不同区域森林火灾对生态因子的响应及其概率模型

火灾是影响森林生态系统过程的重要干扰之一,其对森林生态系统内各生态因子的响应各不相同.由于植被状况及生态环境的不同,森林火灾的时空分布特征在中国不同植被气候类型内表现不同,根据植被气候类型分类系统,将中国主要森林火灾地区划分为4个区域:东北(冷温带松林)、华北(落叶阔叶林)、东南(常绿阔叶林)和西南(热带雨林),应用遥感监测数据和地面环境数据,以时空变量、生态因子(植被生长变化指数、湿度等)为可选自变量,应用半参数化Logistic回归模型,就森林火险对不同生态影响因子的响应规律进行了分析,建立了基于生态因子的着火概率模型和大火蔓延概率模型,通过模拟及实际数据散点图、火险概率图,评估了模型应用价值.结果表明,土壤湿度及植被含水量在落叶阔叶林、常绿阔叶林、热带雨林地区对着火概率影响显著.在4个植被气候区内,土壤及凋落物湿度对大火蔓延的作用较小.在冷温带松林、落叶阔叶林、常绿阔叶林地区,植被生长的年内变化对火灾发生的影响显著,在常绿阔叶林地区,年内植被生长变化对大火蔓延的作用较小.森林火险概率与各生态因子的相关关系主要呈现出非线性.不同植被气候区内,火险概率受不同生态因子组合的影响,这与不同区域的植被状况及生态环境不同有关.在不同植被气候类型,应用时空变量、生态因子建立半参数化logistic回归模型,进行着火概率和大火蔓延概率的模拟具有可行性和实际应用能力.为进一步分析森林生态系统与火灾之间的动态关系、展开生态系统火灾干扰研究提供了理论基础.     

火干扰对森林土壤斥水性的影响研究进展

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的现象,很多植被类型及气候带森林存在土壤斥水性。土壤斥水性受水分、温度、干湿交替、土壤质地、植被类型等生物和非生物因子的影响。而火干扰是森林生态系统土壤斥水性的重要影响因子,使森林土壤斥水性增强,渗透率降低,地表截留体减少,从而增加地表径流和土壤侵蚀。就火干扰对土壤斥水性的发生机理及其对水文过程的影响进行了较为全面的总结和讨论,并指出目前存在的问题和未来的研究重点。森林火灾后火烧迹地地表径流和土壤侵蚀显著增加,定量预测火灾后土壤斥水性对径流与侵蚀的影响比较困难,因此,基于不同尺度和自然降雨的火灾后斥水性对地表径流和土壤侵蚀的实验及长期定位观测是今后的研究方向与重点。     

大兴安岭北部森林景观对气候变化的响应

将森林景观模型LANDIS和林窗模型LINKAGES相结合,模拟气候变化对大兴安岭森林景观的影响,并比较分析了气候变化对森林景观的直接影响与通过火干扰改变所产生的影响.结果表明:维持当前气候和火干扰情景的条件下,森林景观保持动态平衡,兴安落叶松占据优势树种地位,未来气候情景下,兴安落叶松和偃松的分布面积降低,白桦、山杨、甜杨和钻天柳等阔叶树以及樟子松的分布面积增加,森林景观的破碎化和多样性增加;气候变化对森林景观的影响具有时滞性和长期性,气候变暖有利于大部分树种(兴安落叶松除外)的生长,火干扰增加使山杨、甜杨和钻天柳等分布面积增加,使兴安落叶松、樟子松和偃松的分布面积明显降低;火干扰增加对森林景观的影响几乎与气候变化的直接影响同等重要,其加剧了气候变化对森林组成、森林景观破碎化和森林景观多样性的直接影响.     

