《Journal of Plant Ecology》：Spaceborne LiDAR reveals 3D structural differences between natural forests and tree plantations in China
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【编辑推荐】为评估中国大规模植树造林的生态成效，研究人员利用GEDI星载激光DAR数据开展全国尺度研究。结果显示：天然林在冠层高度(ΔRH98=0.58m)、叶高多样性(ΔFHD=0.06)、植物面积指数(ΔPAI=0.22)和冠层覆盖度(ΔCover=0.04)上均优于人工林。研究强调需通过近自然管理提升人工林生态系统服务功能。
在全球森林恢复的浪潮中，中国通过大规模植树造林实现了森林面积的显著增长，成为世界上人工林面积最大的国家。然而，这些人工建造的森林是否真正具备了类似天然森林的复杂结构特征，进而能够提供完整的生态系统服务，始终是生态学界关注的焦点问题。传统的地面调查方法难以实现全国尺度的森林结构精准对比，而新兴的星载激光雷达技术为破解这一难题提供了新的视角。
近期发表在《Journal of Plant Ecology》的研究论文《Spaceborne LiDAR reveals 3D structural differences between natural forests and tree plantations in China》首次利用全球生态系统动力学调查(Global Ecosystem Dynamics Investigation, GEDI)数据，结合线性混合模型(linear mixed model)分析，系统评估了中国天然林与人工林在三维结构方面的差异。该研究为理解人工林的生态功能提供了重要的科学依据。
研究团队采用GEDI星载激光雷达数据，通过对全国范围内天然林和人工林的对比分析，重点考察了四个关键结构指标：冠层高度(RH98)、叶高多样性(foliage height diversity, FHD)、植物面积指数(plant area index, PAI)和冠层覆盖度(canopy cover)。研究样本覆盖了中国主要植被区域，确保了结果的代表性。
冠层结构差异显著
研究发现，天然林在所有结构指标上均优于人工林。具体而言，天然林的平均冠层高度比人工林高出0.58米(ΔRH98=0.58 m)，叶高多样性差异为0.06(ΔFHD=0.06)，植物面积指数差异为0.22(ΔPAI=0.22)，冠层覆盖度差异为0.04(ΔCover=0.04)。这些差异表明天然林具有更加复杂和丰富的垂直结构。
区域异质性明显
研究进一步发现结构差异存在明显的空间变异。暖温带落叶阔叶林区域在ΔRH98、ΔPAI和ΔCover方面表现出最大差异，而寒温带针叶林区域则显示出最大的ΔFHD值。这种区域差异提示不同气候带内天然林与人工林的结构分化程度存在显著区别。
环境条件的影响机制
通过线性混合模型分析，研究揭示了环境因子对结构差异的调节作用。在水热条件更为有利的地区，ΔPAI和ΔCover呈现下降趋势，表明优越的环境条件可以缩小人工林与天然林在植物面积指数和冠层覆盖度方面的差距。
这项研究的重要意义在于首次从国家尺度量化了中国天然林与人工林的三维结构差异，为评估人工林的生态功能提供了新的指标体系。研究结果强调，在人工林建设中不仅需要关注面积扩张，更应重视林分质量的提升。通过选择适宜的建设地点和实施近自然管理措施，可以有效促进人工林结构的复杂化，从而增强其生态系统服务功能。该研究为全球森林恢复实践提供了重要的科学指导，推动了从"单纯植树"向"构建近自然森林生态系统"的转变。
研究采用的关键技术方法包括：GEDI星载激光雷达数据获取与处理技术，用于提取森林三维结构参数；线性混合模型统计分析，用于评估结构差异及其与环境因子的关系；全国尺度样本布设方案，覆盖中国主要植被区域；多指标协同评估框架，同时考察冠层高度、叶高多样性、植物面积指数和冠层覆盖度等关键参数。
主要研究结果
天然林与人工林结构差异显著
通过对比分析发现，天然林在冠层高度、叶高多样性、植物面积指数和冠层覆盖度四个维度均显著优于人工林，证明天然林具有更加复杂的垂直结构特征。
区域差异特征明显
不同植被区域的结构差异程度存在明显区别，暖温带落叶阔叶林区域在多数指标上差异最大，而寒温带针叶林区域在叶高多样性方面差异最为突出。
环境因子调节作用
水热条件对结构差异具有显著调节作用，适宜的环境条件有助于缩小人工林与天然林在植物面积指数和冠层覆盖度方面的差距。
研究结论与讨论
本研究通过星载激光雷达技术揭示了我国天然林与人工林在三维结构方面的系统性差异。这些差异不仅体现在简单的冠层高度指标上，更表现在叶高多样性等反映森林结构复杂度的关键参数上。研究结果强调，当前的人工林建设在恢复森林面积的同时，仍需在提升林分质量方面加大努力。
讨论部分指出，人工林与天然林的结构差异可能源于多种因素，包括树种选择、林分年龄、经营措施等。特别是在不同植被区域内，环境条件的差异进一步影响了人工林的结构发育。研究建议在人工林建设中应充分考虑区域环境特征，选择适宜的造林地和树种配置，同时推广近自然经营技术，促进人工林向结构复杂、功能完善的方向发展。
这项研究为全球森林恢复实践提供了重要的科学依据，推动了从单纯追求森林面积增长向提升森林质量和生态功能的转变。研究建立的基于星载激光雷达的森林结构评估方法，也为未来森林动态监测和生态效益评估提供了新的技术路径。
