年輪を使用した森林地帯からの火災履歴情報の再構築

この作業では、火災と気候の関係のサイト選択から最終的な分析まで、火災履歴研究を実施するための最も適切な手法と方法を説明しています。

毎年恒例の年輪パターンは、森林地帯の火災の歴史など、生態学的および環境情報の源です。年輪に基づく火災履歴には、フィールド収集、実験室での方法(準備と年代測定)、データ分析の3つの基本的なフェーズが含まれます。ここでは、調査範囲の選択プロセス、サンプリング サイト、およびサンプリングする火災傷跡のある樹木とサンプリング方法など、考慮すべき段階的な手順と問題を提供します。さらに、実験室で行われる火災傷跡サンプルの調製と年代測定についても説明します。最後に、火災の履歴パターンを再構築した研究の例を含む、基本的な分析と関連する結果について説明します。これらの研究により、過去の火災頻度、人為的要因に関連する頻度の変化、および気候が時間の経過とともに火災発生にどのように影響するかを分析することができます。これらの方法と技術の説明は、この分野に関心のある研究者、教育者、技術者、および学生に利益をもたらす火災史研究の理解を深めるのに役立つはずです。これらの詳細な方法により、この分野の新しい研究者は、自分の研究を開始し、より大きな成功を収めるためのリソースを得ることができます。このリソースは、年輪の側面を他の研究にさらに統合し、森林生態系の自然プロセスの理解を深めることにつながります。

自然または人為的な原因によって発火する森林火災は、陸域生態系に影響を与える最も一般的な生態学的攪乱要因の1つと考えられています¹。例えば、火災、より具体的には火災体制は、植物種の組成と構造に影響を与える²。火は、生物地球化学的サイクルと気候変動を結びつける基本的なプロセスでもあります^3,4。ある地域では、火災は劣化と森林破壊の一因となりますが、他の地域では、火災は開放的な森林構造の再生と維持にとって基本的です^5,6。そのため、森林火災の生態学的役割を理解することは、管理および保全プログラムにとって不可欠です。

火災体制は、頻度とその種類、範囲、強度、季節性、および深刻度の変動性によって特徴付けられる、時間の経過に伴う火災イベントのパターンとして定義されます^7,8。森林火災の状況は、直接観察、報告、衛星画像、オーラルヒストリー、年代構造と種構成、および年輪年代^{学的方法の使用}を通じて研究することができる9。年輪年代学は、気候および生態学的事象を研究するために、年輪を年輪で年代測定します¹⁰。年輪年代学の枝の1つは、火災の歴史の再構築、または樹木年代学であり、これは年輪を使用して過去と現代の火災の空間的および時間的パターンを決定し、それによって研究領域内の火災体制を再構築します^11,12。年輪年代学的方法は、他の年代測定方法と比較して精度と解像度の利点を提供します、なぜなら、それらは生態学的イベントの年代測定を可能にするからです、年間から年次内(すなわち、季節的)の精度で、長い時間スケールで、時には数千年まで^13,14。

火災の履歴の再構築は、地域規模での一般的な気候循環パターンが火災の広がりにどのように影響したかを理解する上でも重要です。気候と火災の関係に関するこれらの分析は、気候が長期間にわたって火災の頻度にどのように影響するかについての洞察を提供するため、斬新であるが、これは現代の機器による気候記録⁴では不可能である。火災の歴史の再構築を容易にするために、私たちは、この研究分野に関心のある研究者、教師、技術者、および学生が独自のプロジェクトと研究を開始できるように、年輪年代学の方法と技術を説明するフィールドおよびラボプロトコルを提供します。

このプロトコルでは、森林生態学の分野におけるさまざまな生態学的問題に対する理解を深め、答えを得るためのツールを提供します:1)火災体制とは何ですか?2)ここ数十年で火災体制は変わりましたか、それとも大きな変化なしに火災の頻度が続いていますか?または3)人為的影響に起因する変化はありましたか?4) 火災の頻度パターンは気候変動とどのように関連していますか?

1. サンプリング戦略

1. 分析範囲の決定
   1. 一般に、森林面積は広大(数百ヘクタールまたは数千ヘクタール)であるため、目的を満たす分析範囲を選択します。この場合は、火災の履歴とその経時的な変動性を決定することです(図1)。分析範囲は、サンプリング単位となる火災で傷ついた樹木を含むエリアのみに制限します。調査範囲の偵察は、多くの場合、ドローンやビデオ技術を使用して簡単に行い、より大きな風景のビューを提供し、時間とコストの両方を節約できます。
   2. 分析範囲内で、サイズが理想的に類似している可能性のあるサンプリング サイトを特定して、比較を容易にします。サンプリング サイトのサイズは、調査範囲、火災で損傷した樹木の利用可能性、および調査目的に応じて、広いエリア (>50 ha) から小さなサイト (5–50 ha) または区画 (<5 ha) までさまざまです。もちろん、サイトの数は変動性によって異なりますが、一般的には、複数のサイトが推奨されます。各サイト内の地形と森林の種類は、結果の外挿を可能にするために、より大きな生態系を代表するものでなければならない⁹。

図1: Pinus hartwegii の森。(A)傾斜、森林被覆、地形的障壁、燃料などに関するサイトの地形的変動性。(B)地形と森林の状態、火災の挙動に影響を与える変数、および調査サイトの選択に関するより広い景観の視点。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. サンプリング戦略 (分析範囲内のサイト選択)
   1. 調査範囲内で、方法サンプリングサイト(ランダム、システマティック、または選択的サンプリング¹⁵)を選択します。これは、調査の目的、人員の利用可能性、および財源によって異なります。
   2. 通常、火災の履歴を再構築するには、選択的サンプリングを使用します。つまり、分析範囲内で、火災で傷ついた樹木があることがわかっているサイトを選択します。
   3. このサンプリング戦略を使用して、火災が発生し、火災の傷跡として記録された証拠がある場所を選択します。焼け焦げた樹木や最近火災で枯れた樹木など、最近の火災の兆候が見られるが、以前の火災の傷跡の証拠がない地域は、火災体制の再建には適していませんが、適切な場所と混同されることがよくあります(図2A)。
      注:目的が火災による再生への被害、成長率への影響を測定すること、または火災後のこれらの森林の回復を評価することである場合、これらのタイプの地域は間違いなく理想的です。ただし、火災の履歴とその経時的な変動性を判断することが目的であるため、以前の火災被害の兆候 (傷跡) が見られるが、治癒を開始した場所が必要です (図 2B)。
   4. 分析範囲を偵察し、多数の(>10)長命な樹木と火災の傷跡がある場所を特定します(図2C)。火災で損傷したすべての樹木の位置 (GPS 座標) を、調査サイトの境界を示すポイントの位置 (GPS 座標) を使用して記録します。
   5. 地理情報システムまたはその他のマッピング ソフトウェアでサイトの空間サーフェスをマッピングし、サイトが同様のサイズであることを確認します。
   6. 特に、各サイト内で、火災で損傷した最も寿命の長い樹木を特定して、サイトの火災履歴をできるだけさかのぼって (1 世紀または数世紀前) に再構築し、その期間の火災頻度の変動性をより深く理解できるようにします。

