耦合地统计与多时相遥感的Acacia decurrens人工林空间分布、LULC变化及生态系统碳储量研究——以埃塞俄比亚西北部Amhara Region Awi Zone Guder Watershed为例

《Trees, Forests and People》：Spatial Distribution and Ecosytem Carbon Stock of Acacia decurrens Plantations in Guder Watershed of Awi Zone, Amhara Region, Northwest Ethiopia

　　

人工林，如 Acacia decurrens，是人为有意建立的人为同龄林分，其扩张主要受家庭对木炭需求、土壤肥力提升和退化土地恢复努力的驱动。尽管其重要性显著，该物种的空间分布、土地利用/土地覆盖变化（Land Use and Land Cover, LULC）及完整生态系统水平碳储量潜力仍大多被忽视。因此，本研究通过分析埃塞俄比亚西北部 Guder Watershed 的 A. decurrens 人工林空间分布、LULC变化及碳储量潜力来弥补这些空白。空间分布采用基于全球定位系统（Global Positioning System, GPS）的仅出现点数据和地统计学技术评估，包括空间自相关（Spatial Autocorrelation, Moran’s I）和热点分析（Getis-Ord Gi*）。1991、2002和2020年LULC变化通过 Landsat 影像的监督最大似然分类及分类后比较制图。碳储量通过野外清查和实验室分析量化。测定树木直径和高度以利用异速生长方程估算地上生物量（Aboveground Biomass, AGB），而地下生物量（Belowground Biomass, BGB）通过将根冠比应用于AGB估算。从野外样地采集凋落物和土壤样品（0–30 cm深度），并处理以测定有机碳含量和土壤容重。结果表明，A. decurrens 人工林存在显著空间聚集（Moran’s I = 0.97），热点（z > +2.58，99%置信水平）聚集在南部高地，冷点（z < ?2.58）集中在北部低地。1991—2020年间，A. decurrens 人工林覆盖增加15.28个百分点（从10.70%扩展至25.98%），主要替代草地，后者下降13.73个百分点（从24.59%降至10.86%）。平均总生态系统碳储量为140.16 t C ha^?1（513.92 t CO₂e ha^?1）。尽管 A. decurrens 增强碳固持和生态恢复，但其向农田和草地的扩散可能威胁当地生物多样性和粮食安全，突出平衡和可持续土地利用规划的必要性。

论文主体解读

研究背景：人工林是人为建立的人为同龄林分，在全球生态系统和木材供给中作用增强，但单一大规模短轮伐外来种扩张也引发生态争议。Acacia decurrens 原产澳大利亚东南部，20世纪后期广泛引入埃塞俄比亚，在 Amhara Region 高地成为小农偏好的树种。在 Guder Watershed，农民因其生长快、固氮能力强、耐退化土壤和木炭收益高而广泛种植。然而，A. decurrens 的无序扩张对土壤水分和养分需求高，并侵入传统农田和公共牧场，可能威胁本土物种多样性、改变局地水文动态并引发粮食安全担忧。已有埃塞俄比亚高地研究多集中于非空间 LULC 检测，或单独评估 AGB 或土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）等孤立碳库，忽视凋落物等过渡碳库，也未系统连接多年代 LULC 轨迹与人工林扩张的空间聚集结构。因此，研究人员开展整合多时相卫星遥感、地统计空间格局分析和野外多池碳核算的景观尺度评估，以揭示 A. decurrens 人工林空间分布、LULC变化和生态系统碳储量潜力，并为区域气候减缓、国家碳核算和可持续土地利用规划提供依据。

