边际与非边际土地上多功能森林管理的效率与生态系统服务权衡：来自俄克拉荷马州东部的证据

《Journal of Environmental Management》：Efficiency and ecosystem-service trade-offs in multifunctional forest management across marginal and non-marginal lands: evidence from eastern Oklahoma

　　

摘要

多功能森林管理因其在气候缓解和生态系统服务供给方面的作用而得到广泛推广，但其对边缘森林土地上多种服务共同生产的含义尚不明确。本研究评估了美国俄克拉荷马州东部边缘和非边缘森林中木材生产、碳储存、树种丰富度和水资源产量之间的技术效率及权衡关系。研究将样地级的森林清查与分析（FIA）数据与格网化气候数据及流域尺度水文数据相结合，构建了3285个样地年观测值面板数据集（2007–2025年）。采用具有超越对数设定的产出导向多产出随机前沿模型进行估计，逐步纳入额外的生态系统服务并区分土地生产力等级。木材-碳模型的平均技术效率较高（0.991），但纳入树种丰富度和水资源产量后有所下降（0.952）。边缘土地与非边缘土地表现出可比较的效率：共同前沿检验显示技术效率差异仅为0.0006，略微有利于非边缘土地，但实际意义可忽略不计。因此，边缘土地尽管产出较低，却实现了类似的效率，凸显了生产力与效率之间的区别。碳-木材弹性系数始终接近?1，且对函数形式和计价物选择具有稳健性，表明存在受距离函数规范化部分影响的结构性权衡。纳入树种丰富度和水资源产量后揭示了因土地生产力而异的额外负一阶效应。总体而言，生态系统服务供给的差异似乎主要由生物物理约束驱动，在现有FIA协变量条件下，可检测到的管理效率低下的证据有限。这些结果表明，针对不同立地条件评估生态生产约束和生态系统服务权衡具有价值，而经济适宜性和制度可行性则不在本研究分析范围之内。

引言

森林在当代应对气候变化、生物多样性丧失和水资源短缺的战略中发挥着核心作用。除了木材生产之外，森林生态系统还提供多样化的生态系统服务组合，包括碳固存、栖息地提供和水文调节。日益增多的环境管理框架强调，应将森林作为多功能系统进行管理，而非单一产出的生产景观。这一转变反映了越来越多的认识，即仅专注于某一目标（如木材产量或碳储存）的政策可能会产生非预期的生态权衡并损害长期生态系统韧性（Bennett等，2009；Bryan等，2016）。

基于碳的森林管理已在这一多功能范式下成为一种突出的政策工具。通过碳市场、气候智慧型林业项目和基于自然的解决方案倡议，它寻求通过促进造林、延长轮伐期和改善森林管理，使土地所有者激励与气候缓解目标相一致（Griscom等，2017；Fargione等，2018）。在美国，此类项目越来越针对私人森林地以实现可规模化的减排。然而，越来越多的文献警告称，碳导向的管理如果不从整体视角实施，可能会改变林分结构、促进单种栽培或加剧与生物多样性和水资源服务之间的权衡（Canadell和Raupach，2008）。

边缘森林土地为评估碳与其他生态系统服务的共同生产提供了一个有用但基本未经检验的场景。由于历史土地利用、生物物理约束、碎片化所有权以及市场准入有限等原因，美国南部大片低生产力森林地依然存在。这些土地往往因其有限的木材潜力而被排除在集约化管理和政策关注之外。然而，近期研究表明，边缘土地可能为碳固存和生态修复提供相对较低的机会成本，特别是当造林或低强度管理不挤占农业生产和时（Bastin等，2019；Strassburg等，2020）。

大多数关于边缘土地的现有研究侧重于绝对生物物理潜力，例如总碳储存量，而非相对于约束条件的管理表现。然而，在生态限制差异很大的异质性景观中，绝对产出水平对政策设计的指导意义有限。从环境管理角度来看，基于效率的方法提供了一个互补视角，通过评估在给定立地条件、林分结构和环境约束下生态系统服务生产的效率（Susaeta等，2019）。这种方法对于边缘土地尤为相关，因为其最大可达产出可能较低，但管理有效性可能仍然较高（Kang等，2013）。

