综述：撒哈拉以南非洲的异国树木及其对生态系统的影响：以坦桑尼亚的Sao Hill为例

《Scientific African》：Exotic Trees and Ecosystem Impacts in Sub-Saharan Africa: The Case of Sao Hill, Tanzania

　　 Msafiri Yusuph Mkonda | Bastien Dieppois | Felister Mombo | Liliane Binego | Marco J. Van De Wiel
坦桑尼亚索科因农业大学（Sokoine University of Agriculture）自然与应用科学学院地理与环境研究系

**摘要**
撒哈拉以南非洲的大部分森林是重要的生态系统，支撑着许多人的生计。然而，森林中的主要树种被认为会导致森林生态系统中的大量水分流失，从而减少附近流域的补给。因此，有必要确定从土壤中流失的实际水量及其对周边生态系统地下水补给和服务的影响。通过布尔搜索，这项系统评价汇编了20年来Web of Science和Scopus上关于这些外来树种与水分流失之间协同作用以及其对地下水补给影响的科研成果。大多数研究表明，成熟的桉树每年可消耗约30-50立方米的地下水。这一数量减少了地下水补给的能力，并带来了多个社会生态方面的影响。为应对这一问题，以下是研究方向：（1）估算外来树种导致的当前和未来的水分流失量；（2）绘制人们对河流流域和森林生态系统依赖程度的现状及未来预测；（3）制定既能满足经济需求又能保护生态的合理措施；（4）将新知识整合到更广泛的森林、气候、水资源和发展政策中，以促进具有气候适应性的结构转型并促进公平与包容性。本文总结了圣山森林（Sao Hills Forest）的生态系统、经济和水文状况，并明确了未来研究的重点，特别是在气候变化和人口压力日益增加的背景下。

**引言**
在过去的一个世纪里，许多非本地树种（尤其是金合欢属、桉树、松树和Prosopis）被有意引入撒哈拉以南非洲地区，用于木材、薪材、单宁生产、防止侵蚀和提供荫蔽[1,2]。这些树种对社会、经济和生态发展至关重要，并且是重要的生计来源[3]。虽然这些植物种植带来了木材、柴火和收入等经济效益，但越来越多的研究表明，当它们逃逸出种植园并在景观中占据主导地位时，还会改变水分平衡，取代本地植被并减少某些生态系统服务。相关的影响已在多个国家得到证实。最近的综述综合了撒哈拉以南非洲地区的证据，指出了金合欢、桉树和松树的好处和危害，并强调了现有研究中的地理和物种偏见。例如，坦桑尼亚南部高地地区，特别是圣山森林，主要由用于多种社会经济目的的外来树种（如桉树和松树）组成[4]。然而，这些树木，尤其是桉树，因其所谓的负面环境影响以及无法提供必要的生产性和生态服务而存在争议[2]。这些争议包括对溪流和地下水源过度取水的问题[3,5]。

目前，圣山森林与鲁阿哈河（Great Ruaha River）之间存在水文联系，圣山森林作为集水区在调节河流流量方面起着关键作用[6]。森林吸收降雨，减少地表径流，使水分渗入地下，从而补充河流的水源[7]。由于圣山森林与鲁阿哈河支持相互关联的生态系统，该地区的野生动物（包括鸟类、灵长类动物等）在森林和河流之间移动，寻找食物、庇护所和水源[8]。此外，圣山森林的砍伐会导致土壤侵蚀加剧，从而增加鲁阿哈河的淤积[9]，这对水质和水生生物产生负面影响。相反，健康的圣山森林有助于维持稳定的河流流量，有利于下游社区、农业和水电发电[10]。鲁阿哈河对灌溉、水电发电和当地生计至关重要。圣山森林还支持林业活动，包括商业木材生产，必须对其进行可持续管理，以防止影响河流的环境退化[11]。因此，圣山森林通过影响水资源可用性、生物多样性和整体环境平衡，为鲁阿哈河的生态健康做出了贡献。

