《Trees, Forests and People》：Drought-wildfire synergy drives carbon-source transition and amplifies carbon budget uncertainty of boreal forests in Northeast China
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本研究针对气候变化下干旱与野火协同作用对寒温带针叶林碳动态的影响机制不明确这一关键问题，通过构建耦合树种特异性干旱敏感性、野火动态和森林演替的模型框架，模拟了21世纪中国东北寒温带针叶林的碳动态。研究发现干旱显著增加树木死亡率并限制碳固存，积累的燃料负荷扩大过火面积并提高火强度，干旱-野火协同作用抵消了植被恢复和火灾扑救带来的碳汇增益，并使区域碳预算的年际变异性加倍。在ssp5-8.5情景下，寒温带针叶林在21世纪末期间歇性地从碳汇转变为碳源。该研究强调了在评估气候变化对寒温带针叶林碳动态影响时，明确考虑干旱-野火协同相互作用的重要性，为制定适应性森林管理策略以增强森林长期稳定性和碳固存能力提供了科学依据。
在北半球高纬度地区绵延的寒温带针叶林，是全球森林面积和碳储量的重要组成部分，长期以来扮演着陆地生态系统关键碳汇的角色。然而，气候变化正给这片广袤的森林带来前所未有的挑战。气温上升虽然可能通过延长生长季来提升森林生产力，但也增加了蒸发需求，导致持续的土壤水分亏缺和干旱胁迫加剧。与此同时，更温暖干燥的条件延长了火灾季节并加剧了火强度，驱动了更频繁和强烈的野火发生。干旱和野火这两大干扰因子并非孤立存在，而是通过复杂的协同作用影响着寒温带针叶林的碳循环过程。
干旱通过影响树木生理过程，如降低光合作用和水分运输，增加由水力衰竭和木质部栓塞引起的死亡风险，从而导致枯立木和凋落物积累，提高了燃料负荷和野火的频率与强度。而野火则会释放大量碳脉冲，阻碍森林更新，延迟寒温带针叶林的恢复，形成一个放大干旱、死亡率、燃料负荷和火强度的反馈循环。尽管对这些相互作用的认识日益增强，但少有研究量化它们在气候变化条件下对碳循环的综合影响，这限制了我们评估寒温带针叶林碳汇稳定性及制定有效森林管理策略的能力。
针对这一研究空白，来自江西农业大学等单位的研究团队在《Trees, Forests and People》上发表了一项重要研究，开发了一个模型耦合框架，整合了物种特异性干旱敏感性、野火动态和森林演替，以模拟21世纪中国东北寒温带针叶林的碳动态。
研究人员主要运用了多模型耦合技术、野外调查与叶片性状分析、以及时空统计分析等关键技术方法。他们整合了LINKAGES 3.0（模拟物种特异性干旱响应和林分动态）、LANDIS PRO（模拟景观尺度森林演替和碳动态）和空间点过程（SPP）模型（基于历史火灾记录预测火灾发生概率），构建了一个双向反馈的模型框架。研究团队在大兴安岭地区设置了215个样方进行野外调查，测量了树木参数和燃料负荷，并采集了成熟叶片分析叶片δ13C和非结构性碳水化合物（NSC）。此外，他们还利用历史气候数据和多套CMIP6气候情景，结合部分最小二乘路径模型（PLS-PM）等统计方法，量化了气候、植被、燃料和野火对碳预算的直接和间接影响。
3.1. 干旱驱动的树木死亡率、物种组成、林龄和碳固存变化
通过模拟分析，研究发现中国东北寒温带针叶林的树木死亡率随着气候持续变暖和干旱频率及强度的增加而显著上升。在干旱-野火情景下，死亡率从2010年的约5%上升到本世纪中叶高排放ssp5-8.5情景下的近25%，是仅考虑野火情况下的两到三倍。这种复合胁迫驱动了物种组成的转变：兴安落叶松的比例从约52%增加到67%，而干旱敏感的白桦和山杨分别下降了50%和75%以上。平均林龄随时间推移而增加，但在干旱-野火情景下仍比仅考虑野火的情况低约20年，表明演替进程延迟。
