岳 超,羅彩訪,舒立福,沈澤昊,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 2 北京大學(xué)生態(tài)學(xué)研究中心,城市與環(huán)境學(xué)院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871 3 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林環(huán)境與保護(hù)研究所,北京 100091

野火是全球生態(tài)系統(tǒng)中最重要的自然干擾過程之一,也是森林面臨的主要自然災(zāi)害。在2003—2012年間,全球平均每年發(fā)生火災(zāi)數(shù)十萬次,合計燒毀森林面積達(dá)6.7×108hm2,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千億美元[1],對人類生命安全和社會財富形成巨大的威脅。同時,火災(zāi)破壞地表植被,釋放大量溫室氣體、顆粒物和其他痕量氣體,加劇水土流失和空氣污染,是全球氣候變化的重要驅(qū)動因子之一[2-3]。1997—2015年間,全球野火導(dǎo)致的碳排放約為2.0 Pg C/a(1Pg = 1015g),其中熱帶毀林和泥炭地焚燒導(dǎo)致的二氧化碳凈排放約為0.5 Pg C/a,對大氣二氧化碳濃度升高的貢獻(xiàn)顯著[4]。盡管數(shù)億年作用至今的野火有其自然起因,如閃電,但目前人類活動已在全球絕大多數(shù)地區(qū)成為野火發(fā)生的首要起因。這更使得野火的發(fā)生、分布及生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)成為全球變化研究的焦點問題[1, 5]。

另一方面,野火長期、廣泛地作用于陸地表面大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng),并成為許多植被類型和物種賴以存續(xù)的關(guān)鍵過程[6- 7]。在熱帶、亞熱帶的半干旱和半濕潤地區(qū),野火摧毀地表植被并重啟群落演替過程,對生態(tài)系統(tǒng)的物種組成產(chǎn)生了一系列影響[5],也是控制樹木覆蓋度、影響木本植物功能性狀的顯著因素[6- 8]。野火通過改變地表植被的組成、葉面積和高度,顯著調(diào)控了景觀和區(qū)域尺度的水文過程[9]。在全球尺度上,野火通過對碳-水循環(huán)、地表反照率、大氣氣溶膠和云團(tuán)性質(zhì)的影響,最終可能改變地表能量平衡[10]。由于野火對于地表環(huán)境的多尺度影響,全球氣候觀測系統(tǒng)(Global Climate Observing System,GCOS)將野火干擾列為關(guān)鍵氣候變量(Essential Climate Variable,ECV)之一。據(jù)預(yù)測,隨著溫室氣體排放增加和全球氣候變化的加劇,未來全球多數(shù)地區(qū),特別是高緯森林,將面臨更高的火災(zāi)風(fēng)險[11-12]。

在上述背景下,國際野火研究近年來在火的觀測、模擬和影響方面取得了顯著進(jìn)展。本文依據(jù)對國際科學(xué)論文SCI數(shù)據(jù)庫和中國科技論文CNKI數(shù)據(jù)庫的野火研究文獻(xiàn)檢索結(jié)果,就野火探測技術(shù)方法、野火時空格局及其生態(tài)、環(huán)境和進(jìn)化效應(yīng),以及全球變化對野火活動的影響等4個方面的國際、國內(nèi)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,明確其前沿問題和發(fā)展方向,以期對國內(nèi)的林火研究提供有益借鑒。鑒于絕大多數(shù)野火研究并不就其起因做“人為”或“自然”的區(qū)分,本文涉及的文獻(xiàn)包含且不區(qū)分上述兩類,而統(tǒng)稱為“野火研究”。

1 野火研究的迅速發(fā)展

1.1 研究論文的迅速增長

根據(jù)對ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫的多主題詞搜索(2000—2017年, 圖1),近20年來野火研究的年發(fā)表量增長4倍,其中2004年和2011年是增長加速的兩個轉(zhuǎn)折點?？傮w上,火燒面積(burned area)和火燒體系(fire regime)構(gòu)成了野火探測評估的兩大主題,兩者分別反映了野火研究在全球-國家尺度和區(qū)域-景觀尺度的關(guān)注焦點,并顯示了野火研究的時空多尺度特征。此外,近十年來,對火燒斑塊(fire patch, fire size)、火燒烈度(fire intensity)和輻射能量(radiative power)的研究也明顯增加。對野火的研究由過去側(cè)重于火燒面積單一因素,轉(zhuǎn)向運用多重屬性來定量刻畫野火活動的時空格局。

圖1 以不同野火指標(biāo)為主題關(guān)鍵詞的ISI Web of Science文獻(xiàn)檢索結(jié)果(2000—2017)Fig.1 The search result for various wildfire indices as key words of references collected in the ISI Web of Science (2000—2017)

1.2 林火研究的區(qū)域差異和國別分布

野火作為一種自然干擾廣泛存在于全球各種植被中,并成為部分植被類型(如稀樹干草原)得以維持的關(guān)鍵機制。在溫帶高緯森林和地中海氣候區(qū)、特別是北美、歐洲、澳大利亞以及南非,野火時空分布及火后植被恢復(fù)動態(tài)的研究歷史已久,發(fā)展較為成熟。該區(qū)域在野火研究占絕對主導(dǎo)地位,而中國、巴西和東南亞地區(qū)近十年來的林火研究迅速發(fā)展起來。日本盡管是溫帶海洋性氣候,林火較少,但相關(guān)研究也較發(fā)達(dá)(圖2a)。

圖2 ISI Web of Science野火研究文獻(xiàn)的國別分布(a)和中國SCI發(fā)表的進(jìn)展(b)Fig.2 The national composition of publications on wildfire and vegetation in the ISI Web of Science (a) and the recent progress of publication by Chinese authors (b)

