野火如何改变世界?
2020-03-02 11:26

野火如何改变世界?

本文经微信公众号“星球科学评论授权转载,星球科学评论,星球研究所旗下品牌,科学、探索、好奇,作者:云舞空城


人们已经习惯将太阳视作一个“火球”,甚至看见了太阳表面如同液体黄金一般上下翻飞的结构,向整个太阳系释放出温暖和光芒。



分辨率达到30千米的太阳表面运动视频 | 视频为可见光波段拍摄的太阳表面,影片视场范围为19000x10700千米,每个“细胞”的面积都接近一个青海省(72万平方千米)。出处@DKIST望远镜/美国国家科学基金会


但是,如果严格按照化学概念,太阳上发生的核聚变却不能叫做燃烧——只有同时具备了助燃剂(如氧气),燃料和适当的温度,才可以发生物质的燃烧。在整个太阳系,只有地球同时具备充足的上述三点条件,使地球成为太阳系里唯一的燃烧星球。


麋鹿浴(Elk Bath) | 图为在溪流中躲避野火的麋鹿,拍摄于2000年美国蒙大拿州的一次山火现场,是当代最著名的野火照片之一。图片有修饰。图源@John McColgan/美国农业部


每一年,野火都会有规律地降临世界各地。回顾整个2019年,野火“烧遍了”全世界。在中国四川,雷击引发了大凉山的3.30木里火灾,31名救火队员意外牺牲,成为国人心头一道挥之不去的痛。在美国加利福尼亚,2019年的野火比2018年弱,而刚刚拉开序幕的2020年野火季又不知将会迎来怎样的前景。


2018年8月与2019年8月全球野火态势对比图 | 2019年,全球野火发生数量较2018年同期显著增长。图源@ESA


在巴西,亚马逊雨林火光冲天,究竟是人祸还是天灾的讨论,一时间搅动国际舆论;在俄罗斯西伯利亚,寒带针叶林大火释放的浓烟笼罩城市,最终不得不动用军队参与灭火;在澳大利亚,猛烈的火势至今未消,飞升的灰烬甚至漂洋过海,撒向远方。


烈火中依旧坚守的火险警示牌 | 这是澳大利亚户外常见的火险警示牌,在漫天火光中显得别有意味。图源@VCG


在非洲撒哈拉沙漠以南,人们用刀耕火种的方法,在稀树草原和热带雨林里制造着一年一度的“人造野火”,并随着雨季的变化而南北迁徙。


非洲撒哈拉沙漠以南的农业火源态势图 | 2015年11月,撒哈拉沙漠以南的燃烧点连成一线。图源@NASA


野火是一种常见的现象,在这颗蓝色的星球上,几乎每时每刻都有什么东西正在不为人知的地方燃烧着,其数量和规模均远远超过我们从新闻中获得的感知。



2000年至2019年11月,全球着火点分布变化视频 | 基于MODIS和TERRA卫星数据制作,反映地表异常燃烧点,但是无法区分人为火情(如燃烧秸秆)或天然野火。出处@NASA


作为整个太阳系唯一的火苗,天然野火在地球上存在的历史远长于人类。漫长的地球历史中,野火记载着这颗星球的过往,也塑造了依附于它的万物生灵。“野火烧不尽,春风吹又生”,生生不“熄”的野火,给这个世界带来了什么?


从无到有的远古野火


自从植物登上陆地后,太阳系里第一次有了大规模野火[1-2]


迄今为止最古老的野火证据,位于距今约4.21亿年前的英国威尔士地区,那个时代是志留纪(距今约4.44-4.19亿年)晚期,而最古老的宏观陆生植物化石则发现于距今约4.25亿年前[3-6]。这也意味着,植物登上陆地后不久,地球上便开始出现了野火[7]


地质历史中可追溯的最古老野火产物 | 英国威尔士Borderland地区志留系Pridoli阶地层中发现的野火产物,其中B和E是烧焦的粪石,其余皆为植物茎秆形成的炭。引自文献[1]


植物从海洋登上陆地,进一步提升了氧气浓度,也逐渐将枯枝败叶铺满大地。闪电、高温、火山爆发等因素点燃火种,在氧气浓度大于16%时,野火便会开始熊熊燃烧[8-9]


闪电,树木,野火 | 闪电击中树木/草地起火,是自然界最主要的野火诱因。图源@VCG


按照常理,野火应消耗氧气、释放二氧化碳,但在更大的地质时间尺度下,它却可能提升氧气的相对含量,让火焰燃烧得更加剧烈,形成越燃越烈的正反馈机制[10]


