方法文章

利用树轮重建森林地区的火灾历史信息

DOI：

10.3791/61698

⸱

2020年10月22日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1CENID-RASPA, INIFAP, 2Rocky Mountain Research Station, USDA Forest Service, 3Facultad de Ciencias Naturales, Universidad Autónoma de Querétaro, 4Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Juárez del Estado de Durango, 5Instituto de Geografía, Universidad Nacional Autónoma de México

本文内容

摘要

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本研究阐述了开展火灾历史研究的最合适技术和方法，从最初的样地选择到最终的火灾-气候关系分析。

摘要

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年轮模式是生态与环境信息的重要来源，包括森林地区火灾历史的记录。基于年轮的火灾历史研究包含三个基本阶段：野外采样、实验室方法（样品制备与定年）以及数据分析。本文提供了详细的步骤说明及需考虑的问题，包括研究区域与采样点的选择，以及如何选择并采集具有火烧痕迹的树木样本。此外，我们还描述了在实验室中进行的火烧痕迹样本制备与定年过程。最后，介绍了基本的数据分析方法及相关结果，并列举了重建火灾历史模式的研究实例。这些研究有助于我们理解历史上的火灾发生频率、人类活动因素对火灾频率变化的影响，以及气候如何随时间影响火灾发生的分析。对这些方法与技术的描述将增进研究人员、教育工作者、技术人员及对该领域感兴趣的学生对火灾历史研究的理解。这些详尽的方法将为刚进入该领域的研究人员提供宝贵的资源，帮助他们顺利开展工作并取得更大成功。本资源将促进年轮研究与其他研究领域的更深入整合，从而加深对森林生态系统中自然过程的理解。

引言

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森林火灾由自然或人为因素引发，被认为是影响陆地生态系统最常见的生态干扰因素之一1。例如，火灾尤其是火灾 regimes，会影响植物物种的组成和结构2。火灾也是连接生物地球化学循环与气候变异性的基本过程3,4。在某些地区，火灾导致退化和森林砍伐；而在其他地区，火灾对于植被更新和维持开阔的森林结构至关重要5,6。因此，理解森林火灾的生态作用对于生态管理与保护项目至关重要。

火 regimes 被定义为一段时间内火灾事件的模式，其特征包括火灾发生的频率以及火灾类型、范围、强度、季节性和严重程度的变异性7,8。森林火灾 regimes 可通过直接观测、报告、卫星影像、口述历史、林龄结构和物种组成，以及树木年轮学方法进行研究9。树木年轮学利用具有精确到年份的年轮来研究气候和生态事件10。树木年轮学的一个分支是火灾历史重建，也称为树木火轮学（Dendropyrochronology），该方法利用树木年轮确定过去和当前火灾在空间和时间上的分布模式，从而重建研究区域内的火灾 regimes11,12。与其他定年方法相比，树木年轮学方法具有更高的精确性和分辨率优势，因为它能够在长时间尺度上（有时可达数千年）以年际甚至年内（即季节性）的精度对生态事件进行定年13,14。

火灾历史重建对于理解区域尺度上大尺度气候环流模式如何影响火灾蔓延也至关重要。这类气候与火灾关系的分析具有创新性，因为它能够揭示气候在长时间尺度上对火灾发生频率的影响，而这是现代仪器气候记录所无法实现的4。为了促进 火灾历史的重建工作，我们提供了一套野外与实验室操作规程，描述了树木年轮学的方法与技术，使对该研究领域感兴趣的科研人员、教师、技术人员和学生能够自主开展相关项目与研究。

在本方案中，我们提供了用于深入理解森林生态学领域不同生态学问题并寻求答案的工具，例如：1）火灾发生规律是什么？2）近几十年来火灾发生规律是否发生了变化，还是火灾频率一直保持无明显变化？3）是否存在归因于人类活动影响的变化？4）火灾频率模式与气候变异性之间存在怎样的关系？

