国家森林乡村（National Forest Villages, NFVs）黄河流域河南段森林土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）对多重人类干扰的响应：景观格局与森林群落属性（Forest Community Attributes）的中介作用

《Frontiers in Forests and Global Change》：Effects of multi human disturbance on soil organic carbon: mediation by landscape patterns and forest community attributes in forest villages of the Henan section, Yellow River Basin

　　

引言：全球变暖趋近1.5?°C阈值，CO2排放是增温主因。中国提出2030年前碳达峰、2060年碳中和的“双碳”目标。土壤储存碳量约为陆地植被2—3倍、大气近2倍，土壤有机碳（SOC）对碳中和至关重要。表层土壤对人类干扰与气候变化敏感。人类干扰常用土地利用人类干扰（Land Use Human Disturbance, LUHD）和社会经济人类干扰（Socioeconomic Human Disturbance, SEHD）刻画，但既往研究少有同时整合多尺度人类干扰、景观格局与森林群落属性来量化森林SOC。 方法：研究人员调查黄河流域河南段全部99个国家森林乡村（NFVs），结合野外调查、遥感数据与统计方法。以林—农配对样地量化森林SOC浓度（SOCc）、SOC密度（SOCs）及林对农富集比（RSOCc、RSOCs）。LUHD由1—10?km缓冲区八类用地面积比例与归一化干扰系数计算；SEHD由城心距离、道路长度、交通、夜间灯光、排水渠长度、GDP密度、潜在作物产量、人口密度等多指标多尺度表征；景观格局用FRAGSTATS计算13个指标；森林群落属性包括树种/灌木物种丰富度、Shannon?Wiener指数、Simpson指数、Pielou均匀度及地上生物量碳。控制地理气候主成分（GeoClimate_PC1）后，用偏相关、偏冗余分析（partial Redundancy Analysis, pRDA）、变异分配（Variation Partitioning）与分段结构方程模型（Piecewise Structural Equation Modeling, piecewise SEM）分析。 结果：弱LUHD的NFVs较严重LUHD者SOCc高约25%，相对富集高27%—35%；中等LUHD下SOCs与景观多样性最高。LUHD增强伴随森林优势度下降、森林隔离度上升。人类干扰独立解释SOC变异13.0%，景观格局7.9%，森林群落属性3.8%且不显著。分段SEM显示景观配置对整体SOC变异总关联最强；LUHD与城市社会经济活动（SEHD_PC2）对SOC存在相反方向的直接与景观介导关联。 讨论：景观配置是人类干扰通向森林SOC的关键环节。维持森林优势度、限制不透水面（Impervious Surface）过度扩张、保护树种多样性，可协调乡村振兴与SOC管理。研究未设非NFV对照，不能断言NFV命名本身提升SOC。

研究背景方面，全球变暖可能突破1.5?°C阈值，CO₂排放被普遍视为增温主要驱动因子。土壤作为重要碳库，其土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）对实现碳中和意义重大。表层土壤对人为扰动和气候变化高度敏感。既有文献多关注土地利用人类干扰（Land Use Human Disturbance, LUHD）导致SOC下降，较少把多尺度社会经济人类干扰（Socioeconomic Human Disturbance, SEHD）、景观格局与森林群落属性放在同一框架中分析。黄河流域河南段是国家生态保护和高质量发展重点区，河南是全国粮食主产区且国家森林乡村（National Forest Villages, NFVs）数量全国第一，但NFVs森林生态功能与SOC维持机制并不清楚。因此，研究人员以黄河流域河南段99个NFVs为对象，探究多重人类干扰经景观格局与森林群落属性影响森林SOC的路径，论文发表于《Frontiers in Forests and Global Change》。

