《Journal of Environmental Management》：The effect of fire regimes on above-ground biomass change in
Baikiaea-dominated woodlands of the Chobe region, northern Botswana, 1991 – 2023
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在乔贝地区（Chobe region）的Baikiaea优势林地中，尽管大象密度较高，胸高断面积（Basal Area, BA）仍呈增加趋势。火情制度（fire regime）对木本生物量积累具有强烈影响。管理旱季晚期（late dry-season）火灾对于
在乔贝地区（Chobe region）的Baikiaea优势林地中，尽管大象密度较高，胸高断面积（Basal Area, BA）仍呈增加趋势。火情制度（fire regime）对木本生物量积累具有强烈影响。管理旱季晚期（late dry-season）火灾对于维持木本生物量至关重要。永久样地（Permanent Sample Plots, PSP）提供了关键的长时序基线数据。稀树草原燃烧方法可产生就业机会和碳市场效益。
一、研究背景与问题
稀树草原（savanna）生态系统中，火灾是驱动植被结构与地上生物量（Above-Ground Biomass, AGB）动态的核心生态因子。准确评估火灾对AGB的影响，对于碳汇核算、气候变化减缓及基于市场的碳交易机制具有直接意义。然而，传统基于异速生长方程（allometric equations）的生物量估算存在显著不确定性，不同模型在同一胸径（DBH）条件下可产生差异极大的生物量结果。这一不确定性限制了区域尺度上碳储量和碳动态评估的可靠性。
博茨瓦纳北部乔贝地区以耐旱、生长缓慢且对火敏感的硬木树种Baikiaea plurijuga（赞比西柚木）为优势的林地，长期面临频繁且剧烈的旱季晚期（Late Dry Season, LDS）火灾。该区域年均降雨量约600 mm，属半干旱气候，火灾平均回返周期仅2.5年，且92%的过火面积发生在严重火险天气条件下。与此同时，该地区拥有全球最大的非洲象（Loxodonta africana）种群，数量约131,000头。大象、火灾、气候变化及人为活动被共同视为该区域林地的主要威胁。
自1930年代起，乔贝地区便存在对失控火灾的担忧。20世纪30年代中期至90年代中期，该区域经历了大规模商业木材采伐，导致部分林地由密林转变为更开阔的结构。为应对过度利用和景观退化，博茨瓦纳政府与挪威林业研究所（NFI）合作，在乔贝区六个森林保护区建立了242个永久样地（PSP）。此前的研究表明，采伐后林地可通过萌蘖更新恢复，但反复且失控的火灾可能抵消恢复成效。基于此，本研究利用1991年和2023年两期可靠的PSP数据、年度旱季早期（EDS）和旱季晚期（LDS）火灾制图（1991–2023）以及大象影响的观测记录，系统评估火情制度对AGB变化的作用。
二、研究目的与意义
本研究旨在：（a）评估当代火情制度作为区域Baikiaea林地AGB变化关键驱动因子的作用；（b）检验遥感植被指数（Vegetation Indices, VIs）在模拟当代火情制度对土地覆盖变化影响中的适用性；（c）评估通过激励性（市场化）强化火灾管理实现木本生物量碳汇的区域潜力。该研究对于理解稀树草原生态系统火灾-植被相互作用、指导火灾管理策略以及开发碳融资机制具有重要科学和实践意义。
三、主要技术方法