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方案

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1. 取样策略

  1. 确定研究区域
    1. 通常，森林区域范围广阔（数百或数千公顷），因此应选择能够实现研究目标的区域，本案例中的目标是确定火灾历史及其随时间的变化情况（图1）。研究区域应仅限于包含火烧痕迹树木的区域，这些区域将作为采样单元。利用无人机和视频技术进行研究区域的踏勘通常可提高效率，这些技术可提供大范围景观视图，节省时间和经费。
    2. 在研究区域内，应识别出潜在的采样点，理想情况下各采样点的面积应相近，以便于比较。采样点的面积可根据研究区域、火烧痕迹树木的可获取性以及研究目标而定，范围可从大面积区域（>50 公顷）、中等面积区域（5–50 公顷）到小面积样地（<5 公顷）不等。采样点的数量当然取决于空间变异性，但通常建议设置一个以上的采样点。每个采样点内的地形和森林类型应能代表更大的生态系统，以便对研究结果进行外推9。

山地生态系统；松林景观；植被比较；生态学研究。
图1：Pinus hartwegii 森林。（A）研究地点在坡度、森林覆盖、地形屏障、可燃物等方面的地形变异性。（B）对地形和森林状况的更广泛景观视角，这些变量影响火行为，并指导研究地点的选择。请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 取样策略（研究区域内采样点的选择）
    1. 在研究区域内，选择一种采样方法，即随机取样、系统取样或选择性取样15。具体方法取决于研究目标、人员配备以及经费资源的可获得性。
    2. 通常为了重建火灾历史，应采用选择性取样。即在研究区域内，选择已知存在火灾伤痕树木的地点。
    3. 采用该取样策略时，应选择有火灾发生证据并已形成火灾伤痕的地点。那些显示近期火灾迹象（如烧焦或近期因火灾死亡的树木）但无先前火灾伤痕证据的区域，不适合用于火灾 regimes 的重建，但常被误认为是合适的采样点（图2A）。
      注：如果研究目标是测量火灾对植被更新造成的损害、其对生长速率的影响，或评估森林火灾后的恢复情况，则此类区域无疑是理想的。然而，由于本研究的目标是确定火灾历史及其随时间的变化特征，因此需要选择那些树木显示出先前火灾损伤迹象（伤痕）并已开始愈合的地点（图2B）。
    4. 实地勘察研究区域，寻找具有大量（>10棵）长寿树木且存在火灾伤痕证据的地点（图2C）。使用GPS记录所有带火灾伤痕树木的位置坐标，并以此界定研究区域的边界范围。
    5. 在地理信息系统（GIS）或其他制图软件中绘制采样点的空间平面图，确保各采样点面积相近。
    6. 特别地，在每个采样点内，应定位寿命最长的带火灾伤痕树木，以便尽可能追溯该地点更久远的火灾历史（可回溯一个或多个世纪以前），并更深入理解该时间段内火灾频率的变化特征。

