《Forest Ecology and Management》：Burn severity across forest types and burning conditions for forest treatments on the southern rockies Front Range
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森林管理措施与火灾严重程度的关系研究，揭示不同措施在极端天气下的有效性差异。摘要：通过分析科罗拉多州前缘至新墨西哥州落基山脉的火灾数据，发现结合火烧的措施（如 prescribed burning）能有效降低 burn severity，尤其在频繁火烧林（如松树-冷杉林）中效果显著；单纯机械 removal 或地表燃料削减在稀火烧林（如落基松林）中效果有限，极端火天气会削弱处理效果。
作者列表：
Sarah L. Hettema
Camille Stevens-Rumann
Hannah Van Dusen
Mike A. Battaglia
Anthony G. Vorster
Jens Stevens
美国科罗拉多州立大学森林与草原管理系，科罗拉多州柯林斯堡，邮编80523
摘要
随着极端野火事件的频繁发生，了解森林管理措施与野火之间的相互作用变得越来越重要。然而，由于各种管理措施、天气、地形和可燃物之间的相互作用，评估野火管理的效果具有挑战性。我们研究了从怀俄明州南部到新墨西哥州北部的野火情况，以评估在何种条件下这些管理措施能够减轻火灾的生态影响（通过遥感数据测量燃烧严重程度）。我们确定了：（1）影响管理措施与燃烧严重程度之间关系的因素；（2）不同森林类型和管理措施下燃烧严重程度的差异；（3）极端燃烧条件对结果的影响。管理措施的效果因森林类型而异，在低海拔地区、火灾频发的森林类型中，燃烧严重程度通常较低，而在高海拔地区、火灾不频繁的云杉-冷杉和花旗松森林中则较高。之前经历过低至中等程度燃烧或实施过计划性燃烧的区域，在所有森林类型中燃烧严重程度最低，即使在极端燃烧条件下也是如此。
引言
与历史条件相比，当代北美西部森林生态系统的气候更加温暖和干燥，这增加了可燃物的干燥程度（Abatzoglou和Williams，2016年），同时也增加了极端火灾天气条件的概率（Collins，2014年）。由于火灾抑制政策、土地利用变化和/或气候变化，许多森林的火灾模式已经发生了改变（Collins等人，2019年；Fernández-Guisuraga和Fernandes，2024年；Moreira等人，2020年；Tolhurst和McCarthy，2016年；Whitman等人，2019年）。为了减轻野火的负面影响，越来越多的主动森林管理措施正在被实施（Hessburg等人，2021年）；然而，扩大森林管理措施的速度和规模的努力受到基础设施缺乏、资金限制和管理限制等因素的制约（Collins等人，2010年；Woolsey等人，2024年）。
森林管理措施，包括旨在恢复森林结构和减少可燃物的措施，通过改变植被的组成、结构和分布来实现各种管理目标。减少可燃物的措施侧重于减少可燃物的数量和连续性，以改变火灾行为；而恢复措施通常包括减少可燃物，并调整物种组成和树木的空间分布，以更好地反映历史上的森林结构并提高对干扰的抵抗力（Stephens等人，2020年）。尽管减少可燃物和恢复措施的目标不同，但它们都包括减轻野火严重程度、减少基础设施损失、提高灭火操作的安全性，以及在适应火灾的景观中促进森林的恢复力（Davis等人，2024年）。
以往的研究使用了多种指标来衡量管理措施在实现管理目标方面的有效性，其中许多研究关注燃烧严重程度结果来量化生态影响。这些研究表明，在历史上火灾频繁发生的森林中，通过间伐减少树冠可燃物和通过燃烧减少地表可燃物的措施可以在除极端火灾天气条件以外的情况下最小化燃烧严重程度（Davis等人，2024年；Kalies和Yocom Kent，2016年；Stephens等人，2012a）。总体而言，研究发现，通过燃烧（如过去的野火、计划性燃烧、间伐或带有计划性下层植被燃烧的皆伐）减少地表可燃物的措施比仅进行间伐或间伐后进行堆积燃烧的措施更有效地减少燃烧严重程度（Cansler等人，2022年；Chamberlain等人，2024年；Fulé等人，2012年；Prichard等人，2020年；Stephens等人，2012a；Vorster等人，2024年）。间伐和计划性燃烧结合使用的效果可以归因于减少了地表和梯级可燃物以及中等大小的树木，从而降低了活跃树冠火灾的风险（Agee和Skinner，2005年；Stephens等人，2012a）。然而，在许多地方，高量的地表和树冠可燃物使得不进行间伐就无法使用燃烧措施，或者完全无法进行燃烧（Addington等人，2020年）。
