallii为88%），而野火发生时，估算的细燃料可燃物湿度码（FFMC）值更低（5-7%），表明燃料更为干燥。

Fire behavior and fire severity in the controlled burn site（计划烧除区的火灾行为与严重性）

在计划烧除区内，不同的点火模式显著影响了火灾行为。顺风上山火（HB）的蔓延速率（R, 3.98 m/min）最快，火焰长度（L, 8.6 m）和火线强度（I, 3052 kW/m）最高，属于高强度燃烧。侧翼火（FB）和逆风下山火（BB）的强度相对较低。值得注意的是，逆风下山火（BB）的火焰驻留时间（RT, 559 s）以及土壤层在60°C（RT60）和100°C（RT100）以上的持续时间远长于其他两种模式。

在火灾严重性方面，尽管不同点火模式下的复合燃烧指数（CBI）总值差异不显著（均属高严重度），但土壤阴燃比例（S%）表现出极大差异：顺风上山火（HB）区域高达80%，而侧翼火（FB）区域则低于2%，逆风下山火（BB）区域为10%。这表明侧翼火（FB）在实现有效地上燃料消耗（燃料削减率FR>93%）的同时，能最大限度地减少对土壤的负面影响。火后枝条直径（PFD）在逆风下山火（BB）模式下最大。

Fire behavior and fire severity in the wildfire site（野火区的火灾行为与严重性）

野火表现出远超计划烧除的猛烈程度。其顺风火（HF）的蔓延速率（R）高达38.8 m/min，火焰长度（L）达12.93 m，火线强度（I）估计为31,912 kW/m，属于极高强度火灾。火焰驻留时间（RT）估计在200-250秒。火灾严重性极高，复合燃烧指数（CBI）接近最大值（3.0），土壤阴燃比例（S%）均匀且高达95%，火后枝条直径（PFD）也显著大于计划烧除区，表明燃料消耗更为彻底。

Comparative analysis between the controlled burn and the wildfire（计划烧除与野火的对比分析）

综合对比显示，野火在蔓延速率（R）、火焰长度（L）和火线强度（I）等关键火灾行为参数上均显著高于计划烧除（约10倍或更高）。尽管两者的燃料消耗量（FC）和单位面积热量（H）无显著差异，但野火导致了更高的燃料削减率（FR, 97.3% vs 94.3%）和显著更高的火灾严重性指标（CBI, S%, PFD）。这主要归因于野火发生时更低的燃料湿度、更高的风速（23 km/h vs 5.4 km/h）以及更宽的火焰前锋。

研究还发现，基于光学和雷达的遥感指数（dNBR, RBR）在此次研究中未能有效区分计划烧除和野火的严重性，可能与两地植被均被近乎完全消耗、以及雷达信号受火烧后降雨等因素干扰有关。

讨论与结论

这项研究有力地证明，即使在常规计划烧除季节之外实施中高强度计划烧除，也能在大西洋灌丛带中实现极高的燃料削减效果（>93%），有效降低野火风险。更重要的是，研究揭示了点火模式选择的关键作用：侧翼火（FB）被证明是一种高效的策略，它能在保证燃料削减效果的同时，极好地控制对土壤的负面影响（最小化土壤阴燃），尽管其操作时间可能比顺风上山火（HB）长。

与野火相比，尽管计划烧除的绝对强度较低，但其生态影响（尤其是对土壤的影响）要小得多。野火由于其不可控的特性，在恶劣天气条件下会展现出毁灭性的力量，造成更严重的生态后果。该研究为在阿斯图里亚斯等地区放宽计划烧除的季节限制、推广基于科学依据的点火技术提供了重要的实证支持。它表明，通过精心规划和执行，计划烧除可以成为一种安全、有效且生态影响更可控的土地管理工具，有助于构建更具韧性的景观，以应对日益严峻的火灾挑战。

最后，研究也指出，由于大西洋灌丛生长迅速，要实现长期的燃料管理目标，可能需要将计划烧除与其他措施（如放牧、机械清理）相结合，并保持一定的处理频率。这项研究不仅增进了我们对计划烧除与野火差异的理解，也为未来在类似生态系统中科学、安全地应用“以火治火”策略指明了方向。