过去几十年里，鲁阿哈河的水量出现了明显而突然的下降[12]。尽管这种下降加剧了气候变化和流域内人类活动的影响，但其他因素也起到了作用。特别是圣山森林中桉树和松树的种植对河流的补给产生了影响[13]。此外，一些基线研究表明，沿河的人类活动（尤其是下游地区的农业活动）以及上游地区的森林砍伐也在加剧这一问题。气候变化的影响，特别是降雨量的显著减少，进一步恶化了这一状况[14]。然而，各个因素的具体贡献尚未得到明确证实。因此，估算圣山地区松树和桉树种植园造成的水分流失量，并评估用更可持续的农林业系统取代这些树种的成本效益非常重要[15]。预计这项分析将解决与坦桑尼亚流域保护和气候变化相关的重要知识空白，并促进与政策制定者和关键利益相关者的沟通，以便更好地制定河流流域和国家发展计划中的保护措施。例如，采用某种农林业系统（如林牧复合系统或Taungya系统）可以优化作物产量，增强生态系统服务，尤其是通过固碳[16,17]。此外，农林业作为适应气候变化挑战（如长期干旱和严重干旱）的机制，有助于减轻森林砍伐和土地退化带来的不利影响。这也表明，引入外来树种（如松树和桉树）显著导致了土地覆盖退化，最终减少了生物多样性和生态系统服务（包括水资源）。

**概念框架**
概念框架（图1）基于关于森林经济学和生态学的实证研究建立，明确了与水文流域的关联[18]。大量研究表明，某些外来树种会消耗土壤水分，影响地下水补给，进而影响河流流域[19]。这一问题因气候变化和人口快速增长而加剧[20]。人口增长导致对现有水资源的依赖增加，而这些资源可能不足以满足需求。

**材料与方法**
圣山森林和鲁阿哈河流域位于坦桑尼亚南部高地的农业生态区内，主要涵盖伊林加（Iringa）、姆贝亚（Mbeya）和松巴瓦尼亚（Sumbawanga）的乌菲帕高原（Ufipa Plateau），海拔高度在1200-2300米之间[21]。降水方面：南部高地地区降雨量呈单峰分布且稳定，范围在800至1400毫米之间；西南部（姆贝亚）降雨量也呈单峰分布，但范围稍低，为800至1000毫米；西部地区降雨量呈双峰分布，年降水量在1000至2000毫米之间[22]。该地区的主要土壤类型包括：
- 南部地区：起伏的平原和切割的山丘；
- 西南部（姆贝亚）：肥沃度中等的黏土土壤与火山土壤混合；
- 西部地区：裂谷上方的起伏高原，土壤为低肥力的沙质土壤；
- 南北地区：由沼泽山谷分隔的山脉，山丘上的土壤为低肥力的壤土和黏土，山谷则为冲积土和积水黏土。

圣山森林位于伊林加地区，面积约为135,903公顷（1,359平方公里），是东非最大的人工森林之一，主要由松树和桉树种植园组成，地理位置为南纬8°24.00′、东经35°5.00′。该地区种植的主要桉树品种包括：生长迅速、主要用于木材和造纸的Eucalyptus grandis，以及耐旱性强、用于薪材和防止侵蚀的Eucalyptus camaldulensis[23]。此外，种植的主要松树品种是Pinus patula和Pinus elliottii，由于生长迅速且木材质量好，但也会迅速消耗土壤水分[23]。选择这些树种是基于它们对当地气候的适应性和经济价值。

圣山森林的当地居民主要从事伐木、农业和畜牧业，部分人还从事养蜂[24]。降雨的时间、频率、量和强度显著减少，影响了玉米、小米、高粱、香蕉和水稻等主要作物的种植。总体而言，温度升高不明显，但在南半球夏季更为明显。

鲁阿哈河流域面积约为83,970平方公里（840万公顷），是农业、水电发电（包括尼雷雷水电站）、野生动物和家庭用水的重要水源，支持鲁阿哈国家公园及其周边地区的生态系统。该河流发源于坦桑尼亚南部高地，尤其是基彭格雷山脉（Kipengere Mountains），是鲁菲吉河（Rufiji River）的主要支流（贡献了近50%的水资源），对流域内的环境服务提供了重要支持。

在2005至2025年间，我们在Web of Science（WoS）核心数据库和Scopus中使用了布尔搜索关键词“森林生态系统AND水文学”、“森林AND经济学”以及“河流流域AND生计”，查找相关同行评审文章（表1和表2）。在测试了多种类似组合（如“森林生态系统AND经济学”和“造林AND水分流失”）后选择了这些关键词。这些搜索词导致结果过于宽泛，因此在WoS中进行了为期17032025年的搜索，共检索到406篇文章。从中筛选出与地下水、土壤湿度、水文学、森林种植园和农林业相关的文章，最终得到102篇（表1和表2）。接着，我们通过选择“开放获取”条件进一步过滤结果，得到35篇可供访问的文章。同日还在Scopus中进行了类似的搜索，共检索到386篇文章，排除了与森林种植园、森林经济学、水文学和土壤湿度相关的内容。最终得到51篇文章用于深入分析和评估（表1和表2）。

