对比季节和生态水文控制对LFMC动态的影响及其对阿勒颇松动态野火风险预测的意义

《Agricultural and Forest Meteorology》：Contrasting seasonal and ecohydrological controls on LFMC dynamics and implications for dynamic wildfire risk prediction in Aleppo pine

　　

理解活燃料含水量（LFMC）的驱动因素对于预测水分受限的地中海森林的火行为至关重要，在这些地区，反复干旱和上升的大气需求正在加剧野火风险。研究人员研究了西班牙东部一个成熟阿勒颇松（Pinus halepensis）林中LFMC的时空动态及其与生态水文过程（EHP）的关系，该地区日益受到特大火灾的影响。在17个月期间，研究人员在黎明前和中午监测了多种组织类型（细枝、当年生和较老针叶以及木质组织）的LFMC，同时详细测量了土壤水分和势能、树干含水量和两个高度的液流速度、植物水势、气象变量和火天气指数。LFMC表现出较低的季节和日变化，反映了强烈的生理调节，而组织年龄引入了显著差异，特别是当年生和较老针叶之间。黎明前的LFMC主要与前期大气需求（VPD、温度、湿度）和细小死可燃物水分相关。中午的LFMC也对这些驱动因素有响应，但与前期在树冠高度测量的液流速度呈负相关，突出了蒸腾动态控制中午值的作用。使用野外变量的多元线性模型提供了可接受的LFMC估计，而单独的光谱指数显示预测能力有限。研究人员的成果从技术角度证明了在阿勒颇松林中进行详细火生态水文监测的价值：显著的LFMC测量和估计工作似乎没有得到观察到的低季节变化以及最重要的生态水文过程对LFMC的有限控制的支持。研究人员强烈建议野火预防机构在开发以阿勒颇松为主的森林动态野火风险预测时考虑这一方面。

**论文解读文章**

**研究背景**
全球变暖显著延长了南欧的干旱期，降低了燃料水分含量，使森林生物量在更长时间内具有更高的可燃性（Griebel等，2023；Rodrigues等，2023）。这些趋势导致火易发区域全球扩大（Senande-Rivera等，2022），近期野火频繁超越抑制能力，对居民区构成高风险（Aparício等，2022；Jolly等，2015）。主动森林管理通过调整垂直结构和水平间距，预期在降低火灾危险的同时提升生态系统韧性（Kalies和Kent，2016）。在森林生态系统中，野火行为受气候、地形及活死燃料特性控制（Pyne，1984），其中燃料水分尤其关键：高水分降低可燃性和点火概率。死燃料水分受天气强烈控制，可基于风速和水汽压亏缺（VPD）建模（Bak?i?等，2017；Nolan等，2016）。相反，活燃料含水量（LFMC）受土壤-植物-大气连续体中多个过程影响，时间尺度各异（Martínez-Vilalta和Garcia-Forner，2017）。短期上，LFMC主要依赖树木对大气水分需求和土壤水分有效性的生理响应，由气孔调节和茎干栓塞脆弱性等功能性状介导（Nolan等，2020；Pivovaroff等，2019）。此外，由于LFMC以水分与干质量之比表示，季节性的物候和光合活性变化可改变干物质积累，从而显著影响LFMC（Griebel等，2023；Jolly等，2014）。例如，阿勒颇松（Pinus halepensis）树冠通常包含多个针叶龄级，其干物质积累动态不同，老针叶（≥3年）逐渐干燥但保留至火季，增加从地表火向严重树冠火转化的可能性（Balaguer-Romano等，2020；Jervis和Rein，2016）。
理解生态水文过程（EHP）对于评估水分受限环境中森林管理的水分改善潜力至关重要（Molina等，2021；Del Campo等，2019；Gonzalez-Sanchis等，2019），也是量化生态系统服务的基础（Lecina-Diaz等，2021）。然而，生态水文变量与火行为建模之间的联系研究不足（Griebel等，2023；Nolan等，2018，2022），限制了将EHP波动转化为火行为影响的理解。基于光谱和热数据的遥感方法对LFMC和EHP的实地测量提供了替代方案（Cunill Camprubí等，2022；Yebra等，2019），但需要本地校准验证。
本研究旨在推进森林生态水文与野火预防的相互作用理解，在西班牙东部一个成熟阿勒颇松林中进行，该地区野火频发且特大火灾频率增加（Rodrigues等，2023）。主要假设是：LFMC动态受物候和光合季节性过程强烈控制，而短期生态水文波动因阿勒颇松的每日水分节省机制而影响有限。因此，预期LFMC在季节尺度上变化大于日尺度，但两种情况均不足以将LFMC视为这些森林类型火风险的合适指标。核心目标包括：（1）加深LFMC时空动态理解；（2）评估EHP、野火风险指标与LFMC的关系以阐明控制机制；（3）开发并比较基于实地和遥感数据的可重复LFMC模型。

