间伐通过优化树木生长和土壤特性来增加森林的碳储量

《Forest Ecology and Management》：Thinning promotes forest carbon stocks by optimizing tree growth and soil properties

森林疏伐对碳储量的影响及驱动机制研究：通过全球元分析197项研究，发现适度疏伐（20%-35%）结合下层植被去除可加速 aboveground carbon（AGC）恢复， stem-only harvesting（SOH）比 whole-tree harvesting（WTH）提高AGC恢复率6.05%。疏伐显著提升土壤有机碳（SOCS）3.53%，但效应随时间衰减。结构方程模型（SEM）表明AGC受疏伐强度和恢复时间驱动，而SOCS受土壤总氮（TN）正向间接影响和胸径（DBH）负向影响。

　　

王志春|张泽宇|周佳琪|李耀翔|王光宇

福建农林大学林学院，中国福州350002

摘要

森林疏伐是一种常见的森林经营措施，它会影响森林的碳动态。然而，目前的研究主要集中在少数疏伐管理变量和特定地区，全球范围内疏伐森林碳储量变化的驱动因素仍不清楚。通过对197项研究（包含821对疏伐数据）进行全球元分析，我们全面评估了疏伐对地上碳（AGC）和土壤有机碳储量（SOCS）的影响，并试图确定其驱动因素。疏伐通常会在短期内减少AGC，但适度的疏伐强度（20%–35%），尤其是结合下层植被清除时，可以加速AGC的恢复。仅采伐树干（SOH）比全树采伐（WTH）使AGC的恢复速率提高了6.05%。带状疏伐由于边缘效应而阻碍了AGC的恢复。疏伐显著增加了SOCS 3.53%。然而，疏伐强度并非主要决定因素，其对SOCS的积极影响在10年后逐渐消失。此外，施肥、修剪和下层植被清除都有助于进一步增加疏伐森林中的SOCS。结构方程模型（SEM）显示，AGC受疏伐强度和恢复时间的影响，而土壤有机碳（SOC）和树高是主要的直接决定因素。SOCS还受到土壤总氮（TN）增加的间接促进，而胸径（DBH）的增长则对其产生负面影响。总体而言，我们的研究结果强调了适当疏伐措施在促进碳储量恢复方面的关键作用，同时也阐明了树木生长和土壤特性对疏伐森林碳动态的驱动机制。

引言

森林是最大的碳储存库，占地球陆地生态系统碳储量的56%。其中大约三分之一储存在植物生物量中，其余三分之二储存在土壤碳库中（Carvalhais等人，2014年）。全球约有51%的森林处于某种形式的管理之下，即使是相对较轻的管理也会显著影响森林碳循环。准确评估森林管理措施对碳储存的影响对于制定有效的气候变化缓解策略至关重要。传统上，森林管理旨在提高木材产量，同时确保长期的生态系统可持续性（Pukkala，2016年）。在这些管理措施中，疏伐是一种关键的管理方法，通常通过选择性移除变形、生长受阻或过于密集的树木来实现。这种做法不仅促进了剩余树木的生长，还提高了森林质量，增强了森林对风害、野火和虫害等自然干扰的抵抗力（Keenan等人，2021年；Moreau等人，2022年）。通过改变森林结构和功能，疏伐可能会影响森林生态系统的碳汇潜力，进而影响其在全球碳动态中的作用。

尽管近年来关于疏伐与碳储量之间关系的研究迅速增加，但人们对不同疏伐策略如何影响碳封存仍缺乏全面了解。例如，最近的一项元分析研究了疏伐强度、林分密度和恢复时间对全球森林碳储量的影响（张等人，2024年）。然而，该研究没有考虑其他关键的管理因素，如采伐类型、其他辅助处理措施和树木选择，这些因素已被证明对疏伐森林的恢复起着重要作用（Clyatt等人，2017年；Grigoreva等人，2022年；胡等人，2020年；Kim等人，2018年；Mayer等人，2020年；王等人，2024年）。其他元分析也试图综合疏伐对森林碳库的影响。然而，其中一些研究仅限于特定国家或地区，因此其结论不能直接推广到全球范围内森林碳储量对疏伐的响应（Gong等人，2021年；Kalies等人，2016年）。此外，早期的元分析往往依赖于相对有限的数据集（张等人，2018年；周等人，2013年），而最近研究的增多可能会导致显著不同的结果。另一个值得注意的局限性是，大多数现有元分析主要关注SOCS，而疏伐对AGC的影响仍不够充分（张等人，2024年）。这种不平衡忽视了地上和地下碳库之间的潜在权衡或协同作用。因此，对疏伐对AGC和SOCS的综合评估对于深入理解森林碳动态至关重要。

