森林管理对森林结构复杂性动态及其对森林微气候的影响

《Trees, Forests and People》：Effects of forest management on the dynamics of forest structural complexity and their impacts on forest microclimate

　　

摘要
目前，欧洲温带森林的许多管理方法旨在促进森林结构复杂性。然而，不同经营制度下三维森林结构的动态及其对森林微气候的影响仍未得到充分探索。本研究利用地基激光扫描（terrestrial laser scanning, TLS）衍生的指标，对经过不同经营和未经营管理的欧洲山毛榉（Fagus sylvatica L.）森林（n=100）在九年间的森林结构复杂性时间动态进行了量化。随后，研究人员检验了森林结构复杂性的变化是否受森林经营强度驱动，以及观测到的三维森林结构变化是否驱动了以日较差（diurnal temperature range, DTR）量化的森林微气候变化。总体而言，研究人员观察到所有森林经营制度和发育阶段中森林结构复杂性净增加24.76%。研究发现采伐胸高断面积对森林结构复杂性变化存在延迟但正向的效应，这可归因于林分干预后林下层和林中层树木生长条件的改善。与经营森林相比，未经营森林由于缺乏采伐或自然干扰，其森林结构复杂性变化较小。最终，研究人员观察到三维森林结构的动态引发了DTR的变化，但效应量相较于天气条件的影响较小。研究人员得出结论：林分经营干预加速了欧洲山毛榉林的森林结构动态，并可能长期促进复杂森林结构的发育。虽然这些与经营相关的三维森林结构变化也导致了DTR的变化，但相较于大气候（macroclimate）变化，其对调节DTR的相关性相对较小。

**论文解读：森林管理对结构复杂性动态及森林微气候的影响**

**一、研究背景与问题提出**

当前，欧洲温带森林的经营理念正逐渐从皆伐作业转向旨在促进森林结构复杂性的经营模式，如伞伐法、群状择伐和单木择伐等。尽管一次性评估已证实这些经营制度对森林结构复杂性有显著影响，但关于不同经营制度下三维森林结构多时相动态的评估仍十分匮乏，尤其是其对生态系统过程与功能——如微气候调节——的影响尚不明确。森林结构复杂性动态的理解对于阐明森林经营如何影响生物多样性与生态系统功能至关重要。在此背景下，微气候调节被认为是一项关键功能，因为它影响众多森林生物的绩效、群落组成和生物多样性，并通过影响树木更新而作用于长期森林动态。三维森林结构与气象和地形条件交互作用，通过影响辐射状况来制约林下空气温度。其中，林冠开阔度和垂直分层是决定林下日较差（DTR）的关键结构属性，DTR作为同时涵盖日最高和最低气温的指标，是森林微气候的重要指示器。然而，DTR响应经营引起的三维森林结构动态变化的程度尚不清楚。

在欧洲中部的森林中，欧洲山毛榉（Fagus sylvatica L.）是最广泛的天然落叶树种，其耐阴性和密集树冠形成的深层遮荫塑造了独特的林下环境。然而，近年该树种也经历了日益严重的干旱引发的健康衰退和死亡。常见的经营方式包括粗放、同龄林（EA）经营（如伞伐法）与精细、异龄林（UEA）经营（单木择伐）。与经营森林相比，未经营（UNM）森林的结构动态主要由小尺度自然干扰驱动。尽管已有大量研究探讨经营、三维结构与森林微气候的关系，但较长时间尺度上不同经营制度下的结构动态及其对微气候的影响仍属空白。

**二、研究目标与研究方法**

本研究依托德国生物多样性探索平台（Biodiversity Exploratories），选取100个以欧洲山毛榉为主的森林样地，覆盖EA、UEA和UNM三种经营制度及不同发育阶段，旨在回答以下科学问题：（1）不同经营制度间三维森林结构动态如何差异？（2）经营强度（以采伐胸高断面积量化）能在多大程度上解释结构动态？（3）经营引起的三维结构变化是否驱动DTR变化？研究人员利用地基激光扫描（TLS）于2014、2019和2023年植被生长季获取样地点云数据，计算了林分结构复杂性指数（SSCI）、有效层数（ENL）和林冠开阔度三个结构指标，并同步获取了森林及邻近开阔地的气温数据以计算DTR。通过线性回归模型和方差分析检验了经营强度、发育阶段与结构动态的关系，并进一步分析了结构动态对林内DTR动态的影响。

**三、主要研究结果**

**（一）森林结构复杂性的动态变化**
在2014–2019和2019–2023两个研究期间，分别有72%和91%的样地SSCI增加，总体平均净增加24.76%。UNM林分在第二时期的SSCI变化显著高于第一时期，但仍低于经营林分，且动态变异性较小。EA林的幼树期和成过熟林在两个时期的SSCI变化显著不同，而矮林在前期变化大、后期变化小。ENL在第一时期有72%样地增加，第二时期降至57%，在EA杆材林和UNM林分中两时期差异显著。林冠开阔度在第一时期增减基本平衡，第二时期84%的样地表现为下降。

**（二）经营强度对结构动态的效应**
研究发现，研究期前的采伐胸高断面积总和（2010–2014和2015–2019）对ΔSSCI有显著正向效应（p<0.001），对ΔENL（p=0.015）和Δ林冠开阔度（p<0.001）有显著负向效应。研究期内的采伐量仅对Δ林冠开阔度有显著正向作用（p<0.001）。发育阶段对ΔENL有显著解释力（p=0.003），但对ΔSSCI和Δ林冠开阔度无显著影响，结构动态亦不随研究区变化。

**（三）结构动态对日较差的影响**
林冠开阔度与DTR呈显著正相关，但这种关系在研究区和年份间不稳定。ΔSSCI在2014–2019期间对林内ΔDTR有显著负效应（p=0.011），Δ林冠开阔度在两个时期均显著影响ΔDTR（p<0.001），主要通过影响ΔT_max实现。方差分解显示，开阔地DTR动态解释了林内ΔDTR变异的68.33%，而Δ林冠开阔度解释不足10%，研究区仅解释1.03%，表明大气候条件主导了DTR动态。

**四、讨论与结论**

研究表明，UNM林分在缺乏自然干扰时结构复杂性变化缓慢，但小尺度干扰可暂时增加林冠开阔度并促进结构复杂性发展。经营砍伐的林分通过增加光照促进更新和林下生长，几年内便显著提升SSCI，但初期会降低ENL并增加林冠开阔度。发育阶段对ENL影响显著，年轻林分的抚育采伐促进树高生长从而快速提高ENL，后期自然整枝可能降低下层复杂性。尽管林冠开阔度变化与DTR动态正相关，但相对于大气候的强烈影响，经营引起的结构变化对DTR动态的解释力有限。研究人员认为，低至中等强度经营干预通过开敞林冠加速结构动态并促进复杂结构发育，而未经营林分在未进入退化阶段前结构复杂性长期变化不大。气候变暖导致的大气温度极端事件将主导未来DTR动态增强，而经营对缓和这一趋势的作用十分有限。研究结果发表在《Trees, Forests and People》，为理解经营制度调节森林结构与微气候动态提供了重要的长期定量证据。