管理措施和以往的研究主要集中在低海拔、干燥的森林中，这些地区的火灾频率高且燃烧严重程度较低或混合（Davis等人，2024年；Kalies和Yocom Kent，2016年），但越来越需要了解森林管理措施对高海拔地区的影响，这些地区的火灾频率较低，但燃烧严重程度较高。在火灾频繁发生的森林（如黄松（Pinus ponderosa）和混交针叶林中，常见的管理措施包括机械或手工间伐、计划性燃烧、堆积燃烧以及这些措施的组合（Addington等人，2018年）。这些措施通常用于减少可燃物负荷、调整物种组成以适应火灾，并将林分密度恢复到欧洲殖民之前的水平。在花旗松（Pinus contorta）和云杉-冷杉（即Picea engelmannii和Abies lasiocarpa）森林中，管理措施通常用于其他目的（如木材管理、野生动物栖息地等），包括皆伐、斑块间伐、群选间伐和过去的野火（Alexander，1987年；Hood等人，2012年）。目前尚不清楚在花旗松和亚高山森林中去除或重新排列可燃物的措施是否有效减少燃烧严重程度，尤其是因为这些森林中的耐火物种较少（Stevens等人，2020年），且可燃物组成也不同（Davis等人，2024年）。
在高海拔森林中，相对于过去两千年和最近几十年，燃烧面积显著增加（Higuera等人，2021年；Kampf等人，2022年），最近的一些火灾季节燃烧的面积超过了之前的几十年（Kampf等人，2022年）。这些变化凸显了了解管理措施与火灾频繁发生、燃烧严重程度高的森林之间相互作用的重要性的日益增长。在这些森林中，一个关键的管理挑战是在保护人员和财产的同时，认识到这些生态系统已经适应了高严重程度的火灾。森林类型的多样性和历史上的火灾模式为理解燃烧严重程度创造了独特的挑战，并可能影响高海拔森林中管理措施的效果（Davis等人，2024年）。
燃烧严重程度受许多因素的影响，而不仅仅是管理措施。大量研究表明，火灾天气和前期气候强烈影响火灾行为和随后的燃烧严重程度（例如Cansler等人，2022年；Prichard等人，2020年；Wasserman和Mueller，2023年）。地形，尤其是其复杂性，导致了多样的景观特征，这些特征已被证明会改变燃烧严重程度（Harris和Taylor，2017年；Povak等人，2025年）。无论燃烧条件如何，森林可燃物或森林类型的差异也会影响燃烧严重程度（Stevens-Rumann等人，2016年）。除了这些已知影响火灾行为和燃烧严重程度的因素外，极端火灾天气条件进一步复杂化了我们对森林管理措施如何影响燃烧严重程度的理解。
极端火灾天气——以高风速、高温和低相对湿度为特征——通常会导致火灾迅速蔓延，这可能会压倒灭火工作，危及生命和财产，并造成长期的生态破坏（Calkin等人，2015年；Duane等人，2021年；Tedim等人，2020年）。极端火灾天气的阈值通常基于能量释放成分（ERC）的第95百分位数，这是一个衡量潜在火灾强度的指标（Collins，2014年）。管理措施有许多目标（如恢复森林结构、减少可燃物等），并且通常设计为在特定条件下（如95%的火灾天气条件下）减轻火灾影响，然而许多最近的野火发生在超出这些措施设计范围的条件下（Vorster等人，2024年）。如果野火超出了某项管理措施的能力，可能会产生负面生态后果，例如大面积的高严重程度燃烧区域，这可能导致再生失败和影响水资源，以及社会后果，如基础设施的损失。
