气候变化、火干扰与生态系统碳循环

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-12-28 09:24 热度：

　　摘 要： 随着全球变暖的日益显著，气候变化及其影响越来越受到广泛关注。火干扰作为森林生态系统碳循环的一个重要组成部分，其干扰过程是对碳的再分配过程，因而对区域乃至全球的碳循环产生重要影响。气候变化、火干扰与生态系统碳循环三者之间存在因果循环关系，正确认识气候变化与火干扰的复杂关系及双向反馈作用，以及火干扰在生态系统碳循环中的作用，这对制定科学合理的火干扰管理策略，提高生态系统管理水平，减少碳排放，促进碳增汇，减缓全球变化速率均有重要意义。从两个方面阐述了气候变化、火干扰与生态系统碳循环之间的交互作用关系：气候变化与火干扰相互影响关系及双向反馈作用，分别从气候变化对火干扰的影响及火干扰对气候变化的影响两个方面阐述了两者之间的相互影响关系;火干扰与森林生态系统碳循环的交互作用，分别从火干扰对森林生态系统碳循环的影响及模型方法在模拟火干扰对森林生态系统碳循环影响中的应用两个方面论述火干扰对森林生态系统碳循环的影响及其定量评价模型方法。目前火干扰直接碳排放的模型方法比较完善，而间接影响碳循环的模型方法并不成熟，许多方法局限于定性描述，因此，应进一步探讨集成实地测量、遥感观测和模型模拟的跨尺度火干扰对碳循环的影响研究，注重尺度的转换问题。最后，提出了气候变暖背景下火干扰管理的路径选择，以及对今后的研究方向进行了展望。

　　关 键 词： 气候变化;碳循环;火干扰;模型模拟;火干扰管理

　　随着全球变暖的日益显著，气候变化及其影响越来越受到广泛关注[1-6]。近年来，火干扰与全球气候变化之间的相互作用关系引起了人们广泛的关注[6]。工业革命后，由于人类大量使用煤炭、石油和天然气等化石燃料[5，7]，全球每年由化石燃料所释放的CO2约2.70×1010 t [8]，造成大气中的CO2浓度以每年1.8 μmol/L的速度迅速增加[9]。据南极冰盖中冰岩芯资料，冰期大气中 CO2浓度在 200μmol/L 左右，而间冰期则达 270 μmol/L。约在 100 a 以前，大气 中 CO2 浓 度 的 变 化 范 围 为 250～310 μmol/L， 2002 年的浓度为 372 μmol/L，2004 年的浓度为 377.5 μmol/L，2005年的浓度为380 μmol/L[4]，2009 年哥本哈根联合国气候变化大会的数据显示 CO2 浓度由工业化前的 280 μmol/L 增加到了现在的 387 μmol/L，2000-2005 年，全球 CO2的排放量增加了3.2%，是过去10 a增长量的4倍[10]。2007年，政府间气候变化专门委员会(IPCC)第 4 次气候变化评估报告[9]指出：近 100 a(1906-2005)全球平均地表温度上升了 0.74 ℃，近 50 a 的线性增温速率为 0.13 ℃/a，1850年以来最暖的12个年份中有11个出现在近期的 1995-2006年，气候变暖现象得到了观测事实的确认。根据IPCC[11]的估计，北半球20世纪 80年代平均温度比60年代高0.4 ℃，近百年来我国气候变化的趋势与全球气候变化的总趋势基本一致，气温上升了0.4～0.8 ℃[12]，全球升温在我国各地表现极为显著，许多学者使用不同方法对地面气温变化进行研究，揭示了气候变暖的事实，并阐述对我国生态环境产生的影响[13]。全球CO2浓度的不断上升，导致温室效应的加剧，全球气候变暖加强，由此将产生一系列的气候变化和气候异常问题并对全球范围产生显著而深刻的影响。