关键技术方法（≤250字）：研究区为 Guder Watershed，面积6,979 ha（69.79 km²），海拔2,357–2,730 m。空间分布使用186个活跃 A. decurrens 林地点 GPS 坐标（WGS 1984, UTM Zone 37），结合30 m SRTM DEM 和 HydroSHEDS 流域边界，在 ArcGIS 10.7.1 中进行 Global Moran’s I 和 Getis-Ord Gi*。LULC 使用1991年 Landsat 5 TM、2002年 Landsat 7 ETM+、2020年 Landsat 8 OLI/TIRS 干季影像，经监督最大似然分类和分类后比较，并以250个分层随机参考点进行精度验证、Kappa 和 QADI 分析。碳储量采用多阶段分层抽样，按低、中、高海拔选取 Gula、Gafera、Endeweha 三个 kebele，每 kebele 选3个林分，共9个林分，林分间隔至少1,000 m，每林分设4个10 m×10 m样地，共36个样地；测定 DBH≥5 cm 树木的胸径和树高，采用 Chave 等泛热带改良异速生长模型估算 AGB，以根冠比0.26估算 BGB，采集0–30 cm 土壤并用 Walkley-Black 法测有机碳，同时测定凋落物和草本生物量。

研究结果：
3.1 A. decurrens 人工林空间分布：通过 Global Moran’s I 和 Getis-Ord Gi* 分析，发现其分布具有强正空间自相关（Moran’s I = 0.97，z > +2.58，p < 0.01），热点集中在南部高海拔高地（2,619–2,730 m a.s.l.），冷点集中在北部低地（2,357–2,550 m a.s.l.），中海拔带（2,550–2,619 m a.s.l.）为非显著过渡区；高密度高海拔分布不完全由海拔解释，可能与立地条件、社会经济因素和人类土地利用决策有关。
3.2 LULC分布与精度：
3.2.1 精度评估与不一致分析：基于独立250个分层随机参考点，1991、2002、2020年总体分类精度分别为88.40%、89.20%、91.60%，Kappa 分别为0.81、0.83、0.86；QADI 总不一致分别为0.116、0.108、0.084，且以分配不一致为主，数量不一致较低。
3.2.2 LULC分布：监督最大似然分类显示，1991年农田占64.71%、草地占24.59%、A. decurrens 占10.70%；2002年农田升至76.45%、草地降至13.73%、A. decurrens 为9.81%；2020年 A. decurrens 升至25.98%，农田和草地均显著减少。
3.2.3 LULC变化幅度与趋势：分类后比较表明，1991—2002年 A. decurrens 净减少61.97 ha（?8.30%），农田净增819.47 ha，草地净减757.50 ha；2002—2020年 A. decurrens 净增1,128.40 ha（+164.77%），农田净减927.55 ha，草地净减200.85 ha；1991—2020年 A. decurrens 净增1,066.43 ha，增加15.28个百分点，草地减少958.35 ha（?55.85%），从24.59%降至10.86%。
3.3 生物量与碳储量：
3.3.1 AGB与碳储量：基于异速生长方程，平均 AGB 为153.03 t ha^?1，平均地上碳（Aboveground Carbon, AGC）为71.74 t C ha^?1，折合263.05 t CO₂e ha^?1。
3.3.2 BGB与碳储量：应用根冠比0.26，平均 BGB 为39.79 t ha^?1，平均地下碳储量为18.65 t C ha^?1，折合68.38 t CO₂e ha^?1。
3.3.3 凋落物生物量与碳储量：平均凋落物生物量为5.06 t ha^?1，平均凋落物碳储量为2.38 t C ha^?1，折合8.73 t CO₂e ha^?1，占总生态系统碳储量2%。
3.3.4 土壤有机碳：0–30 cm 土层 SOC 平均为47.39 t C ha^?1，折合173.76 t CO₂e ha^?1。
3.3.5 生态系统总生物量与碳储量：总生物量平均197.88 t ha^?1，总生态系统碳储量平均140.16 t C ha^?1，折合513.92 t CO₂e ha^?1。
3.3.6 不同碳库贡献与林分结构控制：活体 AGB 贡献最大，占51%（71.74 t C ha^?1），其次为 SOC 占34%（47.39 t C ha^?1）、BGB 占13%（18.65 t C ha^?1）、凋落物占2%（2.38 t C ha^?1）。Pearson 相关显示树高与碳储量强正相关（r = 0.854，p < 0.001），DBH 与 AGC 中度正相关（r = 0.503，p = 0.002）；SOC 和凋落物碳与树体结构指标相关性弱且不显著。多元线性回归表明林分密度、树高和 DBH 显著预测 AGB（R² = 0.89，p < 0.001），其中林分密度标准化效应最强（β = 0.487），其次为树高（β = 0.464）和 DBH（β = 0.160）。