不同气候变化情景下2070-2099年中国潜在植被及其敏感性

潜在植被作为当前气候条件、无人类干扰下,所能发育演替形成的最稳定、最成熟的一种顶极植被类型,能够反映立地植被发展的趋势。潜在植被的研究有助于人类了解植被与气候系统的作用机制,可为区域植被恢复工程和生态建设提供参考依据。基于综合顺序分类系统,利用A1B、A2及B1情景下2070-2099年气象数据对中国潜在植被进行了模拟,在不同气候变化情景下分析了未来中国潜在植被的空间分布和潜在植被对不同气候变化的敏感性。结果表明:(1)不同气候变化背景下中国潜在植被分布的规律具有相似性,但潜在植被类在总数和各情景下分布的面积存在差异性;(2)比较发现,中国的气候条件在20世纪和21世纪均不适宜炎热极干热带荒漠类(ⅦA)的发育;(3)中国潜在植被在3种气候变化情景下表现为敏感性的区域占到国土总面积的64.10%,在西北地区、北方地区、南方地区及青藏地区不同自然区敏感性地区所占各区的比例不同,分别为68.20%、70.82%、49.94%及66.59%。     

黑龙江省温带森林火灾碳排放的计量估算

森林火灾干扰作为森林生态系统重要的干扰因子,剧烈地改变着森林生态系统的结构、功能、格局与过程,对区域乃至全球的碳循环与碳平衡产生重要影响。随着全球气候变暖,森林火灾干扰的频率和强度进一步加剧,其排放的含碳气体对大气中温室气体浓度的贡献率更大,进而加快气候变暖的速率。科学有效地对森林火灾碳排放及含碳气体排放量进行计量估算,对了解区域乃至全球的碳循环及碳平衡具有重要的理论价值和实践意义。根据黑龙江省温带森林1953—2012年火灾统计资料和森林调查数据,结合地理信息系统GIS技术,通过野外火烧迹地调查以及实验室的控制环境实验来确定森林火灾碳排放计量中的各种参数,在林分水平上,利用排放因子的方法,估算了黑龙江省温带森林60年间火灾碳排放量和含碳气体排放量。结果表明:黑龙江省温带森林60年间火灾碳排放量为5.88×107t,年均排放量为9.80×105t,约占全国年均森林火灾碳排放量的8.66%;含碳气体CO2、CO、CH4和非甲烷烃(nonmethane hydrocarbons,NMHC)的排放量分别为1.89×108、1.06×107、6.33×105和4.43×105t,含碳气体CO2、CO、CH4和NMHC的年均排放量分别为3.15×106、1.77×105、1.05×104和7.38×103t,分别占全国年均森林火灾各含碳气体排放量的7.74%、6.52%、9.42%和6.53%。研究发现针阔混交林型的森林火灾面积占总过火林地面积的57.54%,由于其燃烧效率较低,在森林火灾中的碳排放量仅占排放总量的38.57%;尤其是针阔混交林森林火灾面积占总过火林地面积的20.71%,而碳排放量仅占总排放量的9.67%;且CO2的排放因子较低,其CO2排放量仅占总排放量的8.95%。同时研究表明,黑龙江省温带森林年均的碳排放对该区域的碳循环与碳平衡产生重要影响,并针对研究结果提出了应对气候变化的森林经营可持续管理策略,亦提出了科学的林火管理策略及其合理化的林火管理路径。     

气候变化和林火干扰对大兴安岭林区地上生物量影响的动态模拟

预测森林地上生物量对气候变化和林火干扰的响应是陆地生态系统碳循环研究的重要内容,气温、降水等因素的改变和气候变暖导致林火干扰强度的变化将会影响森林生态系统的碳库动态.东北森林作为我国森林的重要组成部分,对气候变化和林火干扰的响应逐渐显现.本文运用LANDIS PRO模型,模拟气候变化对大兴安岭森林地上生物量的影响,并比较分析了气候变暖对森林地上生物量的直接影响与通过林火干扰强度改变所产生的影响.结果表明: 未来气候变暖和火干扰增强情景下,森林地上生物量增加;当前气候条件和火干扰下,研究区森林地上生物量为(97.14±5.78) t·hm^-2;在B1F2预案下,森林地上生物量均值为(97.93±5.83) t·hm^-2;在A2F3预案下,景观水平第100～150和150～200年模拟时期内的森林地上生物量均值较高,分别为(100.02±3.76)和(110.56±4.08) t·hm^-2.与当前火干扰相比,CF2预案(当前火干扰增加30%)在一定时期使景观水平地上生物量增加(0.56±1.45) t·hm^-2,CF3预案(当前火干扰增加230%)在整个模拟阶段使地上生物量减少(7.39±1.79) t·hm^-2.针叶、阔叶树种对气候变暖的响应存在差异,兴安落叶松和白桦生物量随气候变暖表现为降低趋势,而樟子松、云杉和山杨的地上生物量则随气候变暖表现出不同程度的增加;气候变暖对针阔树种的直接影响具有时滞性,针叶树种响应时间比阔叶树种迟25～50年.研究区森林对高CO₂排放情景下气候变暖和高强度火干扰的共同作用较为敏感,未来将明显改变研究区森林生态系统的树种组成和结构.     

