森林经营对美国东北部阿巴拉契亚森林生态系统服务能力的影响

《Canadian Journal of Forest Research》：Impacts of management on ecosystem service capacity in northeastern U.S. Appalachian forest stands

本文聚焦森林经营对生态系统服务的影响这一关键问题，研究人员通过分析美国东北部阿巴拉契亚森林的长期采伐与清查数据，系统评估了采伐强度、类型及采伐后时间对森林生产力和生物多样性的影响。研究发现，较低采伐强度（≤30%生物量移除）和较长恢复期（≥15年）有助于森林恢复碳储量和提升生物多样性指标。该研究为小规模私有林主实现木材生产、碳固存与生物多样性保护等多重生态系统服务的协同增效提供了重要科学依据，对推动可持续森林经营具有指导意义。

　　

在全球气候变化和生物多样性丧失日益加剧的背景下，森林作为地球上最重要的生态系统之一，其提供的木材生产、碳固存和生物多样性保护等服务功能显得尤为关键。然而，这些服务的供给能力在很大程度上取决于人类如何管理森林。美国东北部地区森林覆盖率高、人口密集，拥有大量小规模私有林地，这些林地具有提供多种生态系统服务的巨大潜力。但现实情况是，森林经营者常常面临艰难的选择：是优先获取木材经济效益，还是侧重森林的生态功能？不同的经营方式会如何影响森林的长期健康和服务能力？这些问题的答案对于制定科学的森林管理策略至关重要。

为了解答这些疑问，由宾夕法尼亚州立大学生态系统科学与管理系的Ben Lockwood、Margot Kaye、Erynn Maynard-Bean和Margarita Fernández组成的研究团队，在《Canadian Journal of Forest Research》上发表了一项深入研究。他们以美国东北部阿巴拉契亚地区的Stone Valley森林为研究对象，巧妙利用该地2001-2002年和2020-2021年两期森林清查数据以及期间的采伐记录，开展了一项为期20年的“自然实验”。

这项研究的技术方法主要包括几个关键环节：首先，研究人员利用Forest Vegetation Simulator (FVS)模型及其Fires and Fuels Extension (FFE)模块，基于前期清查数据计算各林分的生物量基础。其次，他们根据历史采伐记录，精确计算了每种采伐类型（间伐、伞伐和皆伐）的采伐强度，定义为移除生物量占林分原生物量的百分比。同时，他们还考虑了采伐木制品中的碳储存，按照ACR改进森林管理方法学的要求进行了核算。在数据分析方面，团队比较了采伐与未采伐（对照）林分在生产力指标（如断面积、锯材材积、碳储量）和生物多样性指标（如Simpson多样性指数）上的变化，并建立了多元线性模型来量化采伐强度和时间因素对生态系统服务的影响。

3.1. 木材生产与碳储存

研究结果显示，采伐对森林生产力产生了显著影响。在20年间，未采伐对照林分的断面积平均增加了37.6 m²/ha（增长31%），而采伐林分仅微增0.9 m²/ha（0.7%）。更为明显的是，对照林分的锯材材积增加了309 m³/ha（37%），而采伐林分反而减少了320 m³/ha（38%）。在碳储存方面，采伐林分的商品材碳储量和总林分碳储量分别下降了23.9 mt/ha（39%）和25.9 mt/ha（21%），而对照林分则分别增加了9.4 mt/ha（16%）和4.1 mt/ha（2%）。

采伐强度与这些生产力指标的变化呈现明显的负相关关系。锯材材积平均每增加1%的采伐强度就减少13.5 m³/ha（1.6%），模型解释了84%的变化变异。碳储存指标也表现出类似模式，商品材碳储量每增加1%采伐强度减少0.55 mt/ha（0.9%），总碳储量减少0.6 mt/ha（0.5%）。

时间因素同样发挥着重要作用。随着采伐后时间的推移，所有生产力指标都呈现恢复趋势。锯材材积每年增加62 m³/ha（7.4%），商品材碳储量和总碳储量分别每年增加3.8 mt/ha（6.2%）和4.7 mt/ha（7.7%）。值得注意的是，断面积和锯材材积的正向变化最早出现在采伐后15年，而碳储量的恢复则要到17年后才开始显现。

3.2. 生物多样性与物种组成

在生物多样性方面，研究发现采伐林分的Simpson多样性指数变化与对照林分无显著差异，但呈现出与时间因素密切相关的恢复模式。多样性指数随采伐后时间的增加而显著上升，相关模型解释了71%的变化变异。最大的多样性提升都出现在采伐完成17年之后。

物种组成分析揭示了更有趣的模式。采伐对不同树种的相对断面积产生了差异化影响。在栎树(Quercus)占优势的林分中，采伐导致栎树的相对断面积显著下降，而槭树(Acer)和铁杉(Tsuga)则有所增加。松树(Pinus)占优势的林分中，各树种的相对断面积变化较小。山核桃(Carya)和白蜡树(Fraxinus)的相对断面积在两种林分类型中对采伐的响应均不明显。

3.3. 综合生产力与多样性模型

综合模型分析表明，采伐强度和时间因素共同解释了22%-48%的生产力和多样性指标变化。在平均采伐强度（65.4%）下，锯材材积每年增加33.8 m³/ha；而在平均恢复时间（13.8年）下，每增加1%的采伐强度会导致锯材材积减少11.9 m³/ha。碳储量在考虑时间因素后，每增加1%采伐强度减少0.29 mt/ha，而在考虑强度因素后每年增加5.21 mt/ha。

研究的讨论部分深入分析了这些发现的生态学意义。较低强度的采伐（生物量移除低于60%）结合较长的轮伐期（超过15年）似乎能够在木材生产、碳储存和生物多样性保护之间找到平衡点。然而，研究也指出，即使是适度采伐，也可能加速该地区森林的“中生化”进程，即促进槭树等耐阴树种的优势度增加，而可能降低森林对未来气候变化的抵抗力。

这项研究的重要意义在于为小规模林主提供了具体的经营指导：采用低于30%生物量移除的间伐方式，并保证至少15年的恢复期，可以实现多种生态系统服务的协同增效。同时，研究强调了在森林经营决策中需要权衡不同服务目标的重要性，为实现可持续林业提供了科学依据。在气候变化和生物多样性保护双重挑战下，这种多目标协同的森林经营模式显得尤为珍贵。