図2:火災履歴の復元の可能性がある場合とない場合の調査サイト。 (A)最近の火災の影響を受けた(焦げた)松林が、樹木に瘢痕の形跡が見られない。このようなサイトは、火事で傷ついた木がないため、このタイプの研究には役立ちません。(B)過去の火災の証拠がある松林では、木々は、繰り返しの火災イベントの後に木が治癒するときに形成される「猫の顔」として知られる三角形の形で幹の付け根に目に見える焦げた部分を持っています。このような遺跡は、火災の歴史を再構築する可能性があると考えられています。(C)多数の火災が記録されたと思われる火災で傷ついた木の根元のクローズアップビュー。異なるレイヤーのそれぞれが火の傷跡を表しています。この場合、11個の火災の傷跡が見えます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. サンプリングに関する一般的な考慮事項 (サイト内のツリー サンプルの選択)
   注:火事で傷ついた木の収集は、このタイプの研究で最も重要なステップの1つです。
   1. 分析範囲とサイトの境界が決定されたら、既知のポイントから選択したサイトの偵察を開始し、サイト全体をカバーするまで徐々に進行します。偵察の目的は、火災で傷ついたすべての樹木の状態(生きている木、引っ掛かり、または丸太)、火災の傷跡の数、場所、およびアクセス可能性(樹木から火災の傷跡サンプルを抽出するのが難しい)を記録して、可能な限り完全なインベントリを取得することです。(図3A、B)。
   2. この情報に基づいて、その場所の最も長く、最も完全な火災の歴史を再構築するのに最も貢献する樹木を決定します。各サイトから少なくとも 10 本の火災による傷跡のある樹木を収集し、最も数が多く、最も保存状態の良い火災痕⁹ の木を最優先します (図 3B、D)。サイト内のすべての火災で傷ついた樹木をサンプリングする必要があるわけではないことに注意してください。ほとんどの場合、記録された火災の数は、サンプルサイズ(樹木の数)の増加とともに増加します。ただし、この関係は通常、10〜15本の木¹⁶を超えて漸近します。
   3. 時間の経過とともにサンプルの深さを可能な限り大きくするために、最も古い火災の傷跡が含まれている可能性が高い火災の傷跡のある丸太やひっかかり、および最近の火災の傷跡がある生きた木を収集する努力をしてください。
   4. 緩い、または非常に劣化した火傷のサンプルは、切断すると紛失し、再組み立てがほぼ不可能になる可能性があるため、収集しないでください。
   5. 選択した樹木が同じ数の傷跡と頑丈さを持っている場合は、最も明確な成長年輪を持つ種をサンプリングすることを検討し、これにより傷跡⁹の年代測定が容易になります。
   6. サンプルを収集する前に、次の情報を含む各サンプルとサイトから最も関連性の高い情報を収集できるフィールドデータシートを作成します¹⁷。
      1. 調査範囲の名前とコード(Cuenca Río Nazas、CRNなど、3文字が望ましい)、サイト番号、サンプル番号、サンプルの状態(固体、切片、腐った)、収集日、コレクターなどの一般的な情報を含むフィールドデータシートを使用します。
      2. マイクロサイトの説明(ドライ、ウェット、インターミディエイト)、傾斜、アスペクトを決定します。
      3. 樹木の属性を決定します:種、直径、高さ、状態(生きている、引っ掛かり、丸太、切り株)。
      4. 地理的な場所を決定します:座標(UTMおよび度単位)、標高。
      5. サンプルの説明を決定します:トランク上のサンプルの高さと側面、採取されたサンプルの数、ピース/サンプルの数、目に見える傷跡/サンプルの数、傷跡の露出。
      6. 現場のサンプル写真や図面を撮影する:この情報は、火災傷跡サンプルの形状と、サンプルの一部が外れて後で再組み立てが必要な場合のセクションの数を文書化します。これは、実験室での修復(接着および準備)に役立ちます。データシート内の描画は、注釈を付けることができるため、多くの場合役立ちます。
4. サンプリング収集(火事で傷ついた樹木の収集)
   1. サンプリングする樹木を決定した後、火災傷跡サンプルの抽出を開始する前に、樹木の周辺領域を調べます。この検査により、安全な作業環境を提供するために、チェーンソーの点火前に対処する必要がある可能性のある枝、緩い岩、またはその他の安全上の問題が明らかになる場合があります。
   2. 切り株や丸太から火の傷跡を抽出するには、完全な断面を取ります(図3C)。ただし、立っている障害や生きている木からサンプルを抽出するには、部分的な断面を切り取る必要がある場合があります(図3A、D)。可能であれば、生きている樹木への被害を最小限に抑えるために、枯れた木のサンプリングを強調します¹⁸。サンプリングの主なツールはチェーンソーで、小さな木と大きな木の両方からサンプルを抽出できるように、少なくとも20インチのバー(例:18〜24インチのバー)が付いています。また、機械的な障害が発生した場合にフィールドサンプリングが遅れないように、サンプリング時に追加の機器部品を用意することをお勧めします。
   3. 抽出する火災傷跡サンプルの側面と高さを選択するときは、最も多く、目に見える火災傷跡が最も保存されている側面および/または高さを考慮してください。多くの場合、火災の傷跡の数は地面に近づくほど多くなります¹² (図 3A、B)。火の傷跡はしばしば数メートルの高さに達することがあり、上部に観察された傷跡は幹の付け根に発生しない場合があります(図3B)。このような場合、そのツリーから可能な限り完全な火災履歴レコードをキャプチャするために、ベースと上位の両方のサンプルを含む、単一のツリーから複数のサンプルを収集する必要があります。ただし、根元で火傷を収集することは、特に重いチェーンソーを使用して断面を切断する場合、より困難で危険であることがよくあります。さらに、木を低く切るにはひざまずく必要がある場合があり、必要に応じてサイトを迅速に避難させるのを妨げる可能性があります。
   4. 木の伐採を始める前に、手袋、ヘルメット、聴覚保護具、チャップス、適切な靴などの適切な保護具を含む、必要なすべての安全対策を講じてください。
   5. 火事で傷ついた木を、サンプルを抽出する高さと側面とともに選択したら、近くに別の人を配置して木を注意深く監視し、木が倒れ始めた場合にソーヤーに警告する準備をします。この追加の人とソーヤーが、そのような緊急事態の場合に肩を叩くなど、非言語的/非視覚的なコミュニケーション方法を持っていることを確認してください。さらに、切断を開始する前に、両方の人が事前に決定された避難戦略と安全ゾーンを持っていることを確認してください。
   6. 最高の記録を持つ木と側を選択し、必要な安全対策を講じた後、生きている木または枯れた木に立っている木から火傷サンプルを抽出します。
      1. まず、木^9,19から部分的な断面を切り取ります。これを行うには、樹皮から木の中心まで伸び、抽出する必要のあるすべての傷跡を横切る、火傷のある幹(キャットフェイス)の片側の断面に沿って水平に切り込みを入れます(図3D)。
      2. 最初の水平カットを行った後、最初のカットの上下2〜3cmで2番目の水平平行カットを行います(図3D)。カットが薄いほど、木に与えるダメージは少なくなります。ただし、厚さは木の固さによって異なります。樹木の劣化が激しい場合は、安定性を高めるためにサンプルを厚くする必要があります(>3 cm)。
      3. 幹を横切って2つの水平カットを行った後、木の断面を木から取り除くために、木の後ろから1つと前から木の中心に向かって2つのプランジカットを行います。鋸刃の先端を使用してプランジカットを行い、2つの平行な水平カットが終了するポイントで木に入ります。プランジカットでは、断面を樹木に固定している木材を切断し、断面を抽出する必要があります(図3、E、F)。
         注意: プランジカットを開始するには、チェーンソーバーを木の幹から45°の角度(図3E)で、2つの平行な水平カットの端に配置します。バーの一番上の先端からカットを開始し、のこぎりが蹴り戻らないように上向きの動きでゆっくりと木に切り込みます。カットが開始され、ブレードが木を貫通したら、バーを水平位置(図3F)にして、木の奥深くまで浸透させることができます。45度の角度から開始することで、より安全にカットを開始できます。幹に対して水平な位置からカットを開始しようとすると、チェーンソーの刃が大きな力で木から跳ね返り、怪我をする可能性があります。
      4. サンプルを抽出します(図3G)。
      5. サイトコード、ツリー番号、およびサンプル番号を使用してサンプルにラベルを付けます(たとえば、サイトCRNの最初のサンプルにはCRN-01-aというラベルが付けられます)。ツリー番号(1、2、3、...)とサンプル番号、後者は文字、a、b、cなどで示されます)(図3H)。
      6. 現場でサンプルの写真を撮ります。これにより、形状、個数(複数の個に分割されている場合)、サンプルの状態、消去された場合のサンプルラベルなど、抽出時のサンプルの物理的状態をキャプチャできます。抽出時にサンプルがいくつかの断片に分裂する場合は、すべての断片を含めてサンプルを可能な限り再構築し、各断片にマーカーで印を付けます。
      7. サンプルの再構築を容易にするために、隣接するピースに垂直な線を引いて、ピースが結合する場所にマークを付けます。これらの各ピースには、サイトIDとツリーIDに加えて、個々のピースごとに一意の番号を使用して個別にラベルを付ける必要があります。したがって、サンプルからのピースが混合されている場合、この情報は写真を補完し、サンプル内の各ピースがどのように配置されているかを決定することを容易にする¹⁷。抽出時に現場での図面も、この再構築を容易にすることができます。図面の利点は、注釈を付け、図面内の個々のピースにラベルを付けることができることです。
      8. 最後に、電気テープまたはラップを使用して、火災傷跡のサンプルとすべての個々のピースを元の配置にできるだけ近づけて固定します。これは、ある程度の劣化や腐敗がある火災傷跡のサンプルにとって特に重要です。サンプルをしっかりと包むことで、サンプルが実験室に輸送される間もサンプルが保護されます¹⁷ (図3I)。
      9. ほとんどの火災復興研究では部分的または完全な断面を使用していますが、広く使用されていないものの、インクリメントコアを使用するという別の選択肢があることに言及することが重要です。このタイプのサンプリングは、生きている枯れ木または固体の枯れ木でのみ可能であり、 図 4 に示されている抽出に関する考慮事項を考慮に入れています。

