野火正在改变阿拉斯加并加剧气候变化

On 2019年6月5日，一场异常早春雷暴的闪电点燃了阿拉斯加中南部基奈国家野生动物保护区深处的一场大火。五月底的高温逆转了潮湿的春天，并迅速晒干了森林地面。由此产生的斯旺湖大火，发生在斯特林东北约五英里处，随着异常温暖的天气持续，无情地蔓延了一个月。到7月9日，超过99,000英亩的土地被烧毁，超过400人正在扑灭火焰。8月17日，强风改变了火势方向，导致多人撤离。大风还吹倒了电线，引发了新的火灾，包括德什卡登陆点火灾和快速蔓延的麦金利火灾，后者吞噬了超过130所房屋、企业和附属建筑。幸运的是，没有人死亡。

斯旺湖大火一直燃烧到十月，过期的降雨最终帮助消防员控制了这场大火，此时已有167,000英亩——261平方英里——的土地被烧焦。在为期五个月的大火期间，骑警不得不反复关闭斯特林高速公路，这是该地区唯一的交通要道。卫生官员发布了关于“不健康”甚至“危险”的烟雾空气的公共警告，这些空气中充满了微小的颗粒物，可能会损害肺部，这种情况在六月、七月和八月的南部中区（该州60%人口的所在地）平均每三天发生一次。依赖旅游业的企业损失了20%的季节性收入。

冬季的降雪和寒冷提供了一段喘息的机会，但在2020年1月，一个雪地摩托车道维护队报告说，德什卡登陆点火灾发生的地方有烟雾。当消防员赶到时，他们发现火灾从未完全熄灭。它在地下闷烧了四个月，然后从积雪中再次出现。随着该州在六月再次变得温暖干燥，有报告称斯旺湖大火发生的地方有烟雾。它已经度过了八个月的冬季和春季，并重新燃起。

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这些所谓的僵尸火灾——被认为已熄灭但又复燃——正在爆发，因为气候变化使阿拉斯加的火灾季节变得更热更长。从2005年到2017年，阿拉斯加和加拿大西北地区的消防管理人员报告了48起僵尸火灾或余烬火灾，这些火灾在漫长的冬季中幸存下来。阿姆斯特丹自由大学的遥感专家丽贝卡·斯科尔滕与阿拉斯加消防管理人员合作，通过回顾卫星图像，发现了另外20起未记录在案的火灾。这种不寻常的现象发生在整个北部高纬度地区，它是造成2020年3月和2021年3月西伯利亚北部极早期火灾的原因。

僵尸火灾可能会再次发生，因为在北部生态系统中，树木不是唯一的——甚至不是主要的——燃料。一层厚厚的、有机的活的和死的植物材料覆盖着无树苔原和南部针叶林的地表。这种致密的泥炭层，称为腐殖质层，是每年夏天死亡的地表苔藓和凋落物的积累，其分解因这些高纬度地区的低温而减缓。腐殖质层的厚度范围为3到20英寸（8到50厘米）。它可以积累数百年，随着时间的推移变得越来越紧实和致密。

腐殖质层的表面是一层绿色的薄层，主要由羽毛苔藓组成，羽毛苔藓没有根或维管系统，而是直接从空气中吸收水分。它们的水分含量几乎随着相对湿度的变化而瞬间变化；即使在下雨之后，苔藓也可能在数小时内变得足够干燥以燃烧。气候变化给北部高纬度地区带来的更长、更热、更干燥的夏季和更短的冬季正在将大片森林地面和树木变成易燃物，闪电或粗心的人很容易将其点燃。

北部高纬度地区的野火正在增加频率和规模。它们也在改变景观和生态系统。除了作为燃料外，腐殖质层还是底层冻土的卓越绝缘体——以至于它一直使阿拉斯加的大部分地表下保持冰冻状态，自更新世以来。每半英寸的厚度使底层的多年冻土（保持在冰点以下两年或更长时间的地面）温度降低约1华氏度（0.6摄氏度）。但是，如果烧掉足够的腐殖质层，底层的多年冻土就会融化，将阿拉斯加的部分地区变成松软、坍塌的地面。扎根于这种融化地面的树木可能会以各种角度倾斜，就像随意摆放的比萨斜塔一样。

大面积的野火也在加速气候变化。大型火灾会向大气中释放惊人的二氧化碳量。其中大部分来自腐殖质层，而不是树木。北部高纬度地区厚厚的腐殖质层储存了地球上所有土壤碳的30%到40%。据美国宇航局地球科学部的克里斯托弗·波特称，2015年阿拉斯加内陆地区的严重野火烧毁了510万英亩土地，从现有植被中释放出约900万吨碳，从腐殖质层中释放出1.54亿吨碳。（该计算包括随后两年因分解和侵蚀而损失的碳。）二氧化碳总量相当于2017年加州所有汽车和卡车排放的二氧化碳量。随着更多地面融化，腐殖质层下层冰中的冰融化并排出，使腐殖质层进一步干燥，使其更容易深度燃烧。这种反馈循环很可能会扩大燃烧面积，加剧数百万人的健康问题，并使气候变化比以往任何时候都更快。反馈甚至可能将整个区域从吸收碳多于排放碳的区域转变为排放碳多于吸收碳的区域。