**系统评价的纳入和排除标准**
- **纳入标准**：
- 研究主题涉及外来树种、种植园及其生态/经济影响；
- 研究范围涵盖撒哈拉以南非洲（重点关注坦桑尼亚/圣山地区）；
- 研究设计为实证研究（实地研究、案例研究、实验、调查、系统评价和建模研究），与研究问题相关；
- 出版物类型为同行评审文章、实证研究和系统评价；
- 出版物为具有研究质量的期刊文章、博客、通讯或灰色文献；
- 时间范围为2005–2025年的出版物（以捕捉最新趋势和影响）；
- 语言为英语；
- 数据质量要求：方法明确、数据可靠、结果透明；
- 无重复记录。

**参考文献**
过去20年的参考文献摘要见表1、表2和图2。近年来，关于水资源管理的文献显著增加，这可能是由于该地区用水需求上升以及人口快速增长所致。此外，来自全球北方和南方的研究人员之间的合作也更加紧密，导致每篇论文的作者数量增加。下载：下载高分辨率图片（350KB）下载：下载全尺寸图片图2. PRISMA流程图展示了纳入系统评价的研究选择过程（共纳入51项研究）。来源：Scopus和Web of Science。

**结果与讨论**

**Sao Hills森林的生态系统保护**
桉树和松树是该地区种植最广泛的树种，构成了Sao Hills森林的重要部分[25]。这些森林提供了多种生态系统服务，包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务[26]。因此，对该地区生态系统的管理至关重要[27]。目前当地的保护措施强调参与式森林管理（PFM），即将当地社区纳入森林资源的管理中[28]。这种方法已在其他国家尤其是东亚地区得到应用[5]。此外，这种方法还确保了水资源的可持续性，从而促进了该地区乃至更广泛范围内的水资源安全[29]。实际上，这一策略是针对社会经济挑战和捐助者优先事项变化而发展起来的[30]。

在实践中，PFM的实施改善了森林管理者与周边社区之间的关系[4]。通过让当地居民参与决策和利益共享，这种方法旨在加强保护工作并促进资源的可持续利用。然而，这种转变也不可避免地鼓励了私营部门进入原本由国家控制的种植园领域，导致了土地竞争加剧和森林侵占问题。

总体而言，Sao Hills森林的参与式管理策略体现了灵活和适应性的管理方法，同时平衡了环境保护与社会经济发展[10,31]。它强调了社区参与可持续森林管理的重要性，同时也指出了此类转变可能带来的复杂性和意外后果。

**政策方面的差距**
《国家森林政策实施战略（2021-2031）》提出了通过保护森林生物多样性、集水区和土壤肥力来确保生态系统稳定的目标。策略包括促进森林保护区的建立和管理，并鼓励利益相关者参与生态系统保护[1,32]。然而，这些策略的有效性取决于其在特定地区（如Sao Hills）的实际情况以及针对当地挑战制定详细的行动计划。要解决这些政策差距，需要为生态系统保护制定针对性的策略，建立有效的火灾预防和控制机制，并制定有利于社区参与种植园森林保护的政策。

**Sao Hills森林中桉树和松树的经济效益**
坦桑尼亚的Sao Hills森林种植园是桉树和松树种植的重要区域，对当地经济做出了重要贡献[33]。研究表明，南部高地的林业活动，包括Sao Hill地区，对小型农户来说是盈利的。例如，研究显示该地区的林业活动的毛利率为21%，投资回报率为26%[34]。桉树和松树是主要种植的树种，其中松树在某些地区更为常见。这些种植园的盈利能力受土地收购成本、地块生产力以及与土地准备和维护相关的费用等因素影响[35]。其中，土地购置费用占了初始投资的很大一部分。除了木材生产外，Sao Hills的松树种植园还提供了其他经济机会。例如，从Pinus patula和Pinus elliottii等树种中提取树脂可以在树木达到完全成熟之前带来早期收入。将树脂提取整合到现有的木材生产计划中可以提高这些种植园的整体经济效益。

