论文|最新Science正刊!英国东英吉利大学揭示森林碳排放与气候的关系!

文摘   2024-10-21 16:24   辽宁  

学研录


2024年10月18日,英国东英吉利大学Matthew W. Jones在国际著名期刊《Science》上发表了题为“Global rise in forest fire emissions linked to climate change in the extratropics”的研究论文揭示了全球森林火灾排放的增加与温带气候变化有关。

论文信息:

Matthew W. Jones et al. , Global rise in forest fire emissions linked to climate change in the extratropics. Science386, eadl5889 (2024).

文章下载链接:


https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5889


DOI:10.1126/science.adl5889

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编辑总结(Science编辑)

人类活动引起的气候变化使野火规模更大、温度更高、更常见。Jones 等人使用机器学习方法分析了观察到的火灾增加的“原因”和“地点”。
作者确定了不同的森林生态区域,将它们分为 12 个全球森林火区,并描述了它们对气候、人类和植被的不同敏感性
他们的分析表明,在受气候影响最大的热带外火区,森林火灾碳排放量有所增加,超过了受人类影响最重要的热带火区的排放量。这也说明了在气候变化下,森林越来越容易受到火灾干扰。                                                                  —Jesse Smith

2016 年,加拿大北方森林发生野火。在 2023 年历史性的火灾季节,加拿大北方森林火灾排放的碳比近几十年高出九倍。照片:STEFAN DOERR。

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文章摘要

气候变化增加了森林中有利于火灾发生的天气,但火灾趋势也受到其他多种难以解开的控制因素的影响。

本研究基于机器学习将森林生态区域系统地分为 12 个全球森林火灾区,每个区域对气候、人类和植被控制表现出不同的敏感性。
这一划分表明:与气候变化有关的温带森林火灾排放量的快速增加抵消了2001年至 2023 年期间热带森林火灾排放量的下降。
由于有利于火灾发生的天气增加,加上森林覆盖率和生产力的提高,一个温带森林火灾区的年排放量增加了两倍。这导致全球森林生态区域的森林火灾碳排放量增加了 60%。
研究结果强调了气候变化下森林及其碳储量对火灾干扰的脆弱性日益增加。

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研究方法

森林火灾是一种自然干扰机制,气候变化使这种机制更有可能发生,对全球森林生态系统和碳 (C) 储存产生重大影响。最近的趋势显示,森林火灾活动的增加令人担忧,特别是在温带地区。

本研究旨在通过分析全球森林火灾范围和排放及其与气候、人类和植被控制的关系,解开导致近期火灾活动增加的因素。

利用机器学习,将全球森林生态区域分为 12 个不同的火区,其中森林火灾范围取决于类似的控制集。

了解不同火区火灾的驱动因素对于制定预测和管理火灾风险的有针对性策略至关重要。通过将森林生态区域划分为具有不同火灾控制措施的火区,旨在更好地了解火灾动态的区域变化及其对气候变化的敏感性。这种方法使我们能够将气候变化的影响与土地利用和植被生产力等其他影响因素区分开来。


图 1. 12 个森林火群的世界地图及其与生物群落和生态区域类型关联趋势的总结。使用k均值聚类将 414 个森林生态区域归属于一个火群,该聚类识别出在火烧迹地 (burned area,BA) 和 14 个预测变量之间具有相似相关性的生态区域(图 2)。灰色区域未包括在分析中,因为它们不在森林生物群落内(浅灰色),或者因为火灾极为罕见(火灾烧毁的森林面积年平均比例低于 0.01%;深灰色)。

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研究结果

研究结果显示:
在气候变化下,温带森林火灾排放量大幅增加。2001年至2023年间,横跨欧亚大陆和北美北方森林的一个温带森林火灾排放量几乎增加了两倍。这种增长与有利于火灾的天气条件的改善、土壤湿度的降低和植被生产力的提高有关。
相比之下,热带森林火灾排放量下降,与湿润热带森林的森林砍伐、火灾减少以及干燥热带森林因农业和其他土地用途而破碎化增加有关。
总体而言,在研究期间,全球森林火灾碳排放量增加了60%,其中最大的贡献来自温带地区。温带火灾活动的增加凸显了气候因素与人类活动相比的强大影响力,人类活动在热带地区发挥着更主导的作用。森林火灾碳排放量的增加既可以用火灾范围的变化来解释,也可以用火灾严重程度的变化来解释(以火灾燃烧的单位面积所排放碳来衡量)。
在温带森林火区,本文观察到火灾严重程度大幅增加,同时受火灾影响的地区也扩大了。这一发现表明,温带森林的火灾强度和严重程度正在增加,这与随着气候变暖和干旱变得更加频繁,火灾影响到更干燥、更易燃的植被燃料储量相一致