野火与氧气浓度的正反馈模型 | 在泥盆纪晚期至石炭纪早期,野火后形成的大量木炭被原地埋藏;此外,水土流失加剧使输入海洋/湖泊的营养物质增多,提升浮游生物生产力,吸收更多二氧化碳,更多的有机质沉入水底被埋藏;浮游生物释放的更多氧气也可以进一步促使野火发生。制图@陈睿婷/星球科学评论


植物登陆以来,至少有过两个主要的野火高发时段,分别是距今约3.5亿年~2.5亿年的石炭纪至二叠纪,以及距今约1.3亿年~0.66亿年的白垩纪[8],这都是远古森林遍布世界,而且氧气相对充沛的年代。


地质历史时期的野火燃烧频率曲线及其与氧气含量的关系 | 石炭纪、二叠纪和白垩纪是野火频繁的时代。改自文献[8]


野火与森林相伴相生,而植物燃烧后留下的“木炭化石”,则能记录下野火的大致数量,起火植物的主要种类,野火的类型、规模和温度等细节信息。


保存在一块砂岩中的“木炭化石”碎块 | 右上部黑色物体为木炭碎块,最宽处可达3.8厘米,产自美国俄亥俄州宾夕法尼亚系(石炭系上部)砂岩地层。这是木炭被冲进江河后形成的产物。图源@James St. John/wikimedia


除了宏观的木炭碎块,细小的炭屑和飞灰也会随着热空气飞升,在面积巨大的区域内散落,在更大范围的地质记录里留下蛛丝马迹。


澳大利亚野火产生的烟云笼罩新西兰南岛 | 图片右下部可见一团橘红色的烟云,这是澳大利亚野火产生的浓烟随大气运动抵达新西兰后的场景。这些烟云中携带的飞灰,最终会沉降在陆地和海洋里。图源@向日葵8号(Himawari-8)气象卫星/日本气象厅


白垩纪末(距今约6600万年前),直径大约10千米的小行星撞击地球,终结了非鸟恐龙统治的时代。撞击是否在全球引发了超级大火,一直是科学界争论的热点。根据降落在世界各地的野火飞灰,科学家提出了“全球火风暴”假说,但也受到北美洲缺少相应时期木炭的挑战。无论这场因撞击引起的野火规模有多大,地层中的野火遗物,将继续把这场争论“烧”得炙热[11-15]


希克苏鲁伯撞击事件后的场景想象图 | 该撞击究竟引发了多大的“火风暴”,还有待科学家们进一步研究。图源@VCG


浴火而生的植物强者


除了用木炭记录地球历史的点滴,野火本身也在生物演化中扮演着十分独特的作用。作为毁灭性的力量,野火用烈焰践行着优胜劣汰法则,成为一种显著的自然选择方式[8]。越能适应冲天烈焰的植物,便越能幸存和繁衍下去,成为这颗星球的强者。


在二叠纪(距今2.99亿年~2.52亿年),泛大陆的内部干旱少雨,野火频发[8, 16],以种子繁衍的植物在这样的环境中脱颖而出——种子的受精完全摆脱了流水,比孢子繁殖更能适应干旱的环境。


蕨类植物的孢子繁殖示意图 | 植物的有性繁殖包括孢子繁殖和种子繁殖,蕨类植物的有性繁殖为孢子繁殖,精子需要借助液态水游到卵细胞进行受精作用。制图@陈睿婷/星球科学评论


到了二叠纪末(距今约2.6亿年前),种子植物已占据地球植物种类的60%[8, 17]。种子植物借助干旱和烈焰消灭竞争对手,扩展生存空间,而部分早期裸子植物甚至演化出了耐热的树皮,以保证在火焰中更高的幸存概率。


在野火频繁的白垩纪(距今约1.45亿至6600万年),开花的被子植物一跃而起,迅速取代了裸子植物,成为种子植物中的新贵。一种理论认为,正是因为被子植物具有更快的变异效率、繁殖速度和生长速度,才能够在野火肆虐后的空地上快速萌发,更快的积累燃料,不断扩展自己的生存空间[18-19]


火烧后的松树林,野花盛开 | 低矮的有花被子植物生长更快,能更快堆积燃料,威胁高大裸子植物松树的生存。图源@VCG


到了新生代(6600万年以来),更容易燃烧的草类植物将“浴火而生”这四个字体现到极致。草类植物诞生于白垩纪末期,繁盛于新生代。它们拥有更短的生命周期,能够比树木更快堆积燃料,引发频繁的野火阻止幼树成长,得以迅速在森林中扩展自身的生存空间。


