地中海森林火烧后恢复的短期与长期驱动因子：基于随机森林与Landsat时间序列的量化研究

《Ecological Informatics》：Short- and long-term drivers of post-fire forest recovery in Mediterranean forests

　　

专业术语翻译（论文摘要） 量化火烧后恢复对于理解森林响应、演替格局和生态影响至关重要，可为森林管理规划提供信息。火烧后森林恢复是一个受众多相互作用因子（通常称为“驱动因子”，如气候、地形和生态因子）影响的复杂过程，这些因子随时间而变化。本研究量化了西班牙加泰罗尼亚、纳瓦拉和瓦伦西亚三个地中海区域中，环境因子对火烧后森林恢复影响的短期（5年）与长期（20年）时间差异。利用连续变化检测与分类（CCDC）算法，基于归一化燃烧指数（NBR）时间序列，对1986至2000年间发生的290起森林火灾的13,043个像元进行了火烧后恢复速率（Rate5和Rate20）的评估。研究采用随机森林（RF）回归模型，按火烧严重度分层和不分层两种方式，量化了气候、地形及火烧前森林状况等驱动因子对恢复速率的相对重要性。研究发现，短期与长期恢复的驱动因子存在差异。海拔和6个月累积尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI6）是短期和长期恢复中最重要的驱动因子。在低严重度火烧后短期内，树种对恢复速率有显著影响。火烧严重度本身对恢复速率具有调节作用，高严重度火烧后恢复速率更快。长期恢复速率高于短期，且各驱动因子在长期模型中解释的变异比例更大。研究结果强调了在火烧后管理决策中考虑时间尺度依赖性的必要性，表明在短期恢复阶段生物遗留（如树种）占主导，而长期恢复则更多受场地环境约束（如海拔和水分亏缺）控制。

论文解读文章

一、研究背景与问题

量化火烧后森林恢复对于理解森林响应机制、演替格局及生态影响至关重要，是制定森林管理规划的科学基础。火烧后恢复是一个受气候、地形和生态等多种因子共同作用的复杂过程，且这些因子的相对重要性可能随时间发生变化。短期监测（火烧后数年内）能够揭示植被的初期响应以及促进脆弱区域再生的管理措施的有效性；而长期监测则对评估整体恢复轨迹、判断是否需要追加管理干预不可或缺。

然而，已有研究结果存在明显的不一致性。例如，火烧严重度对恢复的影响在不同森林类型和恢复阶段表现出正负两种关系；降水通常促进恢复，但温度的影响则更为复杂；地形因子（如坡向）的相对重要性往往次于其他驱动因子。这些不一致可能源于火烧特征和严重度定义的不同，更关键的是，大多数研究仅聚焦于短期监测，对驱动因子在长期恢复轨迹中的变化知之甚少。气候控制因子（如即时水分可用性）可能在早期恢复中占主导，而累积水分亏缺或火烧初始损伤可能在后期更具影响力。在地中海盆地，干旱加剧和火情格局改变正威胁生态系统稳定性，识别这些时间依赖性驱动因子对于循证的火烧后管理至关重要。

二、研究目标与意义

本研究旨在量化环境因子对火烧后森林恢复影响的短期与长期时间差异，检验驱动因子相对重要性随演替阶段变化的假设。研究在西班牙加泰罗尼亚、纳瓦拉和瓦伦西亚三个地中海区域开展，覆盖了290起1986至2000年间发生的森林火灾，最终样本包含13,043个火烧像元（约1174公顷）。通过按火烧严重度分层分析，评估生物、气候和地形变量在不同时间尺度上的重要性变化。该研究的核心意义在于：为火烧后管理决策提供时间尺度依赖性的科学依据，明确短期恢复阶段生物遗留的主导作用与长期恢复阶段环境约束的主导作用。

三、主要技术方法

研究人员利用Landsat Collection 2 Level-2地表反射率影像（1984至2020年，共13,495景），在Google Earth Engine平台上采用连续变化检测与分类（CCDC）算法对归一化燃烧指数（NBR）时间序列进行拟合，识别火烧事件并提取火烧幅度（作为火烧严重度指标）和火烧前NBR值。恢复速率定义为火烧后第5年和第20年年度最大NBR与火烧后首个年度最大NBR之差除以对应年数。气候驱动因子来自ERA5再分析数据，包括生长季（5至10月）的累积降水、平均日最低温度和6个月累积尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI6）；地形因子（海拔、坡度、坡向余弦变换）来自ASTER GDEM；树种和火烧前森林状况来自西班牙国家森林地图。研究采用随机森林（RF）回归模型，按火烧严重度四类分层（低、中低、中高、高）和不分层两种策略建模，通过排列重要性评估驱动因子贡献，并辅以偏依赖分析揭示驱动因子的作用方向和形状。

四、研究结果

4.1 恢复速率的驱动因子

恢复速率在短期和长期均值相近（短期0.007±0.004，长期0.008±0.004），但短期恢复速率值域更宽。相关性分析显示，恢复速率与各驱动因子的线性相关总体较弱，其中海拔与恢复速率的相关性最强（短期r=0.14，长期r=0.28），最低温度次之（短期r=?0.10，长期r=?0.23）。长期分析中各驱动因子与恢复速率的相关系数普遍高于短期，表明长期模型中驱动因子对恢复变异的解释能力更强。

4.2 随机森林评估驱动因子对恢复的影响

未分层模型中，海拔和SPEI6在短期和长期均是最重要的驱动因子。短期气候驱动因子重要性普遍较低，而长期最低温度、树种和火烧前NBR的影响略有上升。坡向余弦和坡度对模型性能影响极小。按火烧严重度分层后，各模型R²在长期均高于短期，其中高严重度模型长期R²最高（0.408），中低严重度模型最低（短期0.154，长期0.243）。在低严重度火烧中，树种对短期恢复速率影响显著；海拔的重要性随火烧严重度增加而上升；SPEI6在所有严重度等级中均表现出最强效应。

4.3 恢复速率对驱动因子的偏依赖

偏依赖分析显示，高严重度火烧后恢复速率在短期和长期均更快。海拔与更快的恢复速率相关，在中高和高严重度下尤为明显。最低温度较低时恢复速率更快，尤其在长期。SPEI6在约?0.4处出现趋势转折，此后恢复速率随SPEI6下降而降低。火烧前NBR在高和中高严重度火烧后表现出正向影响。低严重度火烧后短期内树种对恢复速率影响显著，而中高和高严重度下树种影响不明显。

五、讨论与结论

研究结果表明，地中海森林恢复的驱动因子存在时间尺度上的相对重要性转变：短期恢复受生物遗留（如树种）主导，长期恢复则更多受场地环境约束（如海拔和水分亏缺）控制，而火烧严重度始终作为基线调节因子。驱动因子的解释力在长期显著增强，反映在更高的模型性能和更强的相关性上。高严重度火烧后恢复速率更快这一发现，可能反映了地中海树种（如栓皮栎等）的萌生更新策略在强扰动后的优势，以及严重火烧后竞争压力降低的效应。研究结论强调，火烧后管理决策必须考虑时间尺度依赖性：短期管理中应关注树种组成和火烧严重度的影响，长期管理中则应优先考虑海拔和水分亏缺等环境约束因子。在地中海干旱化加剧的背景下，这些发现为制定差异化的火烧后恢复管理策略提供了科学依据。