　　森林生态系统是陆地生态系统最大的碳库，其碳通量对全球碳收支具有重要影响，在全球碳循环和碳平衡中起着重要作用[14-15]，受人类活动和气候变化的双重影响，对大气中的CO2起着重要的源或汇的作用[3]，从而作为大气CO2的源和汇。陆地生态系统是全球碳循环的重要环节，而火干扰作为森林生态系统的主要干扰因子之一，全球每年约 1%的森林遭受火干扰[16-17]，森林火灾排放约 4 Pg/a 的碳到大气中[18-19]，这相当于每年化石燃料燃烧排放量的70%[19]，在生态系统碳循环和碳平衡中具有重要地位与作用。气候与火干扰密切相关[6，20]。火干扰会随着气候的变化而变化，研究表明随着全球气候变暖火干扰的频率和强度随之升高[21]，各种预测模型显示，未来气候变暖将使火干扰发生的频率和强度增加[5，22-23]。Nepstad 等[24]对亚马逊流域的热带雨林进行了研究，结果发现气候变暖可增加火灾发生的强度和频率，最终减少生态系统碳积累。为此，加强气候变暖背景下火干扰对森林生态系统碳循环的影响研究，了解气候变暖、火干扰与森林生态系统碳循环之间的交互关系，正确评价火干扰在全球碳循环和碳平衡中的地位，加深火干扰对碳循环影响的认识，提高森林生态系统可持续管理的水平，以更有效的方式干预生态系统的碳平衡等方面均有重要意义。同时，对于减少全球变化研究中碳平衡测算的不确定性，以及为制定科学有效的林火管理策略等具有重要意义。为此，本文从两个方面阐述了气候变化和火干扰相互影响关系及双向反馈作用，火干扰对森林生态系统碳循环的影响以及模型方法模拟火干扰在森林生态系统碳循环中的应用，并提出了全球变暖背景下科学有效的林火管理策略与措施，同时对今后的研究方向进行展望。

　　1 气候变化情景及未来预测

　　全球变化是人类共同面临的一个复杂系统的科学问题，气候变暖已成为全球关注的热点问题[5]。全球变暖主要起源于温室气体的排放，进而影响降水格局的分布和气温升高，并对森林生态系统净初级生产力(NPP)和凋落物的产量及分解速率产生影响，从而对火干扰的动态变化产生重要作用，并影响森林生态系统的碳循环。IPCC最近得出结论：全球平均地表温度在20世纪提高了0.6 ℃，大气温度在上升，积雪和海冰厚度降低，海平面在上升，大气温室气体浓度在人类活动的作用下继续升高，全球温度和海平面在所有模型情景中都将继续上升，未来我国气候变化趋势呈变暖变干[9，11]。科学家使用 31个大气环流模型进行预估，全球平均气温到2100 年将提高 1.4～5.8 ℃[11]，其增温值是近 10 000 a 中最显著的[25]。全球大气CO2浓度的变化随人类能源消耗的增长而剧增，随人类土地利用/覆盖变化而变化，据估计CO2浓度将以每年1.8μmol/L或者0.47% 的速度增长[26]，以目前 CO2排放速率计算，至 21 世纪中后期，大气中 CO2浓度将倍增。在全球气候变暖、CO2浓度升高的背景下，极端天气和气候现象的频率和严重性预计亦会提高，由此将对全球范围产生显著而深刻的影响，并将导致火干扰的动态变化。许多研究表明随着全球气候变暖，火干扰发生的频率和强度将大大加剧[11，27]。

　　2007年我国发布的《中国应对气候变化国家方案》指出在全球变暖背景下，近百年来我国年平均气温升高了0.5～0.8 ℃，略高于同期全球增温平均值，近 50 a 变暖尤其明显。同时《方案》进一步指出中国未来的气候变暖趋势将进一步加剧。该方案把林业纳入中国减缓和适应气候变化的重点领域。为积极配合该方案实施，国家林业局于2009年发布了《应对气候变化林业行动计划》[28]，该计划确定了包括坚持增加碳汇和控制碳排放相结合的原则以及保持森林碳汇能力相对稳定的阶段性目标。《京都议定书》呼吁“保护和加强温室气体的汇集和储存”，要求所有国家监测和了解影响生物圈和大气层之间碳交换的主要因素。森林生态系统中的所有火干扰均会影响碳库和全球碳循环，随着气候变化的加剧，暖干化加强，高温干旱季节的持续时间和严重程度将更为频繁，因而对火干扰的发生频率和严重性产生重要影响，并对森林生态系统碳循环产生影响，同时进一步影响全球碳循环与碳平衡[29]。