在火灾频繁发生的森林中，仅进行间伐的管理措施在极端条件下效果较差，因为间伐并不总是包括地表可燃物的清除，且覆盖的面积较小（Chamberlain等人，2024年；Lydersen等人，2017年；Prichard等人，2020年；Taylor等人，2022年）。研究还发现，包含燃烧且强度足够高的管理措施（即减少基底面积和消耗地表可燃物）在极端条件下仍然有效（Chamberlain等人，2024年；Taylor等人，2022年；Walker等人，2018年；Brodie等人，2024年）。随着燃烧条件的日益极端（Coop等人，2022年），需要进一步研究火灾天气条件对燃烧严重程度和管理措施减少燃烧严重程度能力的影响。
最近北美西部的野火在规模和严重程度上都有所增加（Abatzoglou和Williams，2016年；McFarland等人，2025年），导致了负面的社会生态后果（Rodman等人，2022年）。在科罗拉多州前山脉、新墨西哥州北部和怀俄明州南部，一些大规模的野火在多个森林类型和管理措施中蔓延，这为我们提供了研究管理措施的实施地点、类型以及这些措施如何与野火相互作用的机会。我们研究了2002年至2022年间在怀俄明州南部到新墨西哥州北部发生的野火，以评估在何种火灾天气、气候、地形和可燃物条件下，森林管理措施能够减少燃烧严重程度。我们的研究旨在回答：（1）哪些因素影响管理措施如何以及何时改变燃烧严重程度；（2）不同森林类型和管理措施下的燃烧严重程度有何差异；（3）极端火灾条件如何影响同一管理措施下的燃烧严重程度。我们假设：（1）火灾天气变量对预测燃烧严重程度的影响最大；（2）火灾频繁发生的森林类型在所有管理措施下的燃烧严重程度较低；（3）在非极端条件下，管理措施下的燃烧严重程度最低。
研究区域
研究区域
在这项研究中，我们关注了从怀俄明州南部到新墨西哥州北部前山脉地区的野火及其与管理措施之间的相互作用（图1；图A1）。2022年，美国农业部林业局（USFS）确定了美国十个面临严重火灾风险增加、生态后果负面以及社区基础设施和财产受到威胁的优先区域（USDA林业局，2022年）。具体包括科罗拉多州前山脉和新墨西哥州。
影响管理措施对燃烧严重程度因素
我们比较了描述生物物理环境的预测变量的分布，并进行了事后Dunn检验，以确定未处理区域是否反映了处理区域的条件。未处理和处理区域的树冠覆盖度分布显示，未处理区域的树冠覆盖度显著高于处理区域（图2A；图A3A）。移除地表可燃物、移除地表可燃物并燃烧以及之前的低强度野火处理措施在样本点上更为普遍。
讨论
我们发现，包括计划性燃烧和之前的低强度野火在内的管理措施在极端和非极端条件下，都能使大多数森林类型的燃烧严重程度降低。不包含燃烧的管理措施（移除地表可燃物和/或减少地表可燃物的措施）的效果更为复杂，这取决于森林类型（历史上火灾频繁或不频繁）以及火灾是否在极端条件下发生。
结论
我们的结果表明，之前的低强度野火在前山脉地区最一致地降低了燃烧严重程度；这也是本研究中最常见的可燃物修改措施。计划性燃烧也在所有有足够数据进行分析的森林类型中降低了燃烧严重程度（云杉-冷杉中的计划性燃烧未进行分析）。这些发现支持了先前的研究结果，即结合燃烧并模拟之前低强度野火强度的管理措施能够改善燃烧严重程度。
作者贡献声明
Sarah L. Hettema：撰写初稿、可视化、方法论、数据分析。
Camille Stevens-Rumann：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取。
Hannah Van Dusen：撰写、审稿与编辑、软件使用、方法论、数据分析。
Mike A. Battaglia：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金获取。
Anthony G. Vorster：撰写、审稿与编辑、方法论。
Jens Stevens：撰写、审稿与编辑。
资金支持
这项工作部分得到了美国农业部林业局的支持，资金来源于《2021年基础设施投资和就业法案》（授权号23-JV-11221636–158）和西南气候适应科学中心。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Sean Parks在概念化和技术支持方面的帮助，以及Anson Call、Caden Chamberlain和Jody Vogeler对本文的精心编辑和评论。
