儲備狀態和干擾對美國西部森林結構復雜性和碳儲存的影響
《Forest Ecology and Management》：Effects of reserve status and disturbance on structural complexity and carbon storage in western U.S. forests
【字體：
大
中
小
】
時間：2026年02月28日
來源：Forest Ecology and Management 3.7
編輯推薦：
森林管理對結構復雜性和碳儲存的影響。研究顯示美國西部保留森林在大型活樹、snag、粗木質殘體及整體結構復雜性指數上顯著高于非保留森林（P<0.0001），樹砍伐是影響差異的主要因素，而火災和蟲害影響較小。結論表明保留森林能有效保護碳和結構，尤其在極端干擾下。
愛德華·K·費森
海斯特德基金會，127 Lonetown Road，雷丁，康涅狄格州 06896，美國
摘要
在適度的自然干擾機制下，森林會隨著時間的推移發展出復雜且碳含量高的結構。有觀點認為，更極端的自然干擾可能會簡化森林結構并減少林分的碳儲量。本文研究了美國西部遭受嚴重火災和蟲害侵襲的森林的兩種替代假設：受保護（“保留”）的森林由于免于砍伐而（1）具有更高的結構復雜性和生物量碳含量；或者（2）由于缺乏管理導致抵抗力下降而結構復雜性和生物量碳含量較低。本文利用美國農業部森林清查與分析數據，在區域和子區域尺度上比較了保留森林和非保留森林的情況。同時評估了伐木、樹冠火災和昆蟲對森林狀況的相對影響。在區域尺度上，保留森林的大樹數量（+37%）、大倒木數量（+39%）、粗木質殘余物數量（+21.5%）、地上生物量碳含量（+11%）以及整體結構復雜性指數（SCI；P < 0.0001）均高于非保留森林。伐木是影響結構復雜性和碳含量的最顯著負面因素，而樹冠火災對生物量碳含量和大樹數量有負面影響，但對SCI沒有影響。在子區域尺度上，有三個子區域的非保留森林生物量碳含量更高，而有一個子區域的保留森林生物量碳含量更高；保留區域的結構復雜性始終更高。總體而言，保留森林在較大尺度上更有效地保護了生物量碳，在所有尺度上都保持了結構復雜性，而非保留森林在某些易受干擾的森林中則在較小尺度上保持了更多的生物量碳。
引言
受保護免于管理的森林會發展出復雜的結構（例如，大量的活樹和死樹、粗木質殘余物），從而帶來多種森林效益，包括增強生物多樣性、調節局部和區域氣候以及碳儲存（Franklin等人，2002年；Grantham等人，2020年）。火災、蟲害爆發和風暴等自然干擾是森林復雜度形成的關鍵過程（Franklin等人，2002年）。復雜性反過來又能促進森林的恢復力——即抵御和從干擾中恢復的能力——這在氣候變化導致的干擾頻率和強度增加的情況下尤為重要（D’Amato等人，2011年；Forzieri等人，2022年）。
雖然自然干擾通常會增加結構復雜性，但這種關系并非線性關系；對于特定生態系統而言，某些干擾可能會開始降低復雜性（Senf等人，2020年；Viljur等人，2022年）。例如，干旱壓力和樹皮甲蟲爆發往往對大樹（結構復雜性的重要組成部分）的影響大于對小樹的影響（Bennett等人，2015年）。此外，嚴重火災導致非常大的耐火樹木的高死亡率（Shive等人，2022年），并在某些地區導致再生能力下降（Davis等人，2019年；Kiel等人，2025年；Soderberg等人，2024年）。
結構復雜性是生態位占據的代理指標——因此也是生物多樣性的指標——同時也是森林生產力和碳儲存的預測因子（Thom和Keeton，2019年；LaRue等人，2023年；Fatunsin和Naka，2025年）。森林碳儲存對于減緩氣候變化和降低大氣中二氧化碳濃度至關重要（Moomaw等人，2019年）。因此，在全球變化的時代，了解自然干擾機制和森林管理如何塑造森林結構和碳儲存至關重要。
一個重要的問題是，在頻繁且強度高的干擾地區，森林的復雜性和地上碳儲存能在多大程度上持續存在？而在這些地區進行森林管理（如伐木）是否會減少碳和復雜性，或者相反，能否減輕這些屬性的喪失？雖然在自然干擾相對較低到中等的條件下，受保護（以下簡稱“保留”）的森林的復雜性和生物量碳儲存可能優于非保留森林（以下簡稱“非保留”森林）（Miller等人，2016年；Young等人，2017年；Faison等人，2023a），但在更極端的自然干擾條件下，結果可能會發生變化甚至逆轉（Hurteau和North，2009年；Millar和Stephenson，2015年；Morris等人，2023年；Liu等人，2025年）。例如，在面對嚴重的樹皮甲蟲爆發時，某些森林管理措施下大樹的存活率和生物量碳含量可能高于未管理的對照組，且地上的死碳含量可能超過活碳含量（Schmid等人，2007年；Morris等人，2023年）。關于火災，研究表明，在某些情況下，間伐和計劃性火燒可以降低后續火災的嚴重程度（Cansler等人，2022年；Kent等人，2015年）。在這種背景下，頻繁且嚴重的干擾下地上碳和結構復雜性的長期積累及其與管理的關聯仍然是一個廣泛而重要的問題。
