《Forests》：U.S. National Forests Are More Diverse, Denser and Less Invaded than Neighboring Forests
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美国国家森林提供广泛的商品与服务，保护生物多样性，并促进生态系统、社会与经济的恢复力。鉴于国家森林与邻近林地在土地利用历史和森林管理方法上存在差异，研究人员调查了两者在一系列森林健康指标上的差异，从生物量蓄积到结构多样性再到外来植物入侵。研究人员利用美国本土国
美国国家森林提供广泛的商品与服务，保护生物多样性，并促进生态系统、社会与经济的恢复力。鉴于国家森林与邻近林地在土地利用历史和森林管理方法上存在差异，研究人员调查了两者在一系列森林健康指标上的差异，从生物量蓄积到结构多样性再到外来植物入侵。研究人员利用美国本土国家森林系统（National Forest System, NFS）内约2万个全国森林清查（Nationwide Forest Inventory, NFI）样地数据，以及NFS边界25 km范围内其他权属的约2万个样地数据，量化了森林健康指标的差异。在控制环境、地理和森林组成因素后，研究人员发现，在全国和区域尺度上，NFS森林样地的树种和结构多样性及均匀度、每公顷胸高断面积和生物量、以及幼苗密度均显著高于邻近样地；同时其外来植物入侵程度也更低。此类森林健康监测结果是更好地理解NFS森林健康指标状况的初步步骤，这一点尤为重要，因为诸多干扰因素正威胁着国家森林的可持续性及其提供社会经济和生态效益的能力。大尺度系统性的森林健康监测增进了对这些干扰如何改变森林条件的理解，并为土地管理和政策制定提供了依据。
## 研究背景与问题
森林约占美国3.1亿公顷，超过国土面积的三分之一，为全球第四大林地面。美国国家森林系统（National Forest System, NFS）由美国农业部林务局管理，约占全国森林总面积的五分之一，约5900万公顷，其中超过1100万公顷为禁伐区。NFS森林具有复杂的管理目标，包括木材采伐、化石燃料与矿产生产、公共游憩，以及生物多样性、清洁空气、水和土壤的保护。当前，美国森林面临多重可持续性威胁，包括更强烈频繁的野火、异常漫长炎热的干旱条件、入侵性昆虫与病害导致的死亡和组成变化、外来植物竞争以及森林破碎化和土地用途转换。气候变化正加剧这些威胁的影响，可能削弱国家森林提供生态系统服务和林产品的能力。尽管已有研究比较了保护地与未保护地之间的森林健康差异，但迄今尚未有工作全面评估美国国家级森林与其邻近其他权属森林在森林健康指标 ai指标上的差异程度。鉴于此，研究人员利用美国全国森林清查数据，检验四项假说：NFS森林具有更高的生物多样性、更高的密度和生物量、更强的更新能力，以及更少的外来植物入侵。
## 技术方法
研究使用的样本队列来源于美国林务局森林清查与分析（Forest Inventory and Analysis, FIA）项目管理的全国森林清查数据库。该数据库采用概率抽样设计，每2428公顷设置1个样地，样地位置通过全国正六边形格网系统选取。研究初始纳入位于美国本土48州国家森林内的35,016个NFI样地，以及国家森林边界25 km范围内其他权属的35,336个样地，通过ArcGIS Pro进行空间选择。分析前采用倾向得分匹配（propensity score matching）技术，使用MatchIt包中的"nearest"匹配算法，以经纬度、海拔、坡度、针叶树种重要值（importance value, IV）、立地生产力和地理区域等环境地理协变量进行样点配对平衡，将两组各约35,000个样地缩减至各20,004个匹配样地，以确保后续统计推断的准确性和减少偏倚。