《SCIENCE ADVANCES》：Peat fires contribute disproportionately to Siberian fire carbon emissions
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本研究针对北极-北方地区野火碳排放，特别是对全球碳库构成严重威胁的泥炭地火灾，其发生频率和碳排放量仍存在高度不确定性的问题。研究人员基于30米分辨率Landsat数据，结合新型高分辨率泥炭地分布图，对2001-2023年西伯利亚地区火灾进行了全面评估。研究结果显示，在此期间，西伯利亚累计过火面积达1.0757亿公顷，其中泥炭地火灾占近三分之一，释放了1.24±0.06 Pg碳，远超传统数据集估计。研究发现，异常干燥温暖的气候条件是极端泥炭火季的主要驱动因素，且2020年末季火灾的越冬现象显著促成了2021年的广泛火情。泥炭地火灾，尤其是北极地区的，对极端天气表现出显著的敏感性，对永久冻土泥炭地及其巨大碳储量的稳定性构成严峻威胁。这项工作为准确评估泥炭地火灾的影响提供了关键数据，强调了其在北极-北方地区碳循环和气候反馈中的关键作用。
北极和西伯利亚的泥炭地，虽然只占地球陆地面积的2%到3%，却存储着巨量的土壤有机碳，是全球气候系统中至关重要的碳库。然而，这片“碳库”正面临着日益严重的威胁——野火。其中，泥炭地火灾尤其危险，它们能引燃深层富含有机质的土壤，导致长期、难以恢复的碳损失，并加速永久冻土融化。但一直以来，泥炭地火灾的实际发生情况及其相关的碳排放量，由于观测数据的局限性，存在着巨大的不确定性。现有的全球火灾数据集通常基于空间分辨率较低（>250米）的卫星观测，这可能导致低估了实际的过火面积，特别是在泥炭地分布广泛、地形复杂的西伯利亚地区。这种不确定性，使得我们难以准确评估泥炭地火灾对北极地区碳循环的真实影响，也阻碍了我们对未来气候变化的可靠预测。为了解决这些关键问题，一项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究，利用更高分辨率的卫星数据，对过去二十多年西伯利亚的火灾，特别是泥炭地火灾，进行了一次“高清”扫描和深度剖析。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：1) 利用Landsat系列卫星（30米分辨率）生成了2001-2023年西伯利亚高分辨率过火面积图，并结合MODIS和VIIRS的主动火点数据优化火灾日期和范围；2) 开发了基于神经网络的90米分辨率泥炭地分布图，并与PEATMAP数据集进行空间降尺度结合，用于准确识别泥炭地火灾；3) 基于894个野外站点的实测数据，利用XGBoost机器学习模型，结合气候、土壤、地形、植被等40多个预测变量，对燃烧深度、地上及地下碳燃烧量进行建模和估算。
研究结果
火灾的时空分布
研究发现，在2001至2023年间，西伯利亚的累积过火面积高达1.0757亿公顷，年平均4.68百万公顷，且年际变异性很大。火灾集中在西伯利亚中北部，特别是萨哈共和国（雅库特）的东部针叶林生态系统，该地区以生长在永久冻土上的大面积落叶松林为主。2019年至2021年是火灾活动最极端的年份，占累积过火面积的四分之一以上，其中2021年的过火面积最大（1058万公顷）。该研究还发现，2020年末季的泥炭地火灾以“僵尸火”的形式在富含碳的有机土壤中缓慢阴燃过冬，并在2021年春季融雪后重新浮现地表，这直接促成了2021年的特大火灾事件。与基于MODIS的粗分辨率过火面积产品相比，本研究的Landsat数据集检测到的过火面积要高出42%至66%，显示了高分辨率数据在捕捉火灾，特别是小范围火灾方面的优势。
