《Science of The Total Environment》：Trends in fire characteristics in the partially vegetated dunes of the southwest Kalahari Desert
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本研究利用MODIS烧面积产品和土壤调整总植被指数（SATVI），分析了2000-2023年南非卡拉哈里沙漠西南部半植被线性沙丘的火灾时空特征及植被恢复情况，发现土地管理显著影响火灾频率、大小和持续时间，且植被能在约两年内恢复至原有水平。
Rosemary A. Huck | Giles F.S. Wiggs | David S.G. Thomas
牛津大学地理与环境学院，South Parks Rd，牛津，OX1 3QY，大不列颠及北爱尔兰联合王国
摘要
火灾常被视为一种主要的干扰因素，它会导致植被覆盖的移除，从而增加风成沙丘上的风蚀活动。本研究调查了火灾作为干扰因素在卡拉哈里西南部部分植被覆盖的线性沙丘中的空间和时间维度。由于该地区的干旱以及与温带地区火灾的接近性，它在大陆和全球火灾面积研究中经常被忽略。我们使用MODIS火灾面积产品创建了2000年至2023年的火灾面积清单，以识别火灾范围和发生频率的趋势。此外，还利用MODIS衍生的土壤调整总植被指数（SATVI）来计算火灾后的植被恢复情况。在24年的研究期间，卡拉哈里西南部的沙丘区域有13,310平方公里被烧毁，占总面积的11.1%。土地管理方式对火灾的频率（p < 0.001）和规模（p < 0.001）有显著影响，私人拥有的土地上发生的火灾更多，但卡加拉加迪国家公园内的火灾规模更大。土地管理方式也显著影响了火灾持续时间（p < 0.001），国家公园内的火灾持续时间更长。火灾后的植被恢复迅速，在火灾发生约两年内植被覆盖率即可恢复到控制水平。本研究强调了火灾的空间和时间干扰效应受到研究区域土地管理的限制，以及火灾后植被的快速恢复。
引言
在沙漠沙丘环境中，风成过程主导着沉积物的分布，是生物地球化学循环和地貌模式的基本因素（Okin等人，2006年）。沙丘上的植被可以通过物理遮挡或固定沉积物来降低风蚀能力，同时通过增加空气动力粗糙度来降低风的侵蚀性（Leenders等人，2007年；Wiggs等人，1995年）。此外，生物土壤结皮（biocrusts）在稳定沙丘表面和减少沙子移动方面也起着重要作用（Levin等人，2012年；Thomas和Dougill，2007年）。根据植被覆盖情况，可以划分不同类型的沙丘表面活动：‘活跃’的沙丘通常表面裸露或植被密度低，风蚀程度高；‘固定’或‘不活跃’的沙丘植被密度较高，被认为较为稳定，风蚀程度较低（Bhattachan等人，2014年）。
干扰事件是指导致系统某个组成部分发生扰动的事件（Rykiel，1985年），在植被覆盖的沙丘中，干扰因素包括干旱、放牧或火灾等。Wiggs等人（1995年）发现卡拉哈里西南部植被覆盖率与表面活动之间存在非线性关系，当沙丘顶部和侧面的植被覆盖率降至14%以下时，表面活动显著增加。虽然不存在一个简单的植被覆盖阈值，低于该阈值表面活动就会开始（因为在高风压下即使植被覆盖率高也能发生搬运作用），但14%的植被覆盖率是一个有用的指标，用于描述沙丘尺度上的表面活动（Wiggs等人，1995年）。一旦植被受到超过临界阈值的干扰，正反馈机制可能会使原本稳定的系统进入另一种稳定状态（例如，从不活跃变为活跃状态；Bhattachan等人，2014年）。植被覆盖的沙丘或部分植被覆盖的沙丘系统是许多干旱地区的显著特征，火灾被认为是导致植被破坏和风蚀增加的重要因素（Miller等人，2012年；Wasson和Nanninga，1986年）。
一旦沙表面被激活，沙粒的撞击会对植被造成机械损伤，增加植被死亡率并限制植物的再生（Strong等人，2010年）。沙丘可能会变得更高更陡峭（Hesse和Simpson，2006年），表面可能成为活跃的尘源（Sweeney等人，2023年），这对当地空气质量及人类健康可能产生不利影响（Goudie，2014年）。植被的燃烧会释放之前被固定的沉积物，并改变气流，从而增加风的侵蚀力（Okin等人，2009年）。此外，火灾还会通过使土壤变得疏水来改变表面的可侵蚀性（Ravi等人，2009年）。风蚀活动的增强持续时间与植被重新覆盖烧毁区域所需的时间有关。在卡拉哈里和辛普森沙漠的线性沙丘系统中，恢复时间分别约为五年和六年（Strong等人，2010年；Wiggs等人，1994年），但有些估计认为恢复时间可长达25至30年（Levin等人，2012年）。因此，定义植被扰动在空间和时间上的规模有助于更好地量化其对景观的影响。
