部分砍伐对 esker 森林地上碳储量的影响

《Forest Ecology and Management》：Impacts of partial cuts on aboveground carbon stocks in esker forests

研究jack pine部分采伐（轻30-35%，重40-50%）对8年碳储量的影响，发现重采伐导致活体碳减少41%，而中采伐与未采伐相当；死木碳中控制组的snag（倒木）占比最高（55%），部分采伐组因snag减少而总死木碳较低，但靠近集材道路的uprooted（连根拔起）和broken（折断）比例更高。树龄、DBH、竞争及距离集材道路的距离是关键影响因素。

　　### 研究背景与重要性

在森林生态系统中，碳储存是衡量其对全球气候变化影响的重要指标。加拿大北方针叶林（boreal forest）作为全球重要的碳库之一，其碳储量占地球陆地碳储量的近三分之一，其中约25%存在于树冠层的生物量中，其余则分布在土壤（40%）和死有机物（如枯枝落叶和死木）中。传统上，北方针叶林的森林管理主要依赖于全伐（clear cuts），这种做法在经济和操作上具有优势，且与野火的干扰规模相似。然而，随着对森林生态系统多重价值和功能认识的加深，以及对森林管理中平衡生产力与保护的需求增加，森林管理策略逐渐多样化，包括部分砍伐（partial cuts）等更温和的管理方式。

部分砍伐作为一种常见的森林经营方法，只砍伐林分中的一部分树木，从而降低森林管理对生物多样性、再生能力或土壤特性的影响。然而，部分砍伐也对林分的碳储量产生影响，尤其是在砍伐后树木的死亡率较高时。树木的死亡率可能因砍伐强度、林分暴露度以及树冠结构等因素而变化，进而影响碳储存的动态变化。因此，理解部分砍伐对碳储量的影响，对于制定可持续的森林管理策略至关重要。

本研究聚焦于加拿大魁北克省的北方针叶林，尤其是以白松（*Pinus banksiana* Lamb.）为主的 eskers 地形森林。这些森林通常生长在排水良好的砂质土壤上，这些土壤由冰川融水沉积形成。研究区域的气候属于寒冷湿润型，年均温为1.5°C，无霜期为97天，生长季约为81至100天。年均降水量为929毫米，其中27%为降雪。风速的平均值在4至31米/秒之间，对风倒（windthrow）的发生具有重要影响。

### 研究设计与方法

本研究采用了完全随机区组设计（Completely Randomized Block Design），在魁北克省的 Abitibi-Témiscamingue 地区设立了24个研究站点，涵盖不同的砍伐强度：未砍伐对照组（Control）、中度砍伐（Moderate Thinning, MT）和重度砍伐（Heavy Thinning, HT）。每个处理在研究区域内重复8次，以确保数据的代表性和统计的可靠性。研究站点的选择基于其土壤类型，主要为砂质或与之相似的冰湖沉积物，且白松在林分中的基面积占比超过60%。

研究方法包括森林调查、年轮分析以及生物量估算。在2022年夏季，研究人员在每个研究站点垂直于伐木路径设立了60×10米的样地（600平方米），并记录了所有直径大于9厘米的活树和死树的树种和胸径（DBH）。通过年轮分析，研究人员可以重建树木在砍伐前后的胸径变化，并估算其碳储量。此外，还采用了生态学理论中的所有ometric方程（生物量估算公式）来估算树木的生物量和碳含量。

为了评估树木的死亡比例，研究团队构建了多个广义线性混合模型（Generalized Linear Mixed Models, GLMMs），分析不同处理对死亡树类型（如风倒、断裂和枯立木）的影响。模型的构建基于生态假设，包括林分结构属性（如平均胸径、平均高度、树冠等级和竞争强度）、地形变量（如海拔、坡度和风暴露指数）以及风速等。此外，还考虑了样地之间的环境异质性，将样地作为固定效应纳入分析。

