森林类型驱动北方泥炭林对野火的碳动态响应：基于CBM-CFS3模型的400年模拟研究

本文通过加拿大森林碳预算模型（CBM-CFS3）结合MOSS-C模块，模拟400年间不同火强度（HSF/LSF）及火循环周期对两种北方森林类型（BSSP和BSFM）碳动态的影响。研究发现，低强度火促进BSSP（黑杉-泥炭藓林）的泥炭积累并提升总碳储量，而高强度火利于BSFM（黑杉-羽苔林）的乔木生物量碳积累。研究强调准确刻画森林类型对预测火干扰下生态系统碳平衡的关键作用，为气候变化背景下 boreal 森林碳管理提供理论依据。

　　

森林类型驱动北方森林泥炭地对野火的响应机制：一项模拟研究的深入解析

摘要

北方黑杉（Picea mariana）森林通过苔藓衍生的泥炭积累大量碳（C），对缓解气候变化具有重要作用。当不受干扰时，较厚的泥炭层可能抑制树木生长，这种泥炭与树木生物量之间的权衡关系深刻影响森林碳动态。同样，野火的严重程度（severity）和频率（frequency）也能够改变碳积累模式，但其具体影响机制仍缺乏系统研究。本研究采用加拿大林业碳预算模型（CBM-CFS3）及其苔藓模块（MOSS-C），模拟了400年间高严重度火（HSF）和低严重度火（LSF）对两种森林类型——黑杉–泥炭藓（BSSP）和黑杉–羽苔（BSFM）碳动态的影响。

研究结果显示，在BSSP类型中，由于泥炭的持续积累，LSF后的总碳储量最终高于HSF；相反，在BSFM类型中，HSF因促进乔木生物量积累而带来更高的碳储存。树木组分对两种森林碳库的快速恢复（尤其在HSF后）起关键作用，而苔藓则长期维持碳汇功能。这项研究表明，精确表征森林类型是提高火制度变化对生态系统碳动态影响预测能力的关键。

引言

北方森林作为重要的陆地碳库，储存了全球近一半的植被和土壤碳。其中超过三分之二的碳储量存在于土壤中，尤其是泥炭积累丰富的区域。泥炭积累主要通过沼泽化（paludification）过程实现，即森林逐渐积累泥炭并向泥炭地系统演变。这一过程依赖于植物净初级生产力与微生物分解和野火燃烧等损失之间的平衡。

火是北方森林最主要的自然干扰因子，对碳动态产生多重影响：它可直接燃烧植被和土壤有机质造成碳损失，也可通过改变植物更新、林分组成与结构来重新分配碳。在景观尺度上，碳储量和通量高度依赖于火制度（如火循环周期和火强度）。较长的火循环周期倾向于促进长寿树种（如黑杉）的存活与更新，而短火周期则有利于快速成熟树种（如班克松）占优势。

自小冰期结束以来，加拿大北方森林多数地区的火活动呈减少趋势。火干扰的长期缺失与低火强度共同促进了沼泽化过程，即使是在排水良好的立地上。沼泽化森林通常具有低生产力、开阔林冠、以黑杉为优势种并富含泥炭藓（Sphagnum）物种、高水位及厚泥炭层等特征。而当高频或高强度的火干扰逆转沼泽化过程时，森林可能转为更高生产力的类型。

在气候变化背景下，部分东部北方森林地区的火循环周期预计将缩短，同时火强度和过火面积可能增加（如RCP 8.5情景所示）。这将对森林结构、组成及碳动态产生深远影响。因此，研究火制度（包括火强度和火循环）对含苔藓和泥炭的碳储存的影响，对于评估该区域森林碳平衡及气候变化减缓潜力具有重要意义。碳动态涉及多时空尺度及多重不确定性，模型模拟成为探究干扰长期效应的有力工具。CBM-CFS3模型能够通过MOSS-C模块模拟苔藓起源的泥炭动态，适用于评估这些生态系统在不同火制度下的碳动态。

研究方法

研究区域与数据基础

本研究区域位于加拿大魁北克省的Forest Management Unit 085-51，属于Clay Belt地貌区和黑杉–羽苔生物气候域。该区森林以黑杉为优势种，林下富含常绿灌木（如Kalmia angustifolia和Rhododendron groenlandicum）、羽苔（如Pleurozium schreberi）和泥炭藓（如Sphagnum fuscum和S. capillifolium）。该区气候寒冷、半湿润，生长季短，土壤排水不良，加上长期缺火和泥炭藓的广泛分布，使该区极易发生沼泽化。

