西非草原的火灾影响、植被恢复及环境驱动因素（2014–2023年）：一项高分辨率遥感评估

《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》：Fire Impacts, vegetation Recovery, and environmental drivers in West African savannas (2014–2023): A High-Resolution remote sensing assessment

西非萨瓦纳2014-2023年火灾活动对生态系统生产力影响研究，基于高分辨率卫星数据构建了22.9万平方公里区域的年际火灾分布与植被恢复模型。研究发现：1）火灾高度季节性（11-1月贡献84%面积），12月达峰值（年均22×103 km2）；2）平均NPP损失11×10?2 Mg C ha?1年，高生产力森林损失达9×10?2 Mg C ha?1；3）65%区域1年内恢复NPP，但森林生态恢复较慢（约2-3年）；4）驱动恢复的主因是土壤氮含量（贡献度最高）和水分保持能力，其次为植被NDMI指数与温度交互作用。研究证实火管理需关注土壤肥力与水分保持，建议优化早季火控策略以平衡碳汇与生态结构。

　　西非的草原火灾是一种重要的生态力量，影响着土地系统、碳动态以及生物多样性。然而，这些火灾对生态系统生产力和恢复能力的影响，目前在可操作的时空尺度上仍未得到充分量化。本研究通过分析2014年至2023年间西非跨境区域（包括布基纳法索、加纳和科特迪瓦多）的火灾活动和火灾后的植被响应，提供了十年尺度的评估结果。通过整合高分辨率的卫星遥感数据和植被生产力信息，我们能够更精确地绘制燃烧区域（BA），并评估火灾对净初级生产力（NPP）的影响及其在不同土地覆盖类型中的空间差异。同时，我们追踪了火灾后的植被恢复时间，分析了月度和年度尺度上的恢复动态。此外，我们利用机器学习方法，探讨了影响恢复时间的关键环境和生物物理因素，例如土壤湿度、温度、土壤肥力和水分保持能力。这些发现表明，适时、低强度的火灾，尤其是在早季燃烧，有助于增强火灾适应性景观的碳韧性。这突显了高分辨率遥感和土壤数据在指导火灾管理、平衡生态和生计目标方面的价值。

### 研究区域与气候背景

研究区域横跨西非，覆盖大约229,500平方公里，从北到南包括了西苏丹草原生物群系和几内亚森林-草原混合带。这一区域从半干旱草原过渡到更湿润、由火灾驱动的草原，其中频繁的燃烧抑制了灌木的入侵，并塑造了草原的植被结构。研究区域的气候为热带气候，降雨主要集中在每年的5月至10月，而干季则从11月持续到次年的4月，这段时间内温度较高，植被干燥，有利于火灾的蔓延。研究区域的火灾主要集中在干季的早期，尤其是12月，此时积累的草类燃料和农田残余物容易被农民或自然因素点燃。然而，随着干季的推进，火灾频率逐渐下降，但在某些年份会因为农业活动或局部干旱而出现小幅回升。

### 研究方法与数据整合

本研究采用多源卫星数据，结合机器学习方法，以评估火灾对草原生产力的影响及其恢复过程。首先，我们使用Harmonized Landsat–Sentinel (HLS) 数据和VIIRS主动火灾检测数据，绘制了30米分辨率的燃烧区域地图，能够捕捉到全球数据集常忽略的小规模火灾。其次，我们利用MODIS传感器提供的GPP和NPP数据，通过比例下采样方法，将年度NPP转化为8天的时间分辨率，以便匹配火灾事件的时间尺度。最后，我们分析了火灾后的植被恢复时间，并通过变量重要性分析和部分依赖效应，探讨了土壤肥力、水分保持能力以及植被湿度等关键因素对恢复时间的影响。

### 火灾动态与生产力损失

研究结果显示，研究区域的火灾活动具有明显的季节性特征。每年超过80%的燃烧面积发生在11月至1月，其中12月是火灾最频繁的月份，平均占全年燃烧面积的三分之一。尽管2017年有轻微下降，但十年间燃烧面积的年均增长率为0.29%（p>0.05），表明整体火灾活动保持相对稳定。火灾对生产力的影响也表现出明显的区域差异。在北部的半干旱草原，尽管燃烧面积较大，但NPP损失较少，甚至出现小幅增长，这可能是因为火灾后植被迅速恢复，或者火灾主要消耗了枯死的植物残体，从而促进了新的生长。相比之下，南部的高生产力区域，如科特迪瓦多的Comoé国家公园和加纳东南部的部分地区，NPP损失显著更高，达到每年约9×10^2 Mg C ha^-1。这些区域的高生物量和较高的火灾强度，使得火灾对碳储量的影响更为显著。