森林火灾影响与恢复；显示烧毁的森林、再生区域及树木年轮分析。
图2：具备与不具备火灾历史重建潜力的研究地点。（A）受近期火灾影响（被灼烧）的松林，但树木未显示任何伤痕迹象；此类地点不适用于本类型研究，因其缺乏火烧伤痕树木。（B）具有过去火灾证据的松林，树木树干基部可见呈三角形的炭化区域，称为“猫脸”（cat face），是树木在经历多次火灾后愈合形成的。此类地点被认为具备火灾历史重建的潜力。（C）火烧伤痕树木基部的特写，似乎记录了多次火灾事件。每一不同层次代表一次火灾伤痕。本例中可见11处火灾伤痕。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 采样的一般考虑（在样地内选择树木样本）
    注意：采集带有火疤的树木是此类研究中最重要的步骤之一。
    1. 确定研究区域和样地边界后，从一个已知点开始对选定样地进行踏查，逐步推进直至覆盖整个样地。踏查的目的是尽可能全面地清点所有带火疤的树木，并记录其状态（活树、枯立木或倒木）、火疤数量、位置及可接近性（从树体上提取火疤样本的难易程度）。（图3A,B）。
    2. 根据上述信息，确定哪些树木最有助于重建该样地最长且最完整的火灾历史记录。每个样地至少采集10棵带火疤的树木，优先选择火疤数量最多且保存状况最好的树木9（图3B,D）。请注意，并非样地内所有带火疤的树木都需要采样。大多数情况下，记录到的火灾次数会随着样本量（树木数量）增加而增加；然而，这种关系通常在超过10–15棵树后趋于稳定16。
    3. 为了获得尽可能长的时间跨度上的样本深度，应努力采集带火疤的倒木和枯立木，这些样本更可能包含最古老的火疤，同时也应采集活树以获取近期火灾的火疤。
    4. 避免采集松散或严重腐朽的火疤样本，因为切割后可能丢失且几乎无法重新拼接。
    5. 当所选树木的火疤数量和坚固程度相同时，应优先考虑年轮最清晰的树种，这将有助于火疤的定年9。
    6. 在采集任何样本之前，应制定一份野外数据记录表，用于收集每个样本和样地的最关键信息，包括以下内容17。
      1. 使用包含以下一般信息的野外数据表：研究区名称和代码（建议使用三个字母，例如Cuenca Río Nazas，CRN）、样地编号、样本编号、样本状态（完整、已切片、腐烂）、采集日期和采集人。
      2. 确定微生境描述（干燥、湿润、中等）、坡度和坡向。
      3. 确定树木特征：树种、直径、高度、状态（活树、枯立木、倒木、树桩）。
      4. 确定地理位置：坐标（UTM和十进制度）、海拔。
      5. 确定样本描述：样本在树干上的高度和方位、采集的样本数量、每份样本的片数、每份样本可见的火疤数量、火疤暴露情况。
      6. 拍摄野外样本照片和/或绘制草图：这些信息将记录火疤样本的形状以及分段数量，以防样本部分脱落需要后期重新拼接。这将有助于在实验室中进行修复（粘合与制备）。在数据表中绘图通常很有帮助，因为它允许添加注释。
  2. 样本采集（采集带火疤的树木）
    1. 确定将要采样的树木后，但在开始提取火疤样本之前，应检查树木周围的区域。该检查可能会发现树枝、松动的岩石或其他安全隐患，需在启动油锯前予以处理，以确保安全的工作环境。
    2. 从树桩或倒木上提取火疤时，应采取完整的横截面（图3C）。然而，从直立的枯立木或活树上提取样本时，可能需要切取部分横截面（图3A,D）。在可能的情况下，应优先采集死亡树木，以尽量减少对活树的损害18。采样的主要工具是油锯，锯条长度至少为20英寸（例如：18至24英寸），以便能够从小树和大树上提取样本。建议携带额外的设备部件，以防机械故障导致野外采样延误。
    3. 在选择火疤样本的方位和高度时，应考虑火疤数量最多且保存最完好的一侧和/或高度。通常，靠近地面处的火疤数量更多12（图3A,B）。火疤有时可高达数米，上部观察到的火疤可能在树干基部并不存在（图3B）。在这种情况下，有必要从同一棵树上采集多个样本，包括基部和较高位置的样本，以尽可能完整地记录该树的火灾历史。然而，基部采样通常更为困难和危险，尤其是在使用重型油锯切割横截面时。此外，低位切割可能需要跪姿操作，这在必要时可能妨碍快速撤离现场。
    4. 在开始切割树木之前，务必采取所有必要的安全预防措施，包括佩戴适当的防护装备，如手套、头盔、听力保护装置、护腿和合适的鞋子。
    5. 在选定带火疤的树木以及样本提取的高度和方位后，应安排另一人在附近密切观察树木，准备在树木开始倾倒时及时提醒操作员。确保该协助人员与操作员之间有非语言/非视觉的沟通方式（如轻拍肩膀），以应对紧急情况。此外，在开始任何切割作业前，确保两人已预先确定撤离策略和安全区域。
    6. 在选定树木、确定最佳记录方位并完成必要的安全准备后，从直立的活树或死树上提取火疤样本。
      1. 首先，从树上切取一个部分横截面9,19。具体操作为：在火疤树干（Catface）的一侧沿横截面方向进行水平切割，从树皮延伸至树干中心，并穿过所有需要提取的火疤（图3D）。
      2. 完成第一次水平切割后，在第一次切割上方或下方2至3厘米处进行第二次平行的水平切割（图3D）。切割越薄，对树木的损伤越小；但厚度应根据树木的坚固程度而定。如果树木严重腐朽，样本应更厚（>3 cm），以提供更大的稳定性。
      3. 在树干上完成两条水平切割后，进行两次插入式切割，分别从树的背面和前面朝树干中心切入，以将横截面从树体上分离。使用油锯锯尖在两条平行水平切割的末端处进入树体。插入式切割应切断所有连接横截面与树体的木材，从而使横截面得以取出（图3E,F）。
        注意：开始插入式切割时，将油锯锯条以45°角置于树干上（图3E），位于两条平行水平切割的末端。使用锯条最前端缓慢向上切入树体，以避免油锯反冲。一旦切割开始且锯片已深入树体，可将锯条调整为水平位置（图3F），以进一步深入切割。以45度角开始切割更为安全。如果从与树干平行的位置开始切割，油锯锯片会以很大力量弹离树干，可能导致伤害。
      4. 取出样本（图3G）。
      5. 使用样地代码、树木编号和样本编号标记样本（例如，CRN样地的第一个样本标记为CRN-01-a。树木编号为1、2、3……，样本编号用字母a、b、c等表示）（图3H）。
      6. 在野外拍摄样本照片；这可以记录提取时样本的物理状态，包括形状、片数（如果样本分裂成多个部分）、样本状况、样本标签（以防标签被擦除）等。如果样本在提取时分裂成多个部分，应尽可能将其重新拼接，并用记号笔标记每一片。
      7. 为便于样本重建，可通过在相邻部分之间绘制垂直线来标记拼接位置。每个部分应单独标注样地和树木ID，并为每个独立部分分配唯一编号。因此，即使样本各部分混合，这些信息也将与照片互补，有助于确定样本内各部分的排列方式17。在提取时现场绘图也有助于此重建过程。绘图的优势在于允许添加注释，从而在图中标注各个部分。
      8. 最后，使用电工胶带或塑料膜将火疤样本及其所有独立部分尽可能固定在原始位置。这对于有一定腐朽或腐烂程度的火疤样本尤为重要。牢固包裹样本还可保护样本在运往实验室过程中的安全17（图3I）。
      9. 尽管大多数火灾重建研究使用部分或完整的横截面，但需要指出的是，另一种虽不常用的方法是使用生长锥钻取年轮芯样本。这种采样方式仅适用于活树或结构完整的死树，并需考虑图4中所示的提取注意事项。