气候波动和天气是影响火灾活动的重要因素（Pricope和Binford，2012年）。要发生大规模火灾，需要积累足够的生物量、有利于燃烧的大气条件（例如干燥和多风的天气）以及点火事件（Moritz等人，2012年）。在短期内，降水可以限制火灾的点火和范围；而在较长时间内，气候波动可能导致雨季生物量的积累，从而在干燥时期增加可燃物的积累（Pricope和Binford，2012年）。
在植被覆盖的线性沙丘系统中，漫长的旱季（主要是草地生态系统）加上干旱的环境，使得表面容易发生火灾。此外，火灾的发生、范围和严重程度受到自然和人为因素的共同影响。例如，火灾可能由自然原因（如闪电）和人为原因（如烟头、车辆火花）引发，在干燥和多风的条件下，火灾会迅速蔓延。
几十年来，绘制火灾面积和量化火灾对环境的影响一直是跨学科研究的重点（Barbosa等人，1999年；Giglio等人，2018年）。这些研究通常在全球到大陆尺度上进行，图表中的火灾面积表示通常突出了森林较多或温带地区的火灾强度（例如Andela和Van Der Werf，2014年；Khairoun等人，2024年），或在短时间尺度上（例如Chuvieco等人，2022年）。由于这些尺度选择，一些干旱地区经常被忽略为火灾高发区（Andela和Van Der Werf，2014年；Jones等人，2022年）。
越来越多的研究关注干旱环境中的火灾后风蚀现象（例如Huck等人，2025年；Sankey等人，2012年）。研究还探讨了影响植被覆盖沙丘的干扰因素，包括干旱加剧（Thomas等人，2005年）和放牧压力（Bhattachan等人，2014年）。火灾常被认为是导致沙丘风蚀增加的主要干扰因素（例如Hugenholtz和Wolfe，2005年）。迄今为止，对于火灾作为植被覆盖沙丘干扰因素的规模评估还很少。在这里，我们旨在调查火灾在卡拉哈里西南部部分植被覆盖沙丘中的干扰程度。通过创建2000年至2023年的火灾清单，我们实现了这一目标，以识别火灾范围和发生频率的趋势。
研究区域
卡拉哈里西南部的沙丘区域（图1）覆盖面积约为120,200平方公里，主要由线性沙丘组成，这些沙丘分布在纳米比亚东部的卡拉哈里沙海、南非北开普省以及博茨瓦纳西南部，向东逐渐过渡为类似新月形沙丘的景观（Bullard等人，1995年）。研究区域中最常见的沙丘类型是植被覆盖的线性沙丘，主要呈西北-东南方向延伸（Bullard等人，1995年）。
如今，该区域的大部分...
火灾面积
MODIS火灾面积（BA）产品（MCD64A1版本6.1；Giglio等人，2018年）是一种常用的火灾面积检测工具（例如Jones等人，2022年；Roy等人，2008年）。该产品通过全球范围内每天500米分辨率的表面反射率快速变化来估计每日火灾面积（Giglio等人，2018年）。MODIS BA工具对于全球火灾趋势研究非常有用（例如Jones等人，2022年；Van Der Werf等人，2010年），有助于构建火灾分布图。
火灾的空间趋势
在24年的研究期间，卡拉哈里西南部的沙丘区域有13,310平方公里被烧毁，占总面积的11.1%。如果包括在研究期间多次被烧毁的土地，那么在417天内共发生了16,125平方公里的火灾，分布在240次独立的火灾事件中。图3显示了火灾在线性沙丘上的高度集中分布。只有少数网格单元内只发生了一次火灾；如果在某个网格单元内检测到火灾，那么66%的情况下，火灾会持续超过一天或...
讨论
本研究使用MODIS火灾面积产品，对常被忽视的景观——卡拉哈里西南部植被覆盖的线性沙丘上的火灾进行了统计。以往研究中的尺度选择导致这一区域在全球和大陆尺度的火灾易发生态系统研究中被忽略（Archibald等人，2009年；Ramo等人，2021年；Roy等人，2008年）。例如，Andela和Van Der Werf（2014年）排除了年平均降水量低于400毫米的地区...
结论
我们的目标是通过创建2000年至2023年的火灾面积清单并量化火灾后的植被恢复情况，来确定火灾作为植被覆盖沙丘干扰事件的规模。总体而言，除了三年外，每年都会发生火灾，并且火灾会烧毁大量植被覆盖的区域，但这些烧毁区域通常局限于卡加拉加迪跨国公园和北部较湿润的地区。我们发现火灾次数和持续时间在不同地区之间存在显著差异...
CRediT作者贡献声明
Rosemary A. Huck：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。Giles F.S. Wiggs：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。David S.G. Thomas：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢NASA和MODIS团队，以及EUMETSAT和NOAA团队使数据能够公开获取。