北极泥炭火灾随近期北极变暖而加剧
研究区域超过25%的面积被识别为泥炭地，近三分之一的过火面积发生在泥炭地占主导的区域。泥炭火灾和总过火面积在时空上高度相关，最大的泥炭火灾发生在东西伯利亚针叶林和俄罗斯白令海苔原。在2020年的破纪录热浪和干旱期间，泥炭火灾占总过火面积的比例异常高（43.6%），这主要是由北极圈内东北部针叶林和苔原的永久冻土沼泽中的广泛泥炭火灾所致。西伯利亚泥炭火灾对干燥温暖的夏季气候条件表现出指数级的增长响应。气候水分亏缺、土壤湿度和干旱指数等变量可以解释泥炭地过火面积年际变化的41%至58%。在北极地区，这种气候异常与泥炭火灾的关系甚至更强，这表明北极生态系统对气候变暖的脆弱性高于亚北极地区。
燃烧深度和火灾碳排放
研究估算，2001至2023年间，西伯利亚所有火灾共释放了3.69±0.15 Pg碳，其中泥炭火灾贡献了约三分之一（1.24±0.06 Pg碳）。在所有火灾类型中，年均碳排放强度平均为3427±140 g C m-2，其中88%来自地下燃烧。年均燃烧深度在8.90至10.20厘米之间，并呈现微小的显著增加趋势。与全球火灾排放数据库（GFED）相比，本研究的碳排放估算值在大多数年份略高于GFED500，但显著高于GFED4s（高出约92%）。对于泥炭火灾碳排放，本研究估算值远高于GFED4s，GFED4s中泥炭火灾仅占总火灾排放的2.39%，而本研究表明这一比例高达三分之一，这表明GFED数据集严重低估了泥炭地对火灾总排放的贡献。
气候与泥炭火灾之间的因果关系
通过路径分析（结构方程模型，SEM）发现，气候水分亏缺是泥炭火灾和碳排放的主要气候驱动因素，而最低气温的加入提高了模型解释的方差水平，与泥炭火灾的地下碳排放尤其相关。模型解释了总过火面积和泥炭火灾面积63%和58%的总体变异性，表明气候是整个西伯利亚地区火灾的主要控制因素。干旱代码（Drought Code, DC）主导了总过火面积的变化，而DC和长期干旱（以帕默尔干旱指数PDSI表示）对泥炭火灾的贡献几乎相等。模型还揭示，泥炭火灾的增加与干燥条件相结合，可能会增加更大规模地下碳燃烧的可能性。
研究结论与意义
该研究揭示，泥炭火灾是北极-北方地区一个主要且被严重低估的碳排放源，并对气候异常表现出极端的敏感性。这凸显了北方生态系统，特别是富碳泥炭地的关键脆弱性，并在未来预计变暖的背景下对其恢复力提出了更多担忧。研究发现，2019-2021年西伯利亚火灾的激增是极端干旱天气条件影响的鲜明例证。本研究所采用的高分辨率过火面积数据集比粗分辨率产品检测到更多的火灾，纠正了以往的普遍低估。全球火灾排放数据集（如GFED）严重低估了泥炭火灾，从而导致对泥炭地碳库影响的巨大低估。泥炭火灾不仅直接释放大量碳，还会引发持久的生态干扰，最终放大未来泥炭地碳汇的损失并影响气候反馈，例如加速永久冻土融化、促进热喀斯特沼泽扩张、增加甲烷排放、改变地表能量平衡等。路径分析模型证实了气候作为控制西伯利亚火灾年际变化及其后续损害的主要驱动因素的作用。研究结果表明，泥炭火灾的规模随着气候异常而加速，在北极圈以北的地区，这种联系更强，泥炭火灾对气候的敏感性也高于亚北极地区。这凸显了北极生态系统相对于亚北极地区对气候变暖具有更高的脆弱性。这项研究的成果为改进地球系统模型中对泥炭地过程的表征提供了有价值的基准，从而增强了对北方生态系统泥炭地碳平衡的模拟和监测能力。
