LandRCBM：耦合森林动态与碳核算以推进森林碳预测

《Ecological Modelling》：LandRCBM: Bridging forest dynamics and carbon accounting to advance forest carbon predictions

　　

LandRCBM将森林景观建模与业务化碳建模相结合。森林碳动态受生态过程和干扰驱动。LandRCBM提供基于林分队列（cohort）的空间显式碳核算。LandRCBM模拟了经营与非经营森林的近期碳动态。在模拟野火情景下预测了长期碳轨迹。

森林在全球碳循环中扮演关键角色，每年从大气中清除约50亿吨二氧化碳当量（CO₂e），抵消约17%的化石燃料年排放量。在《巴黎协定》框架下，各国需报告温室气体排放与清除，因此经营森林碳储量与通量的可靠、透明核算成为科学和政策优先事项。然而，未被积极管理的非经营森林虽占全球森林面积相当比例并对碳循环至关重要，却因无需报告而长期缺乏关注，且人类活动与气候变化正在改变其干扰格局、植被动态、分解速率及土地利用，对碳交换产生显著影响。现有的业务化碳预算模型，如加拿大森林部门碳预算模型（CBM-CFS3）和美国森林碳预算模型（FORCARB2），虽适合国家尺度的温室气体报告，但主要依赖森林清查数据和经验产量曲线，假设静态生长轨迹，无法刻画演替、竞争等生态过程，也难以预测林龄结构复杂或气候变化的非经营森林碳动态。森林景观模型（如LANDIS-II、iLand）以林分队列（cohort）形式空间显式地模拟再生、生长、竞争、死亡、扩散及干扰响应，其生长受物种性状和环境条件驱动而非静态产量曲线，更适合预测非经营森林与未来干扰情景下的碳动态。然而，将森林景观模型与碳预算模型耦合存在尺度、编程语言、数据结构和运算效率等方面的障碍。因此，研究人员开发了LandRCBM，一个在SpaDES（空间离散事件模拟）模块生态系统中整合LandR植被模型与spadesCBM碳预算模型的完整建模框架。研究人员以加拿大西北地区泰加林平原（约5000万公顷，经营与非经营森林面积相近）为案例，利用LandRCBM模拟2000—2024年以及未来500年的森林碳动态，比较经营与非经营森林的碳储量、碳通量及干扰响应，旨在提高对非经营森林碳平衡的预测能力，并展现该框架的模块化和可扩展性。研究表明，LandRCBM成功模拟了森林结构与组成动态，其碳核算跟踪与CBM-CFS3一致的碳库，并可通过IPCC（政府间气候变化专门委员会）类别汇总；在两种时间尺度下，经营与非经营森林的碳轨迹相似，非经营森林碳储量增加，但整体均受野火干扰强烈影响。LandRCBM为过程明确、空间显式的森林碳预测提供了新的方法基础，尤其适用于动态的非经营森林和气候变化情景下的长期碳评估。研究人员在SpaDES中集成LandR与spadesCBM，开发了两个新模块：Biomass_yieldTables从LandR动态生成建立特定产量曲线，用于spadesCBM初始化死有机物质碳库；LandRCBM_split3pools将LandR模拟的总地上生物量变化转换为商业材、树叶、其他（包括树皮和枝）等碳库增量。初始化采用SCANFI（空间化加拿大国家森林清查，30米分辨率）提供的林龄、总地上生物量、土地覆盖和树种覆盖数据，并重采样至240米网格；物种性状参数基于加拿大北方森林默认值，并利用样本永久样地数据和清查数据进行两步校准；碳动态生态参数采用CBM-CFS3各生态区默认值。野火干扰在近期模拟中使用CanLaD（加拿大陆地卫星干扰）数据（1985—2024），长期模拟采用scfm野火模型，根据加拿大国家野火数据库中1971—2020年闪电引发火灾统计校准。模拟结果如下：3.1 当今碳动态 在2000—2024年模拟中，经营和非经营森林的龄级分布均呈右偏，平均林龄约48—49年，火灾年份集中在2014、2023和2024年。研究结果显示，两类森林碳储量均稳步增加，经营森林增加10%（+124.6 MtC），非经营森林增加8%（+98.2 MtC），主要增幅来自枯落物碳库；活生物量碳库除重大火灾年份外持续增长，死木碳库则略有下降。净初级生产力相对稳定（经营森林1.63—1.82 tC/ha·年，非经营森林1.22—1.42 tC/ha·年），多数年份区域表现为碳汇（经营森林平均吸收0.34 tC/ha·年，非经营森林0.26 tC/ha·年），但在2023和2024年极端火灾年份转为碳源。3.2 500年碳动态 在500年模拟中，scfm再现了观测到的火灾数量、平均火灾规模和火灾返回间隔，火灾格局在空间上高度异质。植被动态显示，前100年颤杨生物量增加，随后100年黑云杉生物量下降主导了活生物量碳减少，之后200—400年两者重新增加，最后100年又小幅下降。总碳储量在经营森林增加28%（+343.6 MtC），非经营森林增加35%（+336.7 MtC），主要贡献来自枯落物和土壤有机碳库。碳储量变化的空间格局与火灾频率一致：火灾少且初始碳储量低的地区碳增加最多，火灾频繁且初始碳储量高的地区碳减少最多。净初级生产力与活生物量趋势相似，但年际波动较弱；研究区在前80年表现为碳汇，之后在碳汇和碳源之间交替。讨论总结指出，LandRCBM将碳动态建立在物种性状和生态过程之上，避免了经验产量曲线带来的“雄伟森林偏差”和结构简化问题，并能够刻画空间过程（如扩散、干扰传播）和非平稳气候变化情景下的响应。与既有的LANDIS-II ForCS等集成框架相比，LandRCBM直接耦合LandR和遵循CBM-CFS3碳库结构的spadesCBM，便于与业务化报告参数和初始化一致。未来改进方向包括：利用新土壤碳数据约束死有机物质初始化、改进林龄结构初始化以消除同步波动的暂时效应、引入部分死亡与火灾严重度梯度、以及整合森林高度模型以降低对林龄数据依赖。研究结论为：LandRCBM提供了一个整合了基于林分队列的空间显式森林动态、火灾干扰与碳过程的建模框架。通过让森林结构、组成和干扰相互作用从生态过程中涌现，而非由经验产量曲线或简化林分表示所预设，LandRCBM为模拟碳动态提供了更灵活、更现实的基础，尤其适用于管理、干扰和气候变化效应预测这类非平稳条件和复杂反馈挑战传统模型的场景。LandRCBM构建于模块化、开放且可扩展的框架中，便于整合新数据产品和过程表示，并将推动森林碳建模朝向更过程化、空间显式的生态系统动态预测发展。