林龄、保留木密度与立地条件对地中海橡木矮林萌枝生物量积累的驱动作用
地中海橡木矮林是意大利中部重要的薪材资源,但管理决策常受限于关于林分发育、保留木密度、立地条件和气候对萌枝生物量积累相对重要性的有限定量证据。本研究调查了意大利中部矮林萌枝生物量受林分、土壤、地形、气候和管理相关因素的影响,旨在支持对地中海橡木矮林进行更基于证
地中海橡木矮林是意大利中部重要的薪材资源,但管理决策常受限于关于林分发育、保留木密度、立地条件和气候对萌枝生物量积累相对重要性的有限定量证据。本研究调查了意大利中部矮林萌枝生物量受林分、土壤、地形、气候和管理相关因素的影响,旨在支持对地中海橡木矮林进行更基于证据和特定立地的管理。研究人员分析了来自托斯卡纳、拉齐奥和翁布里亚的201个样地的野外调查数据,覆盖了以土耳其橡(Quercus cerris)、冬青橡(Quercus ilex)和绒毛橡(Quercus pubescens)为主的矮林。使用物种特异性线性混合效应模型(LMM)评估林龄、保留木密度、土壤性质、地形和选定的生物气候变量对萌枝生物量的影响。模型选择表明,三个物种的萌枝生物量积累主要由林龄驱动。林龄对生物量有正向效应,固定效应解释了Q. cerris变异的28.2%、Q. ilex的59.7%和Q. pubescens的25.4%。相比之下,保留木密度、土壤预测因子、地形变量和大气候预测因子在最佳支持的物种特异性模型中被保留。基于市镇的森林管理计划随机效应,特别是对Q. cerris和Q. ilex,其贡献表明,现有预测因子未捕获的局部林分水平因素和管理历史可能强烈影响生物量积累。研究结果不支持仅基于萌枝生物量定义地中海橡木矮林通用最优保留木数量的观点。相反,它们表明矮林生产力主要受林龄驱动,保留木的评估应通过特定立地和物种的评估来进行,还需考虑冠层结构、生物多样性、小气候缓冲、法律约束和生态系统恢复力。未来的研究应结合森林管理计划数据与保留木生物量、冠层覆盖度、小气候、啃食压力和下层生物多样性的针对性野外测量,以更好地量化薪材生产与生态功能之间的权衡。
在地中海地区,橡木矮林是重要的薪材资源,但管理决策常因缺乏定量证据而受限。全球能源需求增长推动可再生能源开发,欧盟设定了2030年可再生能源占比42.5%的目标,森林生物质作为替代能源具有潜力。然而,薪材燃烧直接释放碳,不如用于长寿命产品后再能源回收的梯级利用策略有效。地中海橡木(土耳其橡Quercus cerris、冬青橡Quercus ilex、绒毛橡Quercus pubescens)通常以矮林方式经营,其木材多用于能源,但存在尺寸稳定性差、内部应力大、天然耐久性低等限制。意大利矮林面积近400万公顷,但传统薪材和木炭产业衰落导致许多矮林被遗弃;近年来可再生能源需求复苏和机械化收获技术发展,重新激发了管理兴趣。关键管理决策(维持矮林、转为高林或自然恢复)需基于立地特征,而识别矮林生长的主要驱动因素是制定合理管理策略的第一步。现有研究缺乏对保留木密度、林分属性、土壤和地形因素如何共同影响生物量积累的综合分析。本研究旨在通过分析意大利中部三个大区(托斯卡纳、拉齐奥、翁布里亚)38个森林管理计划(FMP)的数据,确定影响地中海橡木矮林萌枝生物量的关键因素,并检验四个假设:①较高保留木密度负向影响萌枝生南宫NG物量;②气候变量对萌枝生物量的影响弱于林分发育、土壤、地形和保留木密度;③陡坡和高海拔与较低萌枝生物量相关;④较高黏粒含量、阳离子交换量(CEC)和土壤有机碳(SOC)与萌枝生物量正相关。研究发表在《Land Degradation》。
