日本天然林破碎化动态与驱动因素研究（1985–2022）

《Ecological Indicators》：Changes in natural forest fragmentation and their driving factors across Japan from 1985 to 2022

　　

1985年至2022年间，日本天然林（natural forests）的破碎化程度有所降低。多项景观指标，包括总面积（total area）、核心区面积（core area）、斑块平均面积（patch size）以及邻近度（adjacency），均呈现显著增加趋势。皆伐（clear-cutting）是推动天然林去碎片化（defragmentation）的主要因素。去碎片化现象更倾向于发生在不适宜林业经营的陡峭山区。

研究背景与问题

森林作为陆地生态系统的主体，提供水土保持、碳汇、生物多样性保护及木材生产等多重生态系统服务。然而，全球范围内因道路建设、农业扩张、城市化和木材采伐等经济活动导致的森林退化持续存在。森林退化不仅改变森林面积（数量），更改变森林景观结构（质量）。森林破碎化（forest fragmentation）是指大面积连续森林被分割为更小、更孤立的斑块的过程，这一过程会增加森林边缘相对于内部的比例，削弱气候调节功能，增加野火风险，降低碳汇能力，并加剧野生动物与人类的接触，提升新发传染病风险。核心森林面积的减少会降低栖息地质量和生物多样性。

已有定量评估显示，热带地区因持续毁林而破碎化严重；而部分温带地区森林面积有所增加，并观察到此前破碎化森林的重新连接，即森林去碎片化（forest defragmentation）。去碎片化发生时，森林边缘长度减少，核心区扩大，有望恢复因破碎化而丧失的生态系统服务。然而，森林去碎片化的关键在于恢复的森林类型：若恢复为人工林（planted forests），则无法降低天然林的破碎化；只有天然林恢复才能重新连接此前孤立的天然林斑块。人工林通常比天然林支持更低的生物多样性。因此，即使总体森林面积增加，天然林若仍被人造林分隔，生物多样性也难以恢复。

以往关于森林去碎片化的研究大多将人工林和天然林合并评估，未区分这两种生态学上截然不同的森林类型，导致天然林特有的去碎片化过程仍不清楚，亟需明确区分森林类型的分析。

研究内容与结论

在日本，二战后大面积天然林被转化为人工林，导致天然林丧失和破碎化。近年来，许多人工林达到采伐年龄，皆伐不断推进，但采伐后并不总是实施再造林。研究表明，部分未再造林地发生了自然更新，这为人工林向天然林转变提供了潜在机会，可能增强生物多样性和游憩服务。天然林面积增加还可能减少天然林斑块间的破碎化，帮助恢复因过去天然林丧失和破碎化而退化的生态系统服务。这些效益的实现程度取决于人工林在何处转化为天然林以及天然林破碎化在何处减少。

本研究旨在阐明1985年至2022年日本全国天然林破碎化的变化及其驱动因素。关键特色在于明确区分天然林与人工林，独立评估天然林生态意义上的破碎化动态。研究人员利用年度土地覆盖数据计算人工林和天然林的年度面积变化，量化天然林景观指标的长期趋势，并通过贝叶斯空间回归分析评估这些趋势如何随立地因子和土地利用因子变化，以识别影响天然林破碎化变化的地形、人口和土地利用条件。研究检验了三个假设：（1）全国天然林面积增加且破碎化程度降低；（2）破碎化减少与皆伐后人工林向天然林转变相关；（3）天然林增加和去碎片化并非随机发生，而倾向于出现在特定类型的地点。

主要技术方法

研究人员使用Shimizu和Saito（2021）发布的全国土地覆盖与森林干扰图（30米分辨率，1985–2022年，含针叶林、阔叶林、竹林、农业、草地/灌木、城市、水体七类土地覆盖类型及皆伐、间伐、土地转换、其他干扰四类森林干扰类型），将针叶林定义为人工林、阔叶林定义为天然林。采用分层随机抽样设计，将日本划分为八个地理区域（北海道、东北、关东、中部、近畿、中国、四国、九州），每区域随机抽取800个半径0.5公里的样地（全国6400个），逐年计算五个景观指标：总类面积（CA）、斑块平均面积（MPS）、斑块数量（NP）、相似邻接百分比（PLADJ）和总核心区面积（TCA）。使用Mann-Kendall检验评估年度样本均值的趋势。驱动因素分析采用贝叶斯空间回归，纳入海拔、坡度（10米DEM）、人口（1公里网格未来人口预测）、年降水量（标准值网格3.0版）和日本鹿（Cervus nippon）分布密度（5公里网格）等协变量。

研究结果

全国尺度变化趋势：1985年至2022年间，日本天然林面积增加，破碎化程度显著降低。总类面积（CA）和总核心区面积（TCA）显著增加，表明天然林栖息地和内部栖息地均扩大；斑块平均面积（MPS）增加而斑块数量（NP）减少，表明栖息地细分和破碎化减少；相似邻接百分比（PLADJ）增加，表明天然林斑块的空间聚集性和连续性增强。

区域差异：八个地理区域均表现出天然林去碎片化趋势，但程度存在差异，反映了区域间森林管理历史和自然条件的异质性。

驱动因素分析：贝叶斯空间回归结果表明，皆伐（clear-cutting）是推动天然林去碎片化的最强因素。皆伐后未再造林地的自然更新促成了人工林向天然林的转变，从而连接了此前孤立的天然林斑块。去碎片化更可能发生在陡峭山区，这些地区因地形限制而不适宜林业经营，采伐后自然更新概率更高。此外，低人口密度和低鹿密度地区更有利于天然林恢复和去碎片化。

讨论与结论

研究结果表明，日本天然林在过去近四十年间经历了显著的去碎片化过程，这与人工林达到采伐年龄后自然更新增加密切相关。人工林向天然林的转变不仅增加了天然林面积，更重要的是恢复了天然林斑块间的连接性，有望恢复因过去天然林丧失和破碎化而退化的生态系统服务，特别是生物多样性保护功能。去碎片化在陡峭山区更为明显，反映了林业经济可行性下降背景下自然恢复过程的空间选择性。

研究结论：1985年至2022年，日本天然林面积增加且破碎化程度降低；皆伐后自然更新是驱动去碎片化的主要机制；去碎片化并非随机分布，而集中于不适宜林业经营的陡峭山区。这一发现强调了区分森林类型评估破碎化动态的重要性，为日本乃至其他温带地区基于自然的森林恢复和生物多样性保护策略提供了科学依据。