碳固存表现出非线性响应，在2030至2050年间达到峰值后，随着干旱和野火加剧而下降。干旱-野火情景下的碳固存水平始终较低，到本世纪末降至0.027 Gt C yr?1，比仅考虑野火的情况低约12%，且下降开始时间提前5-10年。森林抵消中国年平均化石燃料和工业碳排放（1.51 Gt C yr?1）的能力，在干旱-野火情景下的下降速度是仅考虑野火情况下的近三倍。
3.2. 干旱放大野火活动和碳排放
从2010年到2100年，研究区域的过火面积在历史气候条件和低排放情景下（ssp1-2.6和ssp2-4.5）最初呈现下降趋势，这可能反映了火灾管理和扑救政策的短期有效性。然而，随着本世纪变暖加剧，过火面积显著增加，尤其是在ssp5-8.5情景下。在干旱-野火情景下，年过火面积到本世纪末峰值超过4000平方公里，是历史平均水平的三倍，显著超过仅考虑野火的情景。相对于中国长期平均过火面积，干旱-野火条件下的过火面积比例呈现显著上升趋势，到2100年达到近30%，表明相对于中国历史水平，中国东北寒温带针叶林的火灾活动显著升级。
火强度也随着气候变暖和干旱胁迫增加而加剧。在ssp5-8.5情景下，干旱-野火相互作用导致高强度火灾占总过火面积的70%以上，显著高于仅考虑野火情景的约60%。模拟的高强度过火面积接近1987年极端火灾事件观察到的水平，表明在未来高排放条件下，复合干旱和树木死亡率可能极大地放大研究区域发生灾难性野火的风险。
干旱和野火预计将显著减少未来变暖情况下寒温带针叶林的碳储存，最明显的影响发生在高排放情景下。野火引起的碳排放显著增加，复合干旱-野火排放到2100年达到约0.075 Gt C yr?1，大约是历史水平的四倍，是仅考虑野火情况下的近两倍。碳预算分析进一步表明森林碳汇能力显著减弱，复合干旱-野火情景下抵消中国化石燃料和工业碳排放的能力加速下降。
3.3. 干旱-野火协同作用改变碳平衡并放大碳预算不确定性
在仅考虑野火的情景下，中国东北的寒温带针叶林作为短暂的碳汇，净碳吸收在2030s至2050s达到峰值，约为-0.015 ± 0.010 Gt C yr?1。这一峰值是由变暖促进的生长、植被恢复和有效的火灾管理驱动的。然而，随着野火频率和强度的增加，碳汇逐渐减弱，预计系统在2080s转变为净碳源。在干旱-野火情景下，这种转变发生得更早且持续时间更长，尤其是在高排放情景下。相对于中国历史工业排放的区域碳预算下降速率从每年0.0017个百分点加速到0.0046个百分点。同时，年际变异性显著增加，95%置信区间扩大了23%-57%，表明森林碳动态的不确定性显著上升。
干旱和野火之间的协同作用也延长了碳恢复时间，即地上生物量恢复到干扰前水平80%所需的时间在所有气候情景下均显著延长。干旱-野火情景下的恢复时间平均比仅考虑野火情景长十年以上，尤其是在高排放路径下。这种延迟恢复进一步削弱了森林恢复力，降低了寒温带针叶林的长期碳固存潜力。这些发现强调，干旱-野火相互作用不仅减少森林碳吸收并加速排放，而且显著增加了寒温带针叶林碳平衡的不确定性。
3.4. 气候、植被和燃料介导野火对寒温带针叶林碳预算的影响
通过部分最小二乘路径模型（PLS-PM）分析，揭示了气候、植被、燃料和野火对中国东北寒温带针叶林碳预算的耦合影响。气候是野火最强的直接正向驱动因子，同时对燃料积累产生显著的负向影响。燃料对野火发生有正向影响，但对碳预算有负向影响。野火对寒温带针叶林碳预算的直接负向影响最大，表明高强度火灾可以使森林从碳汇转变为碳源。植被通过其对野火的正向影响间接降低碳预算。
