《Ecological Applications》：Improving carbon modeling in aspen-dominated forests: Lessons from CBM-CFS3 evaluation against long-term field data
编辑推荐：
北方森林覆盖了加拿大相当大比例的土地面积，并通过多个地上和地下碳库的碳储量与通量在国家碳预算中发挥核心作用。加拿大森林部门碳预算模型（Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector, CBM-CFS3）模拟和
北方森林覆盖了加拿大相当大比例的土地面积，并通过多个地上和地下碳库的碳储量与通量在国家碳预算中发挥核心作用。加拿大森林部门碳预算模型（Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector, CBM-CFS3）模拟和预测不同条件与管理情景下的森林碳动态；持续的模型评估和校准对于保持碳监测、核算和报告的准确性至关重要。本研究利用气候对山杨生产力与健康影响（Climate Impacts on the Productivity and Health of Aspen, CIPHA）项目中自2000年以来持续监测的64个以山杨为主的林分样地独立地面数据，评估CBM-CFS3的表现。研究人员比较了地上生物量、枯立木（snags）、森林地被物和矿质土壤碳库中模拟与观测的碳储量，并检验了林分特征、气候变量和土壤化学性质对模型残差的影响。模型表现因碳库而异：CBM-CFS3最准确地模拟了地上生物量碳储量，对枯立木碳储量的模拟表现中等，但未能捕捉森林地被物和矿质土壤碳储量的空间变异性。研究结果表明，将林分密度纳入产量曲线模型、将林分年龄纳入材积—生物量转换方程，可提高以山杨为主的林分地上生物量碳储量估算精度；考虑干旱事件后的滞后死亡效应并提高枯立木倒落速率，可改进枯立木碳动态的表征；进一步完善森林地被物碳动态需要整合水分对有机质分解的影响，而改进矿质土壤碳动态则需要纳入黏粒含量对分解的影响并降低分解的温度敏感性。由于这些碳库相互依存，某一碳库的改进将对下游碳库和整体碳动态产生级联效应。CBM-CFS3仍是国家碳估算的关键工具，而CIPHA等高空间和时间分辨率数据用于模型评估，将进一步增强该模型的预测能力。
**论文解读**
**一、研究背景与目的**
加拿大北方森林面积广阔，承担着重要的碳储存与碳通量调节功能。加拿大森林部门碳预算模型（CBM-CFS3）是支撑国家碳监测、核算与报告的核心工具，其模拟结果直接影响《联合国气候变化框架公约》下的履约报告。以往基于国家森林清查数据的评估显示，CBM-CFS3能够较好模拟地上生物量，但土壤有机碳和死木碳库不确定性较大；对模型进行持续验证与校准，是提高森林碳估算精度的关键。然而，可用于独立验证的长期地面样地数据十分稀缺，限制了模型改进。山杨（*Populus tremuloides*）是加拿大分布最广的阔叶树种，以山杨为主的林分在北方森林和林地草原区均占重要地位，其碳动态对全国碳预算具有显著贡献。本研究依托“气候对山杨生产力与健康影响”（CIPHA）项目自2000年起对64个山杨林分开展的长期监测数据，评估CBM-CFS3在不同碳库中的模拟表现，并识别需要细化的模型组分，以期提高加拿大山杨林的碳核算精度。
**二、研究设计与主要方法**
研究采用来自CIPHA长期监测网络的64个无管理、以山杨为主的林分，分布于不列颠哥伦比亚省、阿尔伯塔省、萨斯喀彻温省、马尼托巴省和西北地区，每个林分包含两块标准样地。研究人员使用CBM-CFS3（v1.2）进行模拟，初始参数采用基于国家森林清查数据校准的周转与分解参数。为生成产量曲线，研究人员构建了非线性混合效应材积—林龄模型；地上生物量由实测胸径和树高代入国家异速方程估算，并乘以0.5转换为碳储量；枯立木生物量按组分进行缩减校正；森林地被物和矿质土壤碳储量为样品的容重、深度或厚度与碳含量的乘积。矿质土壤模拟碳储量通过由加拿大山地森林土壤剖面数据库拟合的垂直碳分布方程换算至0—10 cm深度。模型表现以均方根误差、平均偏差、模拟与观测相关平方和（R
2）衡量；残差影响因素用线性混合效应模型进行分析，并按最低赤池信息准则筛选最优模型。
**三、主要结果**
**地上生物量碳库**：CBM-CFS3对地上生物量碳储量的模拟表现较好，模拟与观测值显著正相关，可解释观测数据88.3%的变异，平均低估4.87 t C/ha。残差的最优线性混合效应模型以林分密度和林龄为固定效应、节点为随机效应；林分密度和林龄共解释7.4%的残差变异，加入节点随机效应后解释比例升至45.6%。模型在密度较高和年龄较大的林分中倾向于更大地低估地上生物量碳储量。
**枯立木碳库**：枯立木碳储量的模拟与观测呈中等正相关，模型解释约43%的观测变异，平均低估0.57 t C/ha。枯立木残差与地上生物量残差呈负相关，即在密度高、年龄大的林分中，枯立木碳被高估。基于观测数据，活立木向枯立木的年均碳转移率为每年3.20%，枯立木向倒木的转移率为每年9.77%，分别高于模型默认值0.5%—0.6%和6.6%；剔除发生次生干扰的林分后，两项转移率仍高于模型默认值，其中活立木向枯立木转移率在含与不含次生干扰林分之间存在显著差异。
**森林地被物碳库**：CBM-CFS3对森林地被物碳储量的模拟效果较差，模拟与观测无显著相关性，均方根误差为41.28 t C/ha，平均低估33.95 t C/ha。残差最优模型以采样前20年气候湿度指数（CMI）为固定效应、节点为随机效应；CMI解释21.8%的残差变异，加入节点随机效应后解释65.2%。CMI与残差呈正相关，表明干旱越严重的林分，森林地被物碳储量低估越明显。
**矿质土壤碳库**：0—10 cm矿质土壤碳储量模拟与观测也无显著相关性，均方根误差为15.16 t C/ha，平均高估3.55 t C/ha。残差变异主要由矿质土壤黏粒含量、20年平均年均温（MAT）和森林地被物锰（Mn）浓度等固定效应解释（合计27.2%），加入节点随机效应后解释78.3%。模型