### 火灾后的植被恢复

火灾后的植被恢复时间表现出显著的差异。大多数燃烧区域在一年内恢复了其火灾前的生产力水平，尤其是在草原和农田中。然而，在灌木和湿润区域，恢复时间较长且变化较大。通过分类恢复时间，我们发现，约65%的燃烧区域在一年内恢复了生产力，这表明这些生态系统具有较强的恢复能力。而在某些特定区域，如科特迪瓦多的Comoé国家公园和加纳的某些地区，恢复时间可能超过数年，甚至在研究期间内未能恢复。这可能与频繁的火灾或干旱有关，这些因素可能影响土壤养分和水分状况，进而影响植被的再生能力。研究还指出，恢复时间不仅受火灾频率和植被类型的影响，更关键的是土壤和气候条件。例如，氮含量和水分保持能力成为恢复时间的主要预测因子，而火频和植被类型的影响则相对较小。

### 恢复时间的影响因素

在影响恢复时间的因素分析中，我们发现土壤肥力和水分保持能力在恢复速度中扮演了主导角色。高氮含量的土壤能够支持更快的植被恢复，而水分保持能力较强的土壤则有助于植被在干季中的生长。植被湿度（如NDMI）和温度的影响次之，但它们与土壤因素的相互作用显著影响了恢复动态。例如，高NDMI值可能意味着植被湿度较高，但若同时面临高温和干旱，恢复过程可能会被延迟。相比之下，火频和植被类型对恢复时间的影响较为有限，这表明在火灾适应性系统中，频繁的火灾并不一定导致恢复能力的下降。相反，这些系统可能通过频繁的火灾维持植被的稳定状态，尤其是在湿润的草原生态系统中，低强度的火灾不会显著降低生产力，反而有助于维持生态平衡。

### 研究结果与管理启示

研究结果表明，尽管火灾对生产力有显著影响，但西非草原生态系统总体上具有较强的恢复能力。大多数区域在火灾后数月内恢复了生产力，这反映了草原植被的适应性特征。然而，某些区域，如高生物量的森林-草原混合区，由于火灾强度较高，生产力损失较大，恢复时间较长，这提示这些区域应作为火灾管理的重点。此外，研究还强调了土壤和气候条件在火灾后恢复过程中的关键作用。土壤肥力和水分保持能力显著影响植被的恢复速度，而气候条件（如温度和降雨）则通过其与土壤因素的相互作用进一步调节恢复动态。这些发现对火灾管理具有重要意义，尤其是在气候变化背景下，如何优化火灾时间与地点，以减少碳损失并保护生态系统功能。

### 潜在的不确定性与未来研究方向

尽管本研究提供了重要的生态见解，但仍存在一些不确定性。首先，燃烧区域的绘制依赖于遥感数据，可能无法准确捕捉到地表以下的火灾或在云层覆盖下发生的火灾。其次，卫星估算的NPP数据存在一定的不确定性，尤其是在火灾后的生产力变化是否受到其他因素（如干旱或肥料效应）的影响。此外，恢复时间的评估基于NPP的恢复，这仅反映了功能性的恢复，而未能全面捕捉生态系统的结构和物种组成的变化。因此，未来的研究需要结合实地数据和多种生态指标，以更全面地评估火灾对生态系统的影响。

### 结论与展望

综上所述，本研究揭示了西非草原生态系统在火灾后的恢复能力及其与环境和生物物理因素的复杂关系。研究结果表明，尽管火灾对生产力有显著影响，但草原生态系统整体上表现出较强的恢复能力，尤其是在土壤肥力和水分保持能力较高的区域。然而，这些恢复能力并不等同于生态系统的完全恢复，因为恢复过程可能涉及更长时间的生物量和植被结构的恢复。因此，未来的火灾管理应综合考虑生态和生计目标，通过优化火灾的时间和地点，减少碳损失并促进生态系统的可持续发展。此外，本研究的方法论为其他地区的火灾影响评估提供了新的思路，有助于在气候变化背景下制定更具前瞻性的管理策略。