森林结构与积雪动态交互作用加剧北方林野火燃烧烈度

《Forest Ecology and Management》：Snow dynamics and forest structure interact to increase wildfire burn severity in the boreal forest

本研究针对气候变化导致北方林积雪减少、野火加剧的严峻问题，通过分析2002-2019年安大略省689场野火数据，结合结构方程模型(SEM)揭示了积雪消失日期(SDD)和积雪自由期(SFD)通过影响燃料湿度间接调控燃烧烈度的新机制。研究发现更长的SFD会增加极端燃烧烈度但降低中值烈度，而森林结构主要通过影响积雪动态间接作用于燃烧烈度，且这种效应在东西部生态区存在显著差异。该成果为北方林野火风险管理提供了关键科学依据。

　　

气候变化正在深刻地改变着北方森林的面貌，其中最引人注目的变化之一就是野火活动的加剧。2023年，加拿大经历了有史以来最严重的野火季节， burned area达到1840万公顷，这一数字是1959-2015年历史平均水平的9倍，更是1989年 previous annual record的两倍多。这种野火活动的加剧通常被归因于更极端的天气条件或更长的野火季节，但一个经常被忽视的驱动因素则是积雪覆盖深度和持续时间的变化。

在北方森林这样的季节性积雪覆盖区域，积雪动态与野火活动之间存在着微妙而重要的联系。积雪的减少和提前融化会导致燃料湿度降低，延长野火季节，并可能增加燃烧烈度。燃烧烈度指的是野火后植被变化或损失的程度，它反映了生态系统被野火改变的程度，同时也预示着生态系统恢复到干扰前状态的能力。因此，燃烧烈度的变化对于保护和森林管理而言尤为值得关注。

尽管积雪覆盖与火季长度之间的 clear relationship 已经得到认识，但 few studies have investigated how changing snow cover dynamics might influence wildfire severity in seasonally snow-covered regions like the boreal forest。这正是Goldman等人发表在《Forest Ecology and Management》上的研究 aimed to address 的核心科学问题。

为了深入探究森林结构、积雪动态和野火燃烧烈度之间的复杂关系，研究人员开展了一项 comprehensive study。他们利用遥感技术获取了2002-2019年间安大略省北方 shield ecozone内689场野火的数据，包括森林结构（冠层郁闭度、地上生物量和林龄）、积雪动态（积雪消失日期SDD和积雪自由期SFD）以及燃烧烈度。燃烧烈度通过相对燃烧比(RBR)进行量化，并分别用中值RBR和90百分位RBR来表征 overall severity 和 extreme burn severity。研究还控制了干旱条件（使用干旱指数DC）和地形（地形崎岖指数TRI）的影响。数据分析采用了分段结构方程模型(piecewise SEM)，这种方法能够有效处理不符合多元正态分布假设和存在相关误差结构的空间环境数据，从而评估变量之间的直接和间接效应。

3.1. Direct effect of forest structure on snow disappearance date and snow-free duration

研究发现，森林结构对SDD和SFD的直接效应在东西部生态区之间存在差异。在生态区尺度上和东部生态区，森林生物量对SDD有显著的负效应，即生物量越高，积雪消失越早。而在西部生态区，冠层郁闭度对SDD有显著的负效应，但林龄在所有模型（除大于500公顷火场模型外）中对SDD均有显著正效应，意味着 older stands 会延迟积雪消失。森林结构变量对SFD的影响则较弱且不一致，林龄在生态区模型中对SFD有显著正效应，而生物量仅在大于500公顷火场模型中对SFD有显著负效应。

3.2. Direct effects of forest structure, snow disappearance date and snow-free duration on wildfire burn severity

研究证实，SFD是燃烧烈度最强烈的直接预测因子，但其对极端燃烧烈度和中值燃烧烈度的作用方向相反：更长的SFD会增加极端燃烧烈度，却会降低中值燃烧烈度。SDD仅在生态区尺度上对中值燃烧烈度有显著的负效应，对极端燃烧烈度则无显著影响。森林结构仅对极端燃烧烈度有显著直接影响，且其效应强度大于SDD。在生态区尺度上，生物量对燃烧烈度的影响最强，而在西部生态区，冠层郁闭度的影响最强。

