莫桑比克尼亚萨特别保护区火回返间隔极短：以干旱miombo林地尤为突出——基于生存分析的量化研究

《Fire Ecology》：Fire return intervals are very short at Niassa Special Reserve, Mozambique, especially in dry miombo woodlands—a survival analysis

　　

摘要 背景：火塑造了稀树草原和林地景观，但非洲miombo生态系统中反复火灾的时间间隔仍未得到充分量化。理解火回返间隔在不同植被和景观环境中的变化，对于解读火情格局异质性、植被恢复及火灾管理需求具有重要意义。研究人员评估了莫桑比克尼亚萨特别保护区（Niassa Special Reserve, NSR）的火回返间隔，并检验了不同主要植被类型间火灾复发是否存在差异。基于Landsat卫星衍生的燃烧区图（burned-area maps），以覆盖保护区的1 km网格进行采样，重建了2013–2024年的年度火灾历史。采用纳入删失观测（censored observations）及植被分层比较的离散时间生存分析方法（discrete-time survival analysis）分析火回返间隔。 结果：反复燃烧主导了该景观：保护区69.6%的面积在2013–2024年间燃烧超过六次。大多数主要植被类型的中位火回返间隔（median fire-return intervals）约为1年。干旱低地miombo（dry lowland miombo）的间隔最短、年燃烧面积最高、生存概率最低；湿润悬崖miombo（moist escarpment miombo）的间隔较长、年燃烧面积较低、保持无火状态的概率较高。在评估的候选分布中，离散Weibull模型（discrete Weibull model）在所有植被类型中拟合最佳。风险函数（hazard functions）在1年间隔处达到峰值，此后下降，表明再燃烧集中在先前火灾后不久，而长期无火期并不常见。 结论：尼亚萨特别保护区的火灾复发受植被类型和景观异质性强烈调控。短火回返间隔的主导地位，尤其在干旱miombo林地中，表明频繁再燃烧是该受保护miombo景观的一个显著特征。维持火灾频率的空间变异，包括具有较长无火持续期和潜在火灾避难所（fire refugia）的区域，有助于支持景观层面的火灾管理、植被恢复及miombo林地的恢复力。

论文解读：莫桑比克尼亚萨特别保护区火回返间隔的生存分析研究

一、研究背景与问题提出

火是稀树草原和林地生态系统中的基本生态过程，深刻影响着植被结构、物种组成、养分循环和碳动态。在非洲miombo林地——覆盖南部和东部非洲约270万km2的最大连续热带干旱森林和林地形成区——火是普遍存在的生态组分，多数燃烧发生在旱季。尽管许多miombo物种已演化出对反复火灾的适应能力，但火灾频率的变化仍可影响林地结构、树木更新和长期植被演替轨迹。然而，非洲miombo生态系统中反复火灾的时间间隔（即火回返间隔，fire-return interval）此前未得到充分量化。

传统火灾情态指标如燃烧面积、火灾频率、季节性等，无法直接量化同一地点连续火灾之间的时间间隔。火回返间隔提供了补充视角，因为生态响应往往取决于无火期（fire-free period）的持续时间，而非仅经历火灾的次数。此外，火回返间隔分析需关注采样设计、空间代表性和删失观测问题——卫星衍生的年度火灾历史在观测窗口起止处必然产生不完整间隔。多数研究依赖均值或中位数等描述性统计，但间隔分布通常高度偏斜且含删失观测。生存分析方法（survival analysis）为处理这些挑战提供了自然框架，可显式纳入删失间隔并估计生存函数与风险函数。

尼亚萨特别保护区（NSR）位于莫桑比克北部，是非洲最大的保护区之一，包含干旱和湿润miombo林地的广泛镶嵌体。此前研究记录了该保护区内广泛且反复的燃烧，但火回返间隔的统计分布及其在植被类型间的变异仍不清楚。本研究旨在：(i) 量化描述性火灾复发指标；(ii) 在考虑删失观测下刻画火间隔分布与无火持续期；(iii) 比较NSR主要植被类型间的火回返间隔分布。研究人员假设干旱miombo林地的火回返间隔最短，湿润和悬崖林地的间隔较长。

二、研究内容与主要结论

研究基于2013–2024年Landsat衍生的年度燃烧区图，在NSR内以1 km规则网格生成38,107个采样点，提取各点逐年的燃烧状态（燃烧=1，未燃烧=0），重建火灾历史。火回返间隔被重建为连续火灾检测之间的年数，并分类为精确间隔、左删失和右删失。数据集包含263,994个精确间隔、8,199个左删失观测和16,323个右删失观测。植被分层基于莫桑比克历史植被图与生态系统红色名录评估2.0版，仅保留至少75个采样点的六种主要植被类型进行建模比较。