研究人员利用1991年由挪威林业学会建立的92个永久样地（PSP，半径30 m）中的86个有效样地，分别于1991年和2023年记录所有DBH≥20 cm的树干（内层8 m半径样地记录DBH≥5 cm），计算胸高断面积（BA）作为AGB的可靠替代指标。火灾频率指数（Fire Frequency Index, FFI）基于1991–2023年MODIS CCI 250 m和Landsat 30 m年度火灾制图生成。研究人员采用配对t检验、线性回归、对数响应比（Log Response Ratio, LRR）及单因素方差分析（ANOVA）评估BA变化与FFI的关系。景观尺度上，研究人员利用Google Earth Engine（GEE）从2023年3月Landsat影像中提取NDVI、EVI、SAVI和GNDVI四种植被指数，通过3×3像元窗口邻域平均法提取样地对应值，以线性回归建立NDVI-BA关系并生成预测BA分布图。样本来自博茨瓦纳乔贝森林保护区（CFR，156,000 ha）和卡萨内森林保护区及扩展区（KFR&E，80,400 ha）。
四、研究结果
4.1 样地尺度
配对t检验显示，样地BA从1991年的3.73±0.29 m2/ha显著增加至2023年的5.63±0.43 m2/ha（t??=4.56，p<0.001），增幅约60%。绝对BA变化（ΔBA）与FFI呈显著负相关（R2=0.274，p<0.001），对数响应比亦显示每增加一个单位FFI，BA相对下降约6.4%（95% CI：?8.8%至?3.8%）。
4.1.1 BA随火灾频率类别的变化
将火灾频率分为低（0–2次，23个样地）、中（3–6次，36个样地）、高（>6次，27个样地）三类后，ANOVA显示三类间ΔBA存在显著差异（F(2,80)=11.72，p<0.001）。低、中频样地分别呈现正增长（3.51±1.40 m2/ha和3.03±1.20 m2/ha），而高频样地出现净下降（?0.98±1.27 m2/ha）。Tukey HSD事后检验表明高频类显著区别于低、中频类（p<0.001），而低、中频类间无显著差异（p=0.85）。
4.2 景观尺度
4.2.1 基于植被指数的BA估算
四种植被指数中，2023年3月NDVI与实测BA的相关性最佳。NDVI-March与2023年BA及冠层盖度（Canopy Cover, CC）均呈显著相关，表明该指数能有效反映木本生物量组分。然而，1991年各植被指数与样地BA均无显著关系，无法实现两期景观尺度BA变化的对比。预测BA分布图显示，KFR&E中81%的样地位于高频火灾类别，而CFR中仅7%的样地属于高频类别，反映两保护区截然不同的火灾频率格局。
五、讨论与结论
讨论总结
研究人员将BA总体增加归因于1990年代中期采伐停止后的植被恢复，且这一增长发生在快速扩张的大象种群背景下。先前评估表明大象分布与火灾或BA无明显关系，这归因于区域优势种Baikiaea plurijuga等树种的叶片对象不可口，因而受大象结构损害有限。尽管BA总体增加，频繁且剧烈的LDS火灾对BA和AGB产生显著负面影响，而频率低于每七年一次（<0.15次/年）的LDS火灾通常有利于AGB积累。CFR与KFR&E间火灾频率的显著差异反映了历史采伐强度、可燃性条件及人为火源接近度的不同。NDVI在2023年表现最佳，3月影像选择有效避免了烟雾、火烧迹地、草本峰值及落叶期干扰。研究人员指出，多种异速生长模型适用于miombo系统但均未经本地校准，不同模型估算结果差异显著（如Basalumi等估算均值<20 t/ha，而David等估算为51 t/ha）。未来LiDAR等新兴技术有望显著提升稀树草原景观尺度AGB评估的可靠性和精度。
结论翻译
本研究基于1991年和2023年两期86个永久样地的数据，揭示了乔贝地区Baikiaea优势林地胸高断面积总体增加60%，表明采伐停止后植被恢复成效显著，且这一增长发生在高密度大象种群背景下。然而，火情制度对AGB积累具有决定性影响：高频（>6次/33年）且剧烈的旱季晚期火灾显著抑制甚至逆转BA增长，而低频火灾（<0.15次/年）有利于生物量积累。研究证实了NDVI-March在稀树草原景观尺度上估算BA的适用性，但历史影像的局限性制约了长期景观变化的重建。研究结果强调，管理旱季晚期火灾是维持区域木本生物量和碳汇功能的关键，基于市场激励的稀树草原燃烧管理方法（savanna burning methodology）具有产生就业机会和碳市场效益的潜力，为区域可持续火灾管理和碳融资机制提供了科学依据。