森林健康指标计算涵盖四大类：（1）生物多样性指标，包括树种丰富度（species richness）和Shannon均匀度（evenness），以及基于胸径和树高分级的结构多样性和均匀度；（2）密度与生物量指标，包括胸高断面积（basal area, m2/ha）和生物量（metric tons/ha），采用组分比值法（component ratio method）计算地上部干生物量；（3）更新指标，包括每公顷幼树（saplings）和幼苗（seedlings）密度；（4）外来植物入侵指标，包括外来入侵植物物种丰富度和覆盖度百分比。统计分析采用非参数Wilcoxon-Mann-Whitney显著性检验，并使用Benjamini-Hochberg法进行错误发现率（false discovery rate, FDR）校正，计算Cohen's D标准化效应量以比较组间差异程度。
## 研究结果
### 全国比较
在全国尺度上，除幼树密度外，所有森林健康指标在NFS内外样地间均存在显著差异。NFS样地的树种丰富度和均匀度分别为4.46和0.31，高于非NFS样地的4.15和0.30；结构多样性方面，径级丰富度和均匀度分别为4.32和0.36，高于非NFS样地的3.83和0.35，树高丰富度和均匀度分别为6.43和0.49，高于非NFS样地的5.63和0.47。NFS样地胸高断面积（26.79 m2/ha）和生物量（128.02 metric tons/ha）均高于非NFS样地（21.52 m2/ha和91.85 metric tons/ha）。幼苗密度NFS样地为4384.5/ha，高于非NFS样地的3448.70/ha，而幼树密度两者近乎相同（855.1 vs 854.7/ha）。外来入侵植物物种丰富度和覆盖度在NFS外样地更高（0.74 species/plot vs 0.21，2.92% vs 0.46%）。标准化效应量显示，树种丰富度与均匀度、径级与树高丰富度与均匀度、胸高断面积、生物量和幼苗密度的效应量为正值，表明NFS内更高；外来入侵指标效应量为负值，表明NFS外更高；幼树密度效应量近似为零。
### 区域比较
东部（北部和南部）与西部（太平洋沿岸和落基山）NFS森林在除胸高断面积外的所有指标上均存在显著区域差异。标准化效应量显示，东部NFS的树种丰富度与均匀度、树高多样性与均匀度、生物量、更新及外来植物入侵指标更高，而西部NFS的径级多样性与均匀度更高。在国家森林单元尺度上，树种丰富度以南部最高，北部次之；胸高断面积以太平洋沿岸北部最高；幼苗密度以北部最高；外来物种丰富度在南部部分区域最高。在四个分析区域内，NFS样地的树种丰富度、径级和树高丰富度、胸高断面积和生物量均显著高于邻近其他权属样地。北部和南部NFS样地的胸高断面积差异尤为突出，南部生物量差异显著，太平洋沿岸和南部NFS的结构多样性差异较大。南部非NFS样地的外来入侵植物丰富度和覆盖度明显更高，北部和南部非NFS样地的入侵物种丰富度为NFS样地的三至四倍。部分指标如北部径级均匀度和幼树密度、南部幼树密度、落基山区径级均匀度在NFS内外无显著差异。
### 森林类型组比较
在大多数森林类型组中，NFS样地胸高断面积显著高于邻近样地。多个森林类型组中NFS样地的树种丰富度和幼苗密度也较高。国家森林位置对胸高断面积的相对效应量以火炬松/短叶松、西部落叶松、铁杉/西加云杉、枫/山毛榉/桦木、橡/山核桃等类型组最高。对树种丰富度有显著影响的10个森林类型组中，效应量最大的为西部落叶松、榆/梣/杨、长叶松/ slash松、矮松/刺柏、火炬松/短叶松类型组。对更新有显著影响的六个类型组中，效应量最大的为火炬松/短叶松、橡/山核桃、橡/松、白松/红松/短叶松类型组。外来入侵植物物种丰富度在几乎所有有足够样地数量的森林类型组中，非NFS权属均显著更高，仅榆/梣/杨、矮松/刺柏、西部落叶松和林型阔叶林组无显著差异。