湿润但干燥

人们倾向于认为阿拉斯加多雪且不太可能燃烧，但该州的大部分地区，尤其是内陆地区，都属于大陆性气候，冬季漫长而寒冷，但夏季温暖且相对干燥。如果您在夏季飞越阿拉斯加内陆地区，您会看到一片广阔的绿色景观，包括森林、草地和湖泊。郁郁葱葱的外观具有欺骗性，因为该地区降水很少。春季缓慢而持续的融雪和冬季每年重新冻结的腐殖质层正下方的“活动层”的融化为绿化提供了水分，但腐殖质层表面可能会在一两周的温暖天气后变得像沙漠一样干燥。

北方森林是地球上最大的林地生物群落，占全球森林面积的30%。它们也是最易发生火灾的北部生态系统。阿拉斯加内陆地区的北方带以黑云杉为主：小型、生长缓慢的树木，形成茂密的林地。它们的树枝一直延伸到腐殖质层中，为火灾提供了阶梯。作为过去7000年来阿拉斯加的主要针叶树，黑云杉已经适应了火焰；它们的球果簇生在树的顶端，并在火灾后张开以散播种子，这有助于重建生态系统。

几十年来，阿拉斯加的消防管理人员一直在监测偏远地区的火灾，通常允许它们燃烧，以更新依赖火灾的生态系统；毕竟，阿拉斯加的大部分地区很少有需要保护的居民区或基础设施。这种经济高效的方法帮助阿拉斯加在很大程度上避免了美国本土48个州常见的森林过度生长或枯木过多的问题。这种方法也意味着在阿拉斯加，研究人员可以看到气候是如何改变野火的，而没有人类干预的强烈影响。

直到最近，火灾通常会杀死树木，但不会深入渗透到腐殖质层中，因为下层的水分阻止了更深层次的燃烧。严重、深度的燃烧总是发生在特别炎热和干燥的条件下。在它们之后，通常会出现草地、灌木地和阔叶林（桦树、杨树和白杨）的镶嵌景观，取代云杉。现在，这些极端事件正在增加。近年来，阿拉斯加的森林火灾打破了记录，燃烧面积更大、强度更高、持续时间更长。每年燃烧一百万英亩或更多英亩的季节比30年前频繁两倍。

整个北极-北方地区的升温速度是温带地区的1.5到4倍。阿拉斯加在过去50年中升温了华氏4度，国家公园管理局阿拉斯加地区的戴维·斯旺森在2021年发表的证据表明，自2014年以来，升温甚至更快。这种“北极放大效应”主要是由海冰和陆地冰的消失驱动的，这留下了更大面积的较暗海洋和地面覆盖物，它们比冰或雪吸收更多的阳光。

冬季升温快于夏季，但累积效应意味着积雪现在比1990年代晚一周形成，早两周融化，使腐殖质层一年中更多的时间处于干燥状态。火灾季节至少比30年前长一个月，给各机构增加了延长消防员和飞机合同的压力。2016年，阿拉斯加创下了火灾季节长度的纪录：跳伞消防员（他们跳伞进入偏远地区）记录了他们当时57年历史上最早的一次火灾跳伞，发生在4月17日帕尔默附近。阿拉斯加林业部门在10月初仍在安克雷奇附近扑灭火焰——当时的风非常寒冷，以至于从头顶直升机吊桶中泼洒的水都结冰了。

与火灾蔓延密切相关的极端高温天气也在增加。在2019年，即斯旺湖和麦金利火灾发生的年份，安克雷奇创下了32项新的高温纪录，并首次经历了华氏90度的高温。根据最新的气候模型，预计到本世纪中叶，阿拉斯加内陆地区年平均气温高于华氏77度（干燥可燃植被的关键阈值）的天数将增加一倍。

全球范围内正在发生更多的高纬度火灾。在北极圈内，2020年是卫星观测到的野火创纪录的一年，2019年排名第二。在西伯利亚，估计表明2020年有超过18,000起火灾烧毁了3500万英亩土地——令人震惊的数字。附近的气温异常现象非常显著。6月20日，与阿拉斯加北部处于同一纬度的维尔霍扬斯克镇创下了纪录：超过华氏100度。在该地区，降水量非常低，融雪是有测量记录以来最早的，测量始于1967年。俄罗斯萨哈共和国的火灾季节现在比十年前长两周，早期报告表明，西伯利亚2021年截至7月的火灾季节比2020年同期更为广泛。5月，冰岛发布了该国首个野火危险警报。引发这些火灾的因素与阿拉斯加的因素相同。