讨论总结：Global Moran’s I 表明 A. decurrens 林分呈高度聚集，p < 0.001 表明非随机；高密度林分分布在高海拔，超过其通常记录的1,600–2,500 m a.s.l.生态范围，反映人类管理、局地立地、坡度、退化山坡造林和防公共放牧等因素扩展了其实现生态位，而非单纯生理偏好。LULC 分类精度高，QADI 显示误差以空间分配误差为主、数量误差较小，验证了土地利用转变轨迹的可靠性。29年景观轨迹显示由早期农业扩张转向人工林快速扩张，虽带来木炭和木材收益，但减少农田和公共放牧，形成多重权衡；2002—2020年加速扩张与地方经济激励及政府环境恢复和土地恢复项目有关。总生态系统碳储量较高，AGB 处于快速生长热带人工林范围，并超过部分 Eucalyptus globulus 和 Acacia saligna 报道值。碳库中 AGB 主导，BGB 支持深层 SOC 储存和坡面稳定，凋落物因小农收集燃料而积累有限，SOC 高于退化农田，体现固氮 Acacia 的土壤恢复效益。SOC 和凋落物与树体结构解耦，主要受微气候、土壤质地和土地利用历史影响；AGB 主要受林分密度控制，保持密植有利于短轮伐林分地上碳积累。生态和社会经济权衡方面，公共草地相对损失55.85%，危及饲料和畜牧，农田转林分引发粮食生产和农业生物多样性担忧，需综合景观空间规划平衡人工林、粮食生产和放牧。

研究结论翻译：本研究提供了对埃塞俄比亚西北部 Guder Watershed 的 A. decurrens 人工林空间组织、土地覆盖动态和生态系统碳储量的综合景观尺度评估。多年代景观轨迹突出显示重大社会生态转变：传统自给农业和公共放牧逐步让位于集约化小农人工林。尽管这些快速生长林分的扩张增强生物量碳储并支持农村木材和木炭供应，但其持续侵入公共牧场和活跃农田引入关键景观权衡，危及长期粮食安全、畜牧饲料资产和当地农牧生计。为恰当理解这些结果，必须认识重要科学边界。方法上，研究缺乏主要农户调查数据，从观察到的空间景观趋势推断市场需、收入效益、粮食安全压力等社会经济驱动因素，而非直接访谈。此外，样地清查量化了表土有机碳（0–30 cm）和凋落物储量，未评估更深土壤剖面或直接测量微气候和生理生长限制以证明因果土壤增强动态。此外，地理和时间焦点局限于单一源头次流域的多年代卫星间隔，在没有额外空间验证时不宜将这些确切发现推广到更广区域尺度。为应对这些限制并协调碳积累与农业可持续性之间的权衡，未来土地管理必须由受监管、跨学科的空间规划框架指导。地方当局应积极将木炭林扩张导向严重退化山坡，同时严格保护优质农田和公共放牧区。造林上，维持最优林分密度和垂直结构至关重要，因为这些参数主要驱动短轮伐林分地上生物量碳积累。最后，政策制定者和研究人员应建立长期监测项目，追踪多年水文和土壤健康影响，同时扩大实证研究以纳入农户社会经济调查、深层土壤剖面（>30 cm）和更广泛埃塞俄比亚高地的高分辨率物种分布建模。