论文标题：Drivers of Structural and Functional Resilience Following Extreme Fires in Boreal Forests of Northeast China

论文链接：https://www.mdpi.com/2571-6255/8/3/108

期刊名：Fire

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/fire

一、文章导读

在全球气候变暖导致北方森林火灾加剧的背景下，理解生态系统在极端火灾后的恢复力至关重要。恢复力指生态系统维持其关键过程与功能，或转换到新平衡状态的能力。现有研究面临火灾变异性大、生态系统响应复杂等挑战。遥感技术为长期、连续监测景观尺度上的灾后恢复提供了可能。本研究旨在通过遥感数据，评估大兴安岭地区特大火灾后森林结构与功能参数的恢复力，并识别其关键驱动因素。

二、研究材料与方法

1. 研究区域火灾：选取2000年以来大兴安岭地区燃烧面积最大的三场火灾（根河、呼玛、坎都河），其火烧迹地总面积从777至2730平方公里不等。

图1：大兴安岭山脉（位于中国东北部）的位置。三张由陆地卫星数据计算得出的相对差异归一化燃烧比（RdNBR）图像分别展示了三场极端火灾事件的燃烧严重程度模式：根河火灾（b）、胡马火灾（c）和坎杜赫火灾（d）。RdNBR 被用于量化火灾后的生态系统变化（见 b - d）。RdNBR值表示烧伤的严重程度。

2. 恢复力指标：利用2001-2022年的MODIS遥感数据，以叶面积指数（LAI） 代表结构恢复，以净初级生产力（NPP） 和蒸散发（ET） 代表功能恢复。恢复力计算方式为（火灾后多年平均值 - 火灾前两年平均值）/ 火灾前平均值。

3. 驱动因子分析：选取了四类解释变量：火烧前植被组成、地形（高程、坡度、潜在太阳辐射）、火烧严重度、以及灾后16年间的极端气候条件（如生长季极端降水/气温及其变化趋势）。采用梯度提升机（GBM） 结合SHAP值进行建模，识别关键驱动因子及其非线性影响。

三、研究结论

恢复力差异显著：

NPP的恢复力最强（超80%火烧区恢复至灾前水平），其次是ET（约半数地区恢复），而LAI恢复力最弱（尤其在根河和呼玛火场）。这表明火灾后，生态系统的功能恢复优先于结构恢复。不同火灾间也存在差异，如坎都河火场的LAI恢复较快。

关键驱动因子：

• 气候因子主导：与预期不同，生长季的极端气候条件（特别是极端降水与气温的变化趋势） 对恢复力的影响远超景观尺度因子（如火烧严重度、地形、灾前植被）。例如，生长季最低降水量的增加趋势会抑制NPP恢复，但促进LAI恢复，反映了水文变化对生产力和冠层结构的不同生态过程影响。

• 景观因子作用：高程和火烧严重度是仅次于气候的重要因子。一般来说，海拔较低、火烧严重度较低的区域恢复力更强。针叶林（尤其是落叶针叶林）的ET恢复力优于阔叶林和灌丛草地。

模型表现：GBM-SHAP模型能较好地解释恢复力变异（LAI模型R²=0.69，NPP模型R²=0.51，ET模型R²=0.45），并有效揭示了驱动因子的非线性关系和阈值。

图 2. 基于 MODIS 对格雷特森林火灾（a - c）、胡马森林火灾（d - f）和凯德森林火灾（g - i）的结构和功能参数观测所得的生态系统恢复力的空间分布图。灰色的概率密度函数图展示了净初级生产力（a、d、g）、蒸散量（b、e、h）和叶面积指数（c、f、i）的恢复力值分布。虚线代表评估所得恢复力的平均值。

四、讨论与结论

恢复策略的权衡：火灾打乱了LAI、NPP、ET在健康森林中的紧密联系，表现出空间不同步性。生态系统将资源优先用于恢复生产力（NPP），以快速重建碳汇，而冠层结构（LAI）和水循环功能（ET）的完全恢复则需要更长时间。

气候变化的主导作用：研究表明，在特大火灾背景下，灾后的极端气候条件比局地景观特征更能决定生态系统恢复轨迹。例如，过多降水虽利于LAI恢复，但可能因土壤养分淋溶、光照减少而抑制NPP。

管理启示：尽管气候主导，但实际的森林管理仍应聚焦于景观尺度。通过利用地形和植被特征来降低火烧严重度、增加景观内种源母树的存活（如保留未过火斑块），是提升生态系统恢复力、应对未来气候与火灾变化的有效策略。

研究局限：MODIS数据的空间分辨率较粗可能影响结果；未考虑区域中更常见的较小规模火灾，其恢复机制可能不同。

Fire 期刊介绍

主编：Dr. Grant Williamson, University of Tasmania, Australia

期刊创刊于2018年，致力于发表涵盖火灾科学、政策、技术及其与社区和环境互动关系的多学科研究。其核心范围包括：自然、文化和工业景观中的植被火灾（如野火、计划火烧、农业火灾）及其生态影响（从生物个体到种群层面的动植物响应与进化适应）；城乡交界域火灾（即植被与居民区、基础设施交接地带的火灾挑战）；以及建筑火灾科学（如结构防火、烟气热传输、消防安全技术，包括电池火灾）。期刊特别鼓励交叉学科研究，例如连接植被火灾与建筑火灾的环境后果、火灾模型开发，以及涉及火灾管理的社会科学、政策、经济、历史和心理学视角。此外，期刊也欢迎方法论技术说明、数据描述、案例研究等稿件，以促进全球火灾科学方法、数据类型和核心事件的跨区域比较。期刊下设“火灾科学模型、遥感与数据”和“科学-政策-实践者接口的火灾研究”两大板块，旨在分别聚焦技术方法创新与管理实践经验，搭建国际火灾科学信息交流网络。现已被 Scopus, SCIE (Web of Science), AGRIS, PubAg等多个关键数据库收录。

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