同時,在ISI web of science數(shù)據(jù)庫中,以篇名為“forest fire”,研究國別為“China”的檢索詞組合,搜索迄今(至2018年底)收錄的SCI期刊論文,包括“article”和“review”類別,共計163篇。這些結(jié)果反映了過去10年我國林火領(lǐng)域的研究成果在國際學(xué)術(shù)界的展示與發(fā)展。中國林火災(zāi)害研究基本從2000年起開始在SCI期刊發(fā)表,2010年前每年發(fā)表在6篇以內(nèi),但自2010年起進(jìn)入迅速增長期,2018年已達(dá)到26篇,表明中國林火研究已經(jīng)逐漸進(jìn)入國際學(xué)術(shù)視野(圖2b)。

在中國學(xué)者迄今發(fā)表的合計163篇林火研究的SCI論文中,來自中國第一作者的有130篇,其中78篇為中國作者的獨立研究,占總數(shù)的60%,剩下的40%屬于與國際學(xué)者的合作論文；此外,還有部分文章的第一作者分別來自美國、加拿大、澳大利亞、日本、芬蘭等9個國家,占全部論文的20.2%,其中美國合作者的比例占約40%。

1.3 林火研究的主題分布

對Web of Science數(shù)據(jù)庫中搜集到的1146篇野火研究論文進(jìn)行學(xué)科分類統(tǒng)計(圖3a),其中林業(yè)科學(xué)(24.6%)和生態(tài)-環(huán)境科學(xué)(24.5%)論文占總數(shù)的一半,此外有地質(zhì)(古環(huán)境)、大氣、自然地理、農(nóng)業(yè)、植物學(xué)、遙感和生物多樣性保護(hù)等領(lǐng)域的論文占到3%—5%的份額,除此以外,還有近1/4的論文分布在其他52個小類中。由此可見,一方面,森林火災(zāi)及其相關(guān)的生態(tài)和環(huán)境問題是國際野火研究的絕對核心主題；同時,野火及其效應(yīng)和應(yīng)對相關(guān)問題也是很多學(xué)科關(guān)注的對象,包括管理、經(jīng)濟(jì)、社會、法律和政策各領(lǐng)域,具有非常廣泛的影響。

圖3 當(dāng)前森林火后生態(tài)恢復(fù)研究的學(xué)科類別(a)和研究主題的比例構(gòu)成(b)Fig.3 The compositions of publications about post-fire forest restoration, with regard to the disciplines (a) and (b) research subjects

將野火研究的對象按照火燒過程發(fā)生前、中、后三個階段來劃分,三者在SCI論文中的比例分別占22.1%、12.5%、64.4%(圖3b)。其中,近2/3的研究是針對火燒發(fā)生后的生態(tài)和環(huán)境影響(30.6%)、火后植被和生境的恢復(fù)(10.5%)和生物物種對火的適應(yīng)特征(7.7%),以及大時空尺度林火分布格局及其驅(qū)動機制(9.3%+6.3%)；對火前的研究集中在林火風(fēng)險的評估與早期預(yù)警(10.5%),尤其是針對天氣、氣候條件和可燃物的評估；林火預(yù)防及降低林火風(fēng)險的森林管理技術(shù)研究占12.1%,如清除可燃物的計劃火燒技術(shù)等等?；鹬醒芯繉儆谶^程研究,以林火本身的行為特征及其驅(qū)動機制為對象,主要包括林火發(fā)生早期的探測、蔓延面積及其烈度的評估和預(yù)測。具體內(nèi)容詳見2,3,4,5部分。

1.4 林火技術(shù)發(fā)明專利數(shù)量和構(gòu)成的發(fā)展

以“forest fire”為主題詞,搜索中國知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫中迄今收錄的國際林火技術(shù)發(fā)明專利,合計得到373份。根據(jù)內(nèi)容,將這些與林火相關(guān)的技術(shù)專利分為“滅火”、“防火”、“探測/監(jiān)測”、“預(yù)警/警報”、“評估”、“模擬”六大類,在默認(rèn)國際技術(shù)專利的收錄不完整的前提下,分析國際林火專利的年際變化和及其技術(shù)構(gòu)成(圖4)。

圖4 中國知網(wǎng)CNKI收錄的國際林火相關(guān)的技術(shù)發(fā)明專利Fig.4 The interannual change of the number and subject composition of the international patents of inventions in wildfire-related fields

首先,國際林火相關(guān)的發(fā)明專利始于1951年,但在1980年以前數(shù)量很少。20世紀(jì)末,國際林火專利開始顯著增加,但自2010年以來發(fā)展已經(jīng)平穩(wěn),甚至開始下降。就專利類別而言,在20世紀(jì)基本集中于火災(zāi)發(fā)生的早期探測/監(jiān)測、滅火和防火,在全部國際林火相關(guān)專利數(shù)中分別占41.6%、28.2%和22%(合計91.8%),火災(zāi)預(yù)警和評估在國際專利中分別占5.1%和1.6%。由此可見,與林火相關(guān)的國際技術(shù)發(fā)明明顯地偏重火前管理,包括早期林火探測/識別/定位和滅火技術(shù),近十年來對防火技術(shù)專利的重視加強。