　　2 气候变化与火干扰

　　2.1 气候变化对火干扰的影响

　　许多学者研究发现全新世加拿大北方林中的火状况是气候变化的反应，气候变暖导致火干扰频率和强度升高，周期缩短，火灾引起的森林灾害损失加重[30]。气候与火干扰之间存在着密切的内在联系[6，20，31]。近百年来，地球气候经历以全球变暖为主要特征的变化，森林火灾呈爆发态势，全球年均发生22×104 起，受灾面积超过1 000×104 hm2 。澳大利亚、希腊、美国、俄罗斯、以色列等国连续发生森林大火造成灾难性后果[32]。气候变暖背景下火险天气出现的频率加剧，造成火源增加，可燃物的不断累积与燃烧性增强，对火干扰发生的频率和强度产生重要影响[22-23]。气候变化对火干扰的影响，主要通过气象要素、上层的大气模式和全球循环模式(如厄尔尼诺—南方涛动)等对火干扰产生影响，亦包括对火干扰动态、火险期、周期、频度、强度、引燃方式、火灾次数和面积、破坏性(火烈度)和林火行为等的影响。在全球气候变暖背景下，虽然各国的防火资金投入增加，扑救火灾的科技含量和力量加强，但全球森林火灾面积并未下降[33]。

　　2.1.1 气候变化对火干扰发生的影响 林火的发生是火源、可燃物、气象等火环境因子交互作用的结果[34]。其中气候是森林火灾动态变化的主导因子，气候暖干化时期林火频发[35]。气候变化不仅为火干扰的发生发展提供了直接的气象条件，而且为火干扰提供了间接的可燃物条件和火源条件。气候变暖主要通过影响可燃物的燃烧性和量的积累来影响火干扰的频率和强度。全球气候变暖，气温升高，空气相对湿度降低，森林可燃物的蒸散发作用加强，增加可燃物的易燃性，促成林火发生的可燃物条件形成。在森林防火期或长期干旱期内，森林火灾随着气温的升高而增多[36]。气候变暖引起的气温上升，降雨格局的重新分配，风速的变化，导致长期干旱、高温和大风等火险性天气出现的频率上升，这亦直接影响可燃物的燃烧性[37]。气候变暖还会通过影响可燃物的燃点、热值和挥发油含量等来影响森林的易燃性和燃烧性。干旱导致植物体内挥发油含量和油脂含量增加，增加可燃物的易燃性。 Turtola等[38]对在干旱胁迫下的苏格兰松研究发现，其挥发油含量和树脂含量比正常分别增加了 39% 和32%。同时，由于气候的变暖，许多火险较高的地区长期处于干旱高温之中，亦进一步造成森林可燃物的易燃性。气候变暖将对物种组成和分布产生影响，在植被带迁移过程中，使得许多植被在适应新生境的过程中伤亡，从而导致可燃物的积累，而且其燃烧性亦发生改变，导致森林的易燃性和燃烧性增强[39-40]。气候变暖还导致极端气候事件发生的频率和强度增大，从而导致大量植被受损和死亡，为火干扰的发生提供大量可燃物的积累。

　　在全球变化背景下影响火源分布的机制是复杂多样的，是气象条件、植被类型和人为干扰等多种因素相互耦合的结果，而气温和降水直接影响火源分布状况。气候变暖背景下全球气温升高，导致降雨格局的重新分配，造成地球上的许多地区变得干旱高温，从而会引起雷击火的发生次数和频率增加[27]。阿拉斯加随着气候变暖由雷击导致的火干扰明显增加[31]。随着全球气候变暖，气温上升，高温干旱的天数增多，降水减少，相对湿度下降，风速加大，林内微气候干燥，火险期延长，许多研究表明气候变暖背景下的火环境均有利于森林火灾的发生和蔓延，导致火灾发生的频率增加，特别是强度增强。美国西部的火干扰研究表明，气候变化造成的有利火环境是林火发生的重要因素[41-43]。气候变暖导致火险期延长，从而造成林火频发。极端气候事件的频发，加大了极端高温干旱地区火灾频发及发生重特大森林火灾的可能性。

　　2.1.2 气候变化对火行为的影响 林火行为主要指林火的蔓延速度、火强度和火烈度等。森林燃烧的基础是可燃物，气候变化加快了可燃物失水，从而影响林火行为的变化过程，导致高能量火行为(对流烟柱、爆发火、跳跃式火团、飞火、火旋风、火爆、高温热流等)频发，造成巨大的人、财、物的损失[37]。随着温度升高，大风的发生几率亦会随之升高，风不仅加快森林可燃物的水分蒸发，使其快速干燥而易燃，“火借风势、风助火威”，在火灾中不断补充新的氧气，增加助燃条件，加快火的蔓延速度，是发生高强度火灾的重要条件。随着全球气候变暖，许多研究表明气候变暖背景下的火环境均有利于高强度大火的发生。气候变暖背景下，加拿大、地中海盆地、澳大利亚、瑞士、西班牙和非洲等地的林火强度呈现增强趋势[44]。美国西部的火干扰研究表明，气候变化是影响火强度和蔓延速度的重要因素[41-43]。在干旱大风的天气条件下，一旦发生森林火灾就很难及时扑救，容易使小火酿成大火，使森林火灾的强度大大加强，火灾面积增大，火烈度加剧。预期气候情景下的模拟结果显示，未来全球大部分区域的林火天气状况会更加严峻，林火数量将比当前状况更多，林火强度更大[44]。

