《Forest Ecology and Management》：Carbon stock and flux predictions in second-growth Sitka-spruce and western hemlock dominated stands of Southeast Alaska
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本研究通过开发碳模型系统，分析 Sitka 冷杉和西部花旗松二代林在不同立地指数和修剪强度下的碳储量与积累。结果表明，控制情景下总碳储量于2075年达67.64±1.78 Tg C，修剪强度对总碳无显著影响，但 snag 碳增加。模型显示2022年碳增长达峰，提示成熟林碳积累可能放缓。
作者：Dryw A. Jones、David V. D’Amore、Kellen N. Nelson、Frances Biles、Michael C. Howe
美国农业部森林服务局太平洋西北研究站，地址：3625 93rd Avenue, Olympia, WA, USA
摘要
了解森林管理对温带雨林中碳储量和碳库的影响对于估算当前和未来的碳动态至关重要。我们利用来自稀疏和未稀疏的锡特卡云杉（Picea sitchensis (Bong.) Carrière）和西部铁杉（Tsuga heterophylla (Raf.) Sarg.）主导的次生林的数据，开发了一个碳模型系统，该系统以林龄、立地生产力和稀疏强度作为输入变量来预测碳储量。我们估算了汤加斯国家森林内次生林的当前和未来碳储量及碳通量。我们的估算结果与该地区的其他研究结果一致。结果显示，在控制情景下，到2075年树木总碳量将翻倍，达到67.64（±1.78）太克（Tg C），且不同稀疏强度下没有显著差异。对照组中较高的总碳储量主要归因于残株碳储量的增加。与对照组相比，稀疏处理后的生长速率呈现相反趋势：在控制情景下生长速率最低，而随着稀疏强度的增加生长速率逐渐提高。林分指数对碳储量有显著影响，在林分指数最高的林分中，稀疏处理后的林分总碳量超过了对照组；但在平均林分指数和最低林分指数林分中则没有这种差异。模拟结果显示，2022年的生长峰值表明碳质量分配向较老的林分等级转移，这表明汤加斯国家森林的次生林可能正在经历生长速率的下降。
引言
全球森林仍然是陆地碳汇的主要贡献者（Pan等人，2024年；Pan等人，2011年）；然而，由于气候变化、干扰模式的变化以及土地利用和管理的改变，许多森林的净碳积累未来稳定性尚不确定（Weiskopf等人，2024年；Winkler等人，2023年）。所有年龄段的森林都能减缓温室气体向大气的释放（Friedlingstein等人，2019年），因此，将森林碳储量提高到常规管理水平以上的管理活动可以成为有效的自然气候解决方案（Ellis等人，2024年）。评估森林管理活动越来越需要考虑碳的增减，以满足规划要求（例如，根据《国家森林系统土地管理规划规则》2012年的规定），以及商业碳市场和抵消计划的要求（例如，《加州全球变暖解决方案法案》2006年）。准确量化森林生态系统中的碳含量对于了解碳储量和服务如何随森林年龄变化以及响应管理措施至关重要，同时也有助于预测未来的碳储量（DellaSala等人，2022年）、设计碳智能的森林培育方案（Ellis等人，2024年），最终实现温室气体减排（Nabuurs等人，2023年）。
先前被砍伐的森林地的再生是陆地森林碳汇持续存在的主要驱动力之一（Pan等人，2024年）。在年龄均匀的林分中，碳动态通常遵循可预测的模式（Chapin等人，2011年；Kashian等人，2006年；Pregitzer和Euskirchen，2004年）。树木的重新建立速率是碳储量恢复的早期决定因素（Kashian等人，2006年），而在幼龄林分中，补充播种或种植可以加速碳捕获（Kashian等人，2006年）。在林分形成初期，幼林会经历一段明显的林分体积增长期、碳封存率提高以及活碳积累量增加，这一阶段可持续长达120年（Pregitzer和Euskirchen，2004年）。最终，随着林分成熟，碳积累趋于平衡，林分体积增长和碳积累率从峰值下降并趋于稳定（Kashian等人，2006年；Pregitzer和Euskirchen，2004年）。