2 野火探測技術(shù)和方法

2.1 多尺度遙感平臺和信息技術(shù)在野火探測和監(jiān)測中的應(yīng)用

火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)對減少最終損失極為重要。傳統(tǒng)上,遠(yuǎn)距離野火探測主要依賴于瞭望塔等地基設(shè)備和航空巡護(hù),但往往效率低下,遺漏較多。目前,野火的早期探測和空間定位主要依賴衛(wèi)星遙感手段(圖5)。其中,中等分辨率衛(wèi)星遙感產(chǎn)品應(yīng)用廣泛,包括基于MODIS影像的火燒面積產(chǎn)品MCD45A1和MCD64A1[13]、歐洲空間局(European Space Agency or ESA)基于MERIS影像和MODIS火燒面積產(chǎn)品[14-15],及全球0.5-度分辨率的各種野火排放氣體和顆粒物產(chǎn)品[16-17]。但此類遙感產(chǎn)品存在顯著低估小火斑面積而高估火點數(shù)量等問題[18-19]。因此基于衛(wèi)星遙感技術(shù)研發(fā)更為精準(zhǔn)的火點和蔓延面積數(shù)據(jù)已成為趨勢,如ESA已經(jīng)在研發(fā)基于Landsat和Sentinel- 2衛(wèi)星影像的10—30 m精度野火產(chǎn)品。另一方面,隨著無人機技術(shù)的迅猛發(fā)展,未來區(qū)域-景觀尺度的無人機林火早期預(yù)警和火場態(tài)勢監(jiān)控將成為主流技術(shù)。可以預(yù)見,隨著空間觀測技術(shù)和計算能力的進(jìn)一步提高,野火探測、監(jiān)控和火災(zāi)風(fēng)險評估技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入高分辨率和大數(shù)據(jù)時代。

圖5 近50年大尺度野火調(diào)查探測技術(shù)的演變Fig.5 The evolution of techniques for macro-scale wildfire survey and detecting in the last 50 yr

2.2 火災(zāi)探測和火險評估從單一指標(biāo)向多指標(biāo)轉(zhuǎn)換

早期研究運用的火燒信號比較單一,如著火區(qū)地面熱紅外輻射信號[20]、火輻射能量[21]、植被受損信息等[22-23]。近年來,利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲得了更為豐富的綜合性野火數(shù)據(jù),推動著野火多指標(biāo)探測和時空格局及生態(tài)效應(yīng)的綜合評價。Archibald等[24]基于火燒面積、火的間隔期、輻射能量、火斑大小、擴散速度、及野火季節(jié)性六個因素來綜合量化野火體系(fire regime),首次將全球分成五個火群區(qū)類型(pyromes),是利用野火多指標(biāo)進(jìn)行宏觀格局分析的重要成果。Andela等[25]最近發(fā)布了一套基于MODIS的多指標(biāo)野火斑塊數(shù)據(jù)集。可以預(yù)見,這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用將從多個側(cè)面深化對火過程的認(rèn)識。

2.3 林火行為和林火模型

林火行為研究為林火撲救和森林管理提供理論依據(jù),而根據(jù)林火實驗和野火記錄,建立林火蔓延模型進(jìn)行林火行為量化和可視化,具有重要的實踐指導(dǎo)意義。林火行為包括林火蔓延速度、火強度和火焰高度,其影響因子包括天氣、地形和可燃物[26]。Albini[27]發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與林火蔓延速度為非線性關(guān)系,不同可燃物類型影響火頭停留時間。林火蔓延模型不確定性來源于火場的風(fēng)速變化和風(fēng)向變化,因為模型建立在無風(fēng)或者固定風(fēng)速基礎(chǔ)上,導(dǎo)致林火蔓延速度被低估[28-29]。不同林火行為會影響樹木燒焦高度、死亡率以及種子雨傳播距離,從而影響火后群落結(jié)構(gòu)和物種組成[30]。隨著計算機技術(shù)和遙感技術(shù)發(fā)展,林火蔓延模型進(jìn)入二維甚至多維的空間模擬階段,常用的空間模擬模型包括美國Farsite 模型[31],加拿大Prometheus 模型[32]和澳大利亞Phoenix模型[33]等,模型中還可以加入飛火、樹冠火等火行為模型以提高模型準(zhǔn)確度。另外,為了物種保護(hù)和減少林火帶來的損失,氣候變化和砍伐等對林火行為的影響[34]或者將干擾加入景觀模型如LANDIS模型[35],為森林可燃物管理和林火預(yù)防提供參考。未來高分辨率遙感數(shù)據(jù)的使用、多種可燃物模型的建立,以及景觀尺度的林火行為動態(tài)研究,將可以顯著提高模型預(yù)測能力和結(jié)果的可靠性。

2.4 林火風(fēng)險評估與預(yù)警模型

森林火險評價和預(yù)警系統(tǒng)以火災(zāi)發(fā)生機制、森林可燃物載量、分布及可燃性、森林火后更新特征等多方面的研究成果為基礎(chǔ),對森林火災(zāi)的預(yù)警預(yù)報和火后森林管理具有必不可少的技術(shù)支撐作用。美國和加拿大的森林火險評估技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用最為領(lǐng)先,均于1972年開發(fā)出國家森林火險等級系統(tǒng)。

1)加拿大森林天氣火險等級系統(tǒng)

加拿大森林火險天氣指數(shù)系統(tǒng)(FWI)是加拿大森林火險等級系統(tǒng)的重要組成部分,該指標(biāo)體系以時滯-平衡含水率理論為基礎(chǔ),通過天氣條件計算可燃物含水率變化,再結(jié)合可燃物載量和分布確定潛在火險等級[36]。FWI 系統(tǒng)根據(jù)加拿大短葉松成熟林研制,經(jīng)實驗修訂后應(yīng)用到其他樹種。FWI系統(tǒng)的輸入因子包括氣溫、相對濕度、風(fēng)速和降水量。預(yù)報結(jié)果包括6個指標(biāo),分別描述細(xì)小可燃物和腐殖質(zhì)濕度、林火蔓延速度、可燃物載量以及火頭強度。該系統(tǒng)將森林火險與可燃物含水率密切結(jié)合的思路得到普遍認(rèn)同,許多國家將其引進(jìn)和本地化后形成了相似的火險天氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)在北方森林區(qū)得到了成功應(yīng)用。例如,Flannigan等[37]運用FWI對加拿大森林火險的長期趨勢進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果顯示到2100年,森林火險在大部分地區(qū)呈增加趨勢,但東部地區(qū)下降。Stocks等[19]運用4個GCM模型研究了俄羅斯和加拿大北方林中氣候變化對林火體系的影響, 并預(yù)測了2倍CO2濃度下的森林火險分布,結(jié)果顯示出現(xiàn)極端火險的區(qū)域?qū)⒋蟠笤黾印?/p>