在美國西部的針葉林中，人為氣候變化加劇了近幾十年來火災和蟲害爆發的嚴重性和范圍，導致樹木死亡率和碳損失大幅增加（Parmesan等人，2022年）。過去35年里，火燒面積增加了100%，尤其是高嚴重程度的火燒（Parks等人，2025年），2005年至2019年間該地區的多個生態區的地上生物量碳含量下降（Hall等人，2024年）。因此，越來越多的人呼吁加強管理（如間伐和計劃性火燒）以減輕干擾的嚴重程度并提高森林的恢復力（Stephenson和Millar，2012年；Millar和Stephenson，2015年；Prichard等人，2021年）。
根據1964年的《聯邦荒野法案》，美國西部劃定了大量荒野地區（Wilderness Connect，2025年），盡管一些國家公園和州立公園（如優勝美地、黃石、奧林匹克和紅木州立公園）早在幾十年前就已受到保護。相對于該地區的非保留森林，人們對這些保留森林在結構、碳儲存和抗干擾能力方面的了解仍然有限。
本文研究了在美國西部自然干擾機制日益極端的地區，森林保護對結構復雜性和地上碳含量的影響。具體考慮了兩種替代假設：（1）由于自然發展（包括自然干擾的暴露）以及免于管理帶來的負面影響（例如，Grantham等人，2020年），保留森林的結構復雜性和生物量碳含量高于非保留森林；或者（2）由于抵抗力較低、干擾影響更嚴重以及缺乏管理導致的樹木死亡率增加（例如，Liu等人，2025年），保留森林的結構復雜性和生物量碳含量低于非保留森林。同時評估了地上生物量碳中活碳與死碳的比例，以及伐木和自然干擾對結構和碳儲存的相對影響。
研究區域
研究區域涵蓋了美國西部的12個州（加利福尼亞州、俄勒岡州、華盛頓州、愛達荷州、蒙大拿州、猶他州、內華達州、亞利桑那州、新墨西哥州、懷俄明州、科羅拉多州和南達科他州），共46個生態子區域（Cleland等人，2007年），覆蓋了近1億公頃的森林（圖1）。美國西部的主要干擾機制包括混合嚴重程度的火災、蟲害爆發和伐木（Harris等人，2016年；Berner等人，2017年）。從1976年起，樹木砍伐量減少了50%以上。
自然干擾
受蟲害損害的森林面積比例在保留森林（10.3%；標準誤=1.4）和非保留森林（9.1%；標準誤=1.2；P=0.22）之間沒有顯著差異。蟲害損害最嚴重的地區是落基山脈（尤其是南中部高地M331G）、東喀斯喀特山脈（M242C）和黑山地區（M334A；圖2A）。
受樹冠火災影響的森林面積比例在保留森林（3.4%；標準誤=0.65）高于非保留森林（2.2%；標準誤=0.43；P=0.036）。
討論
來自美國西部143個生態子區域的森林清查數據強烈支持假設1——保留森林的結構復雜性和生物量碳含量高于非保留森林。盡管保留區域遭受樹冠火災的比例顯著更高，但這些結果仍然成立。在較大尺度上，伐木比樹冠火災（或所有火災）更能解釋結構和碳含量的差異。
結論與管理啟示
在氣候變化導致干擾日益極端的背景下，人們越來越呼吁采取額外的管理措施來減少火災、蟲害和干旱的影響，并提高美國西部的森林恢復力（Stephenson和Millar，2012年；Millar和Stephenson，2015年；Prichard等人，2021年）。另一方面，也有觀點建議在美國西部森林創建更多的戰略碳儲備區（Law等人，2022年），并允許樹皮甲蟲爆發和火災自然發生。
作者貢獻聲明
愛德華·K·費森：驗證、軟件使用、資源管理、方法論設計、調查實施、數據分析、數據整理、概念構建。
寫作過程中使用生成式AI和AI輔助技術的聲明
在準備本論文的過程中，作者使用ChatGPT中的Python科學繪圖工具（pandas、numpy、matplotlib）生成了圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7。數據由作者提供。作者審閱并編輯了圖表以確保準確性，并對發表文章的內容負全責。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
感謝Neil Pederson和Luca Morreale對本文提出的有益評論和建議。同時感謝兩位匿名審稿人的建設性反饋和建議，這些意見大大改進了論文的質量。海斯特德基金會為這項研究提供了資金支持。
生物通微信公眾號
生物通新浪微博
今日動態 |
人才市場 |
新技術專欄 |
中國科學人 |
云展臺 |
BioHot |
云講堂直播 |
會展中心 |
特價專欄 |
技術快訊 |
免費試用
版權所有 生物通
Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved
聯系信箱：
粵ICP備09063491號