非洲稀树草原的野火景观 | 在稀树草原,野火是压制树木生长的重要因素。图源@VCG


距今700万年前的中新世,稀树草原开始在热带和亚热带地区占据一席之地。这是一种高度依赖野火的自然景观,大部分树木都被扼杀在幼年时期。更有甚者,在一些水热条件能够满足森林生长的地方,树木依旧难以成林,继续维系草地的景观[8, 18-21]


这一时期,恰好也是人类祖先走出森林,走下树冠的关键时刻[22]。纵然存在气候变冷变干等环境大背景的改变,但草类植物通过野火抑制森林,或许也为人类起源于东非的稀树草原奠定了基础。


当古猿第一次从茂密的草地中试着站起寻找潜在的危险时,人类演化的蓝图,便已在火光和浓烟中徐徐铺开。


黑猩猩在草地中站起 | 这一场面,像极了数百万年前人类祖先从草地里站起的画面。截取自BBC纪录片《植物之歌/How to plant a planet》


玩火自焚的野火之子


人类祖先走下树冠,从野火中拾起燃烧的枝条,逐渐学会用火,从此彻底改变了这颗燃烧星球的面貌。凭借手中的火炬,人类刀耕火种,在草原和森林间开辟出空地,建立城镇,创造文明。


刀耕火种,是全球主要的农业火源 | 图为非洲塞拉利昂一处刚刚熄灭的人造火场,人们将在焚烧后的土地上种植农作物。图源@USGS


在当代,超过80%的野火由人类活动造成,它们来源于工业、农业和其他活动,可能是丢弃的烟头、未熄的篝火、大型机械的火花,或者干脆由人类亲手点燃。人类对野火的贡献,早已超越包括闪电、高温、落石(砸出的火花)、火山、陨击在内各种自然因素的贡献[8, 23-24]


当代北美洲野火的主要成因 | 人类引发的野火数量(130万)远大于自然引发的野火数量(26万)。制图@陈睿婷/星球科学评论


与此同时,工业活动制造的碳排放,是主导当代气候变暖的主要因素[25]。越来越热的地球加剧了高温和干旱,改变了降水的节律,显著增加了野火的风险和频率[26-27]


美国西部极高野火风险天数曲线对比图 | 数值模拟研究发现,气候变暖提升了美国西部野火实际发生的数量。制图@陈睿婷/星球科学评论


从火焰中崛起的人类,正在变成野火的受害者。伤亡惨重的救火队员、被火场吞噬的房屋和生命、巨大的经济损失和防火预算、烟雾对公众健康的潜在危害、短期加剧碳排放等问题,正成为这颗燃烧星球留给当代人类的巨大困扰之一。


赶赴野火现场的消防车 | 比起造成直接杀伤的火,烟雾的危害更加隐蔽。图源@VCG


因此,野火历来被视作对人类生命财产的严重威胁。世界各国都积极建立了野火防控机制,大量的人力、物力和财力被投入到野火的预防、扑救和管理工作上。在美国,仅在2016年,用于野火防治工作的费用和野火造成的损失高达30亿美元[28]。在中国,2016年制定的《全国森林防火规划(2016-2025)》则为之后十年的森林防火工作初步规划了450.95亿元[29]


但就像野火在地质历史里也曾起到灾难之外的积极作用,当代的野火也并非只意味着危险。作为一种复杂的自然现象,野火是正面效益和负面结果的矛盾结合体。从不同的角度科学辩证地看待野火,十分必要。


“允许一部分野火先烧起来”


从资源安全和人类安全的角度,将所有野火在源头阶段扑灭是成本最低、风险最小的做法。于是,在传统的人工瞭望、飞机航拍之外,越来越多的无人机和卫星也投入到监控早期火源的工作里,加大火源监控的科技含量。


国际空间站视角的加州森林大火 | 卫星可以从可见光及其他非可见波段监控全球火情,是当代最重要的野火早期观测手段之一。图片拍摄于2018年8月4日,高度252英里,约合405千米。图源@NASA


从人口密度、风险大小和成本的角度,不同地域的火情可采取迥异的应对措施。在美国2003年制定的《实施联邦荒地火灾管理政策的跨部门战略》中,强调了对不同野火的不同应对思路,并沿用至今。在远离人烟的野外,可以允许自然引发的大火自行燃烧(人为引发的野火则零容忍),尽可能发挥野火的生态作用。人们需要做的只是适当监控,和降低野火蔓延到高价值、高人口数量地区的风险[30]


遥望野火的救火队员 | 监视与扑救,都是面对野火的重要举措。图源@VCG


从生态学的角度,野火本就是大自然的一部分,它可以改变植被种群结构、土壤理化性质、微生物及昆虫种群结构、养分的循环路径等,同时起到多种积极和消极的作用[31-33]