図3:火災傷跡のサンプリングプロセス。 (A)火の傷跡のある木が選択され、(B)猫の顔のクローズアップビュー(木の根元に火の傷跡が露出している領域)には多数の火の傷跡が示されており、サンプリングに選択できる木の例になります。(C)丸太からの火災傷跡のサンプルの抽出。丸太の場合、垂直に切断できるため、部分的または完全なセクションの抽出が容易になります。生きている木と引っ掛かりの場合、プロセスはより難しく、次の手順が含まれます:(D)生きている木から火の傷跡を抽出するには、最初のステップは、最も明確な記録を持つ面を選択し、木の幹の根元に2つの水平カットを行うことです。(E,F)サンプルを抽出するには、チェーンソーの先端を2つの水平カットの後端に沿って垂直に押して、樹皮から木の中心に向かってサンプルを切り離すプランジカットを実行し、(G)次にサンプルを抽出し、(H)ラベル付けします(調査領域、サイトとツリー番号、サンプル番号、 座標)、そして最後に(I)サンプルは実験室に輸送される間、損傷を避けるためにプラスチックで包まれます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:Presslerドリルで成長コア(インクリメントコア)を抽出して、火災で傷ついた樹木をサンプリングします。 このサンプリング手法を成功させるには、瘢痕に対する抽出角度を考慮することが重要です。1)火傷跡を横切るサンプルコアは、傷跡の後のリングがすべて欠落するため不完全になります、2)2番目のコアでは、傷跡の後の最初のリングも欠落している可能性がありますが、3)理想的には、3番目のコアにはすべての成長リングがあり、火災の傷跡の正確な年の識別と年代測定が可能になります。4)火傷跡から遠く離れた4番目のコア。 したがって、すべての成長リングで取得されますが、火災の特定と日付には役立ちません。ただし、後者はツリーの参照年表として役立ちます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. 実験室でのサンプル調製