随机前沿分析（SFA）为评估林业和自然资源系统中的技术效率（给定一组投入所能达到的最大产出水平）提供了一个成熟框架（Aigner等，1977；Kumbhakar和Lovell，2003），近年来的扩展方法将碳储存和生物多样性等环境产出纳入其中。多产出随机前沿模型允许在单一生产技术中联合分析多种生态系统服务，捕捉多功能森林管理中核心的权衡和互补关系。然而，现有应用仍留有特定空白。在农业领域，SFA已被用于评估边缘土地的 efficiency：Vigani和Dwyer（2020）例如分析了英国高自然价值丘陵和高地农场，通过经济和政策标准定义边缘性，关注盈利能力和补贴政策效应而非生态系统服务的共同生产。在林业领域，Susaeta等（2019）在天气条件变化下估计了单一管理林分类型（长叶松）的生态系统服务生产效率，而本研究则分析了异质性混合自然森林景观。与本研究最接近的两项研究采用随机前沿方法分析了克罗夫蒂姆伯斯地区的样地级FIA数据，但导向不同：Susaeta等（2024）估计了随机利润前沿，Susaeta等（2025）从投入导向衡量了技术效率低下。两项研究都将克罗夫蒂姆伯斯视为单一边缘生产区域，并将立地生产力纳入解释因素，但均未在共同产出导向效率前沿下对比边缘与非边缘土地，且均未纳入与生物多样性相关的产出。尚未完成的工作是在单一多产出前沿下，对木材、碳、树种丰富度和水资源的共同生产进行边缘与非边缘森林土地的样地级产出导向技术效率比较。

本研究通过评估俄克拉荷马州东部边缘和非边缘森林土地多功能森林管理中的效率权衡来弥补这些空白。利用样地级森林清查与分析（FIA）数据结合气候和水文信息，我们估计了一个产出导向多产出随机前沿模型，共同表征木材蓄积量、碳储量、树种丰富度和流域尺度水资源产量。通过比较不同土地生产力等级和所有权类型下的技术效率、技术变化和产出弹性，本分析为生态系统服务生产和技术效率如何随异质性生态约束而变化的新见解提供了支撑。

本研究在三个方面作出贡献。第一，它在一个异质性自然森林景观中将多功能效率框架应用于样地级的森林生态系统服务生产。第二，它提供了实证证据，表明边缘森林土地尽管固有生产力较低，但其运营技术效率与非边缘土地相当，从而澄清了生产力与效率之间的区别。第三，它刻画了生态系统服务权衡如何因土地生产力等级而异，为多功能管理如何按立地差异化提供了依据。我们强调，本分析评估的是碳与其他服务的共同生产和效率，而非评估碳管理制度，因此相应地使用"碳包容性多功能"而非"碳导向"术语。论文余下部分将呈现数据和研究方法，随后是实证结果和政策含义讨论。

章节摘要

研究区域

研究区域位于俄克拉荷马州东部，该地区以广泛的边缘农田和低生产力森林地为特征，由历史土地利用、气候约束以及森林产品市场异质性准入所塑造。尽管该区域东南部支持活跃的松树林人工林产业，但大部分剩余景观由混合阔叶林组成，管理强度有限且木材生产力相对较低（俄克拉荷马州林业服务局，

技术效率分析的随机前沿框架

本研究采用随机前沿分析（SFA）框架评估森林生态系统服务供给的技术效率。SFA非常适合这一目的，因为它明确地将偏离生产前沿的偏差分离为两个组成部分：随机噪声和技术效率低下。该方法估计在给定立地、环境和管理条件下可达到的最大可行产出，同时允许测量误差等随机冲击的存在。

结果与讨论

在呈现实证结果之前，通过似然比检验评估了随机前沿模型函数形式的适当性和效率低下的存在性。零假设——柯布-道格拉斯设定是足够的——被强烈拒绝，转而支持超越对数设定，似然比统计量为63.26（χ² (11), p?

结论与政策含义

本研究通过应用于俄克拉荷马州东部FIA样地级数据的多功能效率框架，评估了碳储存、木材、树种丰富度和水资源产量的共同生产及技术效率。结果表明，无论土地生产力如何，森林样地均表现出高且紧密聚集的技术效率，表明它们接近于模型中所含变量条件下的估计生产前沿。这些效率

CRediT作者贡献声明

Lu Gang： 撰写——初稿、方法学、调查研究、形式分析、数据管理、概念化。Susaeta Andrés： 撰写——审阅与编辑、方法学、资金获取、形式分析、概念化。Joshi Omkar： 撰写——审阅与编辑、资金获取、数据管理、概念化。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的使用声明

在准备本文过程中，作者仅将ChatGPT用于语言编辑和校对目的。作者已审阅并酌情修订了文本，并对出版内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由美国农业部国家食品与农业研究所项目拨款2023-67023-39036资助。

Gang Lu|Andrés Susaeta|Omkar Joshi

俄勒冈州立大学森林工程、资源与管理系，Corvallis, OR, 97331, 美国