德国海尼希国家公园未经营管理欧洲山毛榉林的重复大尺度森林清查数据

《Scientific Data》：Repeated large-scale forest inventory data from an unmanaged European beech forest at Hainich National Park, Germany

　　

本数据集包含来自德国图林根州海尼希国家公园一处自1965年以来未经经营管理的、以山毛榉为主的森林中，一个约28公顷永久监测样地的四次清查（1999年、2007年、2013年和2023年）数据。每次清查均记录了所有胸径（dbh）≥1 cm的活立木的位置、树种身份和胸径。活立木的附加属性包括活力、邻木树冠覆盖度、社会学分级及观测到的损伤。对于自上次清查以来死亡的树木，部分清查提供了死亡原因、腐朽程度和树干完整性信息。该数据集支持对中欧未经经营管理的山毛榉优势林分二十余年动态的分析。

**论文解读：德国海尼希国家公园未经营管理欧洲山毛榉林重复大尺度清查数据集**

**1. 研究背景与意义**

欧洲山毛榉（*Fagus sylvatica* L.）为优势树种的森林是中欧最常见的森林类型之一，代表了该地区广大区域的自然潜在植被。然而，德国境内已不存在真正的原始山毛榉林，整个中欧地区也极为稀少。因此，近几十年来未经经营管理或低强度经营的森林，可作为研究这些森林近自然动态、近自然林业影响及其保护价值的合适替代对象。在此背景下，研究人员于1999年在海尼希国家公园核心区的Weberstedter Holz建立了一个大尺度、长期森林监测样地。本数据集呈现了该约28公顷样地在四次重复清查（1999、2007、2013和2023年）中的森林清查数据，为理解中欧未经经营管理的山毛榉优势林分的长期动态提供了宝贵资料。

该区域森林可归类为*Hordelymo-Fagetum*群丛。欧洲山毛榉为优势树种，混生有欧洲白蜡树（*Fraxinus excelsior* L.）、欧洲鹅耳枥（*Carpinus betulus* L.）、欧亚槭（*Acer pseudoplatanus* L.）和挪威槭（*Acer platanoides* L.）。亦可见单株的榆树（*Ulmus glabra* Huds.)、夏橡（*Quercus robur* L.)、栓皮槭（*Acer campestre* L.)、野生樱桃（*Prunus avium* L.)、椴树（*Tilia* spec.）和欧洲山杨（*Populus tremula* L.）。直到19世纪末，该区域森林主要由当地社区作为中林（coppice-with-standards）经营，主要树种包括山毛榉、白蜡树、槭树、橡树、鹅耳枥和榆树。20世纪上半叶，林分经历了向择伐高林的转变，木材提取率相对较低（2–3.7 m3/公顷/年）。1965年该区域被划为军事训练区后，森林管理活动基本停止。1997年，该区域成为国家公园。

**2. 研究内容与技术方法**

该数据集包含了所有清查年份中所有活立木的胸径（dbh，即胸径）、空间坐标、树种归属和社会学分级信息。在2007、2013和2023年的清查中，还提供了活立木的活力、被其他树冠覆盖的程度以及可见损伤信息。对于自上次清查以来死亡的树木，数据集在2007、2013和2023年提供了死亡原因、结构完整性（完整或破碎）和死木位置（倒伏或站立）信息。在2007和2013年数据中，还包含死木的腐朽阶段信息。

研究人员开展这项研究，旨在提供一个长期、重复的大尺度森林清查数据集，以分析超过二十年的未经营管理的中欧山毛榉优势林分的动态。该数据集过去已被用于研究林隙和更新动态、碳库、死亡原因、邻体多样性对森林生产力的影响、树高异质性的驱动因素，以及参数化人口统计森林模型。这些数据还可用于研究森林随时间的变化、干旱对人口统计率和碳动态的影响（包括其与邻域特征的交互作用），并可纳入比较分析，例如通过该样地注册的欧洲森林保护区倡议（EuFoRIa）。

**3. 主要技术方法**

研究人员为开展研究，使用了以下主要关键技术方法：
- **永久性大样地设置**：建立约28公顷的永久监测样地，并划分为50 m × 50 m的子样方，系统记录所有≥1 cm胸径的木本植物。
- **重复全林清查**：于1999年、2007年、2013年和2023年进行四次完全重复的清查，每次由不同的野外调查队伍执行。
- **个体树木空间定位与测量**：通过记录每株树木到子样方边界或其他参考树木的距离和方位角进行空间定位，并用测量卷尺以毫米精度测量胸径。
- **数据质量控制与误差评估**：在2023年清查中，对8个子样方（2公顷）内的1089株树木由不同队伍在1-7周内进行了两次独立测量，以评估状态判定和胸径测量误差，并使用贝叶斯模型拟合测量误差分布。
- **数据库整合与数据发布**：将所有清查数据整合为标准化格式的CSV文件，存储于iDiv生物多样性数据门户，并附带完整的元数据文件。

**4. 研究结果**

**样地概况**
样地位于德国图林根州海尼希国家公园艾森纳赫东北15公里处。中心点坐标为N 51° 4′ 47.74, E 10° 26′ 45.10 (WGS84)。样地海拔425–455米，东北朝向，大部分坡度小于5°。土壤主要为更新世黄土发育的淋溶土，下伏三叠纪石灰岩。样地最初面积为28.5公顷。为排除一条废弃道路，2023年清查时将南边界固定为gy = 30，使样地面积调整为27.624公顷。因此，本数据集包含的数据对应于所有清查年份中27.624公顷的面积。样地由与主方向对齐的50 m × 50 m子样方组成，行（南北向）编号为01至13，列（东西向）以字母A至M标识。由于地形限制，整体样地形状不规则，部分子样方并未完全包含在样地边界内。2000/2001年间，样地内建立了约20个约140平方米的围栏区域作为野生动物排除区，累计围栏面积2,864平方米，用于研究减少啃食下的自然更新。围栏于2007至2013年间被拆除，2013年清查时全部失效，2013年后被完全移除。