3.3. Indirect effects of forest structure on wildfire burn severity

通过结构方程模型，研究还揭示了森林结构通过影响积雪动态而对燃烧烈度产生的间接效应。在生态区尺度上，生物量和林龄通过SDD和SFD对燃烧烈度产生间接效应，但效应值较弱。多组分析表明，生物量和冠层郁闭度到极端燃烧烈度的间接路径在东西部生态区之间存在显著差异，而林龄的间接路径则无显著区域差异。

3.4. Direct and indirect effects of drought and topography on SDD, SFD, and burn severity

干旱(DC)对燃烧烈度的影响呈现出空间异质性，在生态区尺度和西部生态区，更高的DC会降低极端燃烧烈度但增加中值燃烧烈度，而在东部生态区则无显著影响。值得注意的是，DC对SFD的直接效应远强于任何森林结构变量或SDD，干旱显著延长了SFD。地形(TRI)在生态区尺度上显著降低了SDD，并对中值燃烧烈度有显著正效应，但对极端燃烧烈度无显著影响。在所有评估的间接效应中，干旱对燃烧烈度的间接效应最强。

该研究的讨论部分对上述发现进行了深入阐释。关于积雪自由期(SFD)对燃烧烈度看似矛盾的影响（即增加极端烈度却降低中值烈度），研究者推测这可能与火发生的时间 shift 有关。更长的SFD会导致仲夏条件更干燥，从而增加极端燃烧烈度；但同时，延长的火季也可能使部分野火发生在燃烧烈度 typically lower 的秋季，从而拉低了中值烈度。森林结构对SDD的影响则解释了SDD与中值燃烧烈度之间的负相关：林龄增长会延迟SDD，导致地表和较大直径木质燃料的湿度更高，从而降低燃烧烈度。

研究强调了森林结构通过影响林冠截留积雪、积累以及林下能量平衡，从而在景观尺度上影响积雪动态和雪融过程。安大略省西部生态区以开阔的杰克松林为主，而东部则以相对郁闭的黑云杉林为主，这种生态区差异及其与林下能量平衡的相互作用共同解释了为何冠层郁闭度与积雪消失的关系、以及冠层郁闭度和生物量对燃烧烈度的间接效应在东西部之间存在显著差异。

此外，研究还关注了火场内燃烧烈度的变异性。对于大于500公顷的火场，研究发现更晚的SDD和更长的SFD会增加火场内的燃烧烈度变异性。这种空间异质性是景观异质性和生态系统结构与功能的重要驱动因子，而由雪融 timing 驱动的燃料湿度差异可能是造成复杂燃烧斑块镶嵌体的原因之一。

该研究的结论明确指出，积雪动态直接影响季节性积雪覆盖区域的野火燃烧烈度，但这些效应会随着森林结构、生态区尺度以及燃烧烈度度量方式的不同而变化。在全球变暖背景下，积雪覆盖持续时间减少、雪融提前趋势已然显现，这将 likely lead to more forest areas experiencing extreme burn severity，并对北方森林的恢复力和生态系统健康产生负面影响。因此，将积雪动态纳入未来的野火燃烧烈度模型至关重要，这将有助于指导资源分配、燃料减少和森林管理策略，以降低高烈度野火风险。研究也指出了未来需要进一步探索的方向，例如更精确地量化林冠下积雪覆盖、以及更 explicit 地研究SDD空间格局与燃烧烈度空间格局之间的关联，从而为森林管理者识别和缓解高烈度燃烧风险区域提供更精准的工具。这项研究为理解北方森林野火行为增添了新的重要维度，凸显了在气候变化背景下综合考虑积雪、森林结构与火情交互作用的重要性。