喜马拉雅中部高碳密度森林的地形气候驱动机制与保护意义

本研究针对全球和区域模型难以准确预测喜马拉雅中部高碳密度森林分布的问题，通过整合尼泊尔国家森林清查数据与高分辨率地形气候分析，揭示了坡度、坡向和曲率等地形因子通过调控气候能量与水分可用性从而形成极高生物量（AGB > 531 t ha-1）森林的机制。研究人员利用修正地形湿度指数（STWI）和潜在蒸散（PET）量化生物可用水与能量的交互效应，发现最大森林碳储量出现在STWI≈30与PET≈2 mm day-1的组合区间，而雪崩与块体运动等地形相关干扰会显著限制碳积累。该研究为复杂地形区森林碳模型优化和山地生态系统保护提供了关键科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，森林作为重要的碳汇生态系统，其碳储存能力的评估与保护已成为生态学研究的热点。然而，传统全球尺度森林生物量模型在复杂山地环境中往往表现不佳——尤其是在世界海拔梯度最显著的喜马拉雅山脉地区，模型普遍低估了该区域森林的碳储量。实际观测表明，喜马拉雅中部某些森林的地上生物量（Aboveground Biomass, AGB）密度可高达1000吨/公顷，是全球碳密度最高的森林之一，但造成这种极高碳积累的环境机制至今未明。

以往研究多集中于局部区域或采用树木年轮学方法分析气候与生长的关系，难以捕捉到地形引起的微气候异质性对森林碳空间格局的影响。山地环境中，地形通过调节太阳辐射、温度、降水和雪被分布等因素，直接影响水分与能量的可利用性，进而约束森林生产力。同时，地形特征也决定了自然干扰（如雪崩、滑坡）和人为活动的发生频率与强度，这些都可能限制森林碳积累达到其气候潜力。因此，厘清精细尺度地形气候因子与森林碳储量之间的关系，对于改进模型预测、指导山地森林保护和提升碳管理策略具有迫切意义。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，由Shiva Khanal领衔的研究团队利用尼泊尔国家森林清查数据（2010–2014年）中2009个地理参考样点的AGB数据，结合30米分辨率数字高程模型（DEM）衍生的地形属性，系统分析了喜马拉雅中部高海拔（>1516 m a.s.l.）森林碳分布与地形气候因子的关系。研究通过图像分割和主成分分析识别同质地形单元，采用修正地形湿度指数（Scaled Topographic Wetness Index, STWI）和潜在蒸散（Potential Evapotranspiration, PET）分别表征水分和能量可用性，并运用分位数广义可加模型（Quantile Generalized Additive Model, QGAM）解析它们对AGB的联合影响。

关键技术方法包括：1）基于国家森林清查样点AGB估算；2）30米DEM地形分析（提取坡度、坡向、曲率、地形湿度指数等）；3）STWI计算中引入月平均降水以修正干湿气候区水分再分配差异；4）采用Hargreaves-Samani修订公式估算PET；5）应用分位回归与曼－惠特尼U检验分析高碳林的地形偏好与干扰约束。

地形分析揭示高生物量森林集中于特定地形单元

分析表明，高AGB森林（>531 t ha?1）与低AGB森林在地形属性上存在显著差异。高AGB森林更多出现在较高海拔、山脊和上坡位（正地形位置指数TPI）、风力暴露较大、离河道垂直距离较远的区域，而传统指示水分充足的TWI值反而较低。这表明，高碳森林并非分布于最湿润处，而是更倾向于避干扰、微气候较稳定的地形部位。

气候能量与水分的交互效应驱动碳储量峰值

AGB与STWI和PET呈抛物线关系，峰值出现在STWI约30、PET约2 mm day?1处。该区间代表水热组合最优，生物可用水与能量均处于较高水平。高于此值，AGB反而下降，可能与高干扰风险有关。QGAM模型进一步证实，AGB极端值（τ=0.99）对STWI与PET的交互作用响应显著。

干扰风险限制森林碳积累潜力

研究通过对PET断点（~1.88 mm day?1）前后地形的比较发现，高PET低AGB样点更可能位于低海拔缓坡区，这些区域同时表现出较高的人为干扰历史与自然扰动风险。尽管这些地区水热条件优越，但频繁的滑坡、雪崩及人类活动抑制了森林碳积累达到理论潜力。

本研究结论强调，喜马拉雅中部高碳密度森林的出现并非偶然，而是特定地形气候因子组合与低干扰风险共同作用的结果。最优水热配置（STWI≈30与PET≈2 mm day?1）为森林高生产力提供了基础，而相对远离河道、风力暴露较大的山脊上坡位则减少了雪崩与块体运动等干扰，使森林能够长期积累生物量。该研究不仅揭示了以往被忽略的地形气候细节对森林碳的关键调控作用，还为发展更精准的山地森林碳模型提供了新思路——尤其是在气象站点稀疏、异质性强的复杂地形区，引入高分辨率地形气候指标如STWI和PET能显著改进模型性能。从保护实践角度看，该研究指出应优先保护那些处于最优地形气候单元中的森林斑块，这些区域虽可能不具备最高水分条件，但因其稳定性而成为长期固碳的关键区。在全球变化加剧山地干扰的背景下，这一研究为制定针对性的山地森林适应性与固碳提升策略提供了关键科学依据。