**研究方法**
研究在西班牙瓦伦西亚省La Vallesa站点（39.53° N, ?0.51° W；89.9 m a.s.l.）进行，该地是358 ha的森林区域，位于图里亚河自然公园内，距瓦伦西亚市约20 km，是优先野生-城市界面（WUI）区域。实验样地内阿勒颇松为优势树种，林分密度中等，树冠覆盖度约75%，下层稀疏。研究从2020年8月至2021年12月持续17个月，采用以下关键方法：
- **环境测量与野火风险指标**：在12 m高处安装气象站（ATMOS-41），获取温度、湿度、气压、太阳辐射、风速、降水等变量，计算VPD和大气水势（ψ_atm）。利用cffdrs R包估算干旱代码（DC）、细小死燃料水分含量（FFMC）和加拿大森林火天气指数（FWI）。死细小燃料含水量（1 h）基于降水、风速、湿度、温度估算（Bak?i?等，2017）。
- **土壤水分测量**：在4棵样树周围12个点（距树干1 m处）安装电容传感器（TEROS 10和TEROS 11）于15和30 cm深度，测量土壤水分含量（SWC）。土壤水势（ψ_soil）在30 cm深度用TEROS 21测量。有机层（0–5 cm）水分含量在4个随机位置测量。
- **植物测量**：每棵样树在黎明前和中午从南北方向各采集两根绿色细枝，计算整体细枝（twig）、当年生针叶（new）、>1年针叶（old）和木质组织（woody）的LFMC。用分析天平称鲜重，105°C烘干48 h后称干重，计算LFMC = (F_w ? D_w)/D_w × 100%。植物水势（ψ_plant）用Scholander压力室测定。在6棵样树1.3 m高和树冠基部东侧安装热脉冲液流传感器（HPV-06），获取液流速度和树干含水量（TEROS-10校准）。
- **卫星数据**：处理Sentinel-2 Level-2A影像，获取22个光谱指数，选取与LFMC测量时间差≤5天的影像，共16对有效数据。
- **数据分析**：采用一般线性混合模型（GLMM）分析LFMC时空变异，固定因子包括方向、LFMC类型和日变化。通过Spearman相关、逐步回归（基于AIC）构建多元线性回归模型（MLRM），评估模型性能用调整R2、RMSE和MAE。

**研究结果**
**3.1 LFMC的时空变化**
细枝LFMC范围：黎明前69.7–117.7%，中午69.5–110.8%，树间变异较小（标准差黎明前4.3–7.2%，中午2.8–6.9%）。最低均值出现在2021年初春（83.9%），反映冬季针叶逐渐木质化，以及2020年极端干旱（88.5%）。根据相对可提取土壤水（REW）划分的两个子期间（REW > 0.4 vs. ≤0.4）无显著差异（黎明前96.7% vs. 93.03%，中午87.9% vs. 89.9%）。物候显著影响当年生针叶LFMC动态：5月初开始发育，2–3周后达最大值，随后木质化和干物质积累加速，约1年后与老针叶LFMC趋同（图4）。不同组织类型间差异显著：当年生针叶>木质组织>老针叶，黎明前与中午均值差为5.29%（表2）。日变异（黎明前减中午）在当年生针叶中最大，且其与植物水势日变异无线性关系（R2 = 0.25–0.59）。