多年冻土和闪电

黑云杉燃烧起来非常壮观，但大部分被烧成烟雾的生物质是腐殖质层本身。森林地面每英亩可容纳40到100吨燃料。树木本身每英亩增加约30吨，即便如此，火焰通常也主要消耗针叶和树枝，留下更密集的树干站立。

腐殖质层具有紧凑但通风的分层结构，是下方冻土的极佳绝缘体。这些地区的多年冻土分布广泛，已有数万年的历史。预计到本世纪末，仅因变暖，阿拉斯加就会失去25%的多年冻土面积。火灾可以加速这一过程。当火灾留下不到5英寸的隔热腐殖质层时，下方的多年冻土可能会大量融化和退化。在阿拉斯加的中纬度地区，火灾可能会引发足够的融化，以至于除非再次进入冰河时代，否则多年冻土将永远不会恢复。

火灾引起的融化的极端例子是2007年的阿纳克图武克河火灾（ARF），该火灾烧毁了阿拉斯加最北端地区（北坡，纬度70度）的250,000英亩苔原。北极圈（纬度67度）以外的火灾很少见；研究人员没有如此严重的北部火灾记录。7月，闪电点燃了ARF。尽管它似乎在8月就熄灭了，但它在无树表面的腐殖质层下静静地闷烧，然后在温暖的9月重新爆发。火焰向广阔的区域散发出浓烟，使远处村庄的居民窒息。土著猎人说，烟雾正在扰乱秋季驯鹿的迁徙。极度干燥的秋季天气使ARF深入干旱的腐殖质层中燃烧，以至于它持续闷烧到10月，当时湖泊已结冰，该地区再次被积雪覆盖。最终，超过400平方英里的连续多年冻土地形被烧毁。

这场火灾非常特殊，以至于我们中的一位（扬特）代表土地管理局阿拉斯加消防局发起了一项关于植被和活动层影响的研究。2008年7月初，即随后的北极夏季开始时，研究小组乘坐直升机抵达ARF。通常，北坡在每年的这个时候都是寒冷、多风和毛毛细雨的。相反，直升机降落在晴朗的蓝天下的焦土海洋上。气温高达华氏80度——对于厚重的飞行服和绝缘靴来说太热了。天气如此炎热干燥，以至于通常成群结队的蚊子都消失了，取而代之的是成群的蚋。

调查小组看到积云从温暖的上升气团中形成，这可能是雷暴的燃料。阿拉斯加内陆地区的居民习惯于看到夏季的热量引发强雷暴，尤其是在六月和七月，那时阳光几乎每天照射24小时。闪电引发的火灾占阿拉斯加和加拿大苔原和北方森林燃烧面积的90%。但北坡的闪电一直很少见。一位因纽皮亚特长老，也是乌特基亚维克（以前称为巴罗）的终身居民说，她在1992年之前从未见过雷暴。

气候变化正在增加美国各地的闪电活动，其中最高纬度地区的变化最大。加州大学伯克利分校的戴维·罗姆斯在2014年的一项研究中预测，每升高华氏1.8度（摄氏1度），美国本土48个州的闪电就会增加12%。阿拉斯加大学费尔班克斯分校的彼得·别尼克在2019年进行的一项分析显示，过去30年中，阿拉斯加全州的闪电增加了17%；在某些地区，这个数字高达600%。阿姆斯特丹自由大学遥感学教授桑德·维拉维尔贝克建立的模型预测，到2050年，阿拉斯加的闪电将增加59%，导致闪电引发的野火增加78%，燃烧面积增加50%。2021年的一项研究发现，从2010年到2020年，北极本身的闪电增加了两倍。

阿拉斯加北极地区的升温幅度是该州任何地方中最剧烈的，随之而来的是闪电的激增。从1976年到2018年，乌特基亚维克的年平均气温升高了华氏11.4度，秋季气温升高了华氏18度。

变化之地

调查小组在2008年至2018年期间在北坡ARF地区收集数据时注意到的变化与严重火灾蔓延到阿拉斯加和整个北部后的变化相似。每次研究小组到达燃烧区域时，都会记录植物覆盖率，并将金属探针沿着许多样线推入地下，以测量活动层。融化的土壤深度每年都在增加，从火灾发生一年后在燃烧区域外进行的相同测量值大4英寸，到四年后深7.5英寸。十年后，活动层显示出恢复迹象，可能停止了融化深度的增加。

