Science Advances:破纪录的极端野火蔓延,对森林生态系统的复合影响及其演变机制

问AI · 快速蔓延野火如何削弱森林恢复力?
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背景内容

破纪录的火灾季引发了人们对野火行为指标变化的关注,包括火灾蔓延速度。极端野火事件,其特征是快速蔓延、行为异常且难以扑灭,正变得越来越频繁。仅一小部分火灾就造成了大部分基础设施损失、经济损失和人员伤亡。快速蔓延的火灾也对年度过火面积模式产生了不成比例的影响。例如,在2002年至2021年期间,美国和加拿大森林生态区每日火势蔓延速度最快的约3%(高于平均值2个标准差以上)的火灾,占总过火面积的37%之多。近期研究已通过每日或亚日尺度上的过火面积(例如,公顷/天)量化了火灾增长速率,但火灾蔓延图也可用于直接测量线性火灾蔓延速率(ROS;例如,米/天),从而为揭示控制火灾增长速率的因素以及ROS与火灾影响之间的关系提供新的视角。
研究旨在评估火灾蔓延速度与北美西部和北方针叶林生态影响之间的关系。在任何特定野火中,我们以单日增量(此处称为每日火灾蔓延事件)为样本,以探究:以火灾每日最大线性蔓延距离衡量的“快速”事件对火灾后针叶林的存续和恢复潜力的影响程度如何?我们利用一个包含约3500起火灾的数据集,这些火灾代表了约33600次每日火势蔓延事件,在2012年至2023年间,美国西部和加拿大共烧毁了4300万公顷土地。具体而言,我们评估了每日线性ROS与以下因素之间的关系:
(1)过火面积;(2)平均燃烧严重程度;(3)严重燃烧区域(CBI≥2.25;树冠死亡率≥95%)的比例;(4)高强度燃烧斑块内部到活针叶树种子源的距离。

Abstract

少数快速蔓延的野火事件会烧毁不成比例的大片区域。但除了过火面积之外,快速蔓延的火灾是否还会产生独特的火灾后生态影响?本文测量了2012年至2023年间发生在加拿大和美国西部针叶林中的3499起火灾的每日线性火灾增长率,并评估了火灾蔓延、燃烧严重程度以及火灾后景观恢复力指标之间的关系。我们发现,随着线性蔓延速率的增加,火灾严重程度、高强度燃烧面积比例以及与幸存活树种子来源的距离也随之增加。因此,蔓延速度最快的火灾不仅烧毁了超大面积的区域,而且这些区域的剩余树木覆盖率更低,恢复能力也更弱,从而为长期的植被变化埋下了隐患。鉴于随着火灾季节延长和气候条件更有利于火灾发生,极端火灾蔓延的预期将会增加,我们的研究结果凸显了有效减少不良影响、管理火灾后景观以维持森林生态系统功能以及促进社会生态适应的迫切需求。

英文原文:

A relatively small number of rapidly spreading wildfire events burn disproportionately large areas. But beyond area burned, do fast fires produce distinct postfire ecological outcomes? Here, we measure daily linear fire growth rates and assess relationships between fire spread, burn severity, and metrics of postfire landscape resilience from 3499 fires occurring between 2012 and 2023 in conifer-dominated forests of Canada and the western US. We find that as linear spread rate increases, so too does fire severity, proportion of area burned at high severity, and distance to surviving live tree seed sources. Thus, not only do the fastest fires burn outsized areas, but these areas have less remaining tree cover and reduced capacity for recovery, setting the stage for long-term vegetation shifts. Given anticipated increases in extreme fire spread as fire seasons lengthen and weather becomes more fire-conducive, our findings highlight growing needs to effectively reduce undesired impacts, manage postfire landscapes to sustain forest ecosystem functions, and foster social-ecological adaptation.

Figures

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重要结论

本文将线性火灾响应时间(ROS)与火灾对森林景观的影响联系起来,并阐明了快速蔓延火灾的复合生态影响:它们不仅燃烧面积更大,而且燃烧程度也更严重。众所周知,诸如经济损失和过火面积等火灾影响的总体指标反映的是一小部分极端野火的巨大影响。我们在此发现的响应时间、过火面积和火灾严重程度之间的关系,可以从单个火灾发生日期(DOB)扩展到整个野火,并且可能构成整个火灾季节总过火面积与燃烧严重程度之间关系的基础。尽管火灾蔓延及其控制因素存在地域差异,但我们发现的关系在北美西部和北方针叶林为主的生态区均保持一致。随着气候变化持续加剧森林燃料的可燃性、火灾季节持续时间以及极端野火天气发生的可能性,我们预计每日快速蔓延的火灾事件将进一步扩大。此类事件将对北美及其他温带生物群落的针叶林生态系统的韧性构成挑战。

火灾天气和燃料可利用性是影响火灾行为的两个重要因素,它们从机制上将火灾蔓延速度(ROS)与火灾严重程度联系起来,并可能导致本文所发现的相关性。风速与火势蔓延、树冠火以及大面积聚集的高强度火灾区域呈正相关。燃料湿度也是火灾行为的重要预测因子:干燥的燃料会促进燃料消耗和辐射能量释放,并降低燃料连通性的障碍,从而增加火灾严重程度和火灾蔓延速度。正反馈机制也会放大这些火灾行为特征。例如,活跃的树冠火中,树冠燃料的消耗会使火锋暴露于环境风中,从而增加火灾蔓延速度。此外,高度易燃的燃料和大气条件会促进自组织火灾行为,包括大规模火灾、积雨云形成和火龙卷生成,这些行为均可增加燃烧速率(ROS)或燃料消耗。相反,较低的风速、较高的燃料湿度和/或与地形变化或生态异质景观相关的不连续林冠燃料会降低燃烧速率,并形成不同燃烧强度的镶嵌景观,其中包含低强度地表火区域和未燃烧区域作为火灾避难所。

文献参考

Jonathan D. Coop et al. ,Faster, bigger, more severe: Extreme wildfire spread sets the stage for forest ecosystem change in western and boreal North America.Sci. Adv.12,eaeg5802(2026).DOI:10.1126/sciadv.aeg5802

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