南非Soutpansberg地区沿气候梯度的森林结构与生物量驱动因素研究：土壤水分有效性及林型的影响机制

针对南非Soutpansberg地区森林生态系统服务功能量化缺失的问题，研究人员通过建立永久样地，系统研究了沿气候梯度分布的6种典型林型（含Mistbelt Forest、Mopane Woodland等）中土壤水分有效性（dMI/AWC/TWI）与林型对10项森林结构参数（如AGB、CV-DBH等）的驱动机制。研究发现气候因子（dMI）对多数参数呈正向效应，而林型通过物种组成差异显著影响结构特征，其中高冠层异质性（CV-DBH）对AGB的提升效应在高层林分中尤为突出。该成果为气候变化背景下非洲南部森林管理提供了关键数据支撑。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，非洲南部森林正面临降水减少和干旱频率增加的双重威胁。这片被称为"绿色长城"的生态系统不仅维系着丰富的生物多样性，更是当地农村社区重要的生计来源。然而令人担忧的是，该区域森林结构特征与生物量形成的驱动机制长期缺乏量化研究，特别是土壤水分有效性与不同林型的交互作用机制尚不明确，严重制约了应对气候变化的适应性管理策略制定。

南非Soutpansberg山脉因其独特的东-西走向形成了罕见的微气候梯度：南坡年降水量可达1600毫米，而仅60公里外的北坡骤降至300毫米。这种剧烈的环境变异造就了从湿润山地森林（Mistbelt Forest）到干旱莫帕尼林地（Mopane Woodland）的连续植被带，为揭示水分驱动机制提供了天然实验室。然而此前研究多聚焦单一林型或气候因子，未能系统解析土壤蓄水能力（AWC）、地形湿度指数（TWI）与气候湿润指数（dMI）的协同效应，更忽视了不同林型特有的物种适应策略对森林结构的塑造作用。

针对这一知识空白，来自德国慕尼黑工业大学（Technische Universit?t München）等机构的研究团队在Vhembe生物圈保护区内建立了30个30×30米的永久样地，涵盖6种典型林型。通过整合气候数据、土壤剖面分析和三维冠层测绘等技术，首次量化了环境梯度与林型特征对森林结构和生物量的相对贡献。这项发表在《Trees, Forests and People》的研究，为预测气候变化下非洲森林生态系统服务功能演变提供了科学依据。

研究团队采用嵌套样方设计，在每种林型设置5个代表性样地。运用Q-Field App进行数字化测绘，结合DEM数据计算地形湿度指数（TWI）。通过土壤剖面获取1.5米深度的容重和质地数据，采用南非特有的pedo-transfer函数计算土壤有效水容量（AWC）。树木参数通过Vertex测高仪和冠层分析获得，生物量（AGB）估算采用林型特异性异速生长方程。结构异质性通过DBH变异系数（CV-DBH）和Shannon指数量化，统计模型采用多因素方差分析和AIC准则筛选。

【3.1 林分特征概览】
数据显示从湿润到干旱梯度，Mistbelt Forest的AGB（316.7 t ha^-1）显著高于Mopane Woodland（38.7 t ha^-1）。值得注意的是，Ironwood Forest在中等降水条件下表现出异常高的树干密度（2044株 ha^-1）和枯木量（25.8 m³ ha^-1），暗示其独特的抗旱策略。所有林型中，多干树比例与干旱程度呈正相关，从Mistbelt Forest的20.5%升至Lowveld Woodland的56.7%。

【3.2 土壤水分有效性效应】
气候湿润指数（dMI）对所有参数（除树干密度和多干树比例外）均呈显著正效应。其中平均树高对dMI响应最敏感（R²=0.841），而AGB同时受dMI与AWC交互作用影响（p<0.001）。特别发现：在相同dMI下，高AWC样地的冠层覆盖度（83.1% vs 53.1%）和CV-DBH（84.9% vs 44.3%）显著优于低AWC样地，证实土壤蓄水能力能放大气候的正向效应。

【3.3 林型的调节作用】
引入林型因子使模型解释力平均提升47.3%。Mistbelt Forest在AGB、枯木量和更新苗密度等指标上超出其他林型1个数量级，而Ironwood Forest表现出独特的"高生物量-低多样性"模式。后验检验显示，各林型在结构参数上存在显著分化（p<0.05），证实物种组成和火干扰适应策略的深远影响。

【3.4 结构对生物量的贡献】
构建的AGB预测模型揭示：在控制高度变量后，CV-DBH每增加10%可带来6.2-8.4%的AGB提升。这种效应在高层林分（如Mistbelt Forest）中更为显著，因其能形成多层冠层（H₉₅=18.5 m），实现更优的光资源利用。

讨论部分指出，该研究首次在南非尺度上验证了"生态位互补假说"的结构维度——即通过CV-DBH表征的垂直结构异质性（而非单纯的物种丰富度）是驱动AGB积累的关键。研究发现Ironwood Forest异常高的枯木量可能反映近年干旱事件导致的群体死亡，这为气候变化脆弱性评估提供了警示案例。作者强调，随着气候变干，当前占优势的Mistbelt Forest可能向低生物量的Woodland转型，导致碳储存和生物多样性等生态系统服务功能衰退。

该研究的创新性在于将传统森林调查与现代环境建模相结合，构建了可应用于区域尺度的预测框架。所提供的林型特异性参数（如Ironwood Forest的深根策略）对改进生态系统模型具有重要价值。成果不仅为《巴黎协定》下的非洲森林碳汇评估提供基础数据，也为当地社区制定基于自然的适应方案（如保护防火走廊、优化采伐制度）提供了科学依据。未来研究需结合树木年轮和遥感技术，进一步解析不同林型对干旱胁迫的长期响应轨迹。