用于树木年轮学的树木采样，展示链锯和钻芯提取技术，森林研究。
图3：火疤采样过程。（A）选择具有火疤的树木；（B）树干基部暴露火疤区域（即“猫脸”区域）的特写，显示多个火疤，是适合采样的典型示例。（C）从倒木中提取带有火疤的样本。对于倒木，可较容易地获取部分或完整的横截面，因为可以进行垂直切割。而对于活树或枯立木，该过程更为困难，包括以下步骤：（D）从活树中提取火疤样本时，首先应选择记录最清晰的树面，并在树干基部做两条水平切割。（E,F）为提取样本，需进行插入式切割，即将链锯尖端沿两条水平切口的后端自树皮向树干中心垂直推进，使样本断裂脱落。（G）随后取出样本，（H）并进行标记（研究区域、样地及树号、样本编号、坐标），最后（I）用塑料膜包裹样本，以防在运往实验室过程中受损。请点击此处查看该图的放大版本。

树木火灾损伤分析；横截面显示年轮中火灾疤痕的识别。
图 4：使用 Pressler 钻取器钻取生长芯（增积芯）来采样带有火灾疤痕的树木。要成功实施这种采样技术，必须考虑钻取方向与疤痕之间的角度关系。1）穿过火灾疤痕的样本芯将不完整，因为疤痕之后的所有年轮都会缺失；2）在第二个芯中，疤痕之后最初的几个年轮也可能缺失；3）理想情况下，第三个芯将包含全部生长年轮，从而能够将火灾疤痕精确定年到具体年份；4）第四个芯远离火灾疤痕，因此将包含完整的生长年轮，但无法用于识别和确定火灾发生的时间。然而，后者可作为该树木的参考年轮序列。请点击此处查看此图的放大版本。

2. 实验室中的样品制备

  1. 当火疤样本送达实验室后，小心拆包，将单片横截面样本与多片组成的样本分开。
  2. 修复由多个部分组成的样本。该步骤包括识别属于同一样本的所有碎片，并使用木材专用白胶将各部分粘合在一起。如有需要，可参考野外拍摄的照片来确定每一块碎片的排列方式。
  3. 对于因腐烂而严重降解的样本，仅使用胶水可能不足以在后续的打磨/抛光和定年过程中提供所需的稳定性。为确保必要的稳定性，需对这些样本进行装板处理。即在完成各部分组装后，将样本的所有碎片固定于木质基板（例如胶合板）上；在粘合过程中，如有需要，可使用机械订书机进行辅助固定17。
  4. 完成制备后，将样本置于户外阴凉处干燥3至5天。切勿将样本直接暴露在阳光下干燥，因为水分的快速流失可能导致样本开裂或破碎。
  5. 样本干燥后，将较厚的样本（>3 cm）切割至2至3 cm的厚度，以便于在显微镜和测量系统下操作。
  6. 使用不同粒度的砂纸（从40目到1,200目）对所有样本进行打磨/抛光。首先使用粒度最小（最粗）的砂纸去除最粗糙的切割表面，然后逐步使用粒度更高的砂纸（更细）进行打磨，直至获得均匀的表面，使显微镜下可清晰观察到年轮细胞结构。这有助于确定火疤在年轮中的具体位置（图5）。

