北美北方森林火烧机制（1980–2024）：基于火烧机制单元的火烧格局时空变异性及其气候驱动解析

《Current Forestry Reports》：Fire Regimes in North American Boreal Forests from 1980 to 2024

　　

摘要 综述目的：由于人为气候变化预计将增加北美（NA）北方森林的火烧活动，因此迫切需要在区域尺度上深入且及时地理解火烧机制。本综述展示了1980–2024年间加拿大和阿拉斯加北方森林火烧机制指标的空间分布，旨在揭示同质火烧机制单元（Fire Regime Units, FRUs）内火烧机制指标的空间变异性。研究人员还探讨了火烧机制指标之间的关系，并在较大空间尺度上评估了其时间趋势。 近期发现：关于北美北方森林各区域火烧机制时间与空间趋势的方向存在分歧。关于气候控制相对于生物量连续性（biomass continuity）对森林火烧面积和过火率（burn rate）重要性的争论也仍然存在。 总结：北美北方森林火烧机制表现出高度的年际和区域内空间变异性，这对时间趋势的检测构成了挑战。尽管如此，研究人员发现，西部北方地区的火烧发生（fire occurrence）及其他火烧机制指标显著增强，且加拿大西部火烧季节峰值有所提前，这与这些地区气候影响日益增强的结论相一致。在加拿大东部，未检测到显著增加，表明植被和降水可能仍在缓冲气候变暖的影响，但随着干旱频率的增加，这一缓冲作用可能发生变化。研究期间，加拿大人为引发的火灾占比有所下降，表明火灾预防和扑救措施可能已产生一定效果。未来需进一步研究气候和燃料连续性对火烧机制的直接影响，以改进变化条件下火烧活动的预测能力。

论文主体内容总结

引言

区域火烧机制通常以植被火灾的历史时空格局为特征，包括年过火面积、火灾数量（即火烧发生）、火灾大小、强度、严重程度、季节性和成因。北美北方森林的火烧机制具有多样性，受气候、地形与物理格局、植被与燃料特征、点火源以及包括火灾扑救在内的人类土地利用等因素的共同影响。历史上，原住民曾在部分北美北方森林中应用火进行景观管理，其影响范围可能有限但具有多重目的。欧洲殖民以来的土地利用变化，如火排除和火灾扑救，也影响了历史火烧机制特征。全球火烧活动预计将因人为气候变化而上升，北方森林尤为脆弱，因为这些高纬度地区的升温速度是全球平均水平的2至4倍。在加拿大，尽管区域模式存在差异，但大型火灾的年数量和规模以及年过火面积已在国家尺度上增加。火烧机制对景观生态功能产生深远影响，对森林恢复力、野生动物栖息地和碳循环具有关键意义。关于气候控制相对于针叶燃料连续性对火灾大小和过火率的重要性仍存在争论，因此需要更好地理解火烧指标之间的关系以阐明控制北美北方森林火烧机制的进程。

方法

火烧数据：研究人员从加拿大国家火烧数据库（CNFDB）获取加拿大火烧点火点，该数据库包含火灾位置、最终面积、成因和起始日期等信息；从阿拉斯加州火烧历史位置数据库获取阿拉斯加火烧点火点。研究仅限于1980–2024年间发生的火灾，并排除了小于50公顷的火灾。为表征加拿大北方林带火烧机制，研究使用了火烧机制单元（FRUs）的子集，保留了位于北方生物群系内的58个FRU。阿拉斯加采用统一生态区作为划分FRU的基础。研究将火烧划分为阿拉斯加、加拿大西部和加拿大东部三个宏观区域，并排除了研究期内火灾少于20起的FRU。

火烧机制指标：过火率（burn rate）按研究期内总过火面积除以FRU燃料覆盖面积再除以45年计算，以% yr^?1表示。季节性定义为达到65%过火面积（AB）的儒略日（DOY）以及达到65%火灾总数的DOY。点火源计算为人为火灾的比例及人为火灾过火面积的比例。火烧发生按研究期火灾总数除以燃料覆盖面积再除以45年计算，以火灾数 yr^?1 10⁶ ha^?1表示。研究还计算了中位数和平均火灾大小，以及两个额外指标：达到累计50%总过火面积所需的最小火灾大小阈值（size-AB50%）和达到50%总过火面积所需火灾数占比（%fires-AB50%）。

火烧指标间关系：使用线性回归模型评估各宏观区域内指标间的关系，报告决定系数R2及斜率项的p值。

趋势分析：在宏观区域尺度上按年度重新计算各指标，使用Theil-Sen斜率估计器确定趋势大小，并采用修正序列相关的非参数Mann-Kendall检验评估趋势显著性（p值<0.05为显著）。

结果与讨论

火烧机制指标的空间变异性：基于1980–2024年火烧数据的结果显示了北美北方森林火烧机制的变异性。阿拉斯加FRU过火率普遍低于1%，平均0.76%；加拿大西部略高（平均0.88%），阿尔伯塔省北部和萨斯喀彻温省部分FRU达2.5%；加拿大东部平均过火率低于0.5%，但詹姆斯湾和安大略省西部局部较高。火烧发生季节性呈南北梯度，南部早于北部，东西向相对恒定。加拿大西部FRU人为火灾比例平均约23%，加拿大东部约20%，阿拉斯加约15%。过火率的东西梯度凸显了太平洋、哈德逊湾和大西洋对火灾有利气候条件的海洋效应。研究还观察到南北梯度，南部FRU火烧季节较早且过火率较低，向北增加，最北部有时回落。火烧发生总体呈钟形南北梯度，加拿大西部最高（平均1.33起 10⁶ ha^?1 yr^?1），加拿大东部最低（平均0.69起 10⁶ ha^?1 yr^?1）。阿拉斯加中位火灾大小平均915公顷，加拿大西部平均672公顷，加拿大东部平均525公顷。平均火灾大小阿拉斯加约7,013公顷，加拿大西部5,742公顷，加拿大东部4,398公顷。size-AB50%在阿拉斯加平均38,918公顷，加拿大西部最大（平均59,757公顷，部分FRU超过300,000公顷），加拿大东部较低（平均27,622公顷）。%fires-AB50%表明阿拉斯加达到50%过火面积所需火灾比例高于加拿大西部和东部宏观区域。

火烧指标间关系：过火率与人为火灾比例呈负相关，但仅在加拿大西部显著。过火率与火烧发生和火灾大小在三个宏观区域均呈正相关。阿拉斯加火烧发生与过火率的关联强于火灾大小指标；加拿大西部火烧发生和平均火灾大小与过火率关系相近；加拿大东部平均火灾大小对过火率的解释最为重要。加拿大区域火烧发生与平均火灾大小呈正相关，但仅在加拿大西部显著。加拿大东部过火率更受火灾大小控制，可能因该区域气候较湿润，大面积火灾通常在干旱期后发生。三个宏观区域中，过火率较高的FRU持续表现出较大火灾，这一发现不支持长火间隔导致燃料积累和连续性进而产生大火的假说，表明气候因素比燃料积累和连续性更为重要。

趋势分析：西部北方地区火烧发生及其他火烧机制指标显著增强，加拿大西部火烧季节峰值提前，与气候影响增强一致。加拿大东部未检测到显著增加，表明植被和降水可能缓冲了变暖效应。加拿大研究期内人为火灾比例下降，表明预防和扑救措施可能产生效果。