## 讨论与结论
### 讨论部分总结
研究人员指出，较高的森林健康指标值并不一定等同于更健康的森林。虽然较高的结构和树种多样性能增强森林对昆虫和病原暴发的抗性，但较高的林分密度（以总胸高断面积衡量）可能抵消这一效应，甚至可能成为识别易受干扰景观、林型或生态系统的有用指标。按此衡量，所有四个区域及19个森林类型组的NFS森林可能比邻近其他权属森林更易受昆虫和病原影响。尽管西部和东部NFS土地的历史和景观背景存在显著差异，大多数森林健康指标在NFS内外仍呈现一致模式。西部NFS土地多从公共领域预留，较高比例的森林被归类为老龄林或成熟林；东部NFS土地则多为1911年《Weeks法案》后联邦政府购买的先前私有退化林地，通常嵌入其他权属尤其是私有地矩阵中。这一发现表明，尽管土地利用和管理历史不同——东部侧重于低生产力土地上退化森林的恢复，西部侧重于维持现有森林——NFS森林在相对于邻近权属的指标状况上具有相似性。
与Miller等先前利用NFI数据比较东部国家公园与基质森林的研究相呼应，本研究结果表明东部NFS森林与邻近其他权属森林之间存在不同动态，包括更高的结构复杂性、树种丰富度、活立木胸高断面积和密度。这些差异可能源于NFS内外对比的环境条件、土地利用历史和管理策略。研究人员无法控制土壤或水文条件等所有变量，且NFS可能经历了与邻近森林显著不同的土地利用历史，农业和住宅开发持续时间更长，人口密度相关的干扰压力更严峻。此外，NFS的管理目标与私有林主和其他公共所有者有本质区别：工业林主侧重木材生产和土地投资，家庭林主拥有多样化目标，而公共土地机构的决策需兼顾多方利益相关者输入。
值得注意的是，约80%的NFS林地开放于采伐和防火疏伐，但年采伐量仅约总蓄积的0.2%，远低于私有地89%的年采伐贡献。20世纪90年代《西北森林计划》等政策转变将管理重点从木材采伐转向多目标保护，使国家森林采伐量减少。生态完整性（ecological integrity）维护政策要求NFS管理计划包含生态系统完整性标准或指南，这使NFS能够采取被动管理允许自然过程发挥，或在必要时采取包括恢复退化生境和清除入侵种在内的主动管理。研究人员强调，NFS土地再生几乎完全依赖天然更新（仅约4%为人工造林），而私有林地13%为人工造林，研究结果提示NFS天然更新效果良好。
公共土地权属的规模和稳定性通常大于私有土地，使管理者能够建立大尺度空间和时间背景以有效应用林分水平知识，这对保护和模仿多尺度多样性形成过程至关重要。研究发现的景观意义存在区域差异：东部保留区占景观比例小，相邻林地状况影响NFS生态价值并可能提供外来种传播源；西部NFS常构成景观基质，私有林影响较小。NFS较高的结构复杂性和多样性可能赋予其更强气候变化恢复力。
未来研究可采用多变量建模将这些差异归因于生态和社会经济驱动因素，并开展长期趋势评估以识别累积胁迫下的生态资源变化时机和地点。
### 研究结论翻译
美国国家森林提供广泛的商品与服务，保护生物多样性，并促进生态系统、社会与经济的恢复力。诸多胁迫因素威胁着国家森林的可持续性及其提供社会经济和生态效益的能力。森林权属是决定其管理的关键因素，先前研究已检测到保护性权属内外森林健康指标的显著差异。在本研究中，研究人员应用全国森林清查数据，在控制环境、地理和森林组成因素的条件下，评估了NFS森林在美国及区域尺度相对于邻近其他权属森林的森林健康指标状况。研究人员发现，在全国和区域尺度上，NFS森林样地的外来植物入侵程度低于邻近森林样地，且具有显著更高的树种和结构多样性及均匀度、每公顷胸高断面积和生物量、以及幼苗密度。这些森林健康监测结果是更好地理解NFS森林健康指标状况、变化和趋势的初步步骤，对未来的国家森林公共管理具有重要意义。大尺度系统性的森林健康监测增进了对干扰如何改变森林条件的理解，并为土地管理和政策制定提供了依据。
