《Journal of Arid Environments》：Topography-mediated aboveground biomass (AGB) carbon storage in semiarid Patagonia: native forests and pine plantations at the landscape scale
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塔蒂亚娜·亚历山德拉·瓦尔弗雷-乔里奥洛（Tatiana Alejandra Valfré-Gioréllo）、利桑德罗·阿戈斯特（Lisandro Agost）、乔治娜·孔蒂（Georgina Conti）、卡拉·蒙特罗（Carla Montero）、玛丽亚·埃莱娜·奥内托（M
塔蒂亚娜·亚历山德拉·瓦尔弗雷-乔里奥洛（Tatiana Alejandra Valfré-Gioréllo）、利桑德罗·阿戈斯特（Lisandro Agost）、乔治娜·孔蒂（Georgina Conti）、卡拉·蒙特罗（Carla Montero）、玛丽亚·埃莱娜·奥内托（Maria Elena Oneto）和丹尼尔·罗伯托·佩雷斯（Daniel Roberto Pérez）
阿根廷内乌肯省科马韦国立大学（Universidad Nacional del Comahue）环境与健康科学学院（Facultad de Ciencias del Ambiente y la Salud）的干旱和半干旱生态系统恢复与修复实验室（Laboratorio de Rehabilitación y Restauración de Ecosistemas áridos y Semiáridos，LARREA），地址：布宜诺斯艾利斯1400，邮编8300
摘要
精确绘制森林碳储量和生物多样性的地图对于指导保护和气候缓解策略至关重要，特别是在地形复杂的山区。我们整合了遥感数据（光学、SAR、LiDAR）、地形变量和实地调查资料，使用嵌套交叉验证框架通过随机森林回归模型（Random Forest Regression）对半干旱安第斯-巴塔哥尼亚地区的天然森林和松树林的总生物量（AGB，Above Ground Biomass）碳储量进行了分析。具体目标包括：(i) 对植被类型进行分类；(ii) 估算AGB碳储量及其不确定性；(iii) 研究植被和地形对AGB碳储量的影响；(iv) 比较不同植被类型的下层植被生物多样性。模型的性能表现为中等至较高水平（R2 = 0.78，RMSE% = 33.86%）。松树林与天然森林在AGB碳储量上存在显著差异，但在中海拔（1400–1500米）和缓坡（0–10°）条件下，两者储存的碳量相当（每公顷100兆克碳）。天然森林比松树林支持更高的生物多样性（物种丰富度分别为4.60 ± 0.34 vs 0.10 ± 0.07），并且占据更广泛的地形范围。海拔和坡度是影响这两种植被类型AGB碳储存空间分布的关键因素。管理策略应优先考虑在能维持高AGB碳储量的同时保护并恢复天然森林的地区。
引言
全球气候变化是我们这个时代最紧迫的挑战之一，其对自然系统和人类社会的影响需要有效的缓解策略（IPCC，2014年）。提出的措施中，“自然气候解决方案”包括保护天然生态系统以及旨在提高生态系统生产力的恢复措施（Griscom等人，2017年；Ameray等人，2021年；Pan等人，2024年）。森林在这些策略中占有核心地位，因为它们能够长期固碳和储存碳，是重要的生物多样性宝库，并且容易受到干扰，这种干扰可能导致大量碳重新释放到大气中（Hua等人，2022年；Pan等人，2024年）。
涉及非本地物种的造林活动在全球范围内正在扩大，这主要是受气候政策和碳信用市场的推动（Tudor等人，2025年）。外来针叶树，特别是松树（Pinus）物种，因其快速的生长速度而受到广泛推广（Richardson和Rejmánek，2004年）。然而，在阿根廷巴塔哥尼亚的干旱地区，非本地松树种植园的生产力水平与天然森林相当，且它们对气候变暖的反应可能更为负面（Reiter等人，2025年）。此外，这些种植园还会带来多种社会生态成本，包括入侵物种的扩散、火灾风险增加、水资源消耗加剧和生物多样性丧失（Brockerhoff等人，2008年；Simberloff等人，2010年），尽管它们可能在短期内通过收获周期（Ameray等人，2021年）和快速的碳周转（Araujo和Austin，2020年）带来碳收益。相比之下，天然森林可以通过生命周期中的持续生物量积累实现长期碳储存（K?rner，2017年），同时还能支持生物多样性保护、水资源调节和文化价值的维护（Díaz等人，2018年）。这些对比突显了在评估基于种植园的方法与保护天然森林的潜力与局限性时的必要性。