然而，需要注意的是，这些种植园的经济效益并不均匀分布[36]。虽然某些地区经济效益显著，但其他地区可能没有达到同样的水平。此外，人们也对大规模种植园对当地社区的影响表示担忧，特别是在土地使用和获取方面。一些研究表明，森林种植园可能会通过减少可用于农业的土地而影响当地生计。

总之，Sao Hills森林中的桉树和松树种植园通过盈利的林业活动和树脂提取等额外收入来源为当地经济做出了积极贡献。然而，这些经济效益在不同地区可能存在差异，因此必须考虑并解决对当地社区的社会经济影响，以确保可持续和公平的发展。

**可持续性和环境成本问题**
桉树和松树会消耗土壤水分，从而影响邻近的Great Ruaha河流域的地下水。从社会经济角度来看，一些研究表明种植园会减少可用于农业的土地并对当地生计产生负面影响，但关于长期社会经济后果的详细研究仍有限[14,37]。因此，需要进一步研究这些种植园对就业、土地所有权和粮食安全的影响。

**桉树和松树对水资源消耗的影响及其对Great Ruaha河流域的后续影响**
桉树由于需水量大，会增加蒸腾作用，从而导致径流量减少，特别是在干旱地区，这可能使地下水位下降。大多数气候条件下，成熟桉树的年用水量约为30-50立方米/株[40]。表3总结了不同大小桉树的年用水量估算。

**桉树和松树对水资源消耗的影响及其对Great Ruaha河流域的后续影响**
桉树通过蒸腾作用大量消耗水分，导致周围地区的水资源减少，尤其是在密集种植的情况下（表3）。它们的树冠能够截留大量降雨，从而进一步减少到达地面的水量，可能影响下游水源并使松树林生态系统变得更干燥[41]。因此，在Sao Hills森林的管理中，必须综合考虑水文气候风险和社会生态公平性，以适应Great Ruaha河流域的需求。

**Great Ruaha河流域的社会、经济和生态意义**
Great Ruaha河流域在坦桑尼亚具有重要的社会、经济和生态价值，它对支撑当地生计、经济活动和环境可持续性起着关键作用[44]。除了人类用水外，这条河流还对维持生态系统至关重要，有助于调节水循环并影响局部降雨模式，从而保障该地区的水资源供应[45]。从生态角度来看，它提供了必要的生态系统服务，如调节水质、控制洪水和维护生物多样性，间接惠及畜牧业和渔业。在社会经济方面，该河流域带来了多种好处，从小规模到大规模的应用都有。农业和灌溉是其中的关键受益领域。例如，在Usangu平原，水稻种植严重依赖Great Ruaha河流的灌溉，这有助于粮食安全和经济发展[47]。该流域约占坦桑尼亚水稻总产量的15%。2000年代，Usangu流域的灌溉面积扩大到了近4万公顷，小规模农户的产量通常为每公顷1.6至2.4吨，而灌溉区的产量可达5至6吨/公顷[46]。这意味着4万公顷的灌溉面积可生产约9.6万吨水稻[44]。如果灌溉区的产量能保持每公顷6吨，总产量有望增加到24万吨[48]。这些数据得到了Mbalali地区农业办公室的证实。与撒哈拉以南非洲其他地区相比，这一数据较为理想。

此外，松树通过蒸腾作用也会消耗大量水分，特别是在密集种植的情况下[39]。因此，在制定森林管理计划时，必须充分考虑这些因素。松树通常适应干旱和贫瘠的土壤，其深根系统能够获取许多其他植物无法触及的深层土壤水分[42]。但在水资源有限的地区，密集的松树林或种植园会降低土壤湿度，影响其他植物的生长。某些松树品种（如loblolly pine）特别耗水[43]。未来，林业和遗传学领域的科学家需要合作，以深入了解水分与生长之间的关系，从而更好地匹配种植地点、品种和栽培方法。

