《Science of The Total Environment》：Overriding influence of climate on future carbon stocks in Australian temperate forests
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本研究针对气候变化背景下火易发景观中森林碳储量的稳定性问题，通过耦合FROST与LANDIS-II模型，模拟了未来78年澳大利亚东吉普斯兰地区以耐火桉树林为主的景观碳储量轨迹。结果表明，气候变暖叠加干旱将通过加剧火情和降低森林生产力，导致碳储量显著减少（最高可达50%），凸显了减缓气候变化与调控火干扰对维系温带森林碳汇功能的重要性。
在全球气候变化的大背景下，森林作为重要的陆地碳汇，其碳储量的稳定性正面临着前所未有的挑战。特别是在火易发景观中，气候变暖、干旱加剧与火干扰之间的复杂相互作用，使得预测未来森林碳储量的轨迹变得异常困难。以往的研究多集中于火敏感型森林，而对于那些被认为具有较强火后恢复能力的耐火桉树林，其在未来气候变化下的碳储量命运如何，尚缺乏系统性的景观尺度评估。这一问题对于像澳大利亚东南部这样以耐火桉树林为主的地区至关重要，因为这些森林储存了该地区大量的碳，其碳储量的变化将对区域乃至全球的碳循环产生深远影响。
为了厘清气候、火和植被动态对森林碳储量的相对影响，一项发表在《Science of The Total Environment》上的研究，创新性地将随机火情模拟工具（FROST）与植被动态模型（LANDIS-II）耦合，构建了一个独特的空间显式模拟框架。研究团队以澳大利亚维多利亚州东吉普斯兰地区约60万公顷的景观为案例，模拟了从2020年到2098年共78年的森林动态。他们设计了16种不同的模拟情景，这些情景是4种未来气候预测（基于NARCLiM1.5项目，RCP8.5排放路径，区分暖湿和暖干等不同条件）、2种野火水平（通过改变灭火资源模拟“较少”和“较多”野火发生）以及2种树木耐火性水平（“常规”和“低”耐受性）的因子组合。通过50次重复模拟，共计分析了62,400个模拟年份的数据，旨在回答两个核心问题：耐火桉树林在未来几十年气候和火情变化下的潜在碳储量轨迹范围是多少？以及气候、火、植被这三种变化机制中，哪种对碳储量轨迹的影响最大？
研究的关键技术方法主要包括：1）利用NARCLiM1.5气候模型提供未来气候数据流，驱动FROST和LANDIS-II；2）应用FROST模型模拟未来的火情（包括火发生、蔓延和强度）；3）应用LANDIS-II模型模拟植被动态（包括树木生长、死亡、更新）和碳储量变化；4）通过自定义的扩展模块实现FROST与LANDIS-II的年度数据交换，动态整合火干扰对植被的影响；5）利用TACA（树木与气候评估）模型生成依赖于气候的森林生长和更新参数。研究区域涵盖了低海拔混交林（LEMS）、高海拔混交林（HEMS）以及混有高山桉（耐火性差）的高海拔混交林（Ash-HEMS）等主要森林类型。
3. 结果
模拟结果显示，到2098年，所有情景下的平均总碳储量（地上活体与死体碳之和）预计将减少15%，但不同情景间差异显著。最佳情景（暖湿气候、较少野火、常规树木耐火性）下，碳储量到2098年可能增加16.4%；而最差情景（暖干气候、较多野火、低树木耐火性）下，碳储量可能暴跌50.3%。方差分析表明，气候预测是对碳储量轨迹影响最显著的因素，其效应远超野火水平和树木耐火性。例如，与最暖湿气候相比，最暖干气候导致碳储量到2098年减少约48%。碳储量的变化主要反映了活体碳的变化，而死体碳库相对稳定，表明树木死亡带来的碳输入与分解和燃烧造成的碳输出大致平衡。暖干气候主要通过加剧火情（导致更频繁、更强烈的大火，高强度火间隔期可短至7-10年）和直接降低森林生产力（如年降雨量减少310毫米）双重途径导致碳储量大幅下降。虽然增加野火频率和降低树木耐火性也会对碳储量产生显著的负面影响，但其影响程度远小于气候的主导作用。
4. 讨论
4.1. 优先机制对未来碳储量的影响
该研究首次在景观尺度上揭示了气候变暖叠加干旱是威胁澳大利亚温带耐火桉树林碳储量的最关键因素。暖干气候不仅通过助长更频繁、更严重的野火直接造成碳损失，还通过降低水分可用性直接抑制树木生长和更新，削弱森林的碳吸收能力。相比之下，单纯的火情加剧或树木死亡率小幅增加，在气候条件尚可的情况下，对景观尺度碳储量的整体冲击相对有限。然而，在最坏的情况下，气候与火的负面效应叠加，可能导致碳储量减半，并可能引发森林向灌丛地等低碳储量的生态系统状态转变，这对森林的多种生态服务功能（如生物多样性保护、水源涵养）也构成严重威胁。
4.2. 研究局限性
研究也存在一些局限性。模拟采用了RCP8.5高排放情景，未来可纳入RCP4.5情景以提供更全面的预测。空间分辨率（180米）可能无法完全捕捉实际火情的细微空间格局（如潮湿沟谷作为火避难所）。燃料动态模拟未完全与LANDIS-II中的林分生长动态耦合。对于短间隔火后耐火桉树林的恢复力，特别是土壤反馈对生产力的影响，以及树木死亡率对多次火干扰和干旱的复杂响应，模型的参数化仍有待完善。
4.3. 管理启示
研究成果具有明确的管理启示。首要的是通过减排减缓气候变化，这是保障森林碳汇功能的根本。其次，在无法有效遏制气候变暖的情况下，积极管理火干扰至关重要。模拟表明，即使基础的灭火资源投入也能显著减少高强度火的蔓延面积。因此，优化灭火策略（如早期探测、资源部署）并结合计划烧除、营造防火带等燃料管理措施，特别是优先保护高碳密度林分和近期过火林分，有助于延长碳储量恢复时间。此外，监测火后树木死亡和更新状况，并在必要时采取人工促进更新（如补植补播）等措施，也是维持森林碳储量的潜在途径。
5. 结论
综上所述，这项研究通过先进的模型模拟明确指出，气候变暖与干旱相结合是未来温带耐火森林碳稳定性的最大威胁。即使是以恢复能力强著称的桉树林，也难以抵挡这种协同负面影响。确保有效的全球气候变化减缓行动是保护这些重要碳库的基石。若无此保障，则必须依赖适应性管理策略，即通过限制严重野火的范围和频率、并尽量减少野火和其他干扰造成的树木死亡率，来维系森林的碳储存功能。这项研究为理解和管理气候变化下火易发景观的碳动态提供了重要的科学依据。