　　2.1.3 气候变化对火周期的影响 火干扰的动态变化是对气候变化的响应。与火干扰相关的气象要素主要包括气温、降水、风速和相对湿度等，以及它们之间的交互作用。气候决定着火灾发生的日变化、月变化和年变化规律，从而使森林火灾的发生呈现一定的周期性[34]。全球变化在一定程度上影响自然火源与人为火源的分布、可燃物的空间分布及燃烧特性，使得林火表现出一定的周期性和波动性[30，45]。林火的发生随气候变化呈一定规律，我国林火年际变化大约有5～6 a和10 a的准周期，这和气候变化密切相关[34，45]。魏书精等[34]通过对我国近年来林火数据进行研究，发现气候变化对我国林火发生周期产生重要影响。气候因子与森林火灾的周期密切相关，研究显示黑龙江森林火灾周期受气候因子的周期性影响很大[45]。随气候条件的准周期变化，林火多发年和少发年呈准周期振动，林火发生次数和危害程度以春季最多最严重、秋季次之。在北半球，较大林火一般发生在北回归线以北直达北极圈;在高纬度区，夏季日照时数增加，气候干燥时容易发生森林火灾，在干旱年份，火灾大量发生[30]。Florent 等[46]的研究结果显示，气候变化导致2次连续火灾之间的间隔期缩短，灌木林间隔期从20 a缩减至16 a，林地则从72 a缩减至62 a。近年来，各种极端气候现象的发生，给林业造成了巨大的损失，严重影响森林火灾的周期发生规律，导致森林火灾周期性缩短，过火面积扩大，火灾损失加大[30]。田晓瑞等[41]研究我国 4 起过火面积超过 35×104 hm2 的森林火灾中发现，有3起与厄尔尼诺现象有关。这表明了气候异常对火干扰周期的影响很大。

　　2.2 火干扰对气候变化的影响

　　2.2.1 加剧温室气体排放 林火是森林生态系统中特殊而重要的生态因子。全球尺度上林火是重要的干扰因子，并影响着生物地球化学循环，在碳循环中起着重要作用，火干扰通过对碳循环的影响来对全球气候变化产生影响[34]。由于森林火灾过程中，排放大量的CO2、CH4等温室气体，进而导致气温升高，臭氧层受破坏，使陆地下垫面性质改变，地表水热平衡遭破坏，空气下沉，气流强度加大，地表裸露，蒸发量加快，水分减少，土壤、大气加速变干，气候更加恶化[47]。火干扰过程中森林可燃物燃烧释放的大量温室气体和颗粒物质以及受干扰地表对区域辐射平衡和气候变化都具有重要影响[47]。森林可燃物燃烧是大气中温室气体(如CO2、CH4、N2O)的主要来源。温室气体对太阳辐射具有很高的透射率，同时又能强烈地吸收地表发射的长波辐射，从而减少了地表能量的流失，进而起到“地球温室”的作用[6]。火干扰造成的温室气体浓度的升高，能够影响局部地区乃至全球范围内的气候系统。不同尺度上森林可燃物燃烧释放的温室气体估算的研究广泛开展，为火干扰与气候变化的相互关系研究提供了数据基础[17，19]。

　　森林可燃物燃烧释放的温室气体受森林类型、火烧类型和火烧季节的影响。火干扰排放物成分主要是碳，大多数(约 90%)以 CO2或 CO 形式排放，其余多以CH4、多碳烃和挥发性有机氧化物形式释放[19];林火排放物影响全球碳循环，多样化显著作用于大气环境，林火显著加剧全球气候变化。而火干扰作为森林生态系统的主要干扰因子之一，全球每年约1%的森林遭受火干扰[16-17]，森林火灾排放约 4 Pg/a 的碳到大气中[18-19]，这相当于每年化石燃料燃烧排放量的70%[19]，在生态系统碳循环和碳平衡中具有重要地位与作用。气候与火干扰之间存在着密切的内在联系[6，20，30]。火干扰会随着气候的变化而变化，研究表明随着全球气候变暖，火干扰的频率和强度随之升高[21]，各种预测模型显示，未来气候变暖将使火干扰发生的频率和强度增加[5，22-23]，森林可燃物燃烧释放的温室气体量也将会大幅度增加，进一步影响气候变化。