主要技术方法方面，研究人员对99个NFVs各设20?m×20?m森林样方，并在平均距离小于200?m处布设玉米—小麦轮作且连续耕作超15年的农田对照样方，采集0—20?cm表层土。LUHD由1—10?km缓冲区八类土地面积比例乘归一化干扰系数求得；SEHD用城心距离、路网、交通、夜间灯光、排水渠、GDP密度、潜在作物产量、人口密度等，并按偏相关强度选尺度。景观指标用FRAGSTATS在10?km半径计算13个指标；森林群落属性由树种与灌木物种多样性及地上生物量碳表示。统计上先用主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）压缩变量，再以GeoClimate_PC1控制经纬度和气候后，做偏相关、偏冗余分析（pRDA）、变异分配与分段结构方程模型（piecewise SEM）。

研究结果方面，3.1 不同LUHD等级下景观指标、森林群落属性与SOC差异：通过1—10?km缓冲区分级比较发现，弱LUHD下森林SOCc、RSOCc、RSOCs分别比严重LUHD高约25%、35%、27%，中等LUHD下SOCs最高且比严重LUHD高16%；弱LUHD树种和灌木多样性更高，严重LUHD下树木地上生物量碳更高。10?km尺度上，中等LUHD景观多样性最高，严重LUHD下森林最大斑块指数（Largest Patch Index, LPI）骤降、森林欧氏最近邻距离（Euclidean Nearest?Neighbor Distance, ENN_MN）变大，表明森林优势度降低且隔离增强。

3.2 SOC与生物和非生物因子的偏相关：控制GeoClimate_PC1后，树木丰富度与SOCc、SOCs持续正相关，灌木丰富度与SOCs、RSOCs负相关；景观上SHDI、农田与森林斑块密度、形状指数多与SOC正相关，森林ENN_MN负相关；LUHD与SOC整体偏相关弱，SEHD指标具尺度依赖性，夜间灯光和GDP与SOCc、SOCs正相关，排水渠长度与二者负相关。

3.3 两个SOC组分的偏RDA与变异分配：PCA得到SOC_PC1代表总体森林SOC更高，SOC_PC2代表相对富集更强而绝对量较低。pRDA显示景观_PC1、SEHD_PC2、SEHD_PC3对SOC变异有显著独立效应。变异分配中，人类干扰唯一解释13.0%，景观格局7.9%，森林群落属性3.8%且不显著，说明SOC变异主要由人类干扰与景观配置塑造。

3.4 两个SOC组分的分段SEM：最终模型拟合良好，解释SOC_PC1变异34.4%。景观_PC1对SOC_PC1直接正效应最大，总效应1.241；LUHD直接正效应强但经景观的负间接效应大，总效应仅0.173；SEHD_PC2直接正、经不透水面优势（Landscape_PC3）间接负。模型显示人类干扰既直连SOC，也经景观配置介导，关系非单调线性。

讨论部分总结方面，研究人员指出严重LUHD多位于农田集中区、弱LUHD多位于森林集中区，故SOC差异与现状土地组成密切相关。城市社会经济活动（SEHD_PC2）越高，相对林农富集越受抑制；城市偏远度（SEHD_PC3）越高，森林相对于农田的SOC富集越强。景观格局随LUHD等级变化具有类型依赖性：农田更优势规整，不透水面更优势且破碎，森林在中等LUHD斑块密度和形状复杂度最高、弱LUHD最大斑块优势最强。森林群落属性中，树种多样性与SOC相关，但严重LUHD下人工速生林或防护林比例可能更高，使树木生物量碳上升而灌木层退化。管理上应维护森林优势度与连通性、限制不透水面扩张、保护树种多样性；因无非NFV对照，不能把NFV称号本身视为SOC提升因果。

结论部分翻译：本研究显示，在黄河流域河南段国家森林乡村中，人类干扰与森林SOC变异密切相关。弱LUHD的NFVs具有更高SOC浓度和相对SOC富集，中等LUHD下SOC密度与景观多样性最高。控制地理气候效应后，人类干扰与景观格局比森林群落属性解释更多SOC变异。分段SEM进一步表明，景观配置在连接LUHD和SEHD与SOC中居核心地位。这些发现说明人类干扰对SOC的影响复杂而非简单线性。未来NFV管理应优先维持森林优势度与连通性、限制不透水面过度扩张、保护树种多样性。由于未纳入可比非NFV对照，尚需研究判定NFV建设本身是否带来额外SOC效益。