河北小五台山主要植被类型的分布与地形的关系：基于遥感信息的分析

小五台山是河北省最高峰,具有较完整的暖温带植被垂直带谱。本文通过野外群落植被调查,结合由TM遥感影像解译1：50000地形图制作的DEM数据而得到的植被图,分析了小五台山主要植被群落的分布状况及其与地形的关系。结果表明,小五台山从低海拔到高海拔,依次出现灌丛、阔叶林、针阔混交林、暗针叶林、矮林、灌丛、草甸等植被类型。森林景观的面积最大,占总面积的60．7％;平均斑块面积最大的是阔叶林和亚高山草甸,斑块破碎化最严重的是水体和针阔混交林。不同的植被类型在不同的地形条件下分布特点不同,林地在北坡所占面积比例(占总面积的75％)远大于南坡(46%),说明水分条件是小五台山森林分布的限制因子之一;灌丛和草甸与林地相反。随海拔高度的变化,不同植被类型的分布面积比例发生变化,出现替代现象,形成植被垂直带谱。由于坡度的影响,增加了带谱内植被组成的复杂性。     

四川岷山火溪河地区人为干扰后的植被组成及分布

以平武县地形图、植被图、野外植被调查结果为数据源制作研究区植被图和数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),在Arcview GIS平台下通过植被分类和图层叠加分析法,研究了人为干扰后植被的组成及植被类型在主要地形梯度上的分布特征。结果表明:(1)受人为干扰特别是森林采伐活动影响,研究区针阔混交林消失,针叶林面积缩小,阔叶林和灌丛面积增加。(2)植被类型在海拔梯度上分布规律性明显;除农田外,其它植被类型在坡度上的面积比例与研究区面积在各坡度段所占比例很相似;针叶林、阔叶林、农田、灌丛对坡向有明显选择性。(3)人为干扰活动改变了研究区植被类型及其面积比重,并使植被在海拔段上的分布带有明显人类干扰的痕迹。     

空间直观景观模型LANDIS在大兴安岭呼中林区的应用

应用空间直观景观模型(LANDIS),研究有采伐和无采伐预案下大兴安岭呼中林区的森林景观的长期变化。用APACK计算每一个物种及各年龄级的分布面积。为了研究物种分布格局的变化,计算了物种分布的聚集度指数。研究结果如下：(1)在无采伐预案下。火干扰模式为低频率大面积高强度火烧;在有采伐预下,火干扰模式为高频率小面积低强度火烧;(2)在无采伐预案下,火会造成各种群分布面积的强烈波动,但是对种群的年龄结构没有很大影响;在有采伐预案下,火对种群分布面积和年龄结构都没有很大的影响;(3)采伐能完全改变各种群的年龄结构。降低种群分布的聚集度,但是对各种群的分布面积并没有很大影响;(4)在有采伐预案下,各种群为增长型种群,增长量通过采伐取走,群落处于演替的干扰顶极状态;在无采伐预案下,各种群为稳定型种群(樟子松和偃松除外),大面积高强度火烧使群落产生较大的波动。结果表明,在呼中林业局,在没有人为干扰情况下,火干扰是森林景观变化的主导因素。自从有了人为干扰,采伐开始逐渐取代火干扰成为影响森林景观变化的主导因素。空间直观景观模型的一个挑战是模型的验证。由于缺乏详细的空间数据及模型模拟中的随机性,很难通过模型模拟结果与实地调查或遥感数据的比较进行验证。通过对火模拟、物种分布和物种组成的生态或生物学实现对模型进行验证。     

大兴安岭呼中林区虫害与火干扰交互作用的长期模拟

虫害和林火是森林生态系统的两种主要干扰类型,各种干扰在大时空尺度上存在一定的交互作用.本文采用空间直观景观模型LANDIS模拟虫害和林火在300年内的交互作用.结果表明:虫害干扰降低了细可燃物载量,提高了模拟前期(0～100 a)和中期(100～200 a)的粗可燃物载量,降低了模拟前期和中期的林火频率,不同干扰预案模拟后期(200～300 a)火烧频率的结果比较接近;虫害干扰降低了模拟前期和后期的火烧强度,增加了模拟中期的火烧强度,提高了模拟中期的森林火险等级,降低了模拟前期和后期的火险等级.人类灭火可增加虫害的发生面积,因此建议森林管理部门采取适当的防虫措施,不可只注重灭火,可以采取可燃物去除和计划火烧等方式管理林火,促进森林生态系统的可持续发展.     