　　2.2.2 污染大气环境 1990年，在美国召开的第一 次生物质燃烧和气候变化的Chapman会议上，比较全面地收集了当时森林火灾对大气环境的影响[48]。森林可燃物燃烧是颗粒物质的主要来源[16]。植被燃烧特别是森林火灾产生的固体颗粒物及烟雾会引起空气与区域环境污染，引发人类呼吸道疾病，影响交通、旅游等行业，造成巨大损失;同时，森林火灾也会直接排放大量气体，并对大气产生显著影响，造成土壤氮释放，影响地表反射率，改变土壤蒸发与地表径流，影响水分循环，成为全球变化的一个驱动力[30]。研究表明，森林可燃物的燃烧产物对大气有短期和长期的影响[20]。

　　森林火灾不但会直接排放CO2、CO、CH4、NMHC (多碳烃)、NO和CH3Cl，对全球大气产生显著影响，而且排放对大气化学性质产生重要影响的污染物(如O3、NO、烟尘物质)，它所排放的CH4、CO到达大气圈的平流层，会影响O3的浓度[16]。火干扰增加对流层中O3的浓度，O3作为主要的污染气体，产生对植物的危害以及对生产力的破坏。火干扰排放的 NO 作为主要含氮活性气体之一，经过化学反应产生的 HNO3是近些年来增长最快的酸雨成分;烟尘物质是大气中重要的云凝结核(CCN)。大气化学性质变化的同时能够影响地气之间的能量传输，进而对辐射平衡产生影响。生态系统能够在火烧后得到恢复，CO2会通过光合作用从大气中吸收回来，但其他气体将不能被重新吸收到生物圈。植被燃烧的长期影响包括火后土壤释放NO和N2O;燃烧产生的固体颗粒物也会引起空气污染和天气变化[49]。1997- 1998年印尼森林大火引起了国际社会的关注，森林大火造成东南亚地区严重的烟雾污染[50]。大气中的颗粒物质不仅本身可以直接对太阳辐射进行反射、吸收和散射，减少地气系统的能量输入，而且作为大气中的凝结核，对云层的形成、改变地表的辐射平衡也起到重要作用。火干扰造成的颗粒物质浓度的升高，能够影响局部地区乃至全球范围内的气候系统[6]。

　　2.2.3 影响森林生态系统平衡 森林火灾排放碳的多少与森林火灾的严重程度密切相关，大量森林火灾的发生会影响到全球变化和全球碳循环，火干扰动态的变化也会导致植被改变，植被变化又对火干扰有反馈作用。森林火灾作为生态系统碳循环的一个重要组成部分，其发生发展受多种因素的影响，对全球的碳循环及气候变化产生重要作用。火干扰不仅增加了大气中温室气体和颗粒物质的大量输入，同时由于其打破原有系统的物质循环，改变系统的生物地球化学性质，进而影响了生态系统对于大气中主要温室气体 CO2的吸收能力[6]。火干扰显著影响森林生态系统平衡。许多情况下，火干扰已成为生态系统的一部分，优势种已适应火烧的循环周期;火干扰深刻影响着陆地生态系统的过程和陆地森林景观的结构。火干扰发生频率和严重性深刻影响了区域森林的结构与组成，大面积森林火灾造成了森林生态系统的巨大破坏[30]。

　　火干扰对于整个生态系统而言，其影响是长期复杂的生态过程。火干扰不仅直接排放碳，造成生态系统碳的净损失，影响大气碳平衡，而且还会对生态系统碳循环过程、土壤的物理化学性质、生物过程产生间接影响，其间接作用是通过改变生态系统组成、结构和功能来影响对碳的排放和吸收，主要表现为改变生态系统年龄结构、物种组成与结构、叶面积指数，从而影响生态系统净初级生产力，对火烧迹地恢复过程中的碳收支产生重要影响，进而对全球碳循环产生重要作用[23]。森林火灾对森林生态系统碳循环的间接影响还表现在火干扰后迹地土壤呼吸的变化，火后未完全燃烧可燃物分解作用而产生的碳排放，以及火后植被恢复中对碳的吸收与排放等方面，进而影响森林生态系统平衡。森林火灾对生态系统碳的吸收与排放产生重要影响，从而对气候变化产生巨大影响。——论文作者：胡海清1 ， 魏书精1 ， 孙 龙1 ， 王明玉2

文章名称：气候变化、火干扰与生态系统碳循环

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