面向精准管理的芬兰排水泥炭地森林生产力分类与制图

本文为解决排水泥炭地森林管理决策中缺乏高分辨率生产力数据的问题，研究人员利用多源国家森林清查（MSNFI）数据、泥炭地肥力等级和排水强度信息，构建了一个用于芬兰排水泥炭林生产力分类的开源数据集。研究通过2000-2021年间蓄积量时序数据分析，将生产力分为五类，并指出约83%的区域为中等或高生产力。该数据集整合了林分边界、排水沟密度/间距和肥力等级，旨在支持针对性的森林管理、温室气体减排、欧盟生态恢复法律和淡水指令的实施，推动泥炭林精准管理。

　　

泥炭地，这些在北方欧亚大陆广泛分布的特殊湿地生态系统，在人类活动干预下正经历着深刻的转变。尤其在北欧和波罗的海国家，为了发展林业，大量泥炭地通过挖掘沟渠（开沟排水）的方式进行改造。以芬兰为例，其国土面积约三分之一被泥炭地覆盖，其中超过一半的泥炭地已为林业目的进行了排水。这一转变虽然创造了重要的区域性木材资源，但也带来了一系列复杂的生态后果：森林与开阔栖息地之间的多样性减少、物种组成发生显著变化，同时，排水后的泥炭地森林成为了温室气体（GHG）向大气排放的源，并向水体输出了大量的营养物质和碳。因此，如何在维持其经济效益的同时，最大限度地减少其对环境的负面影响，已成为当前泥炭地管理面临的核心挑战。

目前，针对排水泥炭地的管理主要基于由地面植被和立木特征划分的肥力等级。然而，这些等级内部变异巨大，且生产力不仅取决于土壤肥力，还受到气候、水文条件等多种因素的影响。更关键的是，林业实践正日益向精准林业的方向发展，它强调整合特定地点的信息和先进的传感技术，以支持数据驱动的决策。这就迫切需要比现有肥力等级更精确、空间更明确的立地生产力评估信息。长期以来人们已认识到，部分排水泥炭地实际上并不适合生产性林业，它们因土壤氮缺乏、氮磷钾比例失衡或地形限制导致的排水不足等原因而长期维持低生产力。在芬兰，这类低产区域的面积估计在50万至100万公顷之间，约占全部林业排水泥炭地面积的10-20%。如何精准识别这些区域，并据此设计未来的管理方案——无论是生态恢复还是继续营林——对于平衡经济与生态目标至关重要。排水强度（通过沟渠密度和间距反映）深刻影响着地下水位，进而影响树木生长、土壤碳储存和养分流失。理解排水强度对于平衡林业目标与环境影响（如碳保留、恢复和水质）至关重要。

为了应对上述挑战，一项旨在为芬兰排水泥炭地森林提供精确生产力分类的研究应运而生，其成果发表在《European Journal of Forest Research》上。该研究利用最新的泥炭地测绘、排水强度的空间分析和森林资源数据的自动分割技术，整合了2000年至2021年的多源国家森林清查（MSNFI）时间序列数据、泥炭地肥力等级图和高分辨率排水网络数据，首次在国家尺度上构建了一个开放可用的数据集，对排水泥炭地森林进行生产力分类。该数据集包含了林分边界、来自MSNFI的最新林分信息、林分生产力分类（1-5级）、沟渠密度与间距以及立地肥力等级，为排水泥炭地森林的管理、温室气体减排、欧盟恢复法律和淡水指令的实施提供了有力的决策支持。

主要关键技术方法

研究主要运用了以下几个关键技术方法：1. 使用多源国家森林清查（MSNFI）2000-2021年间的时序蓄积量图作为核心数据源，计算林分蓄积量的上四分位数（Q75%）和下四分位数作为生长评估依据。2. 结合机载激光扫描（ALS）生成的冠层高度模型（CHM）、MSNFI林分高度和树种蓄积量图，以及泥炭地肥力等级数据，采用基于有向树的图像分割算法自动划定泥炭地林分边界。3. 利用芬兰国家地形数据库提取沟渠网络数据，计算每个林分的沟渠密度和沟渠间距，以量化排水强度。4. 基于芬兰气象研究所的10km网格化日均温度数据，计算有效积温（TS）作为气候因子。5. 使用多类别逻辑回归模型，以沟渠密度、有效积温、肥力等级、MSNFI林地等级和地理区域为预测变量，探索这些因子对生产力分类的影响。