疏伐通过多种生物物理和生态途径改变森林碳动态。许多研究表明，碳储量与植物生长和土壤养分循环密切相关（Attiwill和Adams，1993年；Lal，2005年；Stuart Chapin III等人，2009年）。例如，Mu?oz等人（2008年）发现，生长速度快的年轻森林积累碳的速度更快。林冠的垂直分层和可塑性对森林生态系统中的养分循环和储存有显著影响（Jucker等人，2015年）。除了地上过程外，疏伐还通过多种因素影响地下碳库，如土壤物理性质、化学性质和养分预算（Aun等人，2021年；Chiti等人，2016年；Misson等人，2005年）。虽然一些研究表明疏伐提高了土壤温度，从而改善了土壤养分循环（Misson等人，2005年），但其对表层土壤有机碳的影响并不一致。例如，Chiti等人（2016年）报告称疏伐后SOC显著下降，而其他研究则发现变化微小或没有变化（Ruiz-Peinado等人，2016年；Zhou等人，2019年）。尽管关于疏伐对碳储量影响的研究显著增加，但这些变化的方向、幅度和驱动因素仍不甚明了。大多数现有研究都是特定地点和特定时间的，这限制了它们得出普遍适用结论的能力。因此，迫切需要大规模的研究来评估疏伐对森林碳储存的影响，特别是识别影响碳封存过程的潜在驱动因素和途径。

我们综合了关于疏伐和碳储量的同行评审文献，并采用元分析方法评估了不同疏伐管理措施下的碳储量。我们假设：（1）不同的碳库对疏伐的反应不同。先前的研究表明，被移除的AGC可能需要数十年才能恢复到未疏伐前的水平（Horner等人，2010年），而我们的数据集关注的是较短的恢复期。在这个相对较短的恢复期内，留在地面的疏伐残余物可能有助于增加土壤碳输入。（2）根据疏伐管理措施的不同，疏伐可以增强AGC和SOCS。采用适度的疏伐强度并保持适当的树木密度，结合有效的管理措施，可以促进碳储量的恢复。（3）疏伐后的森林碳变化受疏伐后植物生长动态和土壤性质变化的影响。这些变化的方向和幅度受到疏伐管理措施的影响。

部分摘录

研究地点描述和实验设计

我们在Web of Science和中国国家知识基础设施（CNKI）上进行了全面搜索，以找到关于森林疏伐及其对碳储量影响的同行评审文献。搜索完成于2024年6月1日。我们使用了包括“疏伐”、“选择性采伐”、“森林管理”、“地上碳”、“树木生长”、“林分生长”、“树木生物量”、“森林碳”、“碳储存”、“碳储量”、“土壤”等关键词的组合进行搜索。

疏伐对树木生长的影响

疏伐管理措施显著促进了剩余树木的生长，对胸径（DBH）的影响大于对树高的影响。总体而言，疏伐使平均DBH增加了14.36%（图2a），平均树高增加了6.14%（图2b）。与其他处理措施相比，接受施肥的处理措施使DBH增加了26.95%。就采伐类型而言，全树采伐（WTH）使DBH（13.65%）和树高（12.92%）都增加了，而仅采伐树干（SOH）则没有促进树高的增长。Q_b检验显示……

疏伐对AGC和SOCS的总体影响

我们的研究结果支持了假设1。从森林碳动态的角度来看，DBH的增加和剩余树木的快速冠层扩展使得林冠空隙迅速被占据（图2），从而加速了AGC的恢复。然而，我们也发现，疏伐过程中损失的碳在短期内并未得到完全补偿（图S3a）。这种有限的恢复可能归因于残余林分的密度较大或恢复期较短。

结论

本研究综合了全球数据集，阐明了疏伐对森林碳储量的复杂影响。主要发现表明，疏伐对AGC和SOCS的影响不同，这些影响受到不同疏伐策略的塑造。仅采伐树干（SOH）对林分的干扰较小，更有利于AGC的积累。结合其他处理措施可能进一步加速碳库的恢复。下层植被的清除最有利于AGC的快速恢复。

资助

本研究得到了中国国家留学基金委（CSC）（资助编号：202306600046）、黑龙江省应用技术研发计划（资助编号：GA19C006）以及黑龙江省森林生态安全屏障功能提升技术研发与示范项目（资助编号：GA21C030）的资助。

作者贡献声明

张泽宇：方法学、数据分析。周佳琪：方法学、数据管理。李耀翔：写作、审稿与编辑、项目管理、方法学。王光宇：写作、审稿与编辑、方法学。王志春：写作、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。