火灾制度转变揭示17世纪新墨西哥州Rio Grande del Norte国家纪念碑的社会生态变化

《Ecosphere》：Fire regime shift reveals 17th century socio-ecological change in the Rio Grande del Norte National Monument, New Mexico

　　

人类影响生态系统已有数千年，社会变化可产生显著的生态效应。近期人类对生态系统的影响以约1900年美国西部火灾制度的崩溃为代表，其原因是放牧增加、火灾扑灭以及原住民用火减少。气候亦可驱动火灾制度变化，近几十年来西部过火面积增加与气候变暖和干旱加剧相关联。17世纪中叶，美国西南部伴随西班牙殖民发生了巨大的社会变化。这些变化包括家畜（如绵羊和马）增加、原住民人口和文化用火减少，以及对普韦布洛人的剥削，最终导致1680年普韦布洛起义（Pueblo Revolt）——一场将西班牙殖民者驱逐长达12年的原住民起义。这些巨大社会变化的生态效应尚未得到充分研究。本研究旨在利用树轮火史（tree-ring fire histories）调查新墨西哥州北部里奥格兰德德尔诺特国家纪念碑（Rio Grande del Norte National Monument, RGDN）中山艾树主导景观的火灾动态，包括历史社会与气候变化的影响。研究人员在四座高耸于山艾树/草地高原之上的森林覆盖山体上重建了火灾历史。研究提出以下问题：（1）RGDN在1900年前的火灾频率、季节和火灾-气候关系如何？（2）是否有证据表明火灾在山间的山艾树/草地平地蔓延？（3）区域社会或气候变化是否影响了火灾制度？研究发现，从1400年到1679年，森林内火灾频繁（中位数火灾间隔（median fire intervals, mfi）为8–12年），并且基于超过预期的山间火灾同步性，存在火灾通过山艾树/草地生态系统蔓延的潜在证据。然而，从17世纪中叶开始并持续到1680年普韦布洛起义之后，（1）火灾频率显著下降，包括38–166年的mfi，且两个地点超过350年无火灾；（2）山间仅发生一次同步火灾。在17世纪这段社会生态变化时期，气候未发生持续转变。研究人员提出，原住民点火减少以及家畜放牧增加导致草本燃料和火灾蔓延减少，可能是这一异常早期且持续火灾减少的可能原因。

人类活动已持续影响生态系统数千年，社会变迁往往留下深远的生态印记。在美国西部，约1900年火灾制度因过度放牧、火灾扑救与原住民用火减少而崩溃，但早在此前两个多世纪，西南部地区已因西班牙殖民而发生了剧烈的社会变革。17世纪中叶，西班牙殖民者在新墨西哥州引入家畜（绵羊、马等），导致原住民人口锐减、文化用火减少，并通过对普韦布洛人的剥削引发1680年的普韦布洛起义（Pueblo Revolt）——一场驱逐西班牙殖民者长达12年的原住民起义。这些社会剧变如何影响火灾制度，长期以来缺乏基于实证的研究。为此，研究人员选择新墨西哥州北部里奥格兰德德尔诺特国家纪念碑（Rio Grande del Norte National Monument, RGDN）作为研究区。该区域拥有独特的生物地理格局：一片辽阔的山艾树/草地高原上矗立着四座森林覆盖的火山山体（“森林岛”），为利用山间火灾同步性推断山艾树景观中火灾蔓延提供了天然实验条件。

研究目标是通过树轮火灾历史（tree-ring fire histories）重建RGDN的多世纪火灾动态，并评估历史社会与气候变化的影响。研究人员在四座山上共设置7个采样点，采集了76株火疤树木的交叉定年样本，重建了从1104年到2019年的火灾记录。研究提出三个问题：（1）1900年前RGDN的火灾频率、季节和火灾–气候关系如何？（2）是否有证据表明火灾通过山艾树/草地平地于山间蔓延？（3）区域社会或气候变化是否影响了火灾制度？研究发现，从1400年至1679年，森林内火灾频繁，中位数火灾间隔（median fire interval, mfi）为8–12年，且山间火灾同步性高于预期，提示火灾可能曾通过山艾树/草地生态系统蔓延。然而，自17世纪中叶开始，火灾频率显著下降，两个地点超过350年未再燃烧，且1680年后山间仅有一次同步火灾。由于同期气候无持续突变，研究人员提出，原住民点火减少和家畜放牧增加导致的草本燃料减少与火灾蔓延受阻，是这一异常早期且持续火灾减少的可能原因。该研究将火灾制度突变追溯至17世纪中叶，比美国西部普遍公认的1900年前后火灾制度崩溃提早了约两个世纪，凸显了殖民时期社会变革对生态系统的深远影响。

在关键技术方法方面，研究人员采用标准树轮年代学方法对火疤样本进行交叉定年（crossdating），确定火灾年份和年内疤痕位置；使用中位数火灾间隔（mfi）和配对Wilcoxon符号秩检验比较普韦布洛起义前后的火灾频率差异；通过分段线性回归识别火灾制度突变点；利用χ²检验和Fisher精确检验，以地理隔离的瓜达卢普山（Guadalupe Mountains）为背景对照，评估山间火灾同步性是否显著高于偶然预期；应用超叠加分析（superposed epoch analysis, SEA）检验火灾与帕尔默修正干旱指数（Palmer Modified Drought Index, PMDI）及夏季温度重建的关系；并使用非参数变点检测分析气候序列。所有样本均来自RGDN内四个森林山体，涵盖了7个样点的全部火疤记录。

研究结果分述如下。**火灾同步性**：1400–1679年间，山内配对站点间同步火灾占该山总火灾的6.3%–17.1%，而1680–1886年间在塞罗蒙托索（Cerro Montoso）和塞罗德尔艾尔（Cerro del Aire）上升至60%–66.7%。山间同步火灾在1400–1679年间共有9次，而1680年后仅1次。χ²检验显示，1400–1886年西侧三座山之间的同步火灾数（3–10次）显著高于基于瓜达卢普山背景同步率（12.8%）的预期值（χ² = 17.3, p < 0.001），表明普韦布洛起义前火灾可能通过山艾树/草地平地蔓延；但1680–1886年间的同步性不再显著（Fisher精确检验p = 1.00），说明此后山间火灾蔓延极为罕见。

**火灾–气候关系**：全时段（1400–1886）火灾与火灾年干旱显著相关；1680年前火灾年份伴随前四年偏湿，而1680年后火灾年份干旱程度显著更重，且前几年亦偏干，表明更极端的干燥条件才能引发火灾。气候变点检测未在1654年前后发现PMDI突变，但检测到1648–1661年异常温暖期。研究人员据此认为，气候