1. 火傷のサンプルがラボに到着したら、慎重に開梱し、ワンピースの断面と複数のピースで構成される断面を分離します。
2. 複数のピースでサンプルを復元します。この手順は、サンプルの一部であるすべてのピースを識別し、さまざまなピースを接着することで構成されます(木材用の白い接着剤を使用)。必要に応じて、現場で撮影した写真を使用して、個々のピースの配置を決定します。
3. 腐敗により劣化が進んでいるサンプルでは、接着剤を塗布するだけでは、サンディング/ポリッシングや年代測定のプロセスで必要とされる頑丈さを十分に生み出すことができない場合があります。必要な安定性を作り出すために、これらのサンプルをマウントします。すなわち、これらのサンプルのすべての部品を組み立てた後、サンプルのすべての個々の部分を木製の表面(例えば、合板)に取り付け、必要に応じて、接着プロセス中に機械的なホッチキスを使用してすべてのサンプルピースを接着します¹⁷。
4. 調製プロセスが完了したら、サンプルを屋外の日陰で3〜5日間乾燥させます。突然の水分の損失により、サンプルが分裂して破損する可能性があるため、サンプルを直接太陽の下で乾燥させないでください。
5. サンプルが乾燥したら、顕微鏡や測定システムの下での取り扱いを容易にするために、より厚いサンプル(>3 cm)を2〜3 cmの厚さにカットします。
6. 40〜1,200グリットのさまざまなサンドペーパー粒子を使用して、すべてのサンプルを研磨/研磨します。最小の数(最も粗い)粒子から始めて、最も粗い切断部分を取り除き、均一な表面が達成され、年輪細胞構造が顕微鏡ではっきりと見えるようになるまで、徐々に多くのグリット(より細かい)でサンディングを続けます。これにより、年輪内の火災傷跡の位置を特定できます(図5)。

図5:調製またはサンディング後の 火災で傷ついたPinus hartwegiiサンプル。青い点でマークされた最初の年輪数は、サンプルの年齢(121年)を示しています。日付入りの年輪は黒(1891-2011)で示されています。最も外側の年輪の年がわかっている(この場合は2011年)生きた木から採取されたサンプルでは、直接年代測定が可能で、年輪が明確で、成長の問題(年輪の欠落や偽の年輪)がないか、そのような問題を簡単に区別できます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. 年輪年代測定

1. 各サンプルの成長年輪を数えて、中心から樹皮に向かって年齢を決定します。10 年ごとに 1 つのドット、50 年ごとに 2 つのドット、3 つのドットで 100 年ごとにマークします²⁰。
2. 成長パターンを比較することにより、各年輪の正確な形成年を決定する²⁰。
3. 若い生きた木のサンプルでは、最も外側の年輪(樹皮に隣接している)の日付は、サンプルが収集された年であるため、わかっています。この場合、サンプルの外側(樹皮)から中心に向かってリングを数えることにより、サンプル上で直接日付を記入します。たとえば、サンプルが 2011 年の最後の月に収集された場合、その年の成長は既にほぼ完全に完了しているため、この最後の外側のリングの日付は 2011 年になります。このリングからカウントダウンを開始し、後続のリングの日付を最も内側のリングまでマークします(図5)。前述のように、10年ごとに1つのドット、50年目には2つのドット、100年ごとに3つのドットを使用して、10年の始まりをマークします。
4. 最も寿命の長い生きた木については、各サンプルの成長グラフまたはスケルトンプロットを作成し、木の成長パターンを比較します。スケルトンプロットの作成方法の詳細については、Stokes and Smiley²⁰を参照してください。異なる木の間の同期性(細い年輪と幅の広い年輪)は、成長の問題(偽の年輪または欠落した年輪)がないことを示しています。したがって、生きている木の場合と同じ方法で、年輪に日付(暦年)を割り当てることが可能です。
5. 一部の火災傷跡サンプルは、他の樹木と同期した成長パターンを示さない場合がありますが、これは成長抑制(非常に小さな年輪)が原因で、特定の年に年輪(つまり、木が木のその部分に木材を追加しなかった暦年)が欠落し、カウントで考慮されませんでした。逆に、「偽のリング」を持つことも可能です。偽の年輪は、2つの年輪のように見える年輪ですが、実際には1つの暦年に関連付けられています。これは、季節の干ばつにより木がストレスを受け、成長を止めるためにレイトウッドを敷き始め、十分な水分を受け取った後に定期的な成長を再開するときに発生します。これら 2 つの問題のどちらが同期性の欠如を妨げているかを、同期されていないサンプルと成長の問題を記録しなかったサンプルとの間の個々のリングを比較することで判断します。
6. 問題が特定されたら、同期されていないサンプルとその成長グラフの年輪数を修正します。同期されていないすべてのサンプルに対してこの手順を繰り返します。
7. すべての生きている樹木の年代を測定するには、一般に「マスター年表」と呼ばれる平均グラフを作成します。これは、すべての個々のスケルトンプロットの平均であり、サイトの成長パターンを示しています。マスター年表の作成方法の詳細については、Stokes and Smiley²⁰ を参照してください。
8. 既知の最も外側の年輪を持つ生きている木の年代測定が終わったら、最も外側の年輪が不明な枯れた木の年代測定を開始します。これを行うには、まず、各枯れた木のサンプルに対してスケルトンプロットを作成することから始め、各死んだ木からのスケルトンプロットを、生きた木から導出されたマスター年表(クロスデート)と比較する²⁰。枯れた木とマスター年表の間の年輪の成長パターンを一致させる鍵は、成長が抑制された年(小さな年輪)のパターンを一致させることです。定義上、小さな年輪は、水分不足をもたらす気候パターンによるものです。干ばつはすべての樹木で発生し、記録されるため、この共同パターンは、分析範囲内のすべての樹木の年輪パターンに反映されます。
9. 枯れた木の成長パターンがマスター年表グラフと完全に一致したら、木が死んだ暦年を決定します。つまり、サンプルの最も外側のリングは、樹皮がまだ存在する場合に限り、木が死んだ年に対応します。樹皮がなければ、木が枯れた年を知ることは不可能ですが、サンプルの残りの年輪の年代を特定することは可能です。
10. 枯れた木がマスター年表と完全に同期していない場合は、問題を特定し(欠落しているリングや偽のリングを特定)、生きているツリーと同じ手順に従って適切な調整を行います。
11. 各火災傷跡サンプルが事前に年代測定されたら(予備的な日付)、測定システム(たとえば、0.001mmの精度のVelmex)²¹を使用して、断面を横切る垂直線に沿って個々の年輪の幅を測定します。Velmexをお持ちでない方は、高解像度スキャナーをご使用いただけます。つまり、年輪の測定と年代測定は、断面のスキャン画像とCDendro / CooRecorderなどのソフトウェアを使用して行うこともできます。年輪幅の測定値は、COFECHAプログラム²²との統計的年代測定の品質を検証するために使用されます。これは、年代測定の品質を検証するために推奨されます。
12. 統計的に検証された毎年の年輪に基づいて調査地域で開発された以前の年表がある場合は、その年表またはマスターシリーズを使用して、火災の傷跡サンプルの年代測定をサポートします。