2005-2007年大兴安岭林火释放碳量

根据野外火烧迹地调查,比较过火前后归一化植被指数的差异,计算2005—2007年大兴安岭林区各种可燃物类型的过火面积、火烧消耗的可燃物量,对森林火烧程度进行分级,并利用植物平均含碳率估算林火释放碳量.结果表明：2005—2007年大兴安岭林区总过火面积为436512.5 hm²,其中轻度、中度和重度火烧面积分别为207178.4、150159.2和79159.4 hm².这些火烧消耗可燃物量为3.9×10⁶ t,释放碳1.76×10⁶ t,其中落叶松林、针阔混交林、阔叶林和草地燃烧释放的碳量分别为0.34×10⁶、0.83×10⁶、0.27×10⁶和0.32×10⁶ t.     

基于MAXENT模型的黑龙江大兴安岭森林雷击火火险预测

黑龙江大兴安岭是森林雷击火的高发地区,急需研发精确的火险预测模型对该区森林火灾进行预测.本文基于大兴安岭地区森林雷击火灾数据及环境变量数据,采用MAXENT模型进行森林雷击火的火险预测.首先对各环境变量进行共线性诊断,再利用累积正则化增益法和Jackknife方法评价了环境变量的重要性,最后采用最大Kappa值和AUC值检测了MAXENT模型的预测精度.结果表明: 闪电能量和中和电荷量的方差膨胀因子（VIF）值分别为5.012和6.230,与其他变量之间存在共线性,不能用于模型训练.日降雨量、云地闪电数量及云地闪回击电流强度是影响森林雷击火发生的3个最重要因素,日平均风速和坡向的影响较小.随着建模数据比例的增加,最大Kappa值和AUC值均有增大趋势.最大Kappa值都大于0.75,平均值为0.772; AUC值都大于0.5,平均值为0.859.MAXENT模型的预测精度达到中等精度,可应用于大兴安岭地区的森林雷击火火险预测.     

Edge fires drive the shape and stability of tropical forests

In tropical regions, fires propagate readily in grasslands but typically consume only edges of forest patches. Thus, forest patches grow due to tree propagation and shrink by fires in surrounding grasslands. The interplay between these competing edge effects is unknown, but critical in determining the shape and stability of individual forest patches, as well the landscape‐level spatial distribution and stability of forests. We analyze high‐resolution remote‐sensing data from protected Brazilian Cerrado areas and find that forest shapes obey a robust perimeter–area scaling relation across climatic zones. We explain this scaling by introducing a heterogeneous fire propagation model of tropical forest‐grassland ecotones. Deviations from this perimeter–area relation determine the stability of individual forest patches. At a larger scale, our model predicts that the relative rates of tree growth due to propagative expansion and long‐distance seed dispersal determine whether collapse of regional‐scale tree cover is continuous or discontinuous as fire frequency changes.     

Long-term potential for fires in estimates of the occurrence of savannas in the tropics

Aim   This study aims to improve the formulation and results of the Brazilian Center for Weather Forecasting and Climate Studies Potential Vegetation Model (CPTEC-PVM) by developing a new parameterization for the long-term occurrence of fire in regions of potential savannas in the tropics. Compared with the relatively slow processes of carbon uptake and growth in vegetation, fast mortality and biomass consumption by fires may favour grasses and reduce tree coverage.
Location   The tropics.
Methods   For finding large-scale relationships between fires and other environmental factors, we made two main simplifying assumptions. First, lightning is the most important source of ignition for natural fires. Second, over continental areas in the tropics, lightning is mainly related to the zonal flux of moisture transport.
Results   The parameterization of fire occurrence was built based on a simple empirical relationship, combining information on mean and intra-annual variance of the zonal wind.
Main conclusions   The implementation of this new relationship improved the formulation and the results of the CPTEC-PVM. As a result of this new parameter, the accuracy of the model in allocating the correct vegetation (seasonal forests) instead of savannas for large regions in India and Southeast Asia is now substantially higher than in previous studies.     