尽管如此，这些测量结果并不能传达ARF上发生的地面变化的程度。当地下多年冻土融化和水流失时，整个地表皮肤都滑动和破裂了。由于多年冻土的体积正在瓦解，大片土地开始下沉或沉降。从直升机上看，无树区域的大部分看起来像棋盘状的土方格；勾勒出每个方格的黑暗、裂缝状的通道正在显著加深。宽度达200英尺的陨石坑张开，融化使斜坡不稳定——这种现象被称为热喀斯特大规模损毁。地下冰楔在6万年中从未见过阳光，现在露出来了，散发出死恐龙的味道。

为了绘制不断变化的土地，美国地质调查局的遥感和多年冻土专家本·琼斯和卡森·鲍曼于2017年加入了考察队。琼斯使用机载雷达证实，地面沉降很普遍，深度从4英寸到40英寸不等。燃烧区域东半部大部分地区的表面粗糙度（沉降的量度）增加了三倍，使景观具有更深的通道、更高的土墩和更多的表面积。

琼斯和鲍曼在燃烧区和未燃烧区留下了探针，这些探针继续记录温度。测量结果表明，燃烧区6英寸深处的土壤年平均温度比未燃烧区高华氏2.7度，夏季最高温度比未燃烧区高华氏11度。显然，这种变暖危及多年冻土，但也影响了将主导该地区的植物。ARF火灾十年后，高大的灌木、草和其他维管植物（其中一些以前很少见）大量增加。在较温暖的土壤中，生长迅速的草和柳树灌木可以胜过生长较慢的苔藓、地衣和矮灌木，后者在火灾前很普遍。与生长缓慢的苔藓相比，这些新来者每年为燃料层增加了更多的干燥凋落物。这可以解释为什么在ARF发生十年后的2017年，在2007年燃烧范围内的区域内又出现了两个新的火灾疤痕，每个面积约为100英亩。在燃烧区域内，仅10年内再次发生火灾是不寻常的，在燃烧区域内，随后两次火灾之间可能间隔数百年。

汇还是源？

研究人员正在努力了解北部高纬度地区不断变化的火灾的后果。直接影响，如温室气体排放、空气质量差和基础设施损坏，是显而易见的。可能出现的次要影响难以预测。一些是预期的，例如由于烧焦的黑色表面、起伏的景观以及燃烧植物重新发芽或重新播种而导致的夏季土壤变暖。季节性融化的土壤可能会加深；如果存在多年冻土，则可能会沉降。随着冰融化，低洼地区可能会暂时变得更湿润，从而有助于草、灌木和落叶乔木的生长。

然而，随着时间的推移，苔原中更多的灌木可能会使地面更加温暖。一方面，它们积雪更多，这会将地面与寒冷的空气隔绝。随着融化的加深，燃烧的山坡和山脊可能会变得更加干燥，从而允许更多的地下排水；新的传感技术揭示了燃烧区域深处的“融区”——未冻结的土壤袋——这在多年冻土中建立了融化通道。在北方森林中，栖息地的变化和树冠的改变改变了动物的迁徙模式。温暖土壤中的微生物会消化腐殖质层和融化的多年冻土中更多的古老碳，将其转化为温室气体，包括甲烷。

北方和苔原地区更多地燃烧，以及级联生态系统变化，具有全球影响，只有大型计算机模型才能估算。模型预测，到本世纪末，北方地区的燃烧量可能会翻倍甚至翻两番，从普遍存在的腐殖质层中释放出大量的碳。这种转变可能会将该区域从碳汇转变为碳源，这将加剧全球气候变化。

这可能并不全是坏消息。一些研究表明，森林组成从云杉等针叶树向桦树和白杨等不易燃的落叶乔木的转变，以及海冰减少导致降雨量略有增加，可能会抵消预计燃烧面积的部分增加。如果落叶林在火灾后取代针叶林，它们可以反射更多的阳光，至少在冬季，当它们的叶子掉光，光线从下面的积雪上反射时，可以缓和气候变暖的反馈。较温暖的苔原土壤已经产生了更多的灌木，最终可能会支持树木，这将从土壤和多年冻土中吸收一些碳到它们的木材中。但魔鬼在细节中。我们需要更好地估算每个因素，以预测反馈将如何展开。

在科学家们从事这些任务的同时，阿拉斯加居民和消防机构正在制定战略，以便在日益严重的火灾环境中保护人民、私有土地、基础设施和自然资源。他们正在通过在城镇和木屋周围的森林中进行疏伐或清除可燃灌木和植被来提高消防准备水平。他们还在利用新技术——如卫星图像——进行更早的火灾探测以及准确的绘图和监测。北部高纬度地区更多的火灾可能会改变土地和气候，但阿拉斯加人正在尽其所能，以防止生命和财产遭受灾难性损失。