4.火傷の年代測定

1. 各サンプル内で年輪の年代測定が完了したら、サンプル内のすべての火災傷跡を特定し、火災が発生した年を特定します(図6A)。

図6:年輪内の火災の傷跡の位置と季節性、および対応する暦年。 パネル A は、赤い矢印で示され、1902 年から 2003 年の間に各火災が発生した年が前に示された、火災で傷ついた断面の例です。パネルB、C、Dは、それぞれ年間年輪内の休眠中(D)、早生林(EE)、中期早生林(ME)の火災傷跡の拡大例を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

5. 火災傷跡の季節性を判断する

1. 年間年輪内の火災傷跡の位置を使用して、火災が発生した季節を判断します。一般に、各火災の傷跡の位置を、年輪内の次のカテゴリ(図6B)のいずれかに割り当てます:EE(初期の木材の部分)、ME(初期の木材の中央部分)、LM(初期の木材の終わりの部分)、L(後期の木材)、およびD(休眠または年輪境界)^23,18。
2. 休眠期間中(年輪の境界間)に発生する火災の傷跡を、他のサンプルが年輪の後期木材セクションに火災の傷跡を持っていない限り、翌年の早い木材(春の火災)の始まりに割り当てます24,25,26。季節性カテゴリは、春季(D + EE)と夏季(ME + LE + L)にグループ化することもできます¹¹。
   注:これらのカテゴリのグループ化は、地理的地域と森林の種類によって異なる場合があります。