研究结论与讨论部分强调，这项研究通过耦合LANDIS PRO、SPP和LINKAGES模型，模拟了21世纪中国东北寒温带针叶林的碳动态。结果表明，增加的干旱频率和强度显著提高了树木死亡率和燃料积累，从而放大了野火的发生和强度。这种协同作用缩短了碳汇阶段，导致21世纪中后期反复出现净碳源条件，显著抵消了气候变暖和植被恢复带来的碳增益，并显著增加了碳预算预测的不确定性。
干旱驱动的树木死亡率也导致粗木质残体的积累，形成持久的高能量燃料床，促进了地表火向树冠火的转变并增加了树冠火强度。干旱条件下燃料水分的减少和挥发性化合物的增加进一步放大了火行为，延长了火灾持续时间，并提高了灾难性野火的可能性。传统的火灾扑救在干旱频率上升的情况下是不够的，需要主动的燃料管理策略。
数十年的密集采伐和反复的野火在中国东北的寒温带针叶林中留下了持久的遗留影响，减缓了生物量积累和林分恢复。尽管变暖和火灾扑救暂时增加了生长季长度并减少了火灾频率，产生了短期的碳增益，但模拟表明，干旱和野火的协同效应超过了这些益处，使森林间歇性地转变为净碳源。干旱驱动的树木死亡率和由此产生的粗木质残体积累创造了持久的高能量燃料床，显著增加了高强度火灾的频率和强度，从生物量和土壤中释放出大量的碳脉冲。这种反馈缩短了森林碳汇的持续时间，延长了植被恢复，并加剧了林龄结构的波动， effectively doubling interannual variability in carbon balance and increasing uncertainty in future carbon budget predictions.
尽管这项研究结合野外观测和耦合模型评估了干旱-野火相互作用对寒温带针叶林碳平衡的影响，但仍存在一些局限性。模型耦合框架未能充分体现季节性冻土融化和融雪补给，限制了准确表示土壤水分和火灾风险。次要干扰如病虫害和风倒，可能与干旱和火灾非线性相互作用加剧树木死亡率和燃料积累，但未被纳入考虑。该研究假设CO?施肥效应在整个21世纪持续，没有明确表示在 atmospheric CO?浓度升高情况下可能出现的饱和或反馈约束。这种简化可能会在估算植被干旱耐受性和碳吸收能力时引入不确定性。土地利用变化和不断演变的火灾政策也未予考虑。
未来研究应通过整合土壤-植被水分动态、光合作用、生物量、燃料负荷和火蔓延来增强耦合模型，并结合多源遥感和野外数据进行校准。优先事项包括结合SIF（太阳诱导荧光）、VOD（植被光学深度）、SAR（合成孔径雷达）、热红外、土壤水分、气孔导度和液流数据来捕捉融雪-冻土-干旱相互作用；通过碳通量观测和干旱-火灾实验量化水力衰竭阈值、树木死亡率和燃料反馈；将参数化的水力衰竭和恢复模块嵌入到过程模型中；以及通过机器学习和大数据纳入土地利用和火灾管理。这些改进将加强碳汇-碳源转变的预测，并制定适应性森林管理策略。
总之，通过耦合树木死亡率、燃料积累和火蔓延机制来模拟寒温带针叶林的碳动态，这项研究的结果表明，在变暖气候下，干旱和野火的联合作用可以抵消生长季延长和严格火灾扑救政策带来的碳汇增益。干旱和野火的联合效应显著增加了碳的年际变异性，并提高了寒温带针叶林从净碳汇转变为碳源的风险。随着全球极端干旱和特大火灾频率的增加，这些结果凸显了将干旱-野火协同作用纳入碳循环模型的必要性。
为增强寒温带针叶林恢复力和支持碳中和，森林管理应采取综合策略。在干旱-野火高风险区，应优先引入耐旱和耐火物种与本地优势种相结合，以增强极端气候条件下林分结构稳定性。这些区域的主动燃料管理应包括定期清除枯立木和地表凋落物，并结合在合适地点进行计划烧除，以中断死亡率-燃料-火灾反馈循环，降低灾难性野火的可能性。此外，建议将干旱-野火风险系数纳入区域碳预算评估和碳交易框架，并为高风险年份提供临时补偿或保险机制，以减少碳平衡的不确定性。
