北方森林景观异质性管理降低火灾风险的模型分析：基于细胞自动机模拟的研究

本研究针对气候变化下北方森林火灾风险加剧的问题，通过开发耦合简化凋落物和植物水分平衡模型的细胞自动机模拟方法，系统评估了林分大小、树种组成（针叶树vs.阔叶落叶树种）和排水沟渠对火势蔓延的影响。研究发现减小林分规模可显著降低景观火灾风险（如从100公顷降至1公顷可使火灾风险降低五倍），而树种多样化和避免排水沟渠能进一步降低风险，尤其在大型林分中效果显著。该模型为理解集约化管理北方森林景观中复杂的野火行为相互作用提供了新工具，支持更可持续和气候适应型森林管理策略的制定。

　　

随着气候变化加剧，北方森林正面临日益严重的野火威胁。这片占全球森林面积30%的生态系统不仅承受着比其它生物群落更强烈的温度变化，还遭受着干旱、虫害和火灾等多重压力。尤其令人担忧的是，当前普遍采用的单一树种、同龄林管理方式导致森林结构高度同质化，这种"整齐划一"的森林景观就像排列整齐的火柴盒，一旦起火极易形成燎原之势。与此同时，为提高木材产量而广泛实施的排水工程虽然促进了树木生长，却降低了土壤湿度，进一步增加了可燃物干燥程度。面对这种双重挑战，森林管理者亟需科学依据来调整管理策略，在保障木材生产的同时增强森林防火能力。

为破解这一难题，研究人员开发了一套创新的细胞自动机模拟框架，将火势蔓延模型与生态生理过程模型有机结合。该模型将景观划分为20m×20m的网格单元，通过量化六个关键因素（植被类型、林龄/密度、风速、坡度、死/活燃料湿度）对火势蔓延概率P的影响，模拟火灾在异质性景观中的动态传播。研究特别关注了三种管理措施的影响：林分规模（1-100公顷）、树种组成（针叶树与阔叶落叶树比例）和排水沟渠对土壤湿度的改变。

在技术方法上，研究主要采用：1）基于Rothermel方程改进的火灾蔓延概率模型，包含环境因子修正系数α和燃料湿度系数ρ_m；2）死燃料湿度动态模型，考虑大气湿度与土壤水势Ψ的双重影响；3）活燃料湿度模型，基于植物水分传输理论计算；4）500次景观随机生成与各500次火灾模拟的蒙特卡洛方法，评估不同管理情景下的火灾风险（定义为平均过火面积）。

研究结果揭示了一系列重要发现：

1. 林分规模效应：减小林分规模能显著降低火灾风险，将林分从100公顷减至1公顷可使风险降低五倍。这种效应源于小规模林分增加了景观异质性，使火势更易遇到难以蔓延的"防火屏障"。

2. 树种组成影响：引入30%阔叶落叶树（火灾蔓延概率P₁=0.7）比纯针叶林（P₁=1.0）能降低50%火灾风险。特别值得注意的是，将阔叶树混交在各林分内比集中种植在某些林分效果更好，在大型林分（1000公顷）中可降低风险达10倍。

3. 排水工程作用：排水导致的土壤干燥会使火灾风险增加2倍以上，这种效应在大规模林分和较高空气湿度（H=0.3）条件下尤为明显。保持自然水文条件形成的土壤湿度梯度能有效阻碍火势蔓延。

4. 环境因子交互：管理措施产生的防火效果与气候变化（如空气湿度从0.3降至0.2）带来的风险增加具有可比性。组合应用多种管理策略（小林分+混交+不排水）能抵消气候变干的不利影响。

在讨论部分，作者指出这项研究的创新性在于首次系统量化了景观管理措施通过改变异质性来调控火灾风险的机制。与传统的防火隔离带策略不同，这种"全域微创"的管理方式不需要专门划出防火区域，而是通过调整常规经营措施来实现防火目标。研究建立的模型框架特别适用于欧洲北部集约经营的北方森林，这些地区普遍存在林分规模小（如芬兰平均2公顷）、排水工程广泛的特点。模型的简化设计虽然牺牲了小尺度火行为细节，但抓住了景观尺度上管理措施与环境因子的关键相互作用，为制定气候适应性森林管理方案提供了科学依据。

该研究的实践意义在于提出了"以空间异质性换防火安全"的新思路，建议通过：1）划分小型林分增加景观"马赛克"结构；2）保留自然水文条件维持土壤湿度梯度；3）适当混交防火树种这三项可操作措施来构建"内建式"防火体系。这些发现对正在修订森林经营指南的北欧国家具有重要参考价值，同时也为其他面临类似挑战的北方森林地区提供了可借鉴的管理范式。