火干扰制度对黑松生长的影响取决于经营历史与气候背景

《Trees, Forests and People》：Impacts of fire regime on black pine growth depend on management history and climate background

　　

如今，地中海松林受到的社会经济和气候压力与过去截然不同。对于黑松（Pinus nigra）这类耐受低强度地表火的抗火物种而言，从19世纪到20世纪的社会经济产权制度变迁、森林利用方式转变以及气候变暖，导致了与20世纪末开始的近期防火抑制时期截然不同的火干扰制度。研究人员在西班牙东部日益干旱化的地区选取了六片黑松林，刻画了它们对早期（19世纪末、20世纪初）和近期（1980年代、2000年代）火灾的径向生长响应，并同时将树脂采割视为影响近期火灾后生长恢复的额外历史干扰因素。研究人员确定了1748年、1820年、1875年、1893年和1918年的火灾事件。其中1893年的火灾通过树木年轮数据和历史文献共同确定，影响了其中一个老火样地内的所有树木，且该火灾发生在一个社会生态急剧变迁的时期，包括天主教会和市政公有土地的私有化，以及随后利用火来清理林地的做法。1893年春季异常温暖，可能促进了燃料干燥。1980年代的火灾则以温暖的春季和非常干燥的夏季为气候特征。在两个近期火灾且曾采割树脂的样地中，采割过的树木在火灾前具有更粗的树干、更老的树龄和更高的生长量，但1986年火灾后两者的生长速率趋于一致。生长受到前一年秋季和当年生长季干旱条件的制约，而6月降水偏低则降低了近期火灾且采割过树脂样地的生长量。研究人员对过去和近期火干扰制度的重建，为在防火抑制可能悖论性地加剧高强度林冠火、从而威胁黑松等适应性较弱物种的时代背景下，制定综合管理策略提供了科学依据。

论文解读

一、研究背景与问题

在地中海盆地，历史上频繁的低强度地表火塑造了松林的动态与结构。然而，自20世纪后期以来，消防政策的实施显著减少了火灾频率，导致林分燃料负荷持续累积，进而增加了高强度林冠火的发生风险。与此同时，气候变暖使得火灾季节变得更加炎热干燥，高温干旱与严重火灾之间形成了正反馈效应。这种级联的负面效应尤其威胁那些缺乏适应高强度林冠火特性的树种。黑松（Pinus nigra）作为地中海山地的重要树种，具有极高的寿命（可达约1200年），能够耐受夏季干旱和低强度地表火，是研究火干扰历史与树木生长响应的理想对象。然而，历史时期的气候变化、土地利用方式转变与火干扰变异的交互作用如何影响黑松林的长期生长恢复，目前仍不清楚。此外，西班牙从19世纪中叶至20世纪中叶曾广泛开展树脂采割活动，这一历史经营实践在20世纪60年代后因农村人口外迁和树脂价格下跌而被废弃，但其对火灾后生长恢复的潜在影响尚未得到充分研究。因此，研究人员旨在通过比较具有不同火历史和土地利用遗留（采割与非采割）的黑松林分，重建历史火干扰制度，并评估19世纪和20世纪火灾后的生长损失与恢复情况，以期为制定科学的林火管理策略提供依据。

二、主要技术方法

研究人员在西班牙东部昆卡省伊比利亚山脉选取了六个黑松天然林样地，分为老火样地（Majadas, MA；Coronillas, CO）、近期火灾样地（Portilla, PO；Alcantud, AL）和曾采割树脂的近期火灾样地（Ca?izares, CN；Pozuelo, PZ）。研究人员于2023年秋季至2024年冬末进行采样，每个样地采集16至35棵成熟树木，每棵树在胸高1.3米处用生长锥提取两根树芯；在老火样地中，还从带有火烧疤痕的树桩上采集了基部横截面以确定火灾年份。树芯和横截面经干燥、打磨后进行交叉定年，利用扫描图像和CooRecorder-CDendro软件以0.01毫米分辨率测量年轮宽度，并用COFECHA软件验证定年质量。年轮宽度数据转换为胸高断面积增量（basal area increment, BAI），并通过样条函数去趋势和自回归模型生成年轮宽度指数（ring-width index, RWI）。研究人员利用标准化年轮宽度指数计算了生长损失比（Loss = RWI_d/RWI_d-1）和恢复比（Recovery = RWI_d+1/RWI_d）。气候数据采用1公里分辨率的Terraclimate网格数据（1950-2023年），历史火灾气候背景则使用Luterbacher等（2004）的季节温度重建和Old World Drought Atlas的夏季帕尔默干旱严重指数（Palmer Drought Severity Index, PDSI）数据。统计方法包括Student's t检验、Pearson相关分析和treeclim包的气候-生长关系分析。

