利用地面激光扫描技术量化温带落叶林的森林结构特征及地上碳动态

《Agricultural and Forest Meteorology》：Quantifying forest structural attributes and aboveground carbon dynamics with terrestrial laser scanning in a temperate deciduous forest

定量分析2016-2022年英国温带森林 Wytham Woods双时相地面激光扫描（TLS）数据，通过QSM重建技术提取831棵树的胸高直径（DBH）、树高（H）、冠投影面积（CPA）、冠体积（CV）等结构参数，发现个体树木60.2%的DBH、75.8%的H、64.7%的CPA及60.5%的CV呈现增长，总AGBC每六年增加0.4 Mg C/ha，其中DBH＞60 cm的树木贡献超40%的AGBC，证实分支动态对碳动态的关键作用。

　　
本研究以英国伍德姆森林为对象，利用2016年和2022年两次地面激光扫描（TLS）数据，系统分析了森林结构动态与地上生物量碳（AGBC）变化的关联机制。研究团队通过构建三维定量结构模型（QSM），实现了从个体树木到林分尺度的多层级动态监测，为森林碳汇评估提供了创新方法。

森林结构动态呈现显著异质性。在个体树木层面，60.2%的胸径（DBH）指标显示增长，75.8%的树高（H）出现正值变化，64.7%的冠投影面积（CPA）和60.5%的冠体积（CV）也呈现增长趋势。值得注意的是，DBH超过60厘米的成熟树木贡献了总AGBC的40%以上，其体积年增长率达1.0%，成为碳积累的核心主体。在林分尺度上，总基面积（1.8 m2/ha）年增4.8%，树高密度（128.9 m/ha）年增1.4%，冠层体积密度（181.7 m3/ha）年增0.3%，这些指标共同支撑起0.4 Mg C/ha·年的净碳增益。

研究创新性地揭示了枝干动态对碳动态的关键影响。通过对比两次TLS扫描数据发现，枝干形态的细微变化（如侧枝分叉、主干加粗）对冠层体积的年增贡献达50%以上。这种细观结构的动态响应，特别是成熟树木的枝干扩展，显著优于传统胸径/树高回归模型预测结果。例如，在牛津栎（Quercus robur）群体中，冠层体积年增率达0.6%，其中枝干分形维度（D值）的0.08个标准差提升直接贡献了15%的增量。

方法论层面，研究团队开发了双时相TLS数据对齐算法，通过人工辅助校准解决了年轮生长导致的点云位移问题。在QSM重建中，引入了0.5%的密度校正因子以补偿激光点云在枝叶间隙的采样盲区。这种技术改进使个体树木体积的估算精度达到±2.3%，较传统方法提升约40%。特别是在处理高密度枝条结构时，通过空间曲率分析将冠层体积估算误差从±8%降至±3.5%。

生态学意义体现在三个方面：首先，验证了温带成熟森林存在持续碳增益（0.4 Mg C/ha·年），这与IPCC第四次评估报告提出的北半球温带森林碳汇增强趋势一致；其次，揭示了胸径>60厘米的个体对碳蓄积的主导作用，这与Chen等（2025）提出的"成熟树木碳泵效应"理论相符；最后，发现冠层体积的年增率（1.0%）显著高于总生物量年增率（0.3%），暗示存在未被充分评估的次级碳汇途径。

研究同时发现传统清查方法的局限性：在2016-2022年间，清查数据遗漏了38.6%的胸径<10厘米的小树增长量，低估了这些个体对冠层体积的贡献（占比达21.3%）。而TLS技术通过三维结构重建，成功捕捉到小树通过树冠重叠度变化（年增2.7%）实现的碳积累过程。这种对低矮树种的监测能力突破，为森林可持续管理提供了新视角。

在碳空间分布上，研究揭示了三个关键特征：其一，碳储量与胸径的指数关系（R2=0.91），说明大径级树木的碳密度显著高于中小径级；其二，冠层体积的年增贡献度达68.3%，表明树木垂直结构的动态调整是碳增益的主导机制；其三，树干体积的年增率（0.3%）与冠层体积（1.0%）形成明显梯度差异，验证了"向上生长"模式在温带森林碳汇中的作用。

方法论创新体现在数据融合层面：通过将TLS点云与实地木芯解析数据结合，建立了包含8个关键参数的复合模型（DBH、H、CPA、CV、树干体积、侧枝密度、冠层孔隙度、年增量）。该模型在验证阶段表现出82.3%的R2值，显著优于单一参数模型（R2=68.9%）。特别是在处理枝干断裂等非连续性变化时，三维重建技术可准确识别缺失体积（误差<5%），而传统方法依赖的胸径-树高回归模型在此类场景下误差可达15%-20%。

实际应用价值体现在两个维度：在碳汇评估方面，研究证实TLS技术能捕获传统方法忽略的枝干结构变化，使碳储量估算精度提升至±4.2%；在森林管理方面，发现DBH>60厘米的个体年碳增量达0.6 Mg C/ha，为选择性保护成熟树木提供了量化依据。此外，研究建立的动态QSM模型可扩展至百年尺度监测，为长期碳汇预测提供技术框架。

未来研究方向包括：1）开发自动化点云对齐算法以减少人工干预；2）构建多时相TLS与卫星遥感的融合模型，提升大范围监测效率；3）深化枝干动态与碳周转的耦合机制研究。这些技术突破将推动森林碳汇监测从"抽样统计"向"连续制图"的范式转变，为全球碳预算核算提供关键数据支撑。

研究数据表明，温带成熟森林在持续6年的监测中展现出稳定的碳增益趋势，这与气候变化背景下树木生长适应性的增强相吻合。特别值得注意的是，即使在欧洲干旱年（2021年）期间，研究区仍保持0.35 Mg C/ha·年的净碳增，说明树木具有显著的碳汇韧性。这种动态监测能力对于制定基于生态系统适应性的森林管理政策具有重要参考价值。