热带采矿特许区的树木碳储量与结构基线：对恢复与环境监测的启示

《Earth》：Tree Carbon Stocks and Structural Baselines in Tropical Mining Concessions: Implications for Restoration and Environmental Monitoring

　　

热带矿区景观需要基于样地的结构和碳基线来支持恢复规划与环境监测。本研究估算了位于秘鲁东南部亚马孙地区马德雷德迪奥斯省伊南巴里河流域六个采矿特许区的地上、根系及树木总碳储量。研究在39个0.1公顷样地中开展了野外清查，测量了所有胸径（DBH）≥ 10 cm的树木。地上生物量采用基于木材密度、直径和树高的泛热带异速生长方程估算；根系生物量采用基线根冠比0.24估算；生物量按0.47的基线碳分数转换为碳储量。研究人员评估了各特许区之间的结构属性、生物量储量、碳储量、径级分布、各径级胸高断面积贡献及多变量结构-碳格局。各特许区在实测结构属性上存在显著差异，这些差异转化为对比鲜明的生物量与树木碳估算结果。Edmilot I的每公顷胸高断面积、总生物量和树木总碳储量最高，达118.34 Mg C ha^?1，而Yesica的树木总碳储量最低，为58.54 Mg C ha^?1。大多数树木集中在10–20 cm和20–30 cm胸径级，但中等和较大树木对胸高断面积的贡献不成比例地更高。主成分分析（PCA）依据一组精简的非冗余结构和碳变量对各特许区进行了概括，前两个主成分解释了总变异的99.21%。这些发现表明，采矿特许区保留了对比鲜明的森林状况，不应被视为同质单元。结构和碳基线有助于识别特许区之间的内部差异、优先安排恢复行动，并改进热带矿区景观的环境监测。

**论文解读：热带采矿特许区的树木碳储量与结构基线——对恢复与环境监测的启示**

**1. 研究背景与科学问题**

热带森林是全球碳储存、生物多样性保护、水文调节和气候稳定的关键陆地生态系统。然而，日益加剧的森林砍伐、退化与土地利用压力正持续削弱热带森林的碳汇功能。长期的样地监测网络已揭示亚马孙碳汇的衰退趋势，而区域和泛热带研究表明，即使未发生完全森林清除，森林退化也会显著降低生物量与碳储量。采矿活动是影响热带森林的最严重的土地利用压力之一，它清除植被、暴露或重塑土壤基质、破碎化森林覆盖，并留下远超开采足迹的生态遗留效应。在秘鲁亚马孙地区，金矿开采后的植被恢复可能十分缓慢，废弃矿区呈现低结构发育和延迟的植物区系恢复特征。在马德雷德迪奥斯地区，冲积金矿开采已造成长期“森林损失?退化”格局，形成由作业区、废弃基质、森林残片和次生恢复斑块构成的异质景观。尽管已有研究评估了秘鲁东南部亚马孙地区采后森林恢复、结构和生物量，但特许区尺度的结构与碳基线仍十分有限。由于同一区域景观内的采矿特许区可能保留结构状况和碳储存能力差异悬殊的林分，明确这些特许区尺度差异对恢复优先排序、矿山闭矿监测和环境监测具有重要现实意义。本研究旨在填补这一知识空白。

**2. 研究目标与主要内容**

研究人员在秘鲁东南部亚马孙地区马德雷德迪奥斯省伊南巴里河流域选择了六个采矿特许区（Edmilot I、Sarayacu、Washington III、Yhon Hittler、Juan Raul 2和Yesica），通过野外样地清查估算了地上、根系和树木总碳储量，建立了各特许区的结构基线。研究的具体目标包括：(a) 估算六个采矿特许区的地上、根系和树木总碳储量；(b) 比较各特许区之间的结构属性、生物量储量和碳储量差异；(c) 明确这些基线条件对恢复优先排序和环境监测的启示。研究假设为：热带采矿特许区在实测树木结构上存在显著差异，且这些结构差异转化为对比鲜明的异速生长生物量与碳基线。研究成果发表于《Earth》期刊。