浙江省1991~2006年森林火灾释放黑碳量的估算

黑碳气溶胶不仅造成环境污染危害人的健康,同时通过吸收太阳和大气辐射产生的辐射强迫对全球和区域产生影响,成为影响全球变暖的仅次于CO2的重要成分.在全球变暖及大气中CO2浓度不断升高的趋势下,各国开始采用造林再造林来减缓全球变暖的趋势,随着森林面积和林内生物量的不断增加,以及森林火灾的频发,林火带来的黑碳排放量也不容忽视.然而在世界上大部分地区,这方面的工作却很少被人所关注.根据1991～2006年浙江省森林火灾统计资料和浙江省各种森林类型地上生物量的数据,计算出了浙江省每年的森林火灾导致的生物量损失量.同时采取释放因子法,对1991～2006浙江省每年森林火灾释放的黑碳量进行了估算.其中1995年和2000年森林火灾释放的黑碳总量分别是38.4、97.2 t,占整个浙江省黑碳释放总量中的比重分别是0.12%、0.17%,对于区域大气质量有一定的影响.     

森林火灾污染物质释放及其影响研究进展

森林火灾是大气中气体污染物和颗粒物的重要来源,可对全球气候系统、大气环境以及生态系统产生重要影响,对全球温室气体和含碳颗粒物释放具有重要的贡献,是推动全球气候变化的重要因素。森林火灾释放污染物已成为区域乃至全球范围内重要污染源之一,这些污染物质与辐射、能见度以及温室效应等问题直接相关。准确地描述森林火灾释放的气体和颗粒污染物释放机理、释放总量、时空分布特征、不同尺度的扩散过程模拟,以及对区域大气环境的影响,对于量化森林火灾释放污染物总量及区域影响具有重要意义。基于森林火灾污染物质释放方面的国内外文献,从火灾释放的污染物质对环境的影响、森林火灾释放污染物定量化和传输路径监测的研究方法、污染物质的扩散和运输模型以及跨区域影响等几个方面进行了综述。森林火灾释放的CO、PM₁₀和PM_2.5对环境和人的生命安全造成巨大威胁,而且森林火灾释放的污染物质能够随气流长距离传输,不仅对当地的空气造成污染,污染物也能够随着气团进行长距离传输,并在传输过程与当地气溶胶混合,形成跨区域污染。森林火灾释放污染物扩散、传输模拟通过不同模型相互耦合完成,包括可燃物载量估算模型、可燃物消耗和释放模型、污染物扩散传输模型,以及污染物预测和可视化模型等。总结了国内外森林火灾释放污染物质主要研究方法,并展望了今后研究重点:目前我国关于森林火灾释放物质相关的研究尚不足以支撑我国森林火灾温室气体释放、污染物释放等方面的研究,并且我国目前还没有发展出适合于我国的森林火灾污染物释放模型,以及污染物扩散、传输系统。森林火灾排放因子库大多数引用国外研究结果,在一定程度上增加不确定性,缺乏森林火灾对区域大气环境影响的定量化研究。因此,今后我国应加强对森林火灾污染物质释放与影响的研究,尤其是污染物质扩散和传输模型的预测和可视化研究以及排放因子的测量。     