树木年轮横截面、树轮年代学图表，显示生长模式和历史气候数据。
图5：经制备或打磨后的火烧痕迹 Pinus hartwegii 样本。 蓝点标记的初步年轮计数表示该样本的年龄（121年）。黑色标注的已定年轮年份为1891–2011年。在采集自活树的样本中，若最外层年轮的形成年份已知（本例为2011年），年轮清晰，且无生长异常（如缺失年轮或伪年轮），或此类异常易于识别，则可实现直接定年。请点击此处查看该图的放大版本。

3. 树轮年代学

  1. 从每个样本的中心向树皮方向计数生长环以确定其年龄。每10年用一个点标记，每50年用两个点标记，每100年用三个点标记。20.
  2. 通过比较生长模式确定每个年轮的形成确切年份20.
  3. 在来自活的年轻树木的样本中，最外层年轮（紧邻树皮）的年代是已知的，因为它即为样本采集的年份。在此情况下，可通过从外侧（树皮）向样本中心方向逐轮计数，直接在样本上确定各年轮的年代。例如，若样本采集于2011年末，则该年的生长已基本完成，因此最外层年轮的年代即为2011年。从此年轮开始依次向内计数，并标记后续各年轮的年代，直至最内层年轮图5如前所述，使用一个点标记每十年的开始，两个点标记第五十年，三个点标记每一个世纪。
  4. 对于寿命最长的活立木，应为每个样本绘制生长图或骨架图，并比较树木之间的生长模式。有关如何制作骨架图的更多细节，请参见 Stokes 和 Smiley20不同树木之间（窄环与宽环的）同步性表明不存在生长问题（如伪年轮或缺失年轮）。因此，可以如同对待活体树木一样，为这些年轮分配对应的日历年份。
  5. 某些火烧痕迹样本可能与其他树木的生长模式不同步，这是由于生长受抑（即极窄的年轮）导致在特定年份缺失年轮（即树木在该年未在该部位增加木材），而这些缺失年轮未被计入所致。相反，也可能出现“伪年轮”。伪年轮是指看似两个年轮但实际上对应同一个日历年的情况。这通常发生在树木因季节性干旱产生生理胁迫，开始沉积晚材以准备停止生长，但随后因获得足够水分而重新恢复常规生长。通过将不同步样本的每个单独年轮与未出现生长异常的样本进行比较，判断上述两种情况中哪一种导致了不同步现象。
  6. 问题识别后，校正未同步样本的年轮计数及其生长曲线。对所有未同步的样本重复此步骤。
  7. 截至目前所有活树的数据，建立一个通常称为“主年表”的平均曲线，该曲线是所有个体骨架图的平均值，反映了该地点的生长模式。有关创建主年表的更多细节，请参见Stokes和Smiley20.
  8. 在已知最外层年轮的活树完成定年后，开始对最外层年轮未知的枯死树木进行定年。为此，首先为每件枯死树木样本制作骨架图，然后将各枯死树木的骨架图与来自活树（已交叉定年）建立的主年轮年表进行比对。20将死树的年轮生长模式与主年表进行匹配的关键，在于比对生长受抑制年份（窄年轮）的模式。根据定义，窄年轮是由于气候模式导致水分缺乏所致。由于所有树木都会经历并记录干旱，这种共有的模式将在研究区域内所有树木的年轮序列中得到反映。
  9. 当死树的生长模式与主年轮年表图完全匹配时，确定该树死亡的日历年份。也就是说，若树皮仍然存在，则样本最外层的年轮对应树木死亡的年份。若缺乏树皮，则无法确定树木死亡的具体年份，但仍然可以对样本中其余的年轮进行定年。
  10. 对于未与主年轮序列完全同步的枯死树木，应识别问题所在（识别缺失年轮和/或伪年轮），并参照活树的处理方法进行相应调整。
  11. 每个火灾痕迹样本完成预估定年（初步定年）后，使用测量系统（例如，精度为0.001 mm的Velmex测量仪），沿横截面上的垂直线逐个测量每个年轮的宽度21没有 Velmex 设备的人员可以使用高分辨率扫描仪。也就是说，可以通过对横截面进行扫描成像，并利用 CDendro/CooRecorder 等软件完成树木年轮测量与定年。树木年轮宽度的测量数据将用于通过 COFECHA 程序进行定年质量的统计验证。22建议进行此项操作以验证测年的质量。
  12. 如果研究区域已基于经过统计验证的年轮建立过年代序列，则应使用该年代序列或主序列来支持火疤样本的定年。