2)美國國家火險等級系統(tǒng)

美國國家火險等級系統(tǒng)(National fire danger rating system or NFDRS)是基于燃燒原理和實驗室試驗發(fā)展的物理模型。模型采用的常數(shù)和參數(shù)反映了各種可燃物、天氣、地形和危險條件之間的關(guān)系。用于計算火險等級指數(shù)的數(shù)據(jù)包括每日觀測的天氣指標(biāo),和用戶設(shè)置的可燃物和植被環(huán)境參數(shù), 如植被狀態(tài)、季節(jié)和綠度因子等,以利用模型結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件來預(yù)測火險狀況。

NFDRS在美國的應(yīng)用基于AVHRR的每周影像計算植被NDVI 數(shù)據(jù),以此估計活植被狀態(tài),采用天氣信息管理系統(tǒng)(Weather information management system or WIMS)、Fire WeatherPlus and Weather Pro 和Fire Family Plus三大系統(tǒng)來產(chǎn)生NFDRS 的輸出結(jié)果。野火管理人員通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲得NFDRS 信息(http ://www.fs.fed.us/land/wfas)?；ヂ?lián)網(wǎng)展示全美國的每日火險圖,包括火險等級、死可燃物和活可燃物濕度、干旱指數(shù)、Haines 指數(shù)和Burgan 潛在火指數(shù),為林火管理部門提供參考。美國氣象局、林務(wù)局從20世紀(jì)70年代起,就開始應(yīng)用短期氣候預(yù)報進(jìn)行中長期森林火險預(yù)測預(yù)報,其方法即是運用短期天氣預(yù)報結(jié)果的20年歷史序列確定林火氣象敏感區(qū),再結(jié)合森林火險等級系統(tǒng)(NFDRS)給出森林火險的中長期預(yù)測。在周時間尺度上, 所有的NFDRS指數(shù)都得到良好的預(yù)測。

迄今,國外已有的長期火險預(yù)測主要基于氣候因素,較少考慮植被變化。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)、全球大氣環(huán)流模型和動態(tài)植被模型為基礎(chǔ)的火險預(yù)測模型的發(fā)展與整合,構(gòu)建更為復(fù)雜的林火動態(tài)機理模型,在不同尺度揭示林火與氣候變化的耦合動態(tài)將是未來方向。

3 野火時空格局研究

3.1 對野火過程與火燒格局相互作用的研究日漸深入

隨著野火的多指標(biāo)量化和多尺度模擬技術(shù)進(jìn)步,對野火體系與其驅(qū)動因素和生態(tài)-環(huán)境效應(yīng)之間的研究日漸深入。如Kasischke等[38]發(fā)現(xiàn)阿拉斯加地區(qū)野火產(chǎn)生的碳排放密度與火斑塊大小顯著相關(guān),大火年份單位面積碳排放為較低火年份的近2倍。Hantson等[39]發(fā)現(xiàn)火斑塊大小符合冪函數(shù)分布,且冪指數(shù)受人為活動和氣候的顯著影響。Rogers等[40]比較了歐亞大陸和北美北方森林的野火,發(fā)現(xiàn)兩區(qū)域火強度、森林受破壞程度和不同樹種對火的適應(yīng)能力方面具有系統(tǒng)性差異。在野火模擬方面,多數(shù)植被模型基于火擴散過程模擬火斑塊大小和火燒面積。Yue等[41]首次比較了模型模擬與衛(wèi)星觀測的野火斑塊大小和數(shù)量,發(fā)現(xiàn)模型低估了極端大火(extreme fire或catastrophic fire)的數(shù)量。

3.2 極端大火發(fā)生風(fēng)險與生態(tài)-環(huán)境效應(yīng)成為關(guān)注焦點

極端大火對生態(tài)系統(tǒng)具有較大破壞性,且隨著氣候變暖和干旱化可能變得更加頻繁[42]。因此,極端大火的發(fā)生機制、生態(tài)影響、風(fēng)險評估、精準(zhǔn)預(yù)報,以及旨在降低大火風(fēng)險的適應(yīng)性森林管理已成為科學(xué)界和公眾的關(guān)注熱點。Bowman等[43]研究了輻射能量前0.0025%的極端大火事件,發(fā)現(xiàn)其與一般野火在危險指數(shù)頻率分布上沒有差異,但前者涉及的人口密度顯著較高。Sedano和Randerson[44]發(fā)現(xiàn)阿拉斯加地區(qū)大火的發(fā)生與大氣飽和水汽壓虧缺顯著相關(guān)。在全球變暖情景下,未來大氣水分虧缺會持續(xù)加劇,極端大火風(fēng)險將會進(jìn)一步增大。目前,關(guān)于極端大火的研究剛剛起步,預(yù)計未來得益于先進(jìn)遙感技術(shù)和人工智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)支持,方將能夠在極端大火的預(yù)測預(yù)報和環(huán)境-生態(tài)風(fēng)險評估方面取得突破。