6. データ分析

1. 火災の傷跡のデータを分析するには、まずスプレッドシートを使用して火災履歴データベースを構築します。各サンプルは行で、各列はそのサンプルに関連付けられた変数です。各サンプルに次のフィールドを含めることを検討してください。
   1. 学的なツリー名(属と種)を含めます。
   2. サンプル番号を含める:フィールド収集中にサンプルに指定された番号(例:CRN01a(Cuenca Río Nazas、tree 01、sample a)。
   3. 年を含める: このセクションには、最も内側(または中央)の年輪と最も外側(樹皮に最も近い)の年輪の2つの日付が含まれます。最初のリングが髄に対応する時期と、最も外側のリングが樹皮に隣接しているかどうか、つまりサンプルが死亡した日付または記録が停止した日付を示すことが重要です。この情報は、火災履歴分析に使用されるほとんどのプログラムで必要です。
   4. 最も内側のリングの日付を含めます。
   5. 最も外側のリングの日付を含めます。
   6. 髄を含めます(はいまたはいいえ)。
   7. すべての火傷の年と季節のリスト。例:1902EEは、1902年内にアーリーウッドの初期に火災が記録されたことを示します(図6C)。
2. 火災履歴ファイルを火災履歴分析および探査システム(FHAES)バージョン2.0.0-SNAPSHOT²⁷にアップロードします。プログラムが利用できない場合は、次のリンクを使用してダウンロードしてください:https://www.frames.gov/partner-sites/fhaes/fhaes-home/。
   1. プログラムを開きます。新しい FHX ファイルの作成、既存の FHX ファイルの読み込み、重ね合わせエポック分析の実行の 3 つのオプションがあります。
   2. 最初のオプションである [新しい FHX ファイルを作成する]を選択します。 Fire History Recorder という新しいウィンドウが開き、[Data]、[Metadata]、[Summary]、および [Graphs] のオプションが表示されます。
   3. [データ] を選択して、現在読み込まれているサンプルを選択し、緑色の十字記号をクリックして、このデータ セットに新しいサンプルを追加します。
   4. 新しいウィンドウが開き、サンプル名、最初の年(最も内側のリングが髄に対応しているかどうか)、昨年(年が樹皮に対応しているかどうか)を尋ねられます。この一般情報を入力したら、[ OK ] をクリックして続行します。
   5. 追加された一般情報を表示するウィンドウがアクティブになり、イベントの種類、イベントの季節、イベントの年の 3 つのフィールドが表示されます。各ファイア イベントを含む特定の情報を最初のサンプルに追加し始めます。「 イベントの追加 」をクリックして、3 つのフィールドのそれぞれに情報を追加します。
   6. 各フィールドに必要な情報は次のとおりです。 [イベント タイプ ] で [火の傷跡] を選択し、[ イベント シーズン ] で年輪内の火の傷跡の位置を選択し、[ イベント年 ] で火災が発生した暦年を含めます。最も古いレコードから最新のレコードまで開始します。
   7. [イベントの追加] 内で、そのサンプル内の最後の火災が追加されるまで、次の火災イベントを追加します。
   8. サンプルが終了したら、サイト名と FHX 拡張子 (例: CRN) に従ってファイルを保存します。FHX)、できればFHAESプログラムと同じフォルダに、保存するオプションが与えられた場合。その後、ファイルが正常に保存されたことが通知されます。ただし、ファイルに問題があった場合、そのメッセージは表示されません。その場合は、続行する前に問題を修正する必要があります。
   9. 新しいサンプルの情報を追加するには、[ このデータ セットに新しいサンプルを追加 ] をクリックし、新しいサンプルの情報を入力します。
   10. [OK]をクリックして続行します。
   11. これにより、サンプル内の各火災に関する情報を追加するための新しいウィンドウがアクティブになります。同じ手順に従って、すべての火災傷跡サンプルをファイルに追加します。新しいサンプルが追加されるたびに情報を保存し、FHX ファイルが正常に保存されたことを示すメッセージに注意して、正しく保存されたことを確認します。
   12. 1 つのセッションですべての情報を追加できない場合は、後でデータベースでの作業を続行します。これを行うには、FHAESプログラムを開き、[ 既存のFHXファイルをロード]をクリックします。作業を続行するファイルを選択します。 [開く] をクリックすると、新しいウィンドウが開き、サンプルのデータが表示されます。上のメニューにある [ファイルの編集 ]を選択すると、新しいウィンドウが開き、ファイルとともにFire History Recorder-CRN.FHXが表示されます。ここから、まだ必要な情報を入力し続けます。
   13. ファイルを完成させるには、メタデータの一部として重要な情報を追加します。この情報には、そのファイルで生成されたサマリーとグラフが含まれる場合があります。火災履歴分析とグラフィック作成のもう一つの選択肢は、新しいソフトウェア「burnr in R」²⁸です。
3. 火災履歴グラフの生成。 FHAESプログラムを開き、上記のデータベースを使用して作成したファイル(CRN.FHX)です。 [チャート ]オプションを選択すると、火災の履歴をグラフィカルに表示できます。
4. 火災が発生した年と季節に基づいて、火災履歴の記述統計を生成します。グラフの作成に使用したプロセスと同様に、FHAESでファイルを開き、[分析]>[分析の実行]を選択し、[適用]>[分析の実行]を選択します。プログラム画面の右側に、新しいウィンドウ(FHAES分析結果)が開き、インターバル分析サマリーと季節性サマリーの両方が表示されます。最も重要な記述統計量は、平均火災間隔(MFI)、最小間隔と最大間隔、サンプルあたりの平均火災間隔、ワイブル中央値確率間隔(WMPI)または火災再発です。後者は、火災間隔の非対称分布をモデル化し、再発間隔を確率的に表現するために使用される中央分布の尺度である^29,30。
5. 各統計量について、3つのフィルターを検討します: 1) すべての傷跡、2) 10% フィルター (サンプルの 10% 以上が傷跡として記録された火災年)、3) 25% フィルター (サンプルの 25% 以上が傷跡として記録された火災年) について考えてみます。最後のフィルターは、最も広範な火災³⁰の間隔を決定することを可能にします。
6. 火災の季節性については、さまざまなパラメータが表示されますが、最も重要なのは、各リング内カテゴリで記録された傷跡の数と割合です。同様に、春と夏のシーズンに記録された火災の数と割合は¹¹です。

7. 気候火災分析

1. FHAESプログラムを開き、[重ね合わせエポック分析(SEA)の実行]を選択します。
2. この分析には、1) 連続時系列ファイルと 2) イベント・リスト・ファイルの 2 つのファイルを使用します。最初のファイルは、列に並べられた気候データ(例:降水量、気温、PDSI、ENSOなど)を参照し、2番目のファイルには、列内で順序付けられた再構築された火災がリストされており、両方のファイルはテキスト形式(.txt)である必要があります。
3. これらの各ファイルを適切な形式でロードします。
4. SEA 解析を実行するときに、[シミュレーションと統計情報] ウィンドウで火災の前後の年数を変更できます。ただし、デフォルトのパラメータを保持することを強くお勧めします。
5. 下部にある [実行 ]をクリックして、解析を実行します。
6. これにより、概要情報が生成されます。そこから[ チャート ]をクリックして、自動的に棒グラフとして表示される結果を作成します。
7. これらのグラフを解釈してください:X軸上の「0」は火災の年を表し、負の値と正の値は火災の前と後の年を示します。95%、99%、99.9%の信頼区間は、平均軸の上下に線で示され、分析の有意性を表しています。
8. 出力をPNGまたはPDF形式で保存します。
9. この解析に基づいて、解析に含まれる火災の前後の気候条件を含む、気候変動が火災の発生に及ぼす影響を経時的に評価することができます。FHAESを使用した結果の実行と解釈に関するさらなるサポートについては、ユーザーマニュアル³¹を参照してください。

森林で地表火災が発生すると、一部の樹木の幹が損傷することが多く、その後治癒する損傷を引き起こします(図7A)。これらの傷跡は、火が十分に激しいか、樹皮を貫通して形成層の一部を殺すのに十分な長い滞留時間がある場合に形成されます。歴史的に、このような火災は、燃料の蓄積を防ぐのに十分な頻度で発生していました。したがって、これらの火災のほとんどは樹冠に到達することができません。その結果、ほとんどの成熟した樹木は生き残り、成長を続け、次の火災の前に損傷した部分が部分的に治癒することができました(図7B)。この繰り返しのプロセスにより、年輪内に火の傷跡が記録されました(図7C)。開いた傷口は将来の火災による瘢痕化を容易にするため、セクション1で提案されているように、最良の個人を選択し、サンプルの適切なコレクションを作成することにより、過去の火災イベントの歴史を再構築できます。