野火过后,新的生命将重新萌发 | 野火通过控制生死,影响植物的种群结构。图源@VCG


对于耐火植物和依赖火进行繁衍的植物,野火则是一种积极的力量。在澳大利亚,包括山龙眼(Banksias)在内的植物演化出利用火的繁殖策略[34],它的果穗需要高温烧灼才能顺利爆开,释放出沉睡多年的种子,快速占据野火焚烧后的开阔空间和富含养料的土地。


被野火焚烧过的山龙眼果穗 | 野火有利于这类植物的繁衍。图源@VCG


除此之外,野火本身还是降低大规模野火风险的最好办法。在中国,由于多年来采用高度积极灭火的策略,一些森林反而堆积大量枯枝败叶,部分地区可达每公顷50-60吨,远远大于可能发生重特大森林火灾的临界值30吨[29],成为危险的燃料源。


于是,“允许一些野火烧完”的思想,也写进了面向未来的防火规划文件。受控燃烧,就是一种以野火防控野火的积极手段。在有条件的地区,通过低烈度的、受控的、扩散风险不大的野火来清除地面可燃物,让老旧的林木倒下,孕育出新的森林,使自然生态重现健康。


受控燃烧后植被恢复过程的照片 | 受控燃烧可以有效减少燃料堆积,降低发生更大野火的风险。图中植被恢复时间为两年,拍摄间隔为半年。图源@wikimedia


与野火共存


无论是强大的破坏力,还是独特的生态作用,人类面对古老的野火别无选择,只能拥抱它带来的一切。但这并不意味着我们只能被动承受,恰恰相反,只有积极作为,才能更和谐地与野火共存共生。


积极管控全球变暖,建设高科技消防,科学区分风险级别,用好“以火攻火”,这些都是未来人类在野火防治工作中的重要议题。


飞机扑救野火 | 图中飞机正在对火场投放阻燃剂,科技设备的投入,有助于人们高效管控野火。图源@VCG


更重要的,则是要管好人类掌控火焰的双手,改变落后地区的农业面貌,将人为火源的占比不断压缩,从主要根源来治理野火。


人们在放火烧过的山坡上劳作 | 在一些相对落后的国家和地区,刀耕火种仍是盛行的农业生产方式。图源@VCG


总之,科学地看待野火十分重要。


它既是塑造生命的自然现象,也是人类眼中的灾难;它既有无穷的破坏力,也有基于生态学的积极作用;它既能释放二氧化碳,也为新生植被固碳创造条件;它曾经塑造了人类,也必然会继续与人类共存下去。


所以,不妨将凯撒的交给凯撒,将自然的交给自然。保护好自己,也给自然野火一点自由燃烧的空间。


这便足够了。


野火焚烧后的林地,野花正在盛放 | 火起火灭,花开花落,这便是燃烧星球的生生不息。图源@VCG


参考文献:

[1] Glasspool I J, Edwards D, Axe L. Charcoal in the Silurian as evidence for the earliest wildfire[J]. Geology, 2004, 32(5): 381-383.

[2] Scott A C, Damblon F. Charcoal: Taphonomy and significance in geology, botany and archaeology[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2010, 291(1-2): 1-10.

[3] Rubinstein C V, Gerrienne P, de la Puente G S, et al. Early Middle Ordovician evidence for land plants in Argentina (eastern Gondwana)[J]. New Phytologist, 2010, 188(2): 365-369.

[4] Wellman C H, Osterloff P L, Mohiuddin U. Fragments of the earliest land plants[J]. Nature, 2003, 425(6955): 282.

[5] Edwards D, Wellman C. Plants Invade the Land[J]. Critical Moments & Perspectives in Paleobiology and Earth History. Columbia University Press, New York, 2001.

[6] Taylor E L, Taylor T N, Krings M. Paleobotany: the biology and evolution of fossil plants[M]. Academic Press, 2009.

[7] Pausas J G, Keeley J E. A burning story: the role of fire in the history of life[J]. Bioscience, 2009, 59(7): 593-601.

[8] Belcher, C. M., Collinson, M. E., & Scott, A. C. (2013). A 450-Million-Year History of Fire. Fire Phenomena and the Earth System, 229–249. doi:10.1002/9781118529539.ch12

[9] Belcher, C.M., Yearsley, J.M., Hadden, R.M., McElwain, J.C. & Rein, G. (2010a) Baseline intrinsic flammability of Earth’s ecosystems estimated from paleoatmospheric oxygen over the past 350 million years. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 107: 22448–53.