4 全球變化對野火的影響

4.1 氣候變化對野火的影響

根據(jù)ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫,關(guān)于氣候變化和野火的研究自2000年以來呈指數(shù)增加趨勢,其中森林火災(zāi)研究約占八成,而關(guān)于極端火災(zāi)的研究約占20% (圖4)。氣候變化對火災(zāi)發(fā)生的顯著影響主要包括大氣CO2濃度增加和氣溫升高。首先,升溫和CO2濃度增加導(dǎo)致生長季延長,提高森林和草原的生物量從而增加地表可燃物載量。其次,全球變暖增加了溫帶大氣層中的閃電數(shù)量[45]。美國大陸地區(qū)的閃電數(shù)量將增加50%,顯著提高野火風(fēng)險[45-46], 研究預(yù)估美國加州2020—2049年將增加雷擊火19.1%[47]。Stocks等[48]發(fā)現(xiàn)加拿大北方針葉林野火中,閃電導(dǎo)致的單次火面積遠(yuǎn)大于人工火源。此外,閃電能解釋阿拉斯加和加拿大北部近年來森林大火年際波動55%以上,可能會增加碳損失和促進(jìn)北方森林向北擴張[46]。第三,氣溫升高會提高大氣蒸發(fā),從而加劇干旱和和提高野火風(fēng)險,特別是在可燃物充足的森林地區(qū)。實際上,受氣溫升高影響,近50年來北美高緯森林野火面積呈上升趨勢[48],野火面積受到氣溫變化的顯著驅(qū)動[49]。此外,野火頻率的季節(jié)分布也在變化。近期北美地區(qū)火季晚期的野火頻率顯著上升,火強度更大導(dǎo)致了更多的CO2排放[50-51]。氣候變化在全球尺度上已經(jīng)顯著增加了野火風(fēng)險,在受干旱影響的區(qū)域尤為顯著[52-54]。

另一方面,海溫指數(shù)(sea surface temperature)與林火發(fā)生也存在遙相關(guān)關(guān)系,其中ENSO(El Nio Southern-Oscillation)是最重要的海溫指數(shù),可預(yù)測全球1/3的過火面積[55]。ENSO對降水進(jìn)行重分配導(dǎo)致極端干旱[56],對林火的作用大小和時間取決于對林火天氣和可燃物特征的影響[57]。在亞洲溫帶、東非和亞洲赤道地區(qū)形成林火風(fēng)險天氣,在澳大利亞西北部、印度和南美洲等地則與生長季降水、可燃物負(fù)相關(guān),限制林火蔓延速度[55]。ENSO引發(fā)林火發(fā)生的同時,也會增加CO2排放1.0 ppm/yr[58],熱帶地區(qū)厄爾尼諾期間比拉尼娜要增加133%的氣體排放[57]。1997—1998年ENSO引發(fā)的干旱影響全球大部分熱帶雨林[56],碳排放量達(dá)3.0 Pg,為近二十年最高[4]。

圖6 Web of Science氣候變化與不同野火研究主題的年際動態(tài),包括“climate change AND fire”(藍(lán)色、“forest”(紅色)、“extreme fire”(橙色)三個主題的檢索結(jié)果Fig.6 The result of reference searching the Web of Science on the subject of climate change and wildfires. The blue bar indicates the result for “climate change AND fire”; the red bar indicates a sub-searching on the key word of “forest”; the orange bar represents the searching result on the subject of mega-fire

4.2 人類活動及其變化對林火的影響

人類活動通過影響地表植被及可燃物狀態(tài)、主動產(chǎn)生火源和撲滅災(zāi)害性火災(zāi)顯著影響了野火的發(fā)生。Archibald等[58]的研究表明,在非洲大陸不同歷史時期,人類活動通過影響野火的不同方面改變了火的大小和季節(jié)性。約100萬年前,人類活動對火的頻率的影響最為重要,約10萬年前對火的季節(jié)影響最為重要,而到了約1萬年前則是通過改變可燃物的連通性顯著減少了野火面積。

人類活動不僅影響野火的空間分布,也影響火的體系和分布。如Stocks等[48]對加拿大地區(qū)1959—1997年間的野火分析表明,人為活動導(dǎo)致的火主要分布在南部離居民點較近的地區(qū),而閃電導(dǎo)致的火則主要分布在中北部地區(qū)；且由于人為導(dǎo)致的火更易被發(fā)現(xiàn)和及其撲救,其火斑面積平均只有閃電導(dǎo)致的火斑面積的二分之一。Achard等[59]對俄羅斯森林地區(qū)2002—2005年的火點分析表明,人為活動影響林區(qū)的火點密度是原始林區(qū)的6—7倍,表明人為活動在俄羅斯森林火災(zāi)中占主導(dǎo)地位。在熱帶地區(qū),特別是亞馬遜雨林和東南亞,農(nóng)田、牧場和種植園的開墾導(dǎo)致了毀林和泥炭地的退化,而火常常被用作清除地表植被的手段[60],這些人為活動導(dǎo)致的火災(zāi)在氣候較為干旱的厄爾尼諾年份更加突出[61]。

盡管人為活動對野火具有廣泛的影響,全面認(rèn)識這一影響仍然面臨兩方面的挑戰(zhàn)。第一是長期以來缺乏統(tǒng)一的理論框架來描述和解釋人為活動的影響,第二是缺乏適當(dāng)表征人類活動的指標(biāo)以將其納入到野火模擬的框架中。Andela等[62]通過系統(tǒng)分析衛(wèi)星觀測時期全球野火面積的變化,提出了一個人為活動對熱帶地區(qū)野火影響的簡單框架模型。該理論用資本投入來表征人為活動的強度,認(rèn)為在熱帶濕潤區(qū)域,野火隨人為活動強度呈先增加后減小的趨勢。這是因為早期的人為活動以農(nóng)業(yè)開墾和毀林為主,火是一種重要的管理手段,而后期由于資本投入增加和管理的集約化,火作為一種災(zāi)害受到抑制。在熱帶干旱和半干旱地區(qū),人為管理對野火則呈現(xiàn)持續(xù)的抑制作用。

