亚马逊地区恢复梯度上小树对碳储量的贡献

《Ecosphere》：The contribution of small trees to carbon stocks along a recovery gradient in the Amazonia

　　

大多数关于热带地区自然再生过程中碳恢复的生态学知识集中于直径超过10厘米的个体。然而，较小个体在演替梯度上对地上碳（AGC）的贡献仍未被充分量化，尽管它们在森林再生的早期阶段可能具有重要作用。虽然遥感技术为大规模碳监测提供了强大工具，但其在捕捉不同大小等级沿演替梯度的贡献方面的有效性需要详细实地数据的验证。为理解直径小于10厘米的个体在碳恢复中的作用，研究人员进行了两组分析。首先，使用分布在巴西亚马逊东部16个市镇的126个样地（每个0.25公顷）比较了沿演替梯度的小个体和大个体的贡献。其次，评估了基于欧洲空间局气候变化倡议（ESA CCI-AGB）的遥感碳估计在捕捉这些大小等级和演替梯度变化方面的敏感性。较小个体在碳储量中发挥了关键作用，在早期演替中储存了高达75%的总碳。这一贡献在10年后下降到50%，在25年后下降到18%。在再生10年时，平均总AGC储量为24.3±2.3 Mg C ha^-1（平均值±标准误），到25年时增加到41.5±2.0 Mg C ha^-1，反映了生态演替的进展。ESA CCI-AGB估计倾向于系统性地高估AGC储量，平均误差约为39 Mg C ha^-1。当包含所有个体时，与实地测量储量的吻合度为33%，而仅考虑大个体时为29%。研究结果强调了小个体在AGC储量中的关键作用，指出有必要将其纳入碳恢复估计中，尤其是在构成亚马逊大部分再生长区域的较年轻次生林中。

**论文解读：亚马逊地区恢复梯度上小树对碳储量的贡献**

**研究背景与问题**
热带次生林在全球恢复议程中占据关键地位，能够显著减缓生物多样性丧失和气候变化影响。然而，目前关于碳恢复的生态学知识主要基于直径≥10厘米的大个体，这一阈值由于便于野外测量而被广泛采用。但亚马逊地区大多数次生林较为年轻（≤5年），且以高密度的小径木个体为主，小个体（直径<10厘米）在碳恢复中的贡献却鲜有量化。此外，遥感技术如欧洲空间局气候变化倡议（ESA CCI-AGB）产品虽能提供大尺度碳监测，但其对演替梯度下不同大小等级碳储量的捕捉能力需通过详细实地数据验证。因此，研究人员开展本研究，旨在明确小个体在碳储量中的角色，并评估遥感产品的适用性，为碳恢复估算和监测提供更准确的依据。论文发表在《Ecosphere》。

**技术方法**
研究人员在巴西亚马逊东部16个市镇的126个次生林样地（每个0.25公顷）中，采集了26,010个木本个体（树木和棕榈）的数据。样地年龄范围为1–120年，通过历史卫星影像和土地所有者访谈确定。野外测量分为两个大小等级：大个体（直径≥10厘米）在全部样地内测量，小个体（直径2–9.9厘米）在五个嵌套子样方（每个5×20米，占样地面积20%）中测量。使用泛热带异速生长方程（Chave等，2014）计算树木地上生物量（AGB），棕榈使用Goodman等（2013, 2014）方程，再转换为地上碳（AGC，取AGB的45.6%）。遥感数据取自ESA CCI-AGB产品（v5.01，100米分辨率），提取样地中心像元值，并与同年或前后1年的野外数据匹配（共74个样地）。采用分段回归和线性模型分析碳恢复模式，并计算遥感与实地估计的差异及均方根误差（RMSE）。

**研究结果**
**碳恢复在不同大小等级间的变化**
研究人员通过分段回归和线性模型发现，小个体在早期演替中贡献高达75%的总碳储量；约10年时，小个体与大个体贡献相当（各约50%）；25年后出现断点，大个体贡献稳定在约82%，小个体降至约18%并长期保持。线性模型显示，小个体碳储量在前十年快速增加后趋于平缓，而大个体碳储量持续上升。10年次生林平均总AGC为24.3±2.3 Mg C ha^-1，25年时为41.5±2.0 Mg C ha^-1，120年时达150.6±4.8 Mg C ha^-1，接近原始林水平（157 Mg C ha^-1）。

**实地与卫星碳估计的比较**
研究人员通过线性回归评估了ESA CCI-AGB与实地数据的吻合度。当仅考虑大个体时，解释力为29%（R2=0.30，调整后R2=0.29，p<0.01）；当包含所有个体时，解释力提升至33%（R2=0.34，调整后R2=0.33，p<0.01）。遥感估计系统性高估碳储量，平均偏差约39 Mg C ha^-1，对应10年、25年和120年次生林分别高估约160%、94%和26%。包含小个体后，RMSE从35.95降至34.91 Mg C ha^-1，相对误差在演替梯度上保持稳定，表明高生物量森林中的大绝对偏差主要由缩放效应而非卫星精度下降导致。

**讨论与结论**
讨论部分指出，小个体在早期演替中的主导角色反映了碳恢复的合理动态，如2–4年森林中100%的AGB集中于1–5厘米直径等级。10年时小个体贡献50%的AGC，而亚马逊约84%的次生林（≤25年）正处于此阶段，忽略小个体将导致大幅低估：例如，在10年次生林（约330万公顷）中，忽略小个体将低估约4010万吨碳；在25年次生林（约670万公顷）中，低估约5020万吨碳。小个体在25年后持续贡献约18%的AGC，高于原始林（4%–5%），可能与冠层开度、林隙动态和微气候差异有关。卫星产品系统性高估碳储量，在较老森林中偏差更明显，可能源于结构复杂性导致的信号饱和效应。研究人员建议采用分层监测方法，将卫星全覆盖与覆盖全年龄梯度的野外样地结合，以校正偏差和量化不确定性，这对REDD+、国家自主贡献（NDCs）和碳市场验证至关重要。

**研究结论翻译**
本研究强调了在碳核算中考虑森林演替轨迹的重要性，因为结构组成的变化直接影响了地上碳（AGC）动态。研究结果凸显了小径个体在早期演替森林中的关键作用，以及将其纳入碳评估以避免高估的必要性，同时揭示了当前卫星衍生生物量产品在次生林中的显著局限性。忽略这些个体可能会扭曲恢复诊断，并掩盖年轻森林对气候减缓的贡献。诸如ESA CCI-AGB等遥感产品在大尺度碳监测中具有实用性，尤其在包含所有大小等级时。然而，该产品沿演替梯度一致性地高估碳储量，在后期阶段偏差更明显。即使包含小径木后性能有所改善，这一模式表明森林再生的结构复杂性和变异性是估计偏差的关键驱动因素。将遥感与实地数据整合可增强碳评估的稳健性，并支持在动态环境条件下对热带森林的监测、管理和恢复。尽管存在这些挑战，研究结果重申了卫星生物量估计的价值，尤其是在野外难以到达的区域，最终强化了次生林在气候变化减缓中的作用。