皆伐对北方森林土壤碳动态的长期影响：数十年碳损失与生态系统服务启示

本文通过整合芬兰长期监测数据与Yasso07模型，量化了轮作林业（rotation forestry）中皆伐（clear-cutting）对北方森林土壤有机碳（SOC）的长期影响。研究发现，皆伐导致SOC损失需37–69年才能恢复（挪威云杉37年、欧洲赤松69年），而保留区（set-aside）始终为碳汇；粗收获残余物是最大碳排放源。强调忽略长期土壤碳动态会高估森林碳固存（C sequestration）潜力，轮作林业在碳管理服务中相对低效。（字数：98）

　　

摘要
本研究聚焦北方森林轮作周期内土壤碳动态，揭示皆伐如何短期将森林转化为净碳源，并产生长期土壤有机碳（SOC）损失。通过结合芬兰ICP Forests长期监测站点数据（以欧洲赤松和挪威云杉为主）与Yasso07分解模型，模拟并比较了轮作林业（包括间伐和皆伐）与保留区（set-aside）场景。结果表明：皆伐后SOC需数十年恢复，粗残余物是最大碳排放贡献者，而保留区始终维持碳汇状态，凸显长期视角对评估森林碳管理的关键性。

1 引言
1.1 森林管理作为气候变化缓解工具？
森林管理能否助力气候变化缓解存在争议。公众偏好保护而非主动管理，但部分研究认为合理采伐可提升碳固存（C sequestration）。然而，传统轮作林业（rotation forestry）中的皆伐（clear-cutting）被广泛视为生态系统威胁，尤其因其对土壤碳库的冲击。

1.2 皆伐对土壤碳库与排放的影响
在芬诺斯堪底亚，90%森林采用轮作林业。皆伐导致短期温室气体（GHG）排放激增，将碳汇转为碳源。争议焦点在于“收支平衡点”时间——有研究估计需18年，而悲观预测达39年。森林再生动态要求至少一个完整轮作周期（>60年）的评估框架，以捕捉碳平衡波动。

1.3 土壤碳库长期动态建模
北方森林中，土壤有机碳（SOC）是最大碳库（占总量41%），但长期监测数据稀缺。Yasso07等过程模型可填补此空白，但碳输入（如细根）不确定性高，需贝叶斯框架量化误差。

1.4 解决方案与目标
利用芬兰ICP Forests Level II站点的多维度数据（生物量、SOC）驱动Yasso07模型，结合Motti林分模拟器预测未来场景。核心目标：量化皆伐对SOC的百年尺度影响，并确定碳损失恢复时间点。

2 材料与方法
2.1 站点与数据
选取芬兰Juupajoki两个皆伐再生站点（2017年采伐），分别以欧洲赤松（土壤类型：弱发育砂质土）和挪威云杉（砂质冰碛土）为主。SOC数据源自Lindroos等（2022）的20年监测序列。

2.2 碳输入估算
基于生物量函数计算地上/地下碳输入：细根、粗木质残体、叶凋落物分区处理。采伐残余物全量留存地表，商业树干移除。使用R包整合算法，确保输入不确定性纳入贝叶斯分析。

2.3 未来场景模拟
Motti林分模拟器生成轮作林业（含两次间伐）和保留区场景，覆盖≥1轮作期（松林60年、云杉70年）。气候条件维持当前状态，以保留区为基线比较SOC差异。

2.4 分解模型（Yasso07）
Yasso07为五室模型（A、W、E、N、H室），基于化学分组分配凋落物输入：

• 叶凋落物（直径≈0）
• 细根（直径≈0）
• 粗组分（平均直径2 cm）
  稳态解析初始化SOC室比例，年均气候调节因子（ξ(t)）驱动分解速率。

2.4.1 模型初始化
SOC初始质量通过稳