研究得出以下核心结论：保护区69.6%的面积在2013–2024年间燃烧超过六次，未燃烧面积仅占2.6%。大多数植被类型的中位火回返间隔约为1年，模态间隔在几乎所有类型中均为1年。干旱低地miombo（Lugenda Lowland Dry Miombo）和湿润miombo（Matondavela Moist Miombo）合计占研究区约90.7%，其火旋转期（FRP）分别为1.34年和1.73年，年燃烧面积比例（APAB）分别为74.4%和58.0%。相比之下，Lichinga悬崖湿润miombo的FRP为3.87年，APAB为25.8%，中位间隔为2年。所有保留植被类型的离散Weibull模型形状参数均小于1，表明递减风险函数——再燃烧集中在先前火灾后不久，长期无火期罕见。

三、关键技术方法

研究采用的主要技术方法包括：(1) 基于Landsat 8卫星影像的U-Net深度学习燃烧区制图，生成2013–2024年30 m分辨率年度燃烧区图（2013–2023年来自Dias等2025年发布的燃烧区图集，2024年按相同流程生成）；(2) 1 km规则网格系统点采样框架，从燃烧区图中提取38,107个采样点的年度火灾历史；(3) 离散时间生存分析框架，将观测分类为精确、左删失和右删失间隔；(4) 最大似然估计（MLE）结合Nelder–Mead算法拟合离散Weibull、离散指数和离散gamma分布模型，以AIC进行模型选择；(5) Kaplan–Meier无火持续曲线作为非参数经验总结；(6) Tarone–Ware加权log-rank检验及Benjamini–Hochberg FDR校正进行植被类型间成对比较。

四、研究结果分述

空间火灾频率格局：火灾频率在NSR呈高度不均匀分布。燃烧超过六次的区域约占69.6%，其中32.7%燃烧7–9次，36.9%燃烧10–12次。高频率类别（7–12次）在保护区中部和东部大片连续分布；低频率区域（≤2次）空间受限，集中在与山地和主要水系线相关的局部斑块。不同植被类型间差异明显：Lugenda低地干旱miombo在极高频率类别（10–12次）中占保护区总面积25.3%，而Lichinga悬崖湿润miombo在未燃烧和低频类别中贡献最高。

火灾复发指标：火旋转期和年燃烧面积比例在植被类型间差异显著。Lugenda低地干旱miombo和Matondavela湿润miombo的FRP分别为1.34和1.73年，APAB分别为74.4%和58.0%。Lichinga悬崖湿润miombo的FRP为3.87年，APAB为25.8%。多数植被类型的中位火回返间隔为1年，仅Lichinga悬崖湿润miombo为2年。Hollander–Proschan检验显示多数植被类型呈递减失效率模式，即再燃烧风险随时间下降。

参数估计与模型选择：在离散指数、离散gamma和离散Weibull模型中，离散Weibull模型在每种保留植被类型中均具有最低AIC，被选为主要分析模型。所有植被类型的形状参数均小于1，确认递减风险函数。Lichinga悬崖湿润miombo具有最大的尺度参数和标准差，反映更长且更多变的火回返间隔；Mueda混合干旱miombo和Makonde竹灌丛的尺度值较低，对应极短且集中的间隔。

火间隔分布：所有植被类型的经验火间隔强烈集中在火灾事件后的最初几年，1年处概率最高。Lugenda低地干旱miombo和Matondavela湿润miombo在1年处清晰集中后急剧下降；Mueda混合干旱miombo和Makonde竹灌丛在最初2年后快速下降，4–5年后趋近于零；Lichinga悬崖湿润miombo分布更宽，非可忽略概率延伸至更长间隔；Manda湿润miombo呈中间模式。所有类型超过5年的间隔概率持续偏低。

生存分析：Kaplan–Meier无火持续曲线显示，所有植被类型的无火持续概率在火灾后最初2–3年快速下降，随后下降速度渐缓。Lugenda低地干旱miombo和Matondavela湿润miombo在最初两年急剧下降，4–5年时趋近极低值；Lichinga悬崖湿润miombo下降更平缓，长期保持无火状态的概率更高；Manda湿润miombo呈中间行为。

火间隔动态：基于离散Weibull模型的风险函数在1年间隔处达到峰值后下降，表明再燃烧在先前火灾后不久集中发生，长期无火期在多数植被类型中不常见，但悬崖和部分湿润miombo类型保留更高的长期无火持续概率。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，NSR的火灾复发受植被类型和景观异质性强烈调控。短火回返间隔的主导地位，尤其在干旱miombo林地中，表明频繁再燃烧是该受保护miombo景观的显著特征。这与赞比亚大卡富埃生态系统中miombo林地中位火回返间隔1.39年的报道一致，但NSR的间隔更短。研究强调，维持火灾频率的空间变异——包括具有较长无火持续期和潜在火灾避难所的区域——有助于支持景观层面的火灾管理、植被恢复及miombo林地恢复力。研究结论为：NSR的火情格局以短间隔反复燃烧为特征，植被类型是调控火灾复发的主要因素；保护和管理策略应考虑维持火灾频率的空间异质性，以支持miombo生态系统的长期恢复力和生物多样性保护。