**树木测量**
所有≥1 cm胸径的木本茎干均被标记，并通过记录其到子样方边缘或其他已定位树木参考点的距离和方位角进行空间定位。所有茎干均记录状态（活、死、缺失）并用测量卷尺以毫米精度测量胸径。每次清查由不同的野外队伍执行，他们对样地知之甚少。测量高度通常为1.3米（胸高）。2023年记录了测量高度的偏差，而1999、2007和2013年清查中无此信息。属于同一株个体的多个≥1 cm胸径的茎干共享相同坐标，因此可被识别。在1999和2007年清查中，可能存在一些未被识别的多茎个体被记录为独立个体，且同一株个体的多个≥1 cm胸径茎干当时似乎并非总能被测量。1999年，有25棵树未被记录或被记录为死亡，但在2007年发现为存活状态。对于这些树木，其1999年的胸径基于位置的光照可用性进行估算，并已标记（“dbh_1999_estimated”），但无法保证所有此类树木均被捕获。2007和2013年清查中，野外队伍掌握了树木之前记录的胸径信息，因此在出现明显负增长时会重新测量，这可能对增长估计引入正偏差。2007和2013年清查后，研究人员重新访问了159棵树以核对1999至2007年间记录的胸径差异或其状态（死、活）的出入，并进行了修正。所有围栏内或曾经/后来处于围栏区域的树木均被标记（“inside_fence”）。在2007、2013和2023年清查中记录了活力、覆盖度、损伤、死亡原因和死树类型（完整性和位置）等参数。社会学分级（“kraft”）在所有清查中均有记录，依据Kraft的分级标准。腐朽阶段仅在2007和2013年有记录。

**数据概览**
总体而言，该数据集包含来自14个木本树种、共17,438个个体茎干的信息，这些茎干在四次清查中至少一次为存活状态且大于1厘米胸径阈值。对应每公顷活立木数量为：1999年519株/公顷，2007年465株/公顷，2013年505株/公顷，2023年439株/公顷。胸高断面积（basal area）为：1999年36.2平方米/公顷，2007年37.5平方米/公顷，2013年39.9平方米/公顷，2023年39.5平方米/公顷。径级分布呈倒J型，并在胸径约40至80厘米处出现一个隆起。随着时间的推移，大于70厘米胸径的大树数量增加，而小于70厘米胸径的树木数量减少。山毛榉在株数上约占90%，在胸高断面积上约占70%。

**技术验证**
在2023年清查中，2公顷面积（8个50 m × 50 m子样方）内共1,089株树木由不同队伍在1至7周（中位数：2周）内进行了两次独立清查，以确定树木状态判定和胸径测量的误差。931棵树（85.5%）在两次观测中均被判定为存活或死亡（表1）。其中仅13棵树在两次观测中被判定为不同的状态。因此，树木状态判定是可靠的。然而，有98棵树在第一次观测中未被找到（状态“M”），第二次观测中有144棵。其中，88棵（第一次观测，89.8%）和101棵（第二次观测，70.1%）在2013年清查中胸径小于5厘米。在状态为“M”的树木中，仅5棵（第一次观测，5.1%）和19棵（第二次观测，13.2%）在另一次观测中被发现存活。因此，约90.9%的缺失树木可以被认为是死亡的。主数据集中使用所有重新测量树木的第一次观测值。第二次观测值存储于附加文件中。研究人员参照Chave等人和Rüger等人的方法，使用贝叶斯模型拟合两个正态分布来描述每棵树测量胸径与估计真实胸径之间的差异。第一个正态分布描述小误差，其标准差与直径成比例（SD1 = sda + sdb × dbh），第二个正态分布描述较大误差（如录入错误或小数点错误），具有恒定标准差（SD2）。795个双盲复测活立木的最佳拟合结果为：SD1 = 0.2139 + 0.0041 × dbh和SD2 = 8.34厘米，其中2%的树木存在较大误差。例如，一棵50厘米胸径的树木，其测量误差通常为0.42厘米（98%概率）或8.34厘米（2%概率）。

**5. 讨论与结论**

该数据集提供了来自单个约28公顷永久监测样地的四次重复清查数据，该样地位于德国海尼希国家公园一处自1965年以来未经经营管理的山毛榉优势森林中。数据覆盖超过二十年（1999至2023年），详细记录了所有活立木的空间位置、物种、胸径及多种生态学属性，并为部分清查年份提供了死亡树木的相关信息。研究人员通过2023年的重复测量，量化了树木状态判定和胸径测量的误差，证明了数据质量是可靠的。

**研究结论**
该数据集能够支持对未经营管理的中欧山毛榉优势森林超过二十年的动态分析，包括树木生长、死亡、更新及林分结构变化等方面。它为研究近自然森林动态、气候变化影响以及生物多样性保护等提供了重要的基础数据，并可通过欧洲森林保护区倡议（EuFoRIa）等平台纳入更大范围的比较研究。

该数据集可从iDiv数据门户网站获取：https://doi.org/10.25829/idiv.3597-5sy386。