研究采用2010年森林资源清查数据，筛选出自然起源、可能发生或已经发生沼泽化的黑杉林，根据林分条件和苔藓优势度划分为两种类型：排水不良、以泥炭藓为主的BSSP林分（占82%）和生产力较高、以羽苔为主的BSFM林分（占18%）。

模型框架与模拟设计

CBM-CFS3模型结合统计与过程模型，以年时间步长跟踪碳储量、储量变化及通量。模型碳库可分为生物量（包括乔木和苔藓活体生物量）和土壤（凋落物、碎屑、枯木和有机层）两大部分。苔藓模块（MOSS-C）进一步模拟了两种苔藓（泥炭藓与羽苔）的生物量生长及其向不同分解速率有机土壤层的转化过程。

模型初始化通过历史火干扰序列实现，直至土壤碳库达到稳定。树木生长基于材积生长曲线，通过异速生长方程转换为生物量碳。苔藓净初级生产力（NPP）取决于苔藓盖度与NPP速率，其盖度–火强度–林冠开阔度之间的关系基于野外实测数据标定。分解过程受温度、基础分解速率等因素调控。火干扰通过转移矩阵描述各碳库间碳比例分配与大气排放。

研究设计了多种火情景进行模拟：（1）在样地水平，分别模拟BSSP和BSFM在HSF和LSF下的碳动态；（2）在景观水平，模拟当前长火周期（400年）与预测短火周期（100年）下不同火强度的影响。

主要结果

样地水平的碳动态

模拟表明，初始条件下（120年生林分），BSSP林分因泥炭层较厚，总碳储量高于BSFM。BSSP中碳主要存储在有机层（77%），而BSFM中碳更多存储在乔木生物量中（48%）。火后瞬间，HSF造成的碳损失高于LSF，但HSF后乔木生物量恢复更快，使总碳储量迅速反超。

在BSSP林分中，LSF促进泥炭藓恢复与泥炭积累，长期（250年后）总碳储量超过HSF情景。相比之下，在BSFM中，HSF始终带来更高的碳储量。乔木组分在火后碳库快速恢复中起主导作用，而苔藓则长期维持碳汇功能。

火后排放分析显示，HSF后初始碳损失更高，但碳汇恢复更快（17–21年），而LSF后碳汇恢复延迟（30–42年）。整个模拟期内，BSSP中LSF下的有机层碳积累速率（11 g C m^?2 year^?1）接近HSF（6.4 g C m^?2 year^?1）的两倍；BSFM中两者差异较小。

景观水平的碳动态

长火周期（400年）情景下，景观总碳储量保持稳定或略有增加，LSF下碳积累更显著（+5.78%），主要得益于苔藓碳汇贡献。短火周期（100年）则导致碳储量下降17–19%，景观由碳汇转为碳源。火强度在短火周期中对总碳储量影响较小，但改变了碳在乔木、苔藓与有机层之间的分配比例。

讨论与展望

本研究通过模型模拟揭示了火强度与森林类型对碳动态的交互影响。在易沼泽化的BSSP林中，LSF有利于泥炭积累与长期碳储存；而在排水较好的BSFM林中，HSF则通过促进乔木生长提高碳储量。这一发现强调了在预测火干扰对生态系统碳平衡影响时，必须考虑森林类型的初始条件与演化轨迹。

苔藓（尤其是泥炭藓）的恢复与盖度变化是驱动碳积累差异的关键。其耐燃性与分解特性进一步调节了火后碳动态。同时，乔木生物量的快速恢复在高强度火后碳汇形成中扮演重要角色，但其与泥炭积累之间存在此消彼长的权衡关系。

从景观尺度看，长火周期有利于维持碳储量，而短火周期结合高火频则可能导致碳汇功能丧失。尽管火强度在景观总碳储量上的效应相对较小，但其对碳分配格局的影响仍值得关注，尤其是在气候变化可能导致火制度改变的背景下。

本研究存在一定局限性，如未完全体现泥炭地森林的异质性、苔藓多样性及水位波动的影响；模型中的生长曲线、再生延迟等假设也可能引入不确定性。未来研究可通过空间显式模拟、多类型混合情景及气候–火–植被耦合模型进一步深化相关机制认知。

总之，本研究强调了对森林类型进行精确表征的重要性，为北方森林及泥炭地在变化环境下的碳管理提供了科学依据，也为后续模型改进与政策制定指明了方向。