**3.2 EHP、野火风险指标与LFMC的关系**
研究期间（521天）气候和土壤水分变量呈现典型地中海季节模式。两次主要水分亏缺期导致植物水势最低达?3.14 MPa，液流速率极低，但边材含水量相对稳定（1.3 m处44.5%，树冠基部47.5%），表明茎干储水变化很小（图5）。LFMC与EHP变量的相关分析显示多个显著关联（r范围?0.86至0.80），但强度和方向因组织类型而异（表T3）。黎明前细枝LFMC最强相关为：细小死燃料水分含量（1h_1_mean和1h_4_min）、气候变量（1天和4天前期窗口）以及DOY（余弦变换）（图6a,b）。中午细枝LFMC与气候变量和DOY也有类似相关，但与前4天平均树冠液流速度呈显著负相关（图6c,d）。光谱指数与LFMC的相关：黎明前细枝与slavi_MA指数最强（r=0.77），但中午仅有当年生针叶与多个指数显著相关（表3）。

**3.3 基于实地数据和光谱指数的简单LFMC模型**
基于实地变量的MLRM中，性能最佳（最低RMSE和MAE）的是中午木质组织（LFMC_mid_woody）和中午细枝（LFMC_mid_twig），而黎明前当年生针叶（LFMC_pre_new）性能最差（表4）。模型包含气候变量（1天和4天窗口）、DOY变换项以及液流速度（正或负线性项）。基于光谱指数的模型，仅对细枝和当年生针叶有效，但误差较大，添加气象变量后略有改善（表5），但整体预测性能不理想（MAE >10%）。

**讨论与结论**
研究强调了在水分受限的阿勒颇松林中，整合生态水文、气候、植物生理与物候对理解LFMC动态的重要性。LFMC的低变异性反映了阿勒颇松的强水势调节能力，与全球针叶林均值（131%）相比，本研究均值（92%）较低，反映当地水分限制。组织年龄差异显著，当年生针叶在春季发育后干物质积累导致LFMC逐渐下降。与植物水势的关系较弱（R2 < 20%），表明在阿勒颇松中植物水势对LFMC建模价值有限，与半干旱地区其他物种不同（Nolan等，2020）。黎明前LFMC主要受前期大气需求（VPD、温度、湿度）和死燃料水分控制；中午LFMC则受蒸腾动态（树冠液流速度）调控。模型结果显示，基于实地变量的模型可接受，但光谱指数模型误差大，且需要连续液流和茎干含水量测量，成本高。作为替代，利用黎明前-中午细枝LFMC关系（r=0.63）可通过仅测量VPD估算中午LFMC，误差可接受（MAE=1.73%，RMSE=2.37%）。研究结论指出：在阿勒颇松成熟林中，LFMC的季节和日变化低，最重要的生态水文过程对LFMC控制有限，因此不建议在动态野火风险预测中投入大量精力测量或估计LFMC。论文发表在《Agricultural and Forest Meteorology》。

**结论翻译**：量化生态水文过程对于设计增强蓝水（可用性）和绿水（树木生理性能）的森林管理策略至关重要，尤其是在降水有限、浅层储水和经济回报低的景观中。管理必须最大化多重相互关联的目标——改善生态系统产品和服务，同时培育更抗生物和非生物胁迫的结构。由于死燃料水分可基于气候可靠估计，建立生态水文与活燃料水分的明确联系对于改进野火风险量化至关重要，以设计对干旱和火都更不脆弱的森林。本研究基于详细监测关键水分相关变量，提出了一种火生态水文方法，应用于非常脆弱的WUI区域阿勒颇松林。结果揭示了LFMC的复杂动态以及季节和生态水文控制在该物种森林中的对比作用，其中其他灌木或树种作用有限（如本研究案例，但也包括未适当管理的单种人工成熟密林）。无论如何，直接测量干物质变化及其与余弦/正弦DOY变换的关系，对于进一步理解物候和光合作用对LFMC动态的作用是可取的。此外，需要独立数据集对简单模型进行验证，以测试在不同环境条件下的普遍性。但结果明确显示，在这些森林类型中LFMC敏感性有限，建议在开发阿勒颇松动态野火风险预测时，避免大量测量或估计该变量。