Forest structural mediation of hydrological processes and ecosystem multifunctionality: mechanisms, trade-offs, and adaptive management

方法

整合林冠截留等过程框架、流域实验、模型、机器学习与因果推断。

发现

森林结构变化经水文分配路径影响多项服务，响应方向依情境与尺度而异。

机会点

可结合遥感与因果推断量化结构—水文—服务链，识别非线性阈值与跨尺度效应。

森林提供多种生态系统服务，包括水分调节、水源供给、土壤保持、碳固持、生境提供、生物多样性保护和木材生产。这些服务源于植被、枯落物、土壤和流域各组分之间耦合过程的共同作用。因此，气候、土地利用、森林结构或经营管理的变化可能同时改变多项服务，但其变化方向取决于过程路径、环境背景和评估尺度。本文综合了森林水文功能与其他生态系统服务相互作用定量评估的研究进展，重点阐述环境驱动因子和经营管理如何重塑森林结构、结构状态如何改变水文分配与碳水耦合，以及这些过程变化如何传导至生态系统服务结果。我们首先建立了一个基于过程的框架，涵盖林冠截留、穿透雨、树干茎流、枯落物截留、入渗、蒸散、土壤水分储量、深层渗漏、地下水补给、侧向流、基流和地表径流。随后，我们评估了野外实验、流域观测、基于过程的模型和生态系统服务模型、空间统计、机器学习及因果推断等方法，并明确关注其假设条件和尺度局限性。利用全球间伐综合分析和经典集水区实验的定量证据，区分了相对一致的响应与依赖背景的响应。本文纳入长白山红松林长期经营管理实验作为示例性案例：处理持续了27年，而本文总结的水文测量代表2023年的观测，而非连续27年的水文时间序列。该案例说明了处理后的结构状态如何与降水分配和土壤水分过程的差异相关联，但并未将其作为正式的因果中介检验来呈现。我们进一步识别了涉及地下水力再分配、非线性阈值、时间遗留效应、跨尺度相互作用、因果归因和模型不确定性的知识缺口，并提出了一个连接长期实验、遥感、基于过程的模型、因果推断和多目标优化的研究与管理框架。