図7:木の内部の火災の傷跡の形成。 (A)木の根元で火が燃えると、樹木の上り坂の樹皮と形成層の一部が損傷します。そこでは燃料の蓄積が多くなり、火が風から保護されます。滞留時間が長くなると、熱が樹皮に浸透し、形成層に損傷を与える(写真:Dante A. Rodríguez-Trejo)、(B)熱の結果として、木のその部分は機能しなくなり、傷跡ができ、(C)やがて、傷跡は傷跡に隣接する領域の成長によって徐々に覆われます。しかし、火災が繰り返されると、木の幹の根元に新たな傷跡ができてしまいます。サンプルの正しい抽出、年間成長樹木の年輪と火災の傷跡(赤の矢印で示されている)の年代測定により、森林地帯における過去の火災頻度の再構築が可能になります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ここでも同じ方法を使用して、流域内で実施された火災履歴調査の例を示します。流域上部の森林は、下部(LP)と上部(UP)に分けられました。次の種から合計68の火傷サンプルが収集されました: Pinus arizonica Engel.、 Pinus strobiformis Engelm。、マツテオコート シュレヒト。& Cham.、 およびPseudotsuga menziesii (Mirb.)フランコ。68本の火災傷跡の木のうち、46本はLPで、22本はUPで、セクション1(ステップ1.4.6.1〜1.4.6.7)を使用して収集されました。ほとんどのサンプル(74%)は枯れた木(ひっかかりや丸太)から採取され、残り(26%)は生きた木から採取されました(表1)。セクション2と3に続いて、50のサンプル(74%)の年代測定が可能であり、セクション4を使用すると、596の傷跡を特定することができました。18サンプル(26%)の年代測定は、劣化またはリングの数が不十分で信頼性の高い年代測定ができないためでした。

表1:サンプリングされた樹木の特性。この表は、Cerano-Paredes et al., 2019³⁰から修正されています。

年代測定された596の傷跡のうち、セクション5と6(ステップ6.4と6.5)に基づいて、560の傷跡(94%)の年輪内の火災傷跡の位置(季節性)を決定することができました。最も一般的なリング内位置はEE(91.0%と97.8%)で、次にLP部位(図8B)とUP(図8A)のLEでME(8.7%と1.8%)と1%未満(0.3%と0.4%)でした。年輪のD部分とL部分には傷跡は見つかりませんでした。火災の傷跡のうち、LPは91%、UPは91%が春、97.8%が夏季、2.2%が夏季に発生したと判定されました。

図8:1575年から2008年までの年輪内の火災傷跡の位置に基づく火災の季節性(数とパーセント)。 (A)UPおよび(B)LPサイトの火災発生の季節性。ほとんどの火災の傷跡は、成長期の早い段階で特定されました。傷跡の90%以上は春の季節に発生しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

火災履歴の記録は、1700年代から1950年代初頭にかけて、両方のサイトで火災が頻繁に発生したセクション6(ステップ6.1から6.3)に従って再構築されました(図9)。頻繁な火災のパターンは、20世紀半ばに中断されました。UPのサイトでは、20世紀初頭から火災の頻度が変化している様子が見られます。一般的に、火災の頻度はここ数十年で両方のサイトで変更されています。

図9:1575年から2008年の期間の流域内の標高勾配に沿った低標高および高標高の場所(LPおよびUP)の火災履歴チャート。 各水平線はサンプルの寿命を表し、垂直の黒い線は火災の傷跡を表し、灰色の陰影付きの線は、両方のサイトに影響を与える広範囲にわたる火災 (同じ年に両方のサイトで火災が記録された年) を示しています。ピンクの網掛け部分が大きな火災が発生しない長い期間(50年)を示し、青色の影の部分が100年前の高地で火災の頻度が変わり始めた時期を示しています。この図は、Cerano-Paredes et al., 2019³²から修正されたものです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

平均度数区間(MFI)は、セクション6(ステップ6.1、6.2、および6.4)に従って生成されました。その結果、過去数世紀の間に、火災は、すべての傷跡フィルターを考慮した両方のサイト(LPとUP)で3年ごとに発生し、LPとUPで最も広範な火災(10%フィルター)でそれぞれ9年と6年の間隔で発生していたことが示されています。しかし、この周波数は1951年以降劇的に変化し、現在、LPとUPの火災のない間隔はそれぞれ27年と48年と大幅になっています(表2)。火災の帰還間隔は、3つのフィルターを使用して説明されました:1)少なくとも1つのサンプルに記録されたすべての火災年を含むすべての傷跡、2)記録サンプルの少なくとも10%によって記録された火災年のみを含む≥10%の傷跡、および3)記録サンプルの≥25%によって記録された火災年のみを含む≥25%の傷跡。≥25%フィルターは、大規模な火災の火災頻度の推定値として文献で広く使用されています。

表 2: 発射間隔の統計。この表は、Cerano-Paredes et al., 2019³⁰から修正されています。

気候が火災発生に及ぼす影響は、セクション7に続いて得られました。重ね合わせエポック分析(SEA)は、火災が発生した年が乾季で、その前に雨季が発生したことを示しています(図10)。過去300年間で、火災の発生と通常の降雨量よりも少ない降雨量との間には有意な関係(P < 0.01)がありました(図10A)。SEAはまた、エルニーニョ南方振動(ENSO)NIÑO3指数がマイナスであったときに火災が発生したことも示しました。このことは、NIÑO 3指数が示す熱帯気候パターンが、この調査地域内の火災発生に有意な影響を及ぼしたこと(P < 0.05)を示唆している(図10B)。さらに、両方の指数(降水量とNIÑO3)は、火災の1年前に通常よりも有意に(P < 0.01)大きかったため、火災が発生する前の年は平年よりも雨が多かったことが示唆されています。

図10:LPとUPの両方のサイトについて、気候変動[再構築された降水量³³、ENSO指数(NIÑO 3)]³⁴ と再構築された火災頻度との関係を示す重ね合わせエポック分析(SEA)。火災が発生した年は 0 年 (灰色のバー) で示され、火災の年より前の年は負の数値で示され、火災の後の年は X 軸に沿って正の数値で示されます。この例では、火災発生の 5 年前と 2 年後の平均気象条件が示されています。気候条件は Y 軸に沿って示され、0 未満の値は平均を下回り、0 より大きい値は平均を超える条件を表します。各グラフの上下の水平線は、信頼区間 (点線、P < 0.05、破線、P < 0.01、実線、P < 0.001) を示します。この図は、Cerano-Paredes et al., 2019³²から修正されたものです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

気候と火災頻度の関係は、調査地域の気候変動(年輪年代学、再構築された降水量、ENSO指数、PDSI指数などを使用)と火災の再構築(図11)を比較することで、グラフで分析できます。ただし、両方の変数間の統計的関係を知ることは常に非常に重要です。

