优化大直径杨树人工林的间伐强度：基于无人机-LiDAR的生长评估方法

《Forest Ecology and Management》：Optimizing thinning intensity for large-diameter poplar plantations: A UAV-LiDAR-based growth assessment

气候变化和人为氮沉降对加拿大六种主要木材树种林分自 thinning轨迹的影响研究。基于635个永久样方数据，运用机器学习和统计方法分析发现，冷杉、杨树和白松的林分最大尺寸密度关系受全球变化影响更显著，实际蒸散发和氮沉降与林分密度呈负相关。研究结果为加拿大可持续林业管理提供科学依据。

　　自薄规则（self-thinning rule）描述了成熟林分中树木大小与林分密度之间存在基本的负相关关系，这种关系由树木对空间和资源的竞争所驱动。通过估算不同林分类型的自薄线（self-thinning lines, STLs），可以支持森林的生长和产量预测。自薄线的截距和斜率决定了最大大小-密度关系，而这些参数会随着林分的生物和非生物条件发生变化，而这些条件在全球变化背景下可能面临诸多挑战。然而，目前尚不清楚全球变化如何影响由不同树种主导的林分的最大大小-密度关系。本研究利用加拿大635个永久样地的数据，结合机器学习技术与统计方法，探讨气候变化和人为氮沉降对六种主要木材树种自薄轨迹的影响。研究结果表明，全球变化更可能影响由云杉、 trembling aspen 和白松主导的林分的最大大小-密度关系，而非由黑松、道格拉斯冷杉和针叶云杉主导的林分。同时，实际蒸散发和人为氮沉降与 stocked 林分的密度呈负相关。本研究的发现将有助于理解气候变化和氮沉降对六种木材树种最大大小-密度关系的影响，从而为加拿大森林的可持续增长和产量管理提供科学依据。

自薄现象是森林生态系统中一种重要的自然选择过程，它决定了林分密度随着树木大小增加而下降的规律。这一现象在林冠闭合后直到林分达到承载能力的过程中起着关键的调节作用。在成熟的森林林分中，自薄轨迹通常遵循幂律关系，表现为二次均直径与林分密度之间的最大大小-密度关系。二次均直径是指平均直径平方的平方根，它比算术平均直径更能准确反映林分的立地条件，因为其与林分中平均基面积所对应的树木直径相关联。这种最大大小-密度关系的轨迹具有物种特异性，不同树种对竞争的响应方式不同，因此通常被估计为以对数-对数尺度表示的自薄线，如Yoda的-3/2定律。自薄线被认为是同一树种主导的林分的恒定最终产量规则，已被广泛应用于估算成熟林分的生长和产量。自薄线的截距可以解释为林分的承载能力，即单位面积内的最大树干数，而斜率则反映了自薄过程中种群数量下降的速度。此外，自薄线还可以用于预测特定林分密度下的潜在最大生物量，并评估森林管理策略的有效性，如密度控制和木材采伐。

在森林生态系统中，由于有限的资源（包括光、空间、水分和养分）的竞争，导致了由密度驱动的死亡现象，这是自薄的主要原因。在土壤养分较低的林分中，竞争强度更高，这导致树木发展出更发达的根系以吸收养分，从而加剧自薄过程。除了内在的资源竞争外，自薄过程还受到气候条件和干扰因素的影响。气候条件如温度、降水和风速会改变成熟森林中的竞争强度，进而影响自薄过程。在景观尺度上，同一树种主导的林分之间的自薄轨迹会因气候条件的不同而有所变化。较高的温度和更多的降水通常有利于树木生长，减少自薄效应。然而，气候变化对不同树种（针叶树和阔叶树）的生长和死亡影响存在差异。在人类干扰方面，人为氮沉降的增加会降低树木的适应性和碳储量，从而减轻自薄过程。尽管已有研究尝试通过纳入树种组成、气候条件和林分状况来优化自薄线的估算，以提高其准确性和实用性，但全球变化对主要木材树种自薄轨迹的具体影响仍不明确。

加拿大拥有全球30%的森林面积，其中针叶林占主导地位，这些森林不仅为全球工业木材需求提供了7%的供应，还在维持生态平衡和促进可持续森林管理方面发挥着重要作用。商业疏伐通过控制林分密度来平衡成熟林分的生长和产量，支持可持续的森林管理。加拿大森林业对国家经济贡献显著，每年为国家的国内生产总值（GDP）贡献超过334亿加元，占全球针叶林面积的28%。加拿大的主要木材树种包括黑松、 trembling aspen、针叶云杉、白松、云杉和道格拉斯冷杉。其中，黑松占据了加拿大超过一半的林地面积（2.03亿公顷），其次是 trembling aspen（3470万公顷）和针叶云杉（2110万公顷）。尽管已有研究开发了这些树种的自薄线，但它们通常局限于特定的林分。因此，本研究旨在通过估算这六种主要木材树种的自薄线，并量化不同气候和氮沉降变量对它们的最大大小-密度关系轨迹的影响，从而为加拿大森林的优化利用和可持续管理提供科学依据。

