伊比利亚dehesa的气候变化适应：使用Hi-sAFe模型的模拟方法

《Agronomy for Sustainable Development》：Climate change adaptation of Iberian dehesa: a simulation approach using the Hi-sAFe model

　　

农林复合系统（Agroforestry, AF）是增强农业系统对气候变化韧性的有前景解决方案。然而，关于半自然农林复合系统（如集约放牧林系统（silvopastures））的长期响应证据仍然有限。为弥补这一知识空白，研究人员评估了地中海林牧复合系统——伊比利亚dehesa在气候变化下的生产力和时间稳定性。采用基于过程的Hi-sAFe模型，在极高排放的代表性浓度路径8.5（Representative Concentration Pathway 8.5, RCP8.5）情景下，模拟了开放草地以及树木密度为25和50株ha^-1的放牧林系统中树木生长、牧场生产及其时间稳定性（1990-2100年）。模拟结果通过树木生长（2011-2023年）和牧场生产（2014-2024年）的长期数据进行了验证。研究人员探索了最大化生产及其时间稳定性的最优农场组成。该模型准确模拟了树木生长（胸径；均方根误差RMSE=1.63 cm，决定系数R²=0.98）和牧场生产（RMSE=0.4 t ha^-1，R²=0.95）。结果表明，25株ha^-1密度下的树木发育和牧场生物量时间稳定性均高于50株ha^-1，其直径增长和时间稳定性分别高出40%和111%。开放牧场的生产力高于农林复合系统，且在1990-2100年期间所有树木覆盖类型下均呈下降趋势。与开放牧场（-2.1 kg ha^-1 yr^-1）和50株ha^-1密度（-4.1 kg ha^-1 yr^-1）相比，25株ha^-1密度的农林复合情景下牧场生产下降幅度最小（-1.4 kg ha^-1 yr^-1），表明其对干旱加剧具有缓冲效应。随着气候变化效应加剧，最优农场组成中25株ha^-1密度的农林复合面积占比增加。在农场/景观尺度上，建议采用开放牧场与不同树木密度的dehesa相结合的组合。这是首次将Hi-sAFe模型应用于复杂放牧林系统的研究，揭示了该模型在探索气候变化下不同树木密度情景相关趋势和结果方面的有用性与局限性。

**研究背景、问题与意义**

地中海农林复合系统（Agroforestry, AF）被认为是增强农业系统对气候变化韧性的重要途径，特别是伊比利亚dehesa（一种以散生栎树和永久牧场为特征的林牧复合系统）。然而，关于半自然农林复合系统（如集约放牧林系统）的长期响应证据有限，尤其是树木与牧场间的竞争-促进相互作用如何影响系统生产力和时间稳定性尚不明确。现有研究多基于短期观测或年轻树木，难以推广至长期气候变化情景。因此，本研究旨在利用基于过程的Hi-sAFe模型，评估dehesa系统在气候变化下树木生长、牧场生产及其时间稳定性的动态，并探索最优树木密度与农场组成，为适应气候变化的景观规划提供依据。论文发表在《Agronomy for Sustainable Development》。

**关键技术方法**

研究人员采用Hi-sAFe模型（一种三维（3D）过程模型，模拟树木与作物生长、土壤水分和氮素通量）进行虚拟实验。研究基于西班牙“Majadas de Tiétar”研究站（欧洲综合碳观测系统ICOS站点）的长期观测数据，包括树木生长（2011-2023年胸径增量）和牧场生产（2014-2024年干物质产量）。未来气候数据采用RACMO区域气候模型在RCP8.5情景下的输出，并通过多变量分位数映射法进行偏差校正。模型校准中，树木参数基于西班牙国家森林清查和现场测量构建异速生长方程，牧场参数通过MODIS物候数据优化生长度日参数。研究模拟了三种土地覆盖类型：开放草地（无树）、25株ha^-1（典型密度）和50株ha^-1（高密度），并利用Theil-Sen方法进行趋势分析，采用差异指数（disparity index）衡量时间稳定性，最后通过优化工具“optimLanduse”确定理论最优农场组成。

