气候变化下德国森林管理中的物种转换、生长与碳储存权衡：基于G4M的多气候路径与管理替代方案模拟

《Forests》：Managing Forests Under Climate Change: Trade-Offs Between Species Transition, Growth, and Carbon Storage in Germany

　　

由于气候变化，森林生长条件正在改变，并可能对欧盟（EU）不同地区当前生长的树种变得不利。森林管理者可以主动种植不仅适应当前立地条件、也适应未来预期条件的树木。鉴于林业轮伐期较长，考虑至2100年的气候预估至关重要。本文中，研究人员使用全球森林模型（Global Forest Model，G4M）在不同气候路径（Representative Concentration Pathway，RCP；RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5）与管理替代方案（经济型Economic、社会型Societal和保护型Conservation）下预测德国森林的未来。利用空间显式森林覆盖和生物量图以及气候和土壤数据，G4M模拟森林动态，包括物种分布、生产力、生长和碳储量。研究结果显示，不同情景下森林组成、生产力和因生长产生的碳累积存在显著差异。保护型管理替代方案强调阔叶树种和延长轮伐期，在中等气候路径下显著提高碳储量。相比之下，经济型替代方案侧重于木材采伐最大化，在中等气候路径下维持当前森林储量，同时调整物种组成以优化生产力。这些预测强调管理决策对物种组成、生长和碳储存的关键影响，突出需要制定应对气候变化的适应性策略。该研究通过提供不同环境条件和管理制度下未来森林动态的综合分析，有助于关于可持续森林管理的持续讨论。

研究背景方面，欧洲森林在维持生物多样性、固碳和提供木材等方面具有重要价值，但气候变化正在改变森林生长格局、物种分布、生态系统韧性和健康，并加剧干旱、虫害和火灾等干扰，尤其影响针叶林。既有认识倾向于认为混交林和阔叶林可能具有更高的结构和功能多样性，并增强对干扰和极端气候的抵抗与恢复能力，但尚需在统一框架下定量评估不同管理策略的长期权衡。德国具有长期科学林业传统，森林约1150万ha，2022年生长蓄积约37亿m³，平均林龄82年，且2017—2022年因干扰和生长下降成为净碳源；欧盟森林约161.8百万ha，但碳汇因气候相关干扰下降。核心问题是减少干预还是主动管理更能支持气候目标：减少采伐可提高立木碳储量，而采伐和更新可改变物种组成并维持生长。研究人员因此使用G4M，在四种RCP和三种管理替代方案下模拟德国森林至2100年，比较物种组成、生长蓄积、年增量和生长累积碳，并以RCP2.6下欧盟示例展示空间背景。研究结论强调管理决策对物种组成、生长和碳储存的关键影响，指出保护型、经济型和社会型方案在立木碳与物种转换速度之间存在权衡，需制定适应性策略。

关键技术方法上，G4M为空间显式网格模型，分辨率0.5度，基于森林覆盖和生物量图并校准至联合国粮农组织森林资源评估（FRA FAO），输入月温度、降水、辐射及土壤有效持水量、氮磷等，考虑海拔和CO₂；区分针叶/阔叶、常绿/落叶、生态区和短/中/长轮伐物种组，按林龄和密度计算生长，网格内按物种组和年龄分段，并设置目标轮伐期、间伐强度和再生偏好。数据包括Avitabile et al.协调的森林统计、Copernicus土地覆盖和FAO FRA 2025评估；模型不显式模拟火、风倒和虫害。