总之，Great Ruaha河流域在支持当地生计、经济发展和环境保护方面具有重要意义。然而，其可持续性和环境成本仍面临挑战，需要加强保护措施以确保其持续的生态服务供应。许多鸟类、两栖动物和鱼类也依赖于这条河流的生态系统。河流是至关重要的生命线，尤其是在干旱季节，其他水源可能会干涸时。在气候调节方面，大鲁阿哈河通过支持健康的湿地来帮助调节水流并防止土壤侵蚀[8]。对于旅游业而言，这条河流是鲁阿哈国家公园的主要吸引点，这里生活着大量的大象、河马、鳄鱼以及各种鸟类。该公园吸引了游客，创造了外汇收入，并为酒店业、导游服务和公园管理领域提供了就业机会[47]。河流对野生动物种群的支持使其成为公园野生动物旅游的核心要素。此外，这条河流对当地社区具有文化价值，其重要性常常被纳入生态旅游项目中，游客通过这些项目了解当地人与河流之间的关系。因此，河流的生态健康对可持续旅游至关重要，许多旅游经营者都注重采取负责任和环保的做法，以确保其生物多样性和美景能够为后代所保留。

在大鲁阿哈河流域，它还是周边地区城市和农村居民的重要水源，为伊林加（Iringa）和姆贝利亚（Mbeya）等地区提供饮用水。清洁的饮用水对公共卫生和卫生条件至关重要。伊林加及周边地区的居民依赖这条河流来满足基本生活用水需求。这条河流对于维持水库的水量也非常重要，这些水库用于储存未来的用水。这种水资源保障在撒哈拉以南非洲的其他主要河流流域也有体现，包括西非的尼日尔河和沃尔特河流域、中非的刚果河流域、东非的尼罗河、塔纳河和阿蒂河流域，以及南非洲的林波波河、奥卡万戈河和赞比西河流域[49,15]。

尽管有这些好处，大鲁阿哈河的水位仍受到季节性变化的影响，在干旱期间河水可能会干涸，导致当地居民面临饮用水短缺的问题[50]。这种季节性波动给长期水资源管理带来了挑战。因此，需要制定可持续和长期的管理计划来维护这条河流的生态平衡。

在大鲁阿哈河沿岸地区，该河流对坦桑尼亚的工业和经济发展起着重要作用，尤其是在伊林加和姆贝利亚地区。它在农业、电力生产和当地工业中发挥了重要作用。河流的水资源支持了多种产业，如农产品加工和制造业，促进了贸易和就业机会，从而推动了区域和国家的经济发展。

大鲁阿哈河流域的可持续性取决于多个跨部门的政策，特别是来自水资源、农业、环境、住房、自然资源和旅游以及基础设施等部门的政策。这些政策必须协调一致，以全面解决相关问题[3]。由于这条河流流经坦桑尼亚的不同地区，地方、区域和国家当局之间的协调对于有效保护河流生态系统至关重要[12]。除了地区间的合作外，还可以与国际组织和邻国建立合作关系，分享知识、技术支持和资金资源，特别是在森林和水资源保护方面。将这些政策纳入一个整体的框架中对于确保大鲁阿哈河的长期可持续性至关重要，从而造福环境及依赖它的当地社区。

本研究提供了关于外来树种（如桉树、松树）对圣希尔（Sao Hill）地区水文系统和森林生态系统影响的具体数据，揭示了经济收益（木材、纸浆、就业）与生态成本（水资源耗尽、生物多样性丧失、土壤退化）之间的平衡或失衡。同时，它也为坦桑尼亚及其他撒哈拉以南非洲国家的林业、水资源和土地使用政策提供了指导。

为了保护森林生态系统、增加地下水补给量并恢复河流流量，应考虑采取诸如多样化造林、农林业结合和水资源保护等可持续管理策略。基于研究结果，未来的研究方向包括：（1）估算当前及未来外来树种导致的水资源消耗量；（2）绘制当前及未来人们对河流流域和森林生态系统依赖程度的地图；（3）制定平衡经济和生态需求的适宜且可持续的措施（例如推广适合水资源的农林业系统）；（4）将新的研究成果整合到更广泛的森林、气候、水资源和发展政策及实践中，以促进具有气候适应性的转型，并促进公平与包容。

**作者声明：**
Msafiri Y. Mkonda：负责审稿、编辑、分析和验证。
Bastien Dieppois：负责起草初稿、验证和调查。
Felister Mombo：负责起草初稿、数据可视化、方法论制定、调查和正式分析、概念构建。
Liliane Binego：负责审稿和编辑、验证。
Marco J. Van De Wiel：负责审稿和编辑。

**未引用的参考文献：**[52]CRedi