在美国阿拉斯加东南部，由于20世纪中后期对原始森林的大规模采伐，目前约有323,749公顷的次生林（D’Amore等人，2015年；Harris和Farr，1974年；Kleinhenz，2020年）。该地区的木材管理历史主要采用皆伐技术，采伐和再生高生产力的锡特卡云杉（Picea sitchensis (Bong.) Carrière）和西部铁杉（Tsuga heterophylla (Raf.) Sarg.）林分。年龄均匀的林分通常通过丰富的自然再生在15-20年内重新建立，并进入林分发育的“茎干排除阶段”，这一阶段可能持续近一个世纪（Alaback，1982年；Harris和Farr，1974年；Oliver和Larson，1996年）。在这些林分中，森林疏伐是一种常见的森林培育措施，目的是通过打开林冠来促进林木生长、提高抗风暴能力以及为锡特卡黑尾鹿（Odocoileus hemionus sitkensis）提供更多的下层植被（Alaback，1982年；Crotteau等人，2020年；Hanley等人，2013年；Harris和Farr，1974年；Nelson等人，2014年）。虽然初期疏伐会通过减少生长林分和增加死亡生物量（如倒木）导致净初级生产力下降，但这些树木的长期生长和存活率的提高最终使疏伐后的林分能够达到与未疏伐林分相当的碳储量（Chapin等人，2011年）。改善林分生长和抗干扰能力的森林培育方案为包括碳封存在内的多资源管理提供了机会，但关于区域次生林分中碳的生长和管理的相关信息仍然有限。
汤加斯国家森林（TNF）覆盖面积达67,743平方公里（美国农业部森林服务局，2024年），约占阿拉斯加东南部土地面积的77%，是美国最大的国家森林。TNF的森林是全球重要的碳库，储存了约2.7拍克（Pg C）的碳，其中木质生物量占0.85-1.1拍克（Pg C）（DellaSala等人，2022年；Leighty等人，2006年；图1）。先前的研究证实，TNF的森林在发育早期具有更高的碳封存率（Barrett，2014年；D’Amore等人，2015年）。这些高碳封存率与先前被砍伐的林分中较低的树木碳储量相吻合（Barrett，2014年），这是由于高生长率和高碳储量之间的权衡所致（Chapin等人，2011年）。自20世纪中叶以来，阿拉斯加东南部的森林采伐使得约9%的森林地变成了年轻的次生林，这些次生林的地上碳储量低于成熟林分。
虽然存在预测碳储量和增长的模型，但这些模型要么无法随时间预测林分碳含量，要么需要详细的库存数据，而这些数据可能难以获取。在这项研究中，我们开发了一套模型系统，根据林龄和立地生产力来估算碳储量的变化，将其分为：活树（地上和地下）、残株以及倒下的原木（被砍伐树木的树干和树枝）的碳库，以及总碳量（各碳库之和）。我们使用这些模型来：（1）估算碳储量（给定时间点的碳库快照）和碳累积量（随时间的碳积累）；（2）确定疏伐对这些林分中碳储量和碳累积量的影响；（3）预测TNF内次生林分随时间的碳储量变化。
模型部分
概述
我们利用重复的森林库存数据来拟合一套模型，该模型根据林龄、立地生产力（立地指数 - SI）和疏伐状况预测活树、残株（站立的死树）和原木（留在现场的疏伐材料）的碳累积量和储量。树木碳被定义为先前被砍伐土地上重新建立的站立树木中的地上碳和估计的根碳。林分级别的估算结果为...
模型性能
树木碳模型（方程4）对对照组和处理组的数据拟合良好，分别解释了84%和97%的观测变异（R2），而残株碳比例模型的R2值分别为0.32（对照组，方程6）和0.48（处理组，方程7）（补充表1）。处理组较高的R2可能是由于对照组中林分年龄和条件的变化较大，相对于处理组而言...
讨论
了解碳储量和生长速率如何响应立地条件和管理活动对于汤加斯地区乃至更广泛地区的森林规划和管理至关重要。在这里，我们使用模型来预测次生林分的当前碳储量和累积量，并在不同管理情景下预测碳储量和累积量的变化。预测疏伐如何改变这些林分的碳封存和储存目标是平衡...
结论
通过利用长期的地块重新测量数据集和立地生长潜力的估算，我们能够对阿拉斯加东南部次生林分的碳储量和积累率进行建模。这种空间和时间模型系统提高了对美国最大国家森林系统——汤加斯森林中变化最显著的碳储量的预测能力。在当前和未来条件下，模型的可用性将有助于改进预测和规划。
作者贡献声明
Michael C. Howe：撰写、审稿与编辑。D'Amore David V：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、研究设计、资金获取、概念构思。Dryw A. Jones：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、数据分析、概念构思。Frances Biles：撰写、审稿与编辑、验证、方法论、数据管理。Kellen N. Nelson：撰写、审稿与编辑。
资金支持
本研究的资金由美国农业部森林服务局太平洋西北研究站和USDA Northwest Climate Hub提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢Ray Taylor、Bill Farr和Mike McClellan对CSDS地块和数据的管理。同时感谢Dave Bassett及其他工作人员在重新测量地块和收集数据方面所做的贡献，这些工作使得本研究成为可能。我们也感谢USDA Northwest Climate Hub对我们工作的支持。