在人為活動對野火影響的表征方面,目前常用的指標(biāo)包括人口密度、農(nóng)田面積、載畜密度和人均國民生產(chǎn)總值(GDP)等。全球動態(tài)植被模型中的火模塊多利用基于觀測的野火與這些指標(biāo)間的經(jīng)驗關(guān)系將人為活動對火的影響納入模型[63]。Bistinas等[64]利用廣義線性模型研究了火燒面積與木本植物蓋度、農(nóng)田面積比、最高月均溫和人口密度等因子的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在剔除其他共變因素的前提下,火燒面積隨人口密度和農(nóng)田面積比顯著下降,表明人類活動總體上減少了野火的發(fā)生。Archibald等[65]發(fā)現(xiàn)非洲大陸火的熱點隨人口密度呈先增加后下降的趨勢,然而火燒面積在人口密度增加初期保持不變,隨后再隨人口密度增加而下降。Andela等[66]發(fā)現(xiàn)熱帶濕潤區(qū)載畜密度和野火面積呈正相關(guān)關(guān)系,在熱帶干旱/半干旱區(qū)和北半球溫帶地區(qū)則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

總體上,人類活動在上世紀(jì)特別是后半期對野火產(chǎn)生了顯著的抑制作用[65- 67],這歸因于人為撲救火災(zāi)、管理集約化和人為活動導(dǎo)致地表破碎化和可燃物連通性下降等多方面。Knorr等[67]利用模型預(yù)測在未來氣候變化情景下,本世紀(jì)人為活動影響可以抵消全球升溫帶來的火災(zāi)加劇趨勢,僅在高大氣CO2濃度情景下,氣候因素對野火的影響到本世紀(jì)中期以后才占主導(dǎo)地位。隨著未來人口持續(xù)增加和人為活動的加強,人為活動和野火間的相互作用將成為持續(xù)的研究熱點,預(yù)計會向跨尺度、重機理的方向發(fā)展。

5 野火的環(huán)境、生態(tài)和進(jìn)化效應(yīng)

5.1 野火的環(huán)境效應(yīng)

野火導(dǎo)致大量溫室氣體排放,同時釋放顆粒物形成氣溶膠,后者散射太陽輻射、延長云壽命并提高云反照率,從而產(chǎn)生降溫作用；此外,野火又通過破壞地表植被來影響下墊面反照率、潛熱和感熱通量等,對大氣產(chǎn)生進(jìn)一步反饋；最后,野火產(chǎn)生的大氣排放和氣候影響也會對植被生長產(chǎn)生反饋,從而在各種因素間形成反饋回路。由于火在地球系統(tǒng)中復(fù)雜而重要的作用,全球氣候觀測系統(tǒng)(GCOS)將野火干擾列為關(guān)鍵氣候變量ECV之一。歐洲空間局在其歐洲氣候變化重大項目“Climate Change Initiative”中,將野火作為衛(wèi)星觀測的優(yōu)先變量(www.esa-fire-cci.org)。因此,參與IPCC第五次評估報告的絕大多數(shù)地球系統(tǒng)模式都包括了對野火過程以及生態(tài)影響的模擬[68]。

野火對陸地植被碳循環(huán)的影響是評價野火生態(tài)作用的一個重要方面。定量評估野火產(chǎn)生的碳排放,主要方法是利用可燃物量、燃燒比例和火燒面積進(jìn)行計算。過去幾十年,通過野火燃燒的實地測量、衛(wèi)星遙感和模型模擬,已經(jīng)積累了大量可燃物量、燃燒比例和燃燒量的樣點數(shù)據(jù)[69]。在全球野火溫室氣體排放方面,阿姆斯特丹自由大學(xué)建立的全球火排放數(shù)據(jù)庫GFED得到最廣泛應(yīng)用。最新發(fā)布的GFED4s涵蓋了1997年以來的逐月排放數(shù)據(jù)[4]。在此基礎(chǔ)上,van Marle等[70]結(jié)合全球沉積層中的黑炭信息和多個植被模型的火排放歷史模擬結(jié)果,重建了1750—2015的全球火排放數(shù)據(jù),以供IPCC第六次評估報告使用。

野火對陸地植被碳循環(huán)的貢獻(xiàn)還包括CO2排放導(dǎo)致植物光合作用提高,以及野火對植被演替動態(tài)的影響[7,71]。已有很多利用動態(tài)植被模擬模型開展的火對全球和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響模擬研究,結(jié)果一致認(rèn)為野火降低了陸地碳匯能力[72- 74],但幅度上存在極大的不確定性。為了加強不同模型間的比較,野火模擬科學(xué)團(tuán)體在2014年啟動了一個非正式的植被火模式比較項目(https://www.imk-ifu.kit.edu/firemip.php),利用多模型模擬1700年以來野火對植被碳循環(huán)的影響,目前該結(jié)果正在整理中。下一階段的主要挑戰(zhàn)是降低這一認(rèn)識的不確定性,和提高對于未來的預(yù)測能力[63, 75]。

