森林大火喚醒地底的陳年碳存

撰文|蘇建翰

八月,亞馬遜森林熊熊燃燒的大火逐漸吸引了全球的目光。我們都知道在氣候變遷的影響逐漸浮現的時代,保持森林的規模對於控制二氧化碳濃度的上升趨勢相當重要,森林上層能夠透過葉片行光合作用,捕捉大氣中二氧化碳,除此之外,底層的土壤有機質也扮演著大型碳匯(Carbon Sink)的角色,儲存著那些被捕捉到的碳,當森林野火一發不可收拾,碳儲存的功能便會遭受威脅。

●野火是森林演替的動力

一般我們可能會認為植被的最佳狀態就是維持在鼎盛時期的一片綠意盎然,不過就如同一座城市的穩健成長並不全然只是依靠長者的支撐,在面臨到老者逝去的同時也需要年輕的新血進駐增添活力,健康的林地或許更傾向在是動態變化獲得平衡。有時候這個動態變化會激烈一些,是透過一場森林大火來進行。燃燒過的林地,在老舊林木被清除後增加了不少空間,留下的枯立木群相對於燃燒前的舊有森林提供了更多樣的棲地,隨著先驅物種和次生物種的漸次進駐,逐漸長成一片蓊鬱的森林,直到下一次的大火到來,就這樣在時間的長河中完成一次又一次的演替。

圖一、枯立木群 (來源: complex early seral forest @ Wikipedia, CC BY-SA 4.0)

 

因此,雖然火災對人類來說是亟力想避免的災難,但對於大自然來說則是像電腦的自動更新一般,是自我修復過程中的一個部分,地球上富含碳的植被、季節變化中的乾季、大氣中充足的氧氣,以及各種雷擊和火山爆發的事件,都為火災的自然發生提供一定的環境,透過針對遠古時期化石紀錄中的木炭研究指出,其實早在約四億兩千萬年前,維管束植物在這個世界上初登場不久的年代,就有火災發生的跡證。

●變化中的野火特性

雖然火災在自然界中是一個正常的現象,但當火災的特性,像是頻率、時間、範圍有所改變、超過生態系統自我修復的能力,情況就會變得有些嚴峻,而對人類的威脅更是不必多言,大火對民眾的生命財產造成威脅,打火的成本往往所費不貲。以經常受野火侵擾的美國、澳洲、加拿大為例,投注在控制火災上的年度花費常常是上億美元計算,經濟損失非常高昂,因此,能否對火災的特性,以及其變化的趨勢有更多的理解,是一個相當重要的事情。

圖二、著名森林大火事件如 (左) 2005亞馬遜森林大火 (右) 2010俄羅斯森林大火,能夠從FWSL的
計算結果(紅:異常長、藍:異常短、黃:無異常、灰色:無植被)中觀察到。 (來源:[3], CC BY 4.0)

為了研究氣候變遷和野火特性變化之間的關聯,有科學家利用1979-2013年的天氣資料去分別計算各國使用的火災危險指數(Fire Danger Index),將這些指數整理之後計算出各區域歷年的「野火季節長度(Fire Weather Season Length, FWSL)」,也就是每一年裡的日子中天氣狀態有高風險、容易發生火災的日數。新設計的指標需要進行驗證,科學家將這個FWSL指標的計算結果和幾次大規模的野火事件進行比對,在這些事件發生的該年、該地區,都能發現野火季節延長的現象,由此來看FWSL能一定程度捕捉到各地野火事件的發生。

圖三、1979-2013年間,野火季節長度的增減趨勢(紅:增長、藍:縮短、黃:無變化、灰色:無植被),
單位為日數/年。(來源:[3], CC BY 4.0)

因此,我們可以透過觀察歷年野火季節的變化,來觀察野火特性的變遷。研究結果發現,約有四分之一的植被覆蓋地區的野火季節是變長的,使得全球平均的FWSL增加將近兩成,超過一個標準差、時間異常長的FWSL出現頻率也增加,總得來說,全球的許多區域在研究範圍的三十五年間,每年易發野火天氣出現的日數是增加的,森林大火可能會出現的更頻繁。

●土壤的「年輪」

動植物死亡之後,殘餘的部分會逐漸被分解,在森林底層形成富含有機物質的土壤,隨著時間過去,舊的土壤有機質會持續地再被新形成的土壤覆蓋,逐層累積。就如同許多樹木擁有一圈圈的年輪,透過年輪的粗細可以觀察到氣候的變化,當我們觀察土壤剖面,層層累積在土壤中、不同數量的碳也可以為我們指示其形成的年代,以及相關的氣候訊息。

當森林發生大火,除了地表的動植物遭殃以外,由於土壤有機質中有大量的碳可以做為燃料,也會一併跟著燃燒,如果火勢並不大,較深層的土壤可以逃過一劫,保留住儲存其中的碳,大火過後,森林開始生長,新的土壤覆蓋上來,一次新的演替過程又重新展開。因此在土壤的較深處,可能會有一些長久以來屢次逃過野火侵襲的土壤,儲存在這些土壤中的碳就被稱作「陳年碳存(Legacy Carbon)。

●頻繁、加劇的野火將釋放陳年碳存

寒帶地區的森林由於受到野火干擾相對較低,土壤也就有機會保有更多的碳,是大型的碳匯所在,據估計,寒帶森林的土壤有機質保有碳的數量約占陸地上所保有碳的總量的兩成至三成之多。以著名極光觀光地點黃刀鎮作為首府的加拿大西北領地,在2014年發生一場大規模的森林野火,給了科學家研究該地區碳儲存功能的契機。他們對土壤進行放射性碳定年,測量了土壤底層的形成年代,如果早於大火前的樹齡,就代表這些土壤逃過先前幾次的大火燃燒,這些土壤也就保有前述的陳年碳存。

研究結果發現,在乾燥的地區很難發現陳年碳存的存在痕跡,或許是由於乾燥的氣候環境,導致每次的燃燒都相當徹底;而在較濕潤的地區雖然能發現陳年碳存的累積,不過同時也發現,如果一個地區的樹齡越低,也就是大火的時間間隔較短的話,這些陳年碳存就越容易受到暴露在流失的威脅之中。近年氣候變遷導致的暖化現象以及乾季的延長,都導致寒帶地區森林大火的頻率增加、強度增強,也讓森林變的更年輕,當森林儲存碳的能力趕不上大火的侵襲速度,這些長眠地底的陳年碳存就可能被釋放出來,重返大氣,使得森林從淨碳流入轉變成為淨碳流出的角色,如此以來將改變全球碳循環的樣貌,使得氣候暖化的趨勢更難以控制。

 

參考資料:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Wildfire
[2] A. C. Scott and I. J. Glasspool, “The diversification of Paleozoic fire systems and fluctuations in atmospheric oxygen concentration,”Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., vol. 103, no. 29, pp. 10861–10865, 2006.
[3] W. M. Jolly et al., “Climate-induced variations in global wildfire danger from 1979 to 2013,” Nat. Commun., vol. 6, no. May, pp. 1–11, 2015.
[4] Xanthe J. Walker et al., “Increasing wildfires threaten historic carbon sink of boreal forest soils,” Nature, vol. 572, pp. 520–523, 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1474-y

 

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作者:蘇建翰,目前就讀於台灣大學電信所碩士班,期待能透過自己的一點心力, 將各領域的有趣發現分享給大家。

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