4. 火烧痕迹定年

  1. 完成每个样本的树木年轮定年后，识别样本中的所有火疤，并确定火灾发生的年份（图6A）。

树木年轮分析示意图；年轮定年，树轮年代学；带标记的局部截面。
图6：树轮中火疤的位置及其季节性，以及对应的日历年份。 面板A为火烧痕迹横截面示例，红色箭头指示单个火疤，并标注了1902年至2003年间每次火灾发生的年份。面板B、C和D分别展示了年轮中休眠期（D）、早早材期（EE）和中早材期（ME）火疤的放大示例。请点击此处查看该图的放大版本。

5. 确定火疤的季节性

  1. 利用火疤在年轮中的位置来确定火灾发生的季节。通常，将每个火疤的位置归入年轮内的以下类别之一（图6B）：EE（早材的早期部分）、ME（早材的中期部分）、LM（早材的末期部分）、L（晚材）和 D（休眠期或年轮边界）23,18。
  2. 对于发生在休眠期（年轮边界之间）的火疤，应将其归入下一年早材的起始位置（即春季火灾），除非其他样本在年轮的晚材部分存在火疤24,25,26。这些季节性类别也可进一步合并为春季（D + EE）和夏季（ME + LE + L）11。
    注：这些类别的分组可能因地理区域和森林类型的不同而有所差异。