在全球尺度上闡明野火通過改變輻射強迫而影響氣候,可以采用植被模型與氣候模型相耦合,或者是將野火產(chǎn)生的溫室氣體排放、氣溶膠等信息輸入到氣候模型中。野火是全球碳質(zhì)氣溶膠的最大來源[76],氣溶膠中的有機碳和黑碳散射和吸收輻射[77-78],同時黑碳給云層增加熱量使其蒸發(fā)改變輻射平衡[79]。Ward等[12]發(fā)現(xiàn),在工業(yè)革命前,野火產(chǎn)生的氣溶膠負(fù)輻射強迫可以抵消其溫室氣體正輻射強迫效應(yīng),并且火的輻射強迫效應(yīng)具有顯著的歷史變化。同時,林火排放的氣溶膠和溫室氣體隨大氣環(huán)流遠(yuǎn)距離傳輸,影響區(qū)域的空氣質(zhì)量和輻射,俄羅斯林火產(chǎn)生氣溶膠導(dǎo)致韓國減少太陽輻射57%,PM10濃度增加至258 μg/m3[80],南亞林火導(dǎo)致青藏高原低對流層的臭氧和氣溶膠增加[81]。此外,火對植被的干擾顯著提高了地表的反照率[82-83],并產(chǎn)生了明顯的降溫作用[84]。另一方面,溫室氣體排放可能加速高緯地區(qū)凍土中的有機碳分解[85-86]。因此,在氣候變化背景下評估野火對高緯地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的效應(yīng),需要從地-氣相互作用整體出發(fā),通過多種途徑完善對一系列與火有關(guān)的過程的認(rèn)識,包括火在土壤水熱傳導(dǎo)、對高緯凍土動態(tài)的影響以及對植被組成的影響等。

除極端厄爾尼諾事件導(dǎo)致的干旱外,熱帶雨林和季雨林野火風(fēng)險較低。然而隨著氣候變化導(dǎo)致的干旱頻率增加,加上人為干擾的擴張,這一區(qū)域的野火也引起高度關(guān)注[87-88]。研究發(fā)現(xiàn)亞馬遜森林野火增加了碳排放；在極端干旱年份,野火導(dǎo)致的碳排放達(dá)到了森林砍伐碳排放的一半[89]。并且由于熱帶雨林和季雨林的樹種并不耐火,結(jié)果樹木死亡率高于熱帶薩瓦納地區(qū)樹皮較厚的樹木[6,90]。由此推斷,如果熱帶地區(qū)野火干擾持續(xù)增加,熱帶森林將向薩瓦納植被退化[91]。目前,盡管在溫帶和熱帶地區(qū)開展了很多站點尺度的火后森林動態(tài)研究,但尚沒有形成大尺度的模型和理論,制約了火后森林動態(tài)預(yù)測和有效管理。隨著氣候變暖和野火風(fēng)險加大,這一問題將會成為今后研究的重點和熱點方向。

5.2 野火的生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)

野火通過破壞植被和地面強度加溫,短時內(nèi)將大量的植被和土壤有機質(zhì)瞬時轉(zhuǎn)化成為無機灰分[92],改變土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分,并導(dǎo)致地面裸露和土壤侵蝕的加劇[93]。在寒溫帶或者黏土、泥炭土等有機物分解緩慢和土壤排氣不暢地區(qū),林火能夠促進(jìn)微生物活動和有機物分解,從而改善土壤[94]。另外,由于不同土壤動物和微生物對養(yǎng)分或碳源需求以及溫度敏感性不同,植被耐火能力和更新能力差異,使得火后生物多樣性和物種組成也會受到影響[95]。林火導(dǎo)致土壤溫度、水分、微生物和溫度敏感性(Q10)變化導(dǎo)致土壤呼吸改變,土壤呼吸隨著林火強度增加而降低[96- 97]。林火對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的影響與林火強度和氣候相關(guān),生態(tài)系統(tǒng)可能會退化,也可能會更具有抵抗力和彈性。

火與北方森林植被組成和動態(tài)的關(guān)系也是研究最為深入的科學(xué)問題之一。Wirth[98]依據(jù)植物的火適應(yīng)性策略將高緯森林分成了五類：耐火樹種、火后入侵樹種、喜火樹種、適火樹種和避火樹種。不同類型樹種構(gòu)成的北方森林在歐亞大陸北部和北美形成了顯著不同的林火體系和火后演替動態(tài)。前者以落葉松是優(yōu)勢種,通常發(fā)生地表火,其作用相當(dāng)于間伐,驅(qū)動低強度的次生植被演替；而北美地區(qū)以黑云杉和杰克松為主,通常發(fā)生更為強烈和大規(guī)模的冠層火,導(dǎo)致整個森林生態(tài)系統(tǒng)完整更新。這一巨大差異直到近年來才在大范圍內(nèi)得到了證實[99- 101]。

開展火后森林適應(yīng)性管理,準(zhǔn)確預(yù)測樹木死亡率非常重要。在歐洲南部各國有大量火后更新和死亡率的研究。Fernandes等[102]綜述了歐洲主要7種針葉林的林火死亡率模型。Catry等[103]研究了葡萄牙中部地區(qū)混交林的火后死亡率,發(fā)現(xiàn)過火4年后針葉林的死亡率高達(dá)90%,超過75%的闊葉樹樹冠被火損壞致死,但通過萌發(fā)再生闊葉樹的整株死亡率僅為8%。Woolley等[104]綜述了美國西部地區(qū)19種針葉樹和3種硬木林的100多個火后死亡率模型,包括了野火和管理用火。Catry等[105]對葡萄牙不同地區(qū)14個樹種的火后存活分析表明,火后針葉樹死亡率主要受火的強度控制,闊葉樹樹冠死亡率則還隨樹皮厚度和植株胸徑增加而減小。

5.3 野火的生物進(jìn)化效應(yīng)

