文献阅读 | 在亚马逊南聚集的野火风暴

题目

The gathering firestorm in southern Amazonia

作者

Brando, P., Soares-Filho, B., Rodrigues, L., Assunção, A., Morton, D., Tuchschneider, D., Fernandes, E., Macedo, M., Oliveira, U. and Coe, M.

期刊

Science Advances

时间

2020年1月

一作

单位

Department of Earth System, University of California, Irvine, CA 92697, USA.

Woods Hole Research Center, 149 Woods Hole Rd., Falmouth, MA 02540, USA.

Instituto de Pesquisa Ambiental da Amazonia (IPAM), SHIN, CA-5, Brasilia, DF 7500, Brazil.

链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aay1632

研究背景

受极端气候和土地利用的影响，野火正在威胁着亚马逊地区的生态环境，使亚马逊地区从净碳汇变成净碳源。在大气层累积的温室气体改变了亚马逊森林——地球上最著名的热带雨林之一——的区域降雨量和温度系统，导致亚马逊森林转变成低生物质的状况。这种气候导致的森林转变很可能会导致大量的温室气体被释放到大气中，从而加剧全球变暖。尽管施肥可能会抵消部分森林回枯，但是大部分模型和预测中都无视了一些重要的负面因素——比如野火。大火已经使亚马逊盆地大部分较为干旱的区域的树林死亡，而且有很大概率会随着气候和土地使用的改变而蔓延到潮湿地区。无视这等规模的潜在碳源会限制我们缓解全球变暖的努力，并最终导致对亚马逊森林的保护无效。了解亚马逊地区未来的火灾机制能帮助当地政府提高预防森林大火的能力和降低大火对生态系统、社会经济和生物多样性的负面影响。

        在巴西的亚马逊地区，森林砍伐活动在2004年和2017年期间减少了70%，相当于减少了12%的全球一年的二氧化碳排放量。在同一时期，与二氧化碳及其他温室气体（一氧化碳、甲烷等）相关联的野火加剧了。仅在二十一世纪，亚马逊地区大约85，000平方千米的森林被燃烧。燃烧大部分都发生在大西洋多年代际振荡的暖期导致的干旱的2005年到2010年。在因为热带太平洋（厄尔尼诺）和热带北大西洋共同引发的反常增温而导致大面积的严重干旱的2015年，亚马逊中部地区又经历了一场与之前类似的火灾激增。除了这些断断续续的干旱，气候变化还会导致更频繁、更严重和更广泛的干旱。研究表明在不久的将来，无论森林砍伐率是上升还是下降，森林的可燃性会不断上升。因此，解决亚马逊森林大火造成的大规模森林退化问题对于量化未来全球温室气体排放至关重要。

        在亚马逊地区，地表的森林野火通过三种方式向大气释放温室气体。第一，也是贡献最多的方式，燃烧燃料（例如树叶、树芽和树枝）直接释放二氧化碳到大气层。通过这种方式，野火贡献了约每公顷20到60吨的二氧化碳。第二，加热分解生物质导致一系列温室气体的释放，包括甲烷，二氧化氮，一氧化碳和氮氧化物。最后，火灾后的注定死亡的树木持续性地向大气释放二氧化碳长达数年，因为树木在逐渐死去并分解。尽管森林恢复能在一定程度上缓解火灾后树木死亡的二氧化碳排放，但是恢复很有可能会被高频率地野火拖慢，将树种和芽库焚烧，最后给入侵物种，例如野草，留下生态位空间。

本文用一个耦合火灾-生态系统模型（Coupled fire-ecosystem model）来探索气候变化和森林砍伐对受灾区域和火灾导致的一系列温室气体排放的协同作用。如图1所示，亚马逊最干旱的部分占巴西合法的亚马逊区域的61%，同时也是森林火灾的热点。我们的火灾模型模拟了每日火灾引燃点，并以500米的分辨率根据气候条件、土地利用情况、燃料负荷和地形模拟出对应的扩散区域。我们的生态系统模型展现出了森林碳流动和干旱引起的燃料负荷的变化和干旱化——一个竟然被大多数生态系统模型忽略了的过程。我们用这个耦合的模型去测试以下两个假设，“在未来，森林火灾会在以下这种情况变得最频繁：（1）由于森林砍伐和破碎化，森林边缘暴露于火源；（2）由于大气温室气体的积累，气候变得更加干燥和炎热。”然而，尽管存在易燃边缘，但如果森林砍伐率过高导致森林连通性和相关的燃料连续性降低，那么受灾区域反而会变小。我们还预测在茂密的原始森林形成潮湿的林下微型气候的地方，包括保护区和土著保护区的内部（当地称为保护区森林），受灾区域较小。

图1：巴西南部亚马逊历史上受灾区域，2002-2010（上：观测的火灾痕迹，Morton et al., 2013；中：本文使用模型观测的火灾痕迹；下：观测的（上）和模拟的（下）火灾痕迹对比）