研究人员从38个森林管理计划(FMP)中获取了201个橡木矮林样地的数据(Q. cerris 125个、Q. ilex 48个、Q. pubescens 28个),样地面积400–1500 m2,覆盖托斯卡纳、拉齐奥和翁布里亚。使用生物量扩展因子(BEF)将立木体积转换为地上生物量(AGB),木材密度分别为700 kg/m3(Q. cerris和Q. pubescens)和820 kg/m3(Q. ilex)。预测因子包括:林龄(通过生长锥测定)、保留木密度(来自FMP)、土壤性质(黏粒、SOC、CEC,来自ISRIC数据库,250 m分辨率)、地形(坡度和海拔,来自SRTM DEM,30 m分辨率)、气候变量(BIO11最冷季平均温度、BIO18最暖季降水量,来自CHELSA数据集)。采用物种特异性线性混合效应模型(LMM),以市镇级FMP作为随机截距,对萌枝生物量和林龄进行对数转换,保留木密度进行log1p转换,使用AICc进行模型选择,并计算边际R2(R2m)和条件R2(R2c)。
所有物种模型中保留木密度均未被保留,假设1未获支持。研究人员认为,保留木的竞争效应可能取决于其大小、冠层发育、空间分布和生物量,而非单纯数量;且数据集中大部分保留木密度低于150株/ha,高密度情形未涉及。
气候变量(BIO11、BIO18)未被保留,假设2在尺度依赖意义上部分支持:研究区域位于物种分布区中心,大尺度气候梯度效应弱于林龄。地形(坡度和海拔)未被保留,假设3未获支持。土壤变量(黏粒、CEC、SOC)未被保留,假设4未获支持。研究人员指出,土壤数据来源为250 m分辨率栅格,可能无法反映局部变异。
市镇级FMP随机效应解释了未测量局部因素(如轮伐历史、萌条活力、啃食压力、局部土壤深度、管理实践差异等)的变异,尤其对Q. cerris和Q. ilex贡献显著。
讨论部分强调:①保留木密度的弱效应表明不应基于萌枝生物量定义通用最优保留木数量,保留木评估需纳入生物多样性、小气候缓冲、法律约束和生态系统恢复力等多目标框架。②林龄是主要驱动因素,但不同物种生长轨迹差异显著(Q. ilex最强,Q. pubescens最弱),规划轮伐期需考虑物种特异性。③地形和土壤变量未解释变异,但地形在采伐作业规划和土壤干扰风险中仍重要。④研究局限性包括:FMP数据为二次数据,未采用标准化实验设计;仅用保留木数量作为竞争代理,缺少保留木生物量、冠层覆盖度、萌条密度等指标;未测量下层植被、小气候、土壤生物指标等。未来研究应结合FMP数据与针对性野外测量。结论部分翻译:本研究利用物种特异性模型调查了地中海橡木矮林萌枝生物量积累的主要驱动因素,包括林龄、保留木密度、土壤性质、地形和选定的气候预测因子。在三个橡木物种中,萌枝生物量主要由林龄驱动,确认矮林生产力与采伐后林分发育紧密相关。林龄-生物量正相关关系在Q. ilex中最强,Q. cerris次之,Q. pubescens最弱,强调在规划轮伐期和估算薪材生产力时需考虑物种特异性生长轨迹。与预期相反,保留木密度未在最终物种特异性模型中被选择,因此结果不支持仅基于萌枝生物量确定通用最优保留木数量。保留木数量不应被解释为上层竞争充分代理,因为其影响取决于树的大小、冠层发育、空间分布、胸高断面积和生物量。在数据集范围内(大部分低于150株/ha),保留木密度作为萌枝生物量预测因子的支持较弱。土壤、地形和大气候预测因子也未在最佳支持模型中被保留,这并不意味着这些因素对地中海橡木林不重要,而是表明在现有FMP和空间数据的尺度与分辨率下,它们解释变异的稳定性不如林龄。市镇级FMP随机效应的显著贡献(尤其对Q. cerris和Q. ilex)表明,未测量的局部因素(如以往采伐历史、萌条活力、啃食压力、局部土壤深度、林分结构和管理实践差异)可能起重要作用。总之,研究结果支持对矮林生产力进行谨慎和特定立地的解释。本研究提供了生产导向的萌枝生物量积累评估,但不代表完整的生态可持续性评价。保留木密度和矮林强度的管理决策应整合生物量生产、生物多样性保护、冠层介导的小气候缓冲、土壤保护、法律要求以及地中海橡木林对干旱和衰退日益增加的脆弱性。未来研究应结合现有FMP数据与保留木生物量、冠层覆盖度、小气候、下层植被、啃食强度和精细尺度土壤性质的针对性野外测量,以更好地评估薪材生产与生态系统恢复力之间的权衡。