在景观尺度上，地形影响森林碳储量的空间分布（Wang等人，2019年；Zhao等人，2023年）。海拔、坡度和朝向影响局部环境条件，如温度、降雨量、太阳辐射和土壤特性（K?rner，1999年）。这些变量又反过来影响森林结构和生产力，从而调节整个景观的碳积累（Zhao等人，2023年；Xu等人，2023年）。地形对碳储存的影响幅度和方向因区域气候和土壤特征而异，因此在场地级规划和森林管理中必须明确考虑这些因素（Zhengchao等人，2016年）。尽管如此，大规模碳核算模型往往忽视或未能充分反映地形变量的综合效应。
遥感技术可以通过实现大面积评估来克服传统森林调查的局限性；然而，其准确性取决于传感器响应与目标变量之间的稳健相关性，而这可能因森林类型和地形梯度而异。光学传感器可以量化生物物理参数，但在密集树冠中容易受到光谱饱和的影响（Mutanga等人，2023年）。相比之下，合成孔径雷达（SAR）数据可以通过后向散射捕捉垂直结构（例如树冠高度、叶面积指数），但在密集植被中C波段的信号饱和度有限（Moreira等人，2013年）。机载LiDAR提供详细的垂直剖面，但其空间覆盖范围较窄（Dubayah等人，2020年）。结合光学、SAR和LiDAR数据的综合方法有潜力提高碳储量和森林结构的预测精度，但必须解决分辨率不匹配和地形引起的误差等问题（Dong等人，2024年）。
在这种背景下，机器学习算法（如随机森林）为整合实地测量数据与多传感器遥感数据提供了灵活的框架，能够处理非线性关系、识别关键预测因子和抑制噪声（Breiman，2001年）。这些方法在复杂地形中尤为适用，因为地形既影响生态过程，又通过SAR和LiDAR数据中的扭曲和阴影效应影响遥感信号的质量（Luo等人，2025年）。因此，融入地形变异性在内的建模框架有望提高碳储量的空间表征精度。尽管取得了这些进展，在不同地区建立长期基准仍面临挑战，尤其是在异质性显著的景观中。
了解地上生物量碳储量（以下简称AGB碳）的数量和空间分布，以及调节这些储量的地形变量，对于评估造林项目的效果和制定有效的森林管理策略至关重要。在这项研究中，我们结合实地测量数据和多源遥感数据，利用随机森林回归模型估计了巴塔哥尼亚西北部山区天然森林和松树林的AGB碳储量。具体目标包括：(i) 对森林类型进行土地覆盖分类；(ii) 评估多传感器预测因子在估算AGB碳储量及其不确定性方面的表现；(iii) 量化并绘制植被和地形对AGB碳储量的影响。我们还增加了评估松树林的一个主要后果——生物多样性丧失的目标。为此，(iv) 我们比较了森林种植园和邻近天然森林的下层植被多样性，并探讨了这些差异的潜在生态影响。
章节摘要
研究区域
本研究聚焦于阿根廷巴塔哥尼亚西北部安第斯地区的科迪勒拉诺尔特（Cordillera Norte，Bran等人，2002年）地区（南纬36°50′，西经70°50″，内乌肯省米纳斯省；图1A），海拔范围为1200至3000米。该地区属于地中海气候类型，冬季寒冷湿润，夏季温暖干燥（Paruelo等人，1998年），年平均气温为10°C。降水量介于600至1000毫米/年，呈西向东梯度分布。
土地覆盖分类
土地覆盖分类（图1B）显示，本地草本草原植被占主导地位（42%，面积22,566公顷），其次是本地灌木草原（24%，面积12,908公顷）、松树林（15%，面积8,056公顷）、天然森林（14%，面积7,540公顷）、湿地（3%，面积1,702公顷）和裸露土壤（2%，面积974公顷）。随机森林模型在外部数据集（OOB）上的准确率为85%，Kappa指数为0.81，表明分类效果良好。
基于实地的AGB和生物多样性测量
实地测量结果显示，不同类型的植被在结构上和生物多样性上存在显著差异
讨论
我们的结果表明，即使是在相对较小的地形梯度上，地形——特别是海拔——也在塑造两种森林类型的AGB碳储量的空间分布中起核心作用。虽然松树林的AGB碳储量较高，但在特定的地形条件下，天然森林也能达到相当的碳储量，显示出在半干旱山区保护特有生物多样性的重要性，这表明碳储量和生物多样性之间存在权衡
结论
我们发现，在半干旱山区环境中，普遍认为外来种植园比天然森林储存更多碳的观点并不总是成立。我们的研究结果表明，在特定的地形条件下——尤其是在中海拔和缓坡地区——天然森林的AGB碳储量可以与松树林相当。此外，天然森林中记录到的更高生物多样性水平，尤其是特有物种的丰富度，进一步强调了它们的价值
塔蒂亚娜·亚历山德拉·瓦尔弗雷-乔里奥洛：概念构思、数据整理、正式分析、研究调查、方法论设计、软件应用、验证、初稿撰写及审稿编辑。利桑德罗·阿戈斯特：正式分析、方法论设计、软件应用、数据可视化、审稿编辑。乔治娜·孔蒂：概念构思、研究指导、项目协调、资源筹集、监督工作及审稿编辑。卡拉·蒙特罗：概念构思、资金获取、项目管理、资源协调、监督工作及审稿
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的利益冲突或个人关系。
致谢
本研究是T.A.瓦尔弗雷-乔里奥洛的博士后研究项目，得到了阿根廷CONICET和Y-TEC的资助。资金由Y-TEC通过FUNYDER提供。我们感谢R.C.托雷斯博士、J.埃尔南德斯律师和F.N.佐尔巴拉斯律师在野外工作期间提供的支持。