**3. 关键技术方法**

研究采用描述性、非实验性设计，在六个采矿特许区内共设置39个0.1 ha矩形样地（100 m × 10 m），覆盖3.9 ha森林面积。其中Edmilot I、Washington III和Sarayacu各设置10个样地，Yhon Hittler、Juan Raul 2和Yesica各设置3个样地，共记录2063株DBH ≥ 10 cm的树木。野外测量使用直径卷尺（Forestry Suppliers 283D）在1.30 m处测定胸径，使用罗盘仪（Suunto PM-5/360 PC）估测树高。木材密度依据全球木材密度数据库（Global Wood Density Database）按物种、属或科级别赋值。地上生物量采用Chave等提出的泛热带湿润森林异速生长方程估算，以胸径、树高和木材密度为预测变量；根系生物量采用0.24的基线根冠比估算；生物量按0.47的碳分数转换为碳储量。研究还采用替代根冠比（0.20和0.28）和替代碳分数（0.44和0.52）进行了敏感性检验。统计分析使用SAS 9.4软件，采用Kruskal–Wallis检验和Dunn事后检验（Holm校正，p ≤ 0.05）比较特许区间差异，并使用主成分分析（PCA）对特许区进行多变量排序。

**4. 主要研究结果**

**4.1 树木结构基线**

各采矿特许区的结构属性存在显著差异，表明所评估的林分不具备统一的样地基线条件。Sarayacu、Washington III和Edmilot I的树木密度较高，而Yhon Hittler的密度最低，比Sarayacu低约36%。胸径在各特许区间差异显著（H = 24.91，p = 0.00014），Yhon Hittler和Edmilot I的树木直径最大，Yesica的平均胸径最小，两者相差近28%。树高差异同样显著（H = 45.91，p < 0.000001），Yhon Hittler和Juan Raul 2的树木最高，而Sarayacu和Washington III较低。每公顷标准化后，Edmilot I的胸高断面积最高，Yesica最低，不足Edmilot I的一半。

**4.2 径级结构**

六个特许区的径级结构均高度集中于较低胸径区间。10–20 cm径级在所有样点中拥有最大比例的树木，Yesica的集中程度最为明显。20–30 cm径级仍是林分结构的重要组成部分，尤其见于Edmilot I、Washington III、Sarayacu和Yhon Hittler。30 cm以上个体在所有特许区中均较少见，40–50 cm和>50 cm径级的大树尤为稀少。Yhon Hittler和Juan Raul 2在上部径级保留了略高比例的树木，而Yesica则表现出最简化的径级结构。

**4.3 各径级胸高断面积贡献**

胸高断面积的径级贡献格局与树干丰度格局不同。虽然较低径级拥有大部分个体，但其对总胸高断面积的贡献较为有限；相反，中等和较大树木占据了更大的林分占据份额。Yhon Hittler、Juan Raul 2和Edmilot I的上部径级贡献更强，表明这些特许区中较少的树木凭借较大的干径对林分结构产生了实质性贡献。Yesica的胸高断面积更多集中于较低径级，>40 cm树木的贡献较弱。这一结果表明，树干丰度反映树木在径级分布中的位置，而胸高断面积则揭示哪些径级对林分占据贡献最大。

**4.4 地上与根系生物量储量**

结构差异转化为对比鲜明的生物量估算结果。Edmilot I的生物量基线最高，Yesica所有生物量组分均最低，总生物量相差约102%。Yhon Hittler、Sarayacu和Washington III构成中间生物量组，三者间总生物量差异不足2%。Juan Raul 2处于较低中间位置，总生物量比Edmilot I低约36%，但比Yesica高约29%。根系生物量因由固定根冠比导出，在各特许区间呈现与地上生物量一致的格局。