### 研究结果

研究结果显示，部分砍伐对活树的碳储量产生了不同的影响。在砍伐前，HT处理的林分碳储量比对照组低43%，而MT处理的碳储量与对照组相似。然而，在砍伐后的第八年，HT处理的碳储量比对照组降低了41%，而MT处理的碳储量仍与对照组接近，尽管平均碳储量略低。这一结果表明，部分砍伐虽然可能促进个体树木的生长，但对整个林分的碳储量产生了负面的影响，尤其是在重度砍伐的情况下。

在死木碳储量方面，对照组的总死木碳储量比部分砍伐处理高出55%。这种差异主要归因于部分砍伐后枯立木碳储量的减少，因为砍伐降低了林分的密度，从而减少了大型枯立木的数量。此外，风倒和断裂的树木比例在部分砍伐处理中较高，尤其是在靠近伐木路径的区域。这可能是因为砍伐后减少了树木之间的机械支撑，使树木更容易受到风的影响。然而，风倒和断裂的碳储量在不同处理之间变化不大，表明这些类型的树木对总碳储量的贡献相对较小。

研究还发现，树木的碳储量增加与胸径、风倒比例以及伐木路径的距离密切相关。较大的树木和靠近伐木路径的树木在砍伐后的碳储量增加更显著，这可能与它们在砍伐后获得的光照和生长空间有关。此外，风速是影响枯立木比例的关键因素，风速越高，枯立木的比例也越高。

### 讨论与管理建议

研究结果表明，部分砍伐对活树的碳储量产生了复杂的影响。中度砍伐（MT）虽然减少了林分密度，但对碳储量的影响相对较小，尤其是在第八年后的恢复期。相比之下，重度砍伐（HT）对碳储量的影响更为显著，可能是因为其更高的砍伐强度导致了更多的树木死亡，从而降低了整体的碳储量。因此，研究建议在风倒风险较高的区域，采用较低强度的部分砍伐策略，以减少对碳储量的负面影响。

此外，研究还发现，靠近伐木路径的树木更容易发生风倒和断裂，这可能与减少的机械支撑有关。因此，森林管理者在规划伐木路径时，应考虑其密度和位置，以减少对森林生态系统的干扰。例如，在风倒风险较高的区域，可以通过使用现有的伐木路径进行木材提取，从而减少新路径的建设，降低对生态的影响。

在死木碳储量方面，研究指出，中度和重度砍伐处理的总死木碳储量低于对照组，这主要归因于枯立木的减少。枯立木在森林生态系统中扮演着重要角色，不仅影响碳储量，还对生物多样性具有重要意义。因此，研究建议在部分砍伐过程中，优先保留枯立木，以维持较高的死木碳储量和生物多样性。同时，由于活树碳储量在中度砍伐处理中已接近对照组，若能通过枯立木的保留达到与对照组相似的总碳储量，中度砍伐可能成为一种更可持续的森林管理策略。

### 研究的意义与未来方向

本研究的结果对森林管理实践具有重要的指导意义。它表明，部分砍伐在维持森林碳储量方面具有潜力，但需要谨慎选择砍伐强度和方法。重度砍伐可能导致较大的碳储量损失，尤其是在风倒风险较高的区域，因此可能不适用于某些类型的森林。中度砍伐则在减少对生态系统的干扰的同时，仍能维持较高的碳储量，从而支持森林的可持续管理。

此外，研究还强调了地形和风速对树木死亡率的影响。例如，靠近伐木路径的树木更容易发生风倒和断裂，而较高的风速则增加了枯立木的比例。因此，森林管理者在规划砍伐活动时，应综合考虑这些因素，以减少对森林生态系统的干扰，并提高森林管理的可持续性。

最后，研究建议未来的研究应包括砍伐前的森林调查数据，以更好地理解砍伐对枯立木比例的影响。同时，森林管理实践应考虑不同树种和不同地形条件下的碳储量变化，以制定更加精准和可持续的管理策略。通过这些方法，可以更好地平衡森林的生产力和生态功能，实现碳储存和生物多样性的双重目标。