6. 数据分析

  1. 分析火疤数据时，首先使用电子表格建立一个火灾历史数据库，其中每个样本为一行，每列为与该样本相关的变量。建议为每个样本包含以下字段：
    1. 包含树木的学名：属名和种名。
    2. 包含样本编号：野外采集过程中为样本指定的编号，例如 CRN01a（Cuenca Río Nazas，第01棵树，样本a）。
    3. 包含年份：该部分包括两个日期，即最内层（或中心）年轮的年份和最外层（最接近树皮）年轮的年份。必须注明最内层年轮是否对应形成层（pith），以及最外层年轮是否紧邻树皮，后者表明样本死亡或停止记录的年份。大多数用于火灾历史分析的程序均需要此信息。
    4. 包含最内层年轮的年份。
    5. 包含最外层年轮的年份。
    6. 包含是否含有形成层（pith）的信息（是或否）。
    7. 列出所有火疤发生的年份及季节。例如：1902EE，表示在1902年的早材早期记录到一次火灾（图6C）。
  2. 将火灾历史文件上传至火灾历史分析与探索系统（Fire History Analysis and Exploration System, FHAES）版本2.0.0-SNAPSHOT27。如果该程序不可用，请通过以下链接下载：https://www.frames.gov/partner-sites/fhaes/fhaes-home/。
    1. 打开程序，将出现三个选项：创建新FHX文件、加载现有FHX文件和运行叠加时期分析。
    2. 选择第一个选项：创建新FHX文件。将打开一个名为火灾历史记录器（Fire History Recorder）的新窗口，并提供以下选项：数据、元数据、摘要和图表。
    3. 选择数据，以选择当前已加载的样本，然后点击绿色加号以向该数据集中添加新样本。
    4. 将弹出一个新窗口，要求输入：样本名称、起始年份（最内层年轮是否对应形成层？）、结束年份（该年份是否对应树皮？）。在提供完这些基本信息后，点击确定继续。
    5. 此时已激活包含所添加基本信息的窗口，并包含三个字段：事件类型、事件季节和事件年份。开始为第一个样本添加具体信息，包括每次火灾事件。点击添加事件，为这三个字段中的每一项添加信息。
    6. 各字段所需信息如下：事件类型中选择火疤，事件季节中选择火疤在年轮内的位置，事件年份中输入火灾发生的日历年份。请从最古老到最近的记录依次输入。
    7. 在添加事件中，继续添加下一个火灾事件，直至该样本中的最后一次火灾事件被添加完毕。
    8. 完成该样本后，在提示保存时，根据地点名称和FHX扩展名保存文件（例如：CRN.FHX），建议保存在与FHAES程序相同的文件夹中。若文件成功保存，系统将显示通知；若文件存在问题，则不会出现该提示，此时需先纠正问题再继续操作。
    9. 要为新样本添加信息，请点击向此数据集添加新样本，并为新样本提供相应信息。
    10. 点击确定继续。
    11. 这将激活一个新窗口，用于添加该样本中每次火灾的相关信息。按照相同流程将所有火疤样本添加至文件中。每次添加新样本后均需保存信息，并通过查看“FHX文件已成功保存”的提示确认保存无误。
    12. 若无法在一次会话中完成所有信息的输入，可稍后继续编辑数据库。为此，请打开FHAES程序，点击加载现有FHX文件，选择要继续编辑的文件，点击打开，应会弹出一个包含样本数据的新窗口。在上方菜单中选择编辑文件，将打开名为“火灾历史记录器-CRN.FHX”的新窗口，从中继续输入所需信息。
    13. 为完成文件，可添加可能重要的元数据信息。这些信息可包括由该文件生成的摘要和图表。另一种用于火灾历史分析和图形绘制的软件是新开发的“burnr in R”28。
  3. 生成火灾历史图。打开FHAES程序，加载使用上述数据库创建的文件（CRN.FHX）。选择图表选项，即可图形化显示火灾历史。
  4. 基于火灾发生的年份和季节生成火灾历史描述性统计。类似于生成图表的操作，打开FHAES中的文件，选择分析 > 运行分析 > 应用。程序屏幕右侧将弹出一个新窗口（FHAES分析结果），显示“间隔分析摘要”和“季节性摘要”。最重要的描述性统计量包括：平均火灾间隔（MFI）、最小和最大间隔、每个样本的平均火灾间隔，以及威布尔中位概率间隔（WMPI）或火灾重现周期。后者是一种用于建模火灾间隔非对称分布并以概率形式表达重现周期的集中趋势度量29,30。
  5. 对于每个统计量，考虑三种筛选方式：1）所有火疤；2）10%筛选，即被10%或更多样本记录为火疤的火灾年份；3）25%筛选，即被25%或更多样本记录为火疤的火灾年份。最后一种筛选有助于确定最广泛火灾的发生间隔30。
  6. 关于火灾的季节性，系统会显示不同参数，其中最重要的是每个年轮内部类别中记录的火疤数量及其百分比。同时，还提供春季和夏季记录的火灾数量及其百分比11。

7. 气候-火灾分析

  1. 打开 FHAES 程序，选择运行叠加年代分析（Superposed Epoch Analysis, SEA）。
  2. 本分析需使用两个文件：1）连续时间序列文件；2）事件列表文件。第一个文件指按列排列的气候数据（例如：降水量、温度、PDSI、ENSO 等），第二个文件为重建火灾事件按列列出的列表。两个文件均需为文本格式（.txt）。
  3. 将这两个文件以其对应的格式加载。
  4. 在运行 SEA 分析时，可在“模拟与统计”窗口中修改火灾年份前后所包含的年数。但强烈建议保留默认参数设置。
  5. 在底部点击 运行 以执行分析。
  6. 分析将生成汇总信息；随后点击 图表，系统将自动生成以柱状图形式显示的结果。
  7. 解读这些图表：X 轴上“0”代表火灾发生的年份，负值和正值分别表示火灾发生前和发生后的年份。平均值轴线上下以线条形式显示 95%、99% 和 99.9% 的置信区间，用以表达分析结果的显著性。
  8. 将输出结果保存为 PNG 或 PDF 格式。
  9. 基于该分析，可评估气候变率对火灾发生时间动态的影响，包括分析所涵盖火灾事件发生前、发生期间及发生后各年份的气候条件。有关 FHAES 程序操作及结果解释的进一步支持，请参阅用户手册31。