植物適應(yīng)特定的林火動態(tài)而非林火本身,并發(fā)生進(jìn)化[106]。追溯植物與火相關(guān)的性狀進(jìn)化的時間和起源,可以將林火適應(yīng)分為特定適應(yīng)和擴展適應(yīng)(由其他進(jìn)化壓力擴展至適應(yīng)林火動態(tài))[107]。如當(dāng)前地中海氣候下林火發(fā)生后普遍存在的硬葉,在地中海氣候形成之前為適應(yīng)貧瘠的土壤和季節(jié)性干旱進(jìn)化而成,現(xiàn)在表現(xiàn)出對林火的適應(yīng)就屬于擴展適應(yīng)[108-109]。具體研究方法包括宏進(jìn)化方法和微進(jìn)化方法,二者分別研究性狀的歷史起源、長期進(jìn)化,和同種植物的不同種群在不同火環(huán)境下的差異性進(jìn)化[110]。

根據(jù)宏進(jìn)化研究,從志留紀(jì)(—440 Ma)陸地植物起源以來,火一直是陸地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)的一部分[111-112]。中生代(251—66 Ma)時,林火的影響擴展到全球生態(tài)系統(tǒng)[113-114]。在白堊紀(jì)氣候暖干化和大氣高氧濃度導(dǎo)致的頻繁火災(zāi)影響下,植物逐漸產(chǎn)生了對火的適應(yīng)性進(jìn)化特征[115-116],包括厚樹皮、種子晚熟、自然整枝和萌發(fā)等適應(yīng)性狀(表1),性狀之間也有關(guān)聯(lián)。如松屬物種中發(fā)現(xiàn)樹皮厚度減小和自我整枝能力降低(或者枯枝保留能力增加)有關(guān),對應(yīng)的火類型從冠層火轉(zhuǎn)為地表火,從火忍受物種(tolerater)變成火主動物種(embracer),如美國北部的針葉樹和更高緯度生長的美國黑松和杰克松[116-117]；松屬植物的針葉長度和種子晚熟性有負(fù)相關(guān)關(guān)系,但是針葉長度和可燃性的關(guān)系不明確,因為長針葉可以吸收更多熱量延緩燃燒,但是干枯后的長針葉則是易燃物[117-118]。

表1 植物對野火干擾的適應(yīng)策略、性狀與機制

微進(jìn)化研究認(rèn)為物種的不同種群在不同林火動態(tài)(火頻率、火強度)下的性狀進(jìn)化有差異。Pausas等[129]對地中海植物荊豆(Ulexparviflorus)的可燃性與火的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)頻繁被火燒地區(qū)的荊豆可燃性強于從未被火燒地區(qū)的荊豆,點燃時間更短,燃燒時間長,釋放熱量更多；對西班牙地中海松(Pinushalepensis)和美國班克松(Pinusbanksiana)種子晚熟空間差異研究發(fā)現(xiàn),松屬種子晚熟(閉合的球果)與樹冠火頻率正相關(guān)[130-131]；受美國原住民燒荒影響的蒙特利松(Pinusradiata)樹皮比島嶼上沒被干擾的加州沼松(Pinusmuricata)的樹皮厚[132]。在某些植物中進(jìn)行的子代測試和定量遺傳分析證明,林火適應(yīng)性狀可遺傳且受到基因控制,如松屬物種普遍存在的種子延遲成熟現(xiàn)象由一個位點的兩個等位基因控制[120, 133- 134]。對松屬植物性狀的研究有力證明,火是其進(jìn)化的關(guān)鍵驅(qū)動機制；但對于松科以外的其他類群,還有待開展更多與火相關(guān)的進(jìn)化研究[107]。

6 結(jié)論

自本世紀(jì)初以來,野火研究的國際進(jìn)展主要體現(xiàn)在火的遙感觀測技術(shù)及其時空格局刻畫、野火風(fēng)險模擬和預(yù)警、全球變化與野火關(guān)系以及野火的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等方面?？偨Y(jié)起來,得益于空間觀測技術(shù)的進(jìn)步,野火觀測的時空分辨率不斷提高,觀測內(nèi)容由火燒面積、熱點數(shù)量或輻射強度等少數(shù)指標(biāo)向基于火燒斑塊識別的多指標(biāo)數(shù)據(jù)集演變；野火時空格局的刻畫也因此大大豐富,實現(xiàn)了多尺度多指標(biāo)的火燒體系定量描述。全球變化對野火時空格局的影響主要體現(xiàn)在氣候變暖和部分區(qū)域干旱化,及人為活動對野火發(fā)生頻率的助長和對過火面積的控制。氣候變化影響著火點分布、可燃物狀態(tài)及蔓延條件三方面。未來野火風(fēng)險總體上將隨著全球變暖而進(jìn)一步加大,而極端大火的發(fā)生機制和生態(tài)影響越來越受到關(guān)注。人類活動一方面增加了火燒頻率,另一方面又通過提高生態(tài)系統(tǒng)管理的強度、撲救火災(zāi)以及降低可燃物的連通性抑制了野火的發(fā)生。野火顯著降低了陸地植被的碳匯能力,又通過大氣氣溶膠作用產(chǎn)生降溫效應(yīng)。植被在長期演化過程中對火的脅迫形成了一系列適應(yīng)性狀。這些性狀影響著生態(tài)系統(tǒng)對野火的響應(yīng),并對火后生態(tài)恢復(fù)和重建具有科學(xué)指導(dǎo)價值。未來野火研究將在探測、識別技術(shù)的推動下,向跨時空尺度的觀測和模擬深度融合、典型機制和大尺度效應(yīng)相結(jié)合的方向發(fā)展,對野火風(fēng)險動態(tài)評估和早期預(yù)警、火前預(yù)防和火后植被恢復(fù)的現(xiàn)實需求始終是野火研究的主要驅(qū)動力。