図11:気候変動と火災の歴史との関係。 (A)冬から春の降水量を再構築したものを表し、下の青い線は年間変動を表します。柔軟な青色の曲線は、乾燥イベントと湿潤イベントを検出するための 10 年間隔の平滑化スプライン (スプライン) です。水平点線は平均降水量を示し、(B)は火災履歴の復元を表しています。黄色の縦線は、火災の頻度と平均を下回る降水量の減少(干ばつ)との関係を分析できます。この図は、Cerano-Paredes et al., 2015³⁹から修正されたものである。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

森林生態系では、火災は重要な生態学的プロセスです。したがって、過去の火災体制を再構築することは、時間の経過に伴う火災の頻度、季節性、および変動性を理解するために重要です。歴史的な火災体制の変更は、森林の構造と健康に関して意図しない結果をもたらす可能性があります。したがって、このような情報は森林管理において重要です。この方法論的アプローチは、調査地域とサイトの選択、火災で損傷した最高の樹木の収集、および実験室のサンプルの準備と年代測定の重要性に焦点を当てています。同様に、森林に覆われた調査地域における火災の歴史を成功裏に再構築するための段階的な解析手順について説明します。このような詳細な手順は、一般的に要約されており、一般的な火災史研究の出版物ではあまり説明されていません。このプロトコルは、樹木が年輪を形成し、火災が森林のダイナミクスに重要な役割を果たすさまざまな生態系で実施できます。

森林火災の状況、特に火災の帰還間隔、頻度、範囲、季節性は、空間と時間によって異なります。したがって、関心のある地域や森林におけるこれらのパターンを理解することが重要です。一部の針葉樹混交林では、19世紀初頭からの消火努力により、火災の頻度が変更されています^25,35。一方、他の地域では、20世紀半ば後半に火災体制の変更が起こりました36,37,24,38,32、一方、一部の地域では火災の頻度は変化していません39,40,41,42。逆に、人為的要因により、他の地域での火災頻度が増加している⁴³。ほとんどの場合、自然火災体制の変更は、森林と燃料構造に大きな変化をもたらし、その非自然な火災挙動と、そのようなイベントに適応していない森林の火災を置き換えるスタンドの最高潮に達しました。

ここで紹介するケーススタディでは、1951年以前に火災が非常に頻繁に発生していました(図9)。さらに、これらの火災が樹木に傷を負わせたが、樹木を枯らさなかったという事実は、これらが深刻度の低い地表火災であったことを示唆しています。つまり、火災頻度が高いため、燃料負荷と樹木密度が低く保たれ、深刻な火災が防止されました。しかし、頻繁な火災による燃料削減のプロセスは、1951年以降の消火により停止しました。その結果、燃料負荷が増加し、分析範囲内でより均質になりました。将来的には、特に極端な気候条件(干ばつ)時に、林分交換の火災が発生する可能性があり、森林伐採のリスクが高まり、野生生物の生息地が失われ、これらの森林が提供するサービスに影響を与える可能性があります^44,45。地表火災が頻繁に発生する森林での火災抑制は、林分密度の変化、燃料の蓄積、森林の健康問題、および深刻な林分交換火災のリスクの増加につながる可能性があるため、推奨される管理戦略ではありません5,46,47,48。可能な限り、頻繁な地表火災の体制を回復し、深刻なスタンド交換火災のリスクを減らすために、火を使用する必要があります^49,38。

樹木ベースの火災履歴の再構築には、言及する価値のあるいくつかの制限があります。まず、もちろん、このような研究は、毎年年輪が作られる生態系にしか適用できないということです。さらに、年輪も交差可能である必要があります。たとえば、乾燥林では、樹木はしばしば毎年の年輪を持つことができますが、前述のように年輪が欠落しているか二重であるために交差データを作成できない場合があります。サイト内の年輪をクロスデートするために、調査エリアで火災で傷ついた樹木をサンプリングする前に、コアサンプルを収集してクロスデートすることをお勧めします。また、調査地域内に火災の傷跡がないことも潜在的な制限として考えられます。これは、そのようなシステムでは火災が一般的ではないことを示唆している可能性がありますが、特に成長の早い樹木や火災間隔が長い場合は、火災の傷跡を樹木に治癒または「埋める」こともでき、それによって樹木が負傷した領域を治癒または覆うことができます。このような場合、火の傷跡が埋もれている木は、幹に沿って不均一またはくぼみを持っている可能性があります。これらの異常を手がかりに、埋もれた火傷を探すためにそのような木に切り込む価値があるかもしれません。

樹木ベースの火災履歴研究の別の制限は、ほとんどの樹木がせいぜい数世紀以内に生き、枯れ、分解するため、火災履歴の限られた記録しか提供しないことです。したがって、火災履歴レコードは、たとえば木炭ベースの火災履歴に比べて短いです。ただし、年輪ベースの研究の主な利点は、年間から亜年の時間分解能です。年次決議の利点の1つは、森林火災のダイナミクスを年間気候変動50,51,24,38,50に関連付けることができることです。一般に、エルニーニョ南方振動(ENSO)24,38,50,39,47,32などの大気循環気候現象によって引き起こされる大規模な火災は、乾季に発生します。歴史的な気候と火災の関係を理解することで、熱帯太平洋のブイや衛星からの現代の気象情報を利用して、ENSOやその他の気候パターンの進化を監視・予測することができる。これらの予測は、過去の火災体制に関する地域固有の情報と組み合わせることで、複数のスケールでの火災行動に対する変化する傾向の影響を軽減するための管理戦略を改善することができる可能性がある³²。

このプロトコルと関連する火災履歴レポートおよび研究によって生成された結果により、森林管理者は特定の調査地域および/または地域内の火災の役割についてより深く理解することができます。この情報は、森林の持続可能性と生態系サービスの質の向上を目標に、過去の火災体制を将来にわたって維持または復元することを可能にする火災管理および予防計画を設計するために使用できます。

著者は何も開示していません。

この研究プロジェクトは、SEP-CONACYT基金の資金提供を受けた「メキシコ北中部における気候と火災の関係の研究」というプロジェクトを通じた資金提供のおかげで実施されました。