三、研究结果

3.1 林分特征与长期生长变异性

在曾采割树脂的近期火灾样地中，采割过的树木比未采割树木具有更大的胸径（CN样地：47.3±1.5 cm vs. 34.4±1.4 cm；PZ样地：55.1±2.0 cm vs. 45.2±1.9 cm）和更老的树龄（CN样地：100±6年 vs. 75±4年；PZ样地：124±6年 vs. 92±6年）。在1986年火灾前，未采割树木的BAI显著低于采割树木，但火灾后两者差异不再显著。六个样地的年轮宽度指数表现出较高的样地间一致性，其中MA和CN样地分别呈现最高和最低的生长速率。近期火灾且采割过树脂的样地表现出最高的平均敏感度（mean sensitivity, MS）。PO样地的序列间平均相关系数（rbar）最高，且除MA样地外，所有样地的rbar均在最近25年达到峰值。生长在火灾发生后一年出现下降，但干旱和松异舟蛾（Thaumetopoea pityocampa）暴发等未知干扰也会引起生长抑制。

3.2 干旱和火灾后的短期生长响应

所有样地在火灾和干旱后均表现出生长下降，尤其是近期火灾且采割过树脂的样地对火灾的响应最为显著。在近期火灾样地和近期火灾且采割过树脂的样地中，火灾后的恢复比显著高于干旱后的恢复比。但在采割与未采割树木之间，无论是生长损失比还是恢复比均未发现显著差异。

3.3 近期（1950-2023年）生长变异性与气候-生长关系

样地间年轮宽度指数相关性分析显示，MA、CO、CN和PZ样地具有高度一致的逐年生长变异性，而位于最高海拔的PO样地和最低海拔的AL样地仅分别与CO和CN样地显著相关。气候-生长关系分析表明，MA和AL样地的生长受前一年秋季和当年春季至夏季凉爽湿润条件的促进；CO和PO样地的生长则主要受2月温暖条件的促进。在曾采割树脂的样地（CN、PZ）中，前一年9月凉爽和当年2月温暖有利于生长，且两者均对6月降水增加呈正响应。进一步区分采割与未采割树木后发现，CN样地未采割树木对6月降水的响应更强，而采割树木对前一年冬季变暖的响应更显著；PZ样地未采割树木对4月最低温度响应更强，采割树木则对3月最高温度响应更明显。

3.4 历史火灾重建

历史文献记录显示，MA样地在1893年8月经历了一场野火，当时大部分年轮已经形成。基于重建的夏季PDSI数据，该年气候干燥，这解释了为何在所有定年横截面上均观察到火烧疤痕，且60%的MA样地树木在1893至1894年间BAI从8.90 cm²降至5.35 cm²，下降约40%，树木在1900年代恢复生长。CO样地的大多数横截面（10-12棵树木）检测到1875年和1918年的火烧疤痕，两者相隔43年；其中一棵309岁老树的横截面还记录了1748年和1820年的火灾。

四、讨论与结论

研究人员通过树木年轮数据和历史记录重建并比较了19世纪和20世纪影响伊比利亚黑松林的不同火干扰制度，强调了人类土地利用和气候（尤其是干旱化）所扮演的不同角色。研究发现，1893年的火灾发生在西班牙多个山区火灾频发的十年间，这一时期正值社会生态转型期，包括天主教会和公有土地的私有化，以及随之而来的用火清理林地的做法。1893年春季异常温暖可能促进了燃料干燥。相比之下，1980年代的火灾则以温暖春季和非常干燥夏季为气候特征。研究还发现，曾采割树脂的树木在火灾前具有更粗树干、更老树龄和更高生长量，但火灾后采割与非采割树木的生长速率趋于一致，表明树脂采割的历史遗留并未显著影响火灾后的生长恢复能力。生长主要受前一年秋季和当年生长季干旱条件的制约，而6月降水偏低则降低了近期火灾且采割过树脂样地的生长量。

研究结论表明，黑松林的生长对多种干扰（火灾、干旱、松异舟蛾暴发）均有响应，且对近期火灾的响应受到历史树脂采割活动的影响。过去和近期火干扰制度的重建为综合管理提供了重要证据：在当前干旱化加剧的背景下，单纯依靠火抑制可能悖论性地增加燃料负荷，从而助长高强度林冠火的发生，威胁黑松这类适应性较弱的树种。因此，研究结果支持在适宜区域考虑实施计划性地表火烧（prescribed understory burning）作为管理手段，以恢复历史火干扰制度、降低灾难性林冠火风险，并增强黑松林对未来气候变化的适应能力。