为了实现这一目标，本研究整合了加拿大4367个永久样地的数据，这些样地用于监测自然森林的生长、产量、再生和死亡情况。所有DBH（胸径）超过7.0厘米的活树都被识别并测量其DBH。这些永久样地对于估算自薄线具有重要价值，因此在分析中选择了符合特定标准的样地。首先，样地必须是在特定时间建立的，以确保数据的连续性和一致性。其次，样地应涵盖不同树种的主导林分，以便全面评估气候变化和氮沉降对这些林分的影响。此外，样地的数据应包含足够的信息，如树木的大小、密度、生长状况和环境条件，以支持自薄线的估算和分析。通过这些样地的数据，研究者能够更准确地估算不同树种主导的林分的自薄线，并进一步探讨气候变化和氮沉降对这些林分的最大大小-密度关系的影响。

在估算自薄线的过程中，研究者发现不同树种主导的林分的自薄线在截距和斜率上存在显著差异。例如，黑松的自薄过程最强，而道格拉斯冷杉的自薄过程最弱。这种差异可能与不同树种对资源竞争的响应方式有关。此外，道格拉斯冷杉和 trembling aspen 主导的林分的承载能力（截距）最低，而黑松和白松主导的林分的承载能力最高。这些结果表明，不同树种对全球变化的敏感性存在差异，这可能与它们的生理特性、生长策略和生态适应性有关。例如，黑松和白松可能具有更强的竞争力和更高的适应能力，使得它们在面对气候变化和氮沉降时能够维持较高的承载能力。而道格拉斯冷杉和 trembling aspen 可能对环境变化更为敏感，导致其承载能力较低。

研究还发现，实际蒸散发和人为氮沉降与 stocked 林分的密度呈负相关。这意味着在高蒸散发和高氮沉降的条件下，林分的密度可能会降低。这种现象可能与树木的生长和死亡机制有关。高蒸散发可能意味着水分供应有限，从而限制树木的生长，导致林分密度下降。而高氮沉降可能对树木的健康产生负面影响，降低其适应性和生长能力，进而影响林分密度。这些发现为理解气候变化和氮沉降对林分密度的影响提供了新的视角，也为森林管理策略的制定提供了科学依据。例如，在高蒸散发和高氮沉降的地区，可能需要采取更严格的密度控制措施，以确保林分的可持续生长和产量。

此外，研究还探讨了气候变化对不同树种自薄过程的影响。在某些情况下，气候变化可能通过改变温度和降水模式，影响树木的生长和死亡。例如，较高的温度和较多的降水可能促进树木的生长，减少自薄效应。然而，这种影响可能因树种而异，针叶树和阔叶树对气候变化的响应可能存在差异。在针叶树中，如黑松和白松，可能对气候变化更为敏感，而阔叶树如 trembling aspen 可能具有更强的适应能力。这些差异可能与树木的生理机制和生态适应性有关，例如，针叶树可能更依赖稳定的水分供应，而阔叶树可能更适应多变的环境条件。

本研究的结果不仅有助于理解气候变化和氮沉降对主要木材树种自薄轨迹的影响，还为森林管理提供了重要的科学依据。通过量化这些影响，研究者可以更准确地预测林分在不同环境条件下的生长和产量，从而制定更有效的管理策略。例如，在高蒸散发和高氮沉降的地区，可能需要调整疏伐和采伐策略，以确保林分的可持续性。此外，研究还强调了不同树种对环境变化的敏感性，这可能影响森林的长期生产力和生态功能。因此，未来的森林管理应更加注重树种的多样性，以提高森林对全球变化的适应能力。

本研究的发现对于加拿大的森林管理具有重要意义。加拿大是全球最大的针叶林生产国之一，其森林业对国家经济贡献显著。然而，随着全球变化的加剧，气候变化和氮沉降可能对森林的生长和产量产生深远影响。通过估算主要木材树种的自薄线，并量化这些影响，研究者能够为加拿大森林的可持续管理提供科学支持。例如，在高蒸散发和高氮沉降的地区，可能需要采取更严格的密度控制措施，以减少自薄效应并提高森林的生产力。此外，研究还指出，不同树种对全球变化的响应存在差异，这可能影响森林的长期稳定性。因此，未来的森林管理应更加注重树种的多样性和适应性，以应对不断变化的环境条件。

总之，本研究通过整合加拿大永久样地的数据，结合机器学习技术与统计方法，探讨了气候变化和氮沉降对主要木材树种自薄轨迹的影响。研究结果表明，不同树种对全球变化的敏感性存在差异，其中云杉、 trembling aspen 和白松的自薄轨迹可能受到更大的影响。同时，实际蒸散发和人为氮沉降与林分密度呈负相关，这可能为森林管理提供新的思路。通过这些发现，研究者能够更好地理解气候变化对森林生态系统的影响，并为可持续森林管理提供科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同树种之间的相互作用，以及全球变化对森林生态功能的综合影响，从而为全球森林资源的管理和保护提供更全面的指导。