结果部分，针叶或阔叶树种主导的森林面积百分比分析显示，保护型虽设定较高阔叶目标，但长轮伐和较大禁伐面积延迟物种替换，至2100年未达60%目标；社会型阔叶比例增加更快；经济型按相对生产力选择树种，最初偏好针叶，但在RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5下阔叶竞争力增强，RCP8.5下世纪末约达60%并超过其他方案，表明较强阔叶偏好不必然带来更快转换。商品材碳储量分析显示，社会型在中等气候路径下增加，保护型更明显且采伐减少；经济型维持当前储量，中等路径下变化不大；所有方案在RCP8.5下约2070年后立木碳下降。年平均增量分析显示年际波动，RCP6.0和RCP8.5下更明显；经济型较高采伐维持较年轻林分并支持较高增量，随时间气候变化提高阔叶种生产力。因森林生长而累积的总碳分析显示，该指标包括蓄积变化、采伐和死亡，不代表净大气碳移除；保护型最高，中等路径高于严重路径。RCP2.6下2050年欧盟商品材碳储量示例显示，德国和东欧较高，保护型最高、经济型最低、社会型居中；北欧差异可能反映初始年龄结构和轮伐期，管理后果依赖初始结构、制度及区域生长条件。

讨论部分总结认为，模拟揭示维持高立木碳与促进森林组成变化之间存在权衡。保护型在中等路径下通过长轮伐和减少采伐提高立木碳，但其阔叶化并不最快；社会型转换更快说明目标组成与再生速率共同决定变化速度。经济型提供更频繁的物种替换机会并增加采伐，可能将更多碳转入采伐木制品（Harvested Wood Products，HWPs），但其长期储存取决于产品寿命和后续排放，本研究未量化。RCP8.5下经济型世纪末约60%阔叶而保护型未达，说明较强阔叶偏好不必然产生更快转换。G4M未显式模拟火、风倒和虫害及其与干旱的交互，因此碳储量和累积可能被高估，管理替代方案相对表现也可能改变；结果应理解为条件于模型过程和情景假设。碳结果说明管理替代方案不能用单一指标排序；间伐可提高最大蓄积和木材质量、稳定性并降低虫害风险；当潜在立木碳达峰，进一步生长被损失平衡；停止管理全球森林碳仅约增15%，中欧已处高蓄积；Bavarian Forest National Park核心区278 m³/ha、管理区400 m³/ha，虫害降低未管理核心区蓄积；Chornobyl Exclusion Zone森林份额由1986年41%增至2020年59%，但一年火烧减少1.5%蓄积；仅采伐枯死木可获0.4—1.1 tC/ha/year；移除死木会妨碍自然保护目的；气候适宜树种池缩小，辅助物种转换可能有益但更新会降低碳储量。

结论部分翻译：可持续森林管理旨在保护森林资源并维持其多重功能，这具有历史和社会合理性。Morozov提出“采伐与更新是同义词”的营林原则，即采伐应确保下一代森林建立。在气候变化下，更新还提供引入更适应未来立地条件树种的机会。模拟显示相关权衡：较长轮伐期和采伐限制可提高立木碳储量，但减缓物种组成变化。本研究表明，在RCP8.5下，三种管理替代方案下德国立木森林碳储量预计均将在世纪末下降；鉴于森林转换所需时间长，这些预测突出调整森林管理并加速采用未来气候适宜树种更新的迫切性。研究表明，经济型替代方案结合可持续采伐可通过加速树种转换并维持高木材增量来支持适应措施，但这些收益与保护型替代方案较高的立木碳储量存在权衡。尽管主动森林管理似乎是支持欧洲森林气候适应的有前景策略，其实施涉及重要不确定性和权衡；更密集干预可加速物种转换并可能促进适应，但若管理强度超过立地生态限制，也可能增加林分脆弱性。极端气候事件的频率和严重性仍高度不确定，近几十年风、干旱、热浪、虫害和火已在不同树种主导森林中造成大面积替换干扰。因此，研究结果应视为大尺度一般趋势评估而非直接经营处方；实际实施需在景观尺度评估森林结构、生态条件和预期气候影响。这些发现条件于G4M所表达的管理假设和过程；模型考虑气候驱动的生产力和干旱相关死亡变化，但本应用未显式模拟火、虫害或风干扰，随机事件、非线性响应和干扰交互可能使实际森林轨迹偏离这些条件预测。未来将把G4M与野火气候影响与适应模型（Wildfire Climate Impacts and Adaptation Model，FLAM）耦合，并将耦合框架扩展至表达这些干扰过程，同时开展更全面的欧洲尺度管理替代方案和气候路径分析。