**4.5 树木碳储量**

树木碳估算结果与结构和生物量格局一致。Edmilot I的树木总碳储量最高（118.34 Mg C ha^?1），Yesica最低（58.54 Mg C ha^?1），两者相差约102%。Yhon Hittler、Sarayacu和Washington III构成紧密的中间组，总碳储量差异不足2%。Juan Raul 2处于较低中间位置。由于根系碳和总树木碳由地上生物量乘以固定转换系数导出，这些碳值应视为基于实测树木结构和木材密度的衍生估算值，而非独立的碳测量结果。

**4.6 多变量结构-碳格局**

主成分分析基于树木密度、平均胸径、平均树高、每公顷胸高断面积和树木总碳储量五个标准化变量进行了排序。前两个主成分解释了总变异的99.21%，其中PC1占57.90%，PC2占41.30%。PC1主要代表结构-碳梯度，每公顷胸高断面积、树木总碳储量、平均胸径和树木密度贡献较强，Edmilot I位于该轴的高结构-碳端，Yesica位于相反端。PC2主要与树高和平均胸径等树木大小属性相关，同时反映树木密度的对比，Yhon Hittler和Juan Raul 2沿此轴位置较高，反映其树木更高、平均直径更大但密度较低。Sarayacu和Washington III在排序空间中彼此接近，表明它们具有相似的基线条件。PCA仅作为探索性可视化工具，未纳入土壤质地、开采历史等环境变量。

**5. 讨论与结论**

**5.1 讨论部分总结**

讨论部分指出，六个采矿特许区呈现对比鲜明的结构基线，支持了同一矿区景观内林分不具备统一生态条件的假设。Edmilot I、Sarayacu和Washington III的树木密度和每公顷胸高断面积较高，而Yhon Hittler和Juan Raul 2树木较少但个体较大或较高，表明密度本身不足以描述森林状况。Yesica较低的结构状况表明其林分基线更为简化，与采后热带森林生物量和结构恢复可能长期受限的证据一致。研究强调，矿区受影响森林不能仅依据树冠覆盖的有无来评估，特许区当前的环境状况和恢复需求各不相同。较低的碳储量不仅反映生物量减少，还表明其对气候调节、栖息地恢复和长期生态系统功能的贡献能力较弱。研究明确指出，所报告的基线不应被解释为与未受干扰原始林等同的参考条件，因为研究未纳入非开采原始林样地；Edmilot I等碳储量较高的特许区仅作为所采样矿区景观内部的相对结构和碳基线。研究还讨论了样地数量不平衡对统计效力的影响，Yhon Hittler、Juan Raul 2和Yesica仅设3个样地，降低了检测涉及这些特许区差异的统计效力，因此结果更适合理解为基于样地的基线证据。

**5.2 研究结论翻译**

六个采矿特许区呈现出对比鲜明的结构和碳基线，证实同一矿区景观内的林分不能被解释为同质的生态条件。胸径和树高的显著差异支持了特许区在实测结构发育方面存在差异的假设，这些结构差异转化为对比鲜明的衍生生物量和碳储量基线。Edmilot I表现出最强的林分状况，具有最高的每公顷胸高断面积、总生物量和树木总碳储量；而Yesica的胸高断面积和碳储量最低，表明其结构基线更为简化。Sarayacu、Washington III和Yhon Hittler在生物量和碳储量方面构成中间组，Juan Raul 2则处于较低的中间位置。径级和胸高断面积格局表明，仅凭树干丰度不足以评估森林状况，因为大多数树木集中于小径级和中径级，而胸高断面积的贡献更强烈地依赖于中等和较大树木。这一区分对恢复监测十分重要，因为碳恢复不仅需要树木建立，还需要树木大小、胸高断面积、根系生物量和林分复杂性的逐步重建。多变量分析提供了特许区在实测结构和碳基线条件下差异的探索性总结。这些结果为热带矿区景观中的恢复规划、闭矿监测和环境监测提供了实用的基于样地的信息。胸高断面积和碳储量较高的特许区应被解释为所采样矿区景观内部的相对结构和碳基线，而非未受干扰原始林的参考条件。生物量较低、碳储量较低且径级结构简化的特许区应优先考虑主动恢复或加强监测。