一种对芬兰预定义生物多样性热点进行排序的程序

《Scandinavian Journal of Forest Research》：A procedure to rank pre-defined biodiversity hotspots in Finland

　　

气候变化和生物多样性下降的双重危机正威胁着全球北方森林。研究人员迫切需要有效分配资源，以实现更具影响力的保护成果。在此，研究人员探讨了森林景观中碳储存和死木生产的最优目标定位。研究人员具体旨在发现：(a) 有效性的区域差异，以及(b) 目标时间范围的影响。研究在两个芬兰区域进行，这些区域包含预定义的生物多样性热点。针对每个热点，模拟了未来30年和50年森林的发展，包括碳储存和死木。然后，使用混合整数线性规划（MILP）来识别经济收益、活树碳储存和死木体积之间的权衡。成本效益在区域间和区域内均有差异，南部区域在同等收入损失下始终实现更大的碳储存和更多的死木。50年时间范围的成本效益优于30年，这主要归因于初始森林结构。结果表明，为有效分配保护资源，研究人员需要考虑现有森林结构及其发展，以及区域差异和目标的时间范围。

**论文解读：基于成本效益的芬兰预定义生物多样性热点排序程序**

**研究背景与问题**

气候变化与生物多样性丧失的双重危机正威胁全球北方森林生态系统的稳定性。极端气候事件和基线条件变化推动生态系统逼近临界点，而44%的陆地面积需要保护行动。然而，森林作为碳汇减缓气候变化的能力变得不确定，尤其在欧洲。生物多样性丰富的自然和半天然森林在全球及北欧已变得罕见，集约化商业林业对芬兰北方森林影响尤甚，且因向生物经济转型，压力将进一步增大。尽管亟需在林业中协调多重目标并改善气候变化减缓与生物多样性保护，但如何基于区域位置、栖息地质量和成本效益，确定最具保护价值的区域并分配有限资源仍面临困难。关键问题包括获取可靠生物多样性数据耗时昂贵，且需要评估现有数据。现有研究多聚焦于单一时间尺度下的生态系统服务权衡，缺乏对时间演进如何影响目标设定的探讨。因此，本研究旨在评估不同时间范围（30年与50年）下，芬兰南部（皮尔卡区）和北部（北波赫扬马区）预定义生物多样性热点中，通过森林管理优化实现额外碳储存（活树碳储存）和死木体积的成本效益，并识别最具成本效益的区域。

**研究开展与结论**

研究人员开发了一种新颖方法，结合国家森林清查（NFI）样地数据与多源国家森林清查（MSNFI）栅格地图，为每个热点生成代表性森林特征，并利用Motti林分模拟器模拟未来30年和50年多种管理方案下的森林发展。随后，通过混合整数线性规划（MILP）优化，评估经济收益（净现值，NPV）、活树碳储存和死木体积之间的权衡，重点分析额外性（additionality）——即相对于经济最优基线，额外增加死木和碳储存的成本。研究结论表明：成本效益在区域间和区域内均存在差异，南部区域（皮尔卡区）在同等经济收益损失下能实现更大的碳储存和死木体积；50年时间范围的成本效益优于30年，主要归因于初始森林结构带来的收获时机差异；额外性水平（+20%、+40%、+60%）会影响热点排序，但排序稳定度因时间范围而异；更高的贴现率（4%）反而可能使成本效益更优，因为早期更强烈收获使林分有更长时间重新生长。该研究为长期决策中资源分配提供了关键依据，强调需考虑现有森林结构、区域差异及目标时间范围。论文发表在《Scandinavian Journal of Forest Research》。

**主要关键技术方法**

1. **森林特征生成方法**：基于k-最近邻（k-NN）估计法，将多源国家森林清查（MSNFI）栅格像素与最近似的国家森林清查（NFI）样地匹配，形成虚拟林分，使NFI样地作为计算单元。
2. **Motti林分模拟器**：模拟不同管理方案（轮伐林业RF、连续覆盖林业CCF、弃管）下林分发展，输出净现值（NPV，2%和4%贴现率）、死木体积和活树碳储存。
3. **混合整数线性规划（MILP）**：使用PuLP和CBC求解器，在无约束下最大化NPV作为基线，然后以额外性水平（+20%、+40%、+60%）约束碳储存和死木，最小化NPV损失，识别帕累托最优解。
4. **成本效益排序指标**：通过min-max归一化处理额外碳储存和死木，计算成本效益指数（CE_v = ΔNPV_vp / x_vp′），指数越低成本效益越好。

**研究结果**

**1. 成本效益排序的区域差异与时间影响**
在30年时间范围，皮尔卡区所有热点均能实现+60%额外性，且成本效益指数更低；北波赫扬马区部分热点无法达到+60%额外性，且成本效益指数更高。在50年时间范围，两区域成本效益差异缩小，且排序对额外性水平更敏感。

**2. 额外性水平与相对收获量关系**
在皮尔卡区，30年时间范围下，+60%额外性对应的相对收获量（额外性方案收获量/经济最优方案收获量）仍高于60%；而在北波赫扬马区，部分热点需减少80%以上收获量才能实现。50年时间范围下，两区域额外性成本均显著降低。

**3. 管理方案组成变化**
在30年时间范围，实现+40%额外性时，弃管面积比例显著增加，尤其在北部地区（可达30%以上）；轮伐林业（RF）比例下降，连续覆盖林业（CCF）略有变化。50年时间范围下，弃管面积增加幅度较小。

**4. 贴现率敏感性分析**
4%贴现率下，成本效益优于2%贴现率，因为早期更强烈收获（最终伐）使林分有更长时间重新生长，且绝对NPV较低，从而降低额外成本。

**讨论与结论**

讨论部分指出，生长条件差异导致南部区域在短期内具有更高额外碳储存和死木生产能力，而北部区域需更多弃管面积才能达到相同额外性，成本效益较差。时间范围的重要性在于：30年时间范围下，接近主伐年龄的林分弃管成本高；50年时间范围下，年轻林分弃管成本低，且额外性计算基于该时间点的经济最优，因此成本效益更优。研究强调，生物多样性保护目标设定需考虑额外性水平对排序的影响，以及不同时间范围下的成本效益差异。此外，针对私有林主的经济补偿机制需差异化设计，以兼顾区域经济与生态效益。研究结论翻译如下：为遏制生物多样性丧失，研究人员需要以成本效益方式增加对剩余森林栖息地的保护，以减少对经济的潜在负面影响。研究结果明确表明，在设定目标时，应明确考虑不同区域产生不同生物多样性或气候效益的能力差异。