研究发现

       我们的模型模拟了2000到2050年的两种气候变化情景。RCP2.6代表着低排放情景和RCP8.5代表着高排放情景。同时，我们还模拟了两种砍伐情景，分别是继续现在的趋势（D）和无砍伐情景（N）。因此一共有四种，分别是RCP2.6D，RCP2.6N，RCP8.5D，RCP8.5N。

     即使在没有砍伐的情况下，在气候变化RCP8.5N和RCP2.6N的情境下，模拟的火灾机制仍在在东南亚亚马逊地区加强了。与二十世纪相比，模拟的森林火灾在接下来的数十年中燃烧蔓延得更广，消费更多的燃料，释放更多的能量，并向大气排放更多的二氧化碳。到2050年，从这些野火释放的总二氧化碳排放量为165亿吨（RCP2.6N）和137亿吨（RCP8.5N）。在2001到2050年期间，与RCP2.6N情景相比，RCP8.5N情景下会有野火更频繁，但是受灾区域更小。总的来说，模型预测RCP2.6N情境下会在全部阶段都比RCP8.5N释放更多的温室气体。在2030年之后，受灾区域和二氧化碳在RCP8.5N的情境下增幅大于RCP2.6N，说明8.5瓦的辐射强迫（Radiative forcing）在气候变化的条件下对火灾机制会变得越来越重要。

图2：巴西南部亚马逊地区2001-2050火灾机制

（A：年受灾区域（左y轴）和累积受灾区域（右y轴）；B：每五年火灾强度和每年数值；C：年总碳排放。虚线代表仅2000-2005（上）和2006-2010（下）砍伐基线；D：仅砍伐情景（虚线）和森林火灾情景（彩色线）下的净排放）

        当我们将砍伐活动加入我们的模拟情景中时，与无砍伐情景（RCP8.5N和RCP2.6N）相比，两种气候情景中（RCP8.5D和RCP2.6D）的受灾区域和火灾引起的二氧化碳排放都增加了。在RCP8.5D情景中，2010到2050年期间，模拟的受灾区域和总二氧化碳排放分别为2,230万公顷，和170亿吨。这与对应的无砍伐情景（RCP8.5N）相比分别高了30%和22%，说明气候变化和砍伐行动在未来会有很强烈的内在关系。总的来说，RCP8.5D情境下野火会导致最多的二氧化碳。相反的是，没有砍伐的气候情景（RCP8.5N）下的二氧化碳是最少的。如图2所示，从2010年到2050年，森林面积每因为砍伐减少5%，受灾区域就会增加475（RCP8.5D）和40%（RCP2.6D）。

        在我们模型中释放到大气中的二氧化碳大多数来源于于燃烧和灾后死亡树木释放。二氧化碳和一氧化碳分别占总排放的70%和7%。尽管我们期望灾后树林的重新生长能抵消部分的二氧化碳排放，我们的模拟结果显示这种可行性很低。未来干燥的气候条件会导致高强度的野火和大范围的受灾区域，最终导致碳库的减少。碳库的灾后恢复同样因为气候条件导致的潜在生物质的减少而困难重重。作为结果，我们预测未来的森林大火中释放的二氧化碳会更多地留在大气中而不是被森林吸收。在2010年到2050年，RCP2.6N和RCP8.5N两种情景下，森林大火导致的累计净碳排放（排放减去恢复吸收）均高达10亿吨。然而，我们的模拟结果显示避免新的森林砍伐能减少净排放的38%（RCP2.6）和56%（RCP5.8D）。在研究区域中，26%的地区遭受过反复性燃烧。防止重复性的燃烧能够加快碳库的恢复。

图3：RCP8.5D情景下预测的森林砍伐情况和受灾区域

研究结论

        在亚马逊南部地区，森林大火机制在过去的三十多年有了巨大的改变。即使是在砍伐行为已经得到制止和减少的地区，人类行为和极端天气事件的相互作用所引发的野火仍然造成了更广受灾区域，并向大气层释放了更多的碳。在我们的模拟中，亚马逊南部的原始森林早期的高植被覆盖率和燃料的潮湿有效地减少了燃烧的可能性，然而随着气候变得干燥和大气水汽压差（VPD）增强，还未被毁坏的森林的升温和累积的燃料（树叶等）使得原始森林可燃性大大提高。我们的模型预测显示亚马逊南部地区的森林大火会在接下来的数十年加剧。该地区16%的森林将会随着气候变得更干、更热而自燃。在2050年，野火导致的二氧化碳排放量达到了60亿吨，与之相比的是2020年的排放量仅有21亿吨。如果森林砍伐维持当前较低的水平，那么未被毁坏的森林的大火的温室气体排放量会逐渐超过那些遭到森林砍伐的情景。降低全球的温室气体排放量到接近零的水平（即碳中和）也许能减少极端干旱和相关联的野火的可能性。然而，RCP2.6和RCP8.5的预测结果仅仅在2030年之后才开始发生分歧，意味着这个地区在无论那种情景都已经发生了实质上的升温和干旱，这会导致着接下来数十年的愈发频繁的野火。

编辑&排版：周子乔

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