图 2. 全球森林 pyromes 中森林 BA 与 9 个预测因子之间关系的变化。小提琴图绘制了每个 pyromes 组成生态区域之间每个预测因子相关值 (Spearman's ρ) 的核密度分布。白点标记 pyromes 生态区域的中位相关值,黑线范围标记四分位距,空心菱形标记平均值。


图 3. 2001 年至 2023 年期间森林 BA 和森林火灾碳 (C) 排放量的变化。面板显示 (A) 至 (C) 森林 BA、(D) 至 (F) 单位森林燃烧面积火灾碳排放量、(G) 至 (I) 森林火灾碳排放量,以及 (J) 至 (L) 森林占总 (森林加非森林) 火灾碳排放量的比例。按列,面板显示 (A)、(D)、(G) 和 (J) 显示了每个 pyrome 的年度数据 (实线) 和趋势线 (虚线)、(B)、(E)、(H) 和 (K) 数据期间的绝对变化,以及 (C)、(F)、(I) 和 (L) 同一时期的相对变化 (%)。趋势线使用 Theil-Sen 回归进行拟合。根据 2002 年至 2020 年碳燃烧率趋势和 2001 年和 2023 年观测到的年度 BA,推断出 2001 年和 2023 年的火灾碳排放量。绝对变化计算为期间开始和结束时趋势线值之间的差异,相对变化保守计算为绝对变化除以期间平均值。

图 4. 生态区域层面的生物气候变量和火灾观测的变化。 用于区分火烧区(A)至(D)的四个生物气候变量的相对变化,即BA(E)、森林烧毁面积分数(km2 烧毁 km-2 森林(F)、森林火灾碳(C)排放量(G)和森林火灾 C 燃烧率(g C km-2 燃烧)在2001年至2023年期间(2010 年至 2021 年为雷电密度),映射到森林生态区域。气候变量是(a)火灾季节的天数,相对于 1980 年至 2009 年期间所有天数的第 95 个百分位火灾天气指数 (FWI) 值,(B) 火灾季节的平均土壤水分含量,(C) 前一个生长季节的平均归一化植被指数 (NDVI),和 (D) 火灾季节的雷电密度。森林 BA 与火灾天气、土壤水分、植被生长和闪电之间的关系强度因火烧区而异(图 2),并且变化较小在每个 pyrome 的组成生态区域内。森林火灾 C 排放量的变化(G)也与森林燃烧面积的变化(E)以及单位 BA 排放量的变化(H)有关。

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研究讨论

温带森林火灾排放量急剧增加的趋势警示着森林碳储量对气候变化的脆弱性日益增加。这对全球应对气候变化的目标构成了重大挑战,因为火灾降低了森林作为碳汇的能力。有效的森林管理和旨在减少温室气体排放的政策对于减轻这些风险至关重要。
研究强调了在制定管理火灾和保护森林生态系统的战略时考虑火灾控制的区域差异的重要性。监测植被和生产力变化等主动措施可以指导确定温带森林管理区域的优先顺序。在热带火区,减少极端火灾天气下的点火并防止森林破碎应该可以保护森林并提高碳保留率。在具有大量灭火历史的地区,将重点转移到受控的、生态有益的火灾上可能会防止碳汇到源的转化
解决气候变化的主要原因,特别是化石燃料排放,对于最大限度地降低全球未来森林火灾风险和确保未来的森林具有弹性至关重要。
此外,研究工作支持要求向联合国更全面地报告森林火灾排放,作为国家报告人为碳通量的一部分。目前,无论是在有管理的土地上还是在无管理的土地上,都将森林火灾排放通量视为自然排放通量,这一标准与人类活动引起的气候变化导致的火灾排放通量增长越来越不一致。这导致向联合国正式报告的人类活动碳预算与基于陆地碳储量模型和观测或大气中二氧化碳浓度构建的预算之间出现差距。
最后,研究强调,如果认证协议中没有适当考虑到日益增加的火灾干扰风险,那么热带外森林的再造林计划可能会严重高估碳储量(因此也会高估碳信用额)。
END

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