**研究结果**

**3.1 模型验证**

模型充分模拟了树木当前结构：胸径（DBH）模拟值（46.0 cm）落在实测值95%置信区间内（43.4–46.3 cm），树高和冠面积略高于上限。树木胸径增量模拟（2011-2023年）与实测值高度吻合（RMSE=1.63 cm，R²=0.98）。牧场生产校准阶段（2015-2021年）RMSE=0.19 t ha^-1，R²=0.91；外部验证（2022-2024年开放区域）RMSE=0.40 t ha^-1，R²=0.95；树冠下牧场生产验证RMSE=0.40 t ha^-1，R²=0.66。

**3.2 RCP8.5情景下树木生长、牧场生产及时间稳定性的趋势**

树木胸径增量在两种密度下均显著下降（p<0.001），但50株ha^-1的下降速率（28×10^-4 cm yr^-1）是25株ha^-1（9×10^-4 cm yr^-1）的3.1倍。全期平均胸径增量在25株ha^-1下为0.49 cm yr^-1，比50株ha^-1（0.35 cm yr^-1）高28.6%；时间稳定性在25株ha^-1下是50株ha^-1的2.1倍。牧场生产在所有土地覆盖下均显著下降（p<0.001），但下降速率不同：50株ha^-1最严重（-4.1 kg ha^-1 yr^-1），开放草地次之（-2.1 kg ha^-1 yr^-1），25株ha^-1最小（-1.4 kg ha^-1 yr^-1）。全期平均牧场产量开放草地最高（1.9 t ha^-1），树木覆盖下降低23.2%-27.8%。牧场时间稳定性在放牧林系统中呈上升趋势（与开放草地相比，25株ha^-1和50株ha^-1分别提高13.8%和22.7%），但未达到统计显著。

**3.3 理论土地覆盖组成优化**

随着温度升高（1.5°C、2.5°C、>2.5°C），最优农场组成中25株ha^-1密度面积占比从18.9%增至30%，50株ha^-1密度从34.4%降至29.7%，开放草地从46.6%略降至41.4%。这表明低密度dehesa在气候变化加剧下更具优势。

**讨论与结论**

讨论部分指出，50株ha^-1密度因树木间强烈的水分竞争导致生长降低和时间稳定性下降，而25株ha^-1密度更接近生态水文平衡，在干旱加剧情景下具有更好的适应潜力。树木减少牧场产量但可缓冲气候变化影响，其缓冲效应主要通过遮荫缓解热胁迫而非水分或氮素竞争。最优景观组成建议保留约40%的开放草地，并增加低密度dehesa比例，以平衡生产与稳定性。研究结论如下：基于过程的模型是模拟长期复杂生态过程的有效工具。本研究首次校准和验证了Hi-sAFe用于模拟地中海复杂放牧林系统，进一步证明农林复合系统（AF）是适应气候变化风险的可行选择，但需谨慎关注树木密度。总体而言，在模拟条件下（年降雨量600-700毫米的地中海放牧林系统），与50株ha^-1相比，25株ha^-1树木密度在RCP8.5情景下可改善树木发育和时间稳定性。尽管AF情景未导致牧场超产，但25株ha^-1密度具有最小化气候变化引起的牧场产量下降的潜力，优于50株ha^-1密度或开放牧场。结果表明，传统dehesa中每公顷20-30株的低树木密度不仅适应过去和现在，也适应未来气候条件。在农场/景观尺度上，建议采用开放牧场与不同树木密度的dehesa地块相结合的组合。这些结果凸显了土地弃耕（及随后的灌丛入侵）或高密度种植对维持高自然价值农场系统生产潜力的潜在威胁，以及改善地中海景观对气候变化的适应。然而，最优景观组成的结果受限于Hi-sAFe未模拟栎树橡子生产。此外，本研究结果依赖于特定情景，与模拟不同的气候模式（如反复干旱、降雨制度或极端事件频率）可能改变各土地覆盖下的响应。该研究表明Hi-sAFe能够成功模拟当前平均树木结构和牧场产量的年际变异性，这是地中海放牧林系统面对严重气候变化的关键特征。研究人员识别了Hi-sAFe模型中未来研究应改进的三个关键方面：未模拟的橡子生产、过度简化的牧场多样性以及僵化的放牧模拟。总体而言，结果展示了使用基于过程模型优化地中海放牧林系统以适应未来条件的潜力与局限性，并为这类模型的未来改进以及应用于新一代气候模型和气候变化预估铺平了道路。