[10] Rimmer S M, Hawkins S J, Scott A C, et al. The rise of fire: fossil charcoal in late Devonian marine shales as an indicator of expanding terrestrial ecosystems, fire, and atmospheric change[J]. American Journal of Science, 2015, 315(8): 713-733.

[11] Scott, A. C., Lomax, B. H., Collinson, M. E., Upchurch, G. R., & Beerling, D. J. (2000). Fire across the K–T boundary: initial results from the Sugarite Coal, New Mexico, USA. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 164(1-4), 381–395. doi:10.1016/s0031-0182(00)00182-6 

[12] Morgan J, Artemieva N, Goldin T. Revisiting wildfires at the K‐Pg boundary[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2013, 118(4): 1508-1520.

[13] Robertson D S, Lewis W M, Sheehan P M, et al. K‐Pg extinction: Reevaluation of the heat‐fire hypothesis[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2013, 118(1): 329-336.

[14] Kaiho K, Oshima N, Adachi K, et al. Global climate change driven by soot at the K-Pg boundary as the cause of the mass extinction[J]. Scientific reports, 2016, 6: 28427.

[15] Fung M K, Schaller M F, Hoff C M, et al. Widespread and intense wildfires at the Paleocene-Eocene boundary[J]. Geochemical Perspective Letters, 2019, 10.

[16] He T, Belcher C M, Lamont B B, et al. A 350‐million‐year legacy of fire adaptation among conifers[J]. Journal of Ecology, 2016, 104(2): 352-363.

[17] DiMichele, W.A., Pfefferkorn, H.W. & Gastaldo, R.A. (2001) Response of Late Carboniferous and Early Permian plant communities to climate change. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 29: 461–87.

[18] Bond W J, Midgley J J. Fire and the angiosperm revolutions[J]. International Journal of Plant Sciences, 2012, 173(6): 569-583.

[19] Bond, W.J. & Scott, A.C. (2010) Fire and the spread of angiosperms in the Cretaceous. New Phytologist 118: 1137–50.

[20] Maurin O, Davies T J, Burrows J E, et al. Savanna fire and the origins of the ‘underground forests’ of A frica[J]. New Phytologist, 2014, 204(1): 201-214.

[21] Hoffmann W A, Geiger E L, Gotsch S G, et al. Ecological thresholds at the savanna‐forest boundary: how plant traits, resources and fire govern the distribution of tropical biomes[J]. Ecology letters, 2012, 15(7): 759-768.

[22] Pausas J G, Keeley J E. A burning story: the role of fire in the history of life[J]. Bioscience, 2009, 59(7): 593-601.

[23] Guo F, Innes J L, Wang G, et al. Historic distribution and driving factors of human-caused fires in the Chinese boreal forest between 1972 and 2005[J]. Journal of Plant Ecology, 2015, 8(5): 480-490.

[24] Balch J K, Bradley B A, Abatzoglou J T, et al. Human-started wildfires expand the fire niche across the United States[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114(11): 2946-2951.

[25] IPCC, 2014: 气候变化2014: 综合报告. 政府间气候变化专门委员会第五次评估报告第一工作组、第二工作组和第三工作组报告[核心撰写小组、 R.K. Pachauri 和 L.A. Meyer (eds.)]. 瑞士日内瓦 IPCC,共151页.

[26] Jolly W M, Cochrane M A, Freeborn P H, et al. Climate-induced variations in global wildfire danger from 1979 to 2013[J]. Nature communications, 2015, 6(1): 1-11.

[27] Abatzoglou J T, Williams A P. Impact of anthropogenic climate change on wildfire across western US forests[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(42): 11770-11775.

[28] 美国内政部. 7 Burning Questions: Wildfires & Public Lands. (https://www.doi.gov/blog/7-burning-questions-wildfires-public-lands)

[29] 国家林业局. 全国森林防火规划(2016-2025). 2016

[30] Interagency Strategy for the Implementation of Federal Wildland Fire Management Policy. 2003.12

[31] 陈忠, CHEN, Zhong, et al. 火对森林主要生态系统过程的影响(英文)[J]. 应用生态学报, 2006.

[32] 舒立福, 田晓瑞. 林火生态的研究与应用[J]. 林业科学研究, 1999, 12(4):422-427.

[33] 高. 火在生态系统中的作用[J]. 生态学杂志, 1992(1):41-47.

[34] Australian Academy of Science. Just add water? Weird ways plants germinate. (https://www.science.org.au/curious/earth-environment/plant-germination)

[35] 金银根. 植物学(第三版)[M]. 科学出版社. 2018


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