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结果

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当森林中发生地表火时，部分树木的树干常会受到损伤，造成随后愈合的创伤（图7A）。当火势足够强烈或持续时间足够长，能够穿透树皮并杀死部分形成层时，便会形成这些伤疤。历史上，此类火灾发生频率较高，足以防止可燃物的积累；因此，大多数火灾无法蔓延至树冠层。结果，大多数成年树木得以存活并继续生长，使得受损部位在下一次火灾发生前得以部分愈合（图7B）。这种反复发生的过程导致树木年轮中记录下火灾伤疤（图7C）。开放的伤口为后续火灾形成疤痕提供了便利，因此，通过选择最合适的个体并按照第1节建议的方法适当采集样本，便可重建过去的火灾事件历史。

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在森林生态系统中，火灾是一种关键的生态过程；因此，重建历史火灾模式对于理解火灾发生频率、季节性以及随时间变化的变异性具有重要意义。历史火灾模式的改变可能会导致一系列 unintended consequences（非预期后果） 森林结构与健康；因此，此类信息在森林管理中至关重要。本方法学重点阐述了研究区域与样地的选择、获取最佳火疤树木样本，以及实验室样品制备与定年的重要性。同时，我们逐步描述了成功重建森林研究区域火灾历史的分析流程。这些详细步骤在典型的火灾历史研究文献中通常仅被概括性提及，缺乏充分描述。本方案可应用于具有年轮形成能力且火灾在森林动态中起重要作用的不同生态系统。

森林火灾的模式，特别是火灾重现间隔、频率、范围和季节性，随空间和时间而变化；因此，了解特定区域和森林中这些模式的变化至关重要。在一些混交针叶林中，自19世纪初以来，由于实施火灾扑救措施，火灾频率已发生变化25,35。而在其他地区，火灾模式的改变发生在20世纪中叶以后

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

该研究项目得益于以下项目的资助：墨西哥中北部气候与火灾关系研究，由SEP-CONACYT基金资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
带式砂光机Dewalt Dwp352vs-b3 3x21 PuLG用于打磨样品
链锯防护靴Forestry Suppliers无特定要求https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Chain%20Saw%20Boots
链锯防护裤Forestry SuppliersPGI 5层对位芳纶https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Chain%20Saw%20Chaps
链锯Stihl 或 Husqvarna 等品牌MS 660采样必备设备（示例：18-24 英寸导板）
测高仪Forestry SuppliersSuunto PM5/360PC，带百分比和角度刻度https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Clinometer
COFECHA 软件https://www.ldeo.columbia.edu/tree-ring-laboratory/resources/software
指南针Forestry SuppliersSuunto MC2 Navigator 镜面瞄准型https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=compass
树木生态学野外工作项目可学习或提升定年技能的项目http://dendrolab.indstate.edu/NADEF.htm
胸径卷尺Forestry Suppliers型号 283D/10M，织物或钢制https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Diameter%20tape
数码相机CANONEOS 90D DSLR用于拍摄采样地点及所采集样品的照片（https://www.canon.com.mx/productos/fotografia/camaras-eos-reflex）
显微镜用数码相机OLYMPUSDP27https://www.olympus-ims.com/es/microscope/dp27/
电工胶带或塑料薄膜（用于保护样品）uline.comhttps://www.uline.com/Product/Detail/S-6140/Mini-Stretch-Wrap-Rolls/
FHAES 软件https://www.frames.gov/partner-sites/fhaes/fhaes-home/
野外记录表格无特定要求用于记录每个样品的信息
野外记录本用于记录研究地点相关信息
手套用于野外作业防护
听力保护装置Forestry Suppliers无特定要求https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Hearing%20protection
大容量背包无特定要求坚固背包，用于野外运输样品
安全护目镜Forestry Suppliers无特定要求https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Safety%20Glasses
砂纸粒度从 40 至 1200
CDendro/CooRecorder 软件可通过横截面扫描图像进行年轮测量与定年https://www.cybis.se/forfun/dendro/
Measure J2X 软件版本 4.2ttp://www.voortech.dreamhosters.com/projectj2x/tringSubscribeV2.html
体视显微镜OLYMPUSSZX10https://www.olympus-ims.com/en/microscope/szx10/
地形图、土地覆盖图从公共机构获取，或在研究初期阶段自行生成
Velmex 设备Velmex, Inc.精度 0.001 mmwww.velmex.com
野外消防头盔Forestry Suppliers无特定要求https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Wildland%20Fire%20Helmet

参考文献

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