Forest responses to the large-scale east coast fires in Korea

The east coast forest fires of April 2000 were Koreas largest recorded fires. This, along with the fact that they took place in the region most frequently affected by fire, attracted a great deal of attention. Due to the variations in wind, topography and pre-fire forest stands, a heterogeneous landscape mosaic of burn severity was created across the region. It turned out to be an excellent opportunity to study various landscape-scale impacts of fires on forest dynamics. Therefore, we investigated stands in the 23794ha of burned forest region, in terms of burn severity, vegetation regeneration and forested landscape change as a measure of community stability. Using the geographic information system technique, we analyzed the differential severity and post-fire recovery of pre-fire forest types of different stand age both at stand and species level. Analysis showed that pre-fire vegetation was composed of mainly pine (Pinus densiflora) stands that occupied 70% of the whole forested area, while pine-hardwood and hardwood stands occupied only 28% and 3%, respectively. In addition, two-thirds of all stands were less than 30-years-old. Pine stands were the most severely burned, while conversely pine-hardwood and hardwood stands were less vulnerable. This implied that pine forests had fire-prone characteristics. Vegetation recovery went the opposite way; that is, the regenerating vegetation cover was 71% at pre-fire hardwood stands, and 65% and 53% at pine-hardwood and pine stands, respectively. However, these recovery rates were strikingly fast, considering that investigation took place about 3months after the fires. Fire did not initiate successional processes, but tended to accelerate the predicted successional changes by releasing pre-fire understory species that survived the fires and regenerated by sprouting. The dominant pre-fire tree species (P. densiflora) was susceptible to fire and not resilient enough to reestablish in competition with oak species. Contrary to pines, the abilities of oak species, mainly Quercus mongolica and Q. variabilis, to survive fires and to resprout vigorously made them dominant at most post-fire stands. These shifts in species abundance caused drastic changes to the landscape: from pine-dominated to oak-dominated stands without any notable change in species composition. The patterns in forest regeneration that we observed in Korea may be representative of forest responses to any long-term repeated disturbances, including fire.     

The fate of nutrients during fires in a tropical savanna

Abstract The nutrient loads contained in the grassy fuel before fires, and of ash subsequently, were compared to determine the fluxes of macronutrients, copper and zinc during fires at Kapalga in Kakadu National Park. The fluxes were estimated in three vegetation types: forest, woodland and open woodland. The magnitudes of the fluxes were greatest in the forest community where grassy fuel loads were highest at about 6.3 t ha^?1. In these sites, 54–94% of all measured nutrients in the fuel were transferred to the atmosphere during the fires. For each nutrient, the proportion transferred to the atmosphere as entrained ash was calculated by assuming that calcium was not volatilized during the fires. If the transfer of entrained ash represents local redistribution only, then rainfall accession and the deposition of these particu-lates should replace most of the losses of all nutrients except nitrogen (N). Estimated rates of biological fixation of N appear to be insufficient to replace the annual losses of N. It is therefore concluded that a regime of annual fires that completely burn the available grassy fuel would deplete N reserves in these savannas, unless there are other sources of biologically fixed N, which are unknown at present.     

2005—2007年大兴安岭林火释放碳量

根据野外火烧迹地调查,比较过火前后归一化植被指数的差异,计算2005—2007年大兴安岭林区各种可燃物类型的过火面积、火烧消耗的可燃物量,对森林火烧程度进行分级,并利用植物平均含碳率估算林火释放碳量.结果表明：2005—2007年大兴安岭林区总过火面积为436512.5 hm²,其中轻度、中度和重度火烧面积分别为207178.4、150159.2和79159.4 hm².这些火烧消耗可燃物量为3.9×10⁶ t,释放碳1.76×10⁶ t,其中落叶松林、针阔混交林、阔叶林和草地燃烧释放的碳量分别为0.34×10⁶、0.83×10⁶、0.27×10⁶和0.32×10⁶ t.     

大兴安岭地区森林雷击火与闪电的关系

林火是森林生态系统的重要影响因子.随着全球气候变暖,林火,特别是雷击火有增多的趋势.本文对我国东北大兴安岭地区1966-2007年的林火数据及相应的闪电和气象资料进行分析.结果表明:1966-2007年,该地区雷击火的次数及其过火面积都呈显著增加趋势.影响雷击火的气象条件与研究时间尺度有关,年尺度的雷击火与降水显著相关,相关系数达-0.489;月尺度的雷击火则与气温显著相关,相关系数为0.18.雷击火与闪电的关系也与时间尺度有关,年尺度的雷击火与闪电关系不明显,受降水影响较大;月尺度的雷击火与闪电具有较好的相关性,且受降水的影响;日尺度的雷击火在降水量＞5 mm时与闪电关系不明显,但当降水量＜5 mm时,雷击火与闪电次数呈正相关.据此,发展了基于闪电定位仪数据的火险指数算法以及大兴安岭地区的森林雷击火预报模型.经2005-2007年雷击火验证,该模型的预报准确率＞80％.