研究结果

基于MSNFI时间序列的排水泥炭地森林生产力分类

研究将排水泥炭林划分为五个生产力等级（1：无生产力，Q75% < 30 m³ha^-1；2：高产幼林；3：低产，Q75% < 45 m³ha^-1；4：中等生产力；5：高产）。结果显示，约83%的林业排水泥炭地为高产或中等生产力。被识别的低产区（无产力级和低产力级）总面积约为78.2万公顷，占全部林业排水泥炭地的17%。这些低产林分主要分布在芬兰最北端地区。在芬兰南部，超过90%的排水泥炭林具有良好或至少中等的生产力。

与早期经济可行性分类的比较

研究将基于蓄积量的分类结果与早期基于有效积温和立地肥力等级评估木材生产经济可行性的分类方法进行了比较。当使用1981-2010年期间的积温数据时，被判定为经济不可行的面积高达113.679万公顷（占总排水泥炭地面积的24%）。而当使用更近期的1991-2020年积温数据时，这一面积显著下降至68.85万公顷。基于MSNFI蓄积量的生产力分类得出的低产面积估计通常低于经济可行性分类的结果，尤其是在北部地区，气候变暖导致的积温增加似乎减少了被归类为经济不可行的区域面积。

通过沟渠密度、肥力和有效积温探索生产力影响因素

多类别逻辑回归模型（整体准确率69%）分析表明，沟渠密度和有效积温是解释生产力等级的最强变量。更高的排水强度和更温暖的气候条件有利于更高的生产力。沟渠密度与高产等级（5级）呈正相关，与无生产力等级（1级）呈负相关。有效积温的影响强度超过沟渠密度（对1级的系数为-0.46对比-0.36；对5级为0.68对比0.60）。立地肥力（数值越低肥力越高）对生产力有积极影响，而MSNFI林地等级（数值越低生产力越好）与本研究基于时间序列的分类结果一致。地理区域的影响微乎其微。数据还揭示了一些即使经过高强度排水（沟渠间距≤30米）但仍然低产的林分，这突显了除排水外其他限制因素（如养分缺乏）的存在。

研究结论与重要意义

本研究开发了一套方法论并构建了一个空间数据集，首次在国家尺度上结合多种数据源，对排水泥炭地森林的生产力进行了详细分类。该研究确定了芬兰约17%（78万公顷）的排水泥炭林为低产区域，并明确了其空间分布，其中大部分位于北部地区。研究证实，有效积温和排水强度是解释生产力高低的关键驱动因素，而立地肥力等级也发挥着重要作用。

这一数据集具有重要的实践意义。它支持针对不同生产力、肥力等级和排水条件的林分，实施差异化的精准管理策略，例如针对性的施肥、调整沟渠维护强度或选择适宜的树种。对于被识别出的低产区域，该数据为评估其生态恢复潜力（例如，作为实施欧盟《自然恢复法》的潜在目标区域）提供了科学依据，有助于在恢复生物多样性和减缓气候变化之间做出权衡。同时，该数据集还能改进国家温室气体清单编制和“碳农业”背景下的碳清除认证，因为不同生产力等级和排水强度的泥炭地其碳排放因子存在显著差异。

研究还揭示，气候变暖正在改变泥炭林的生产力格局。与基于较早气候期（1981-2010）的评估相比，使用近期（1991-2020）有效积温数据评估的经济不可行面积大幅减少，这表明在变暖的气候下，部分北部泥炭地的生产力可能提升，从而使其林业管理重新变得经济可行。然而，未来生产力也受到干旱胁迫、养分限制和病虫害增加等不确定因素的制约。

综上所述，这项研究为芬兰排水泥炭地森林的可持续管理提供了宝贵的空间决策工具。通过整合生产力、排水强度和肥力信息，该数据集能够帮助土地管理者、政策制定者和研究人员优化管理实践，在保障木材生产的同时，最大限度地降低环境成本，并促进泥炭地生态系统服务的恢复，是迈向泥炭地精准管理与多目标协同的重要一步。