研究，一部分的特别功能欧洲森林管理替代方案的可持续性影响评估

森林管理如何影响生态系统服务，包括木材生产和经济回报:协同效应和权衡

• 摘要
• 简介
• 方法
  • 网站站
  • 森林管理方案
  • 增长、生产和经济价值
  • 碳
  • 水
  • 营养和酸化
  • 生物多样性
  • 多变量分析
• 结果
  • 木材产量与土地期望值
  • 碳
  • 水
  • 营养和酸化
  • 生物多样性
  • 在服务概述
• 讨论
  • 生产力和经济价值
  • 碳
  • 水
  • 营养和酸化
  • 生物多样性
  • 合作和权衡
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

木材生产和经济产量是通过直接干预自然过程实现的重要林业目标。此外，森林生态系统提供大量可行的商品和服务，越来越受到社会的重视(1993年欧洲森林，2005年千年生态系统评估)。因此，随着时间的推移，森林管理系统的各种模式也不断发展。它们从“剥削”到“回归自然”，都是为了满足人类对森林的各种需求(Seymour and Hunter 1999, Hunter 2001, Gamborg and Larsen 2003)。当代可持续森林管理的目的是确保从森林获得的商品和服务满足当前的需要，同时确保森林的持续生存能力和对长期发展的贡献。因此，森林管理本身需要审慎的管理，以便保存基本的生态系统服务，例如土壤肥力和水质。此外，还需要考虑其他支持和文化服务，如碳封存、生物多样性的维持或娱乐价值。未来最重要的问题之一是如何管理木材生产的森林，同时保护或改善其他重要的生态系统服务。

为了制定和执行这些战略，必须预测森林管理对森林生态系统的现状和动态的长期影响。森林管理通过林分一级连贯的造林作业来实现具体目标。这意味着有目的地操纵一个或多个关键变量，例如，树种组成、林分密度和年龄结构、林分边缘或其他导致生态系统变化的站点属性(Duncker et al. 2012)。

对森林管理对供应服务，特别是对木材生产的影响进行量化研究已经进行了无数次。虽然实证研究往往面临大量难以控制的因素，但这些研究为模型的制定提供了坚实的知识。因此，情景建模旨在描述在复杂的不同造林制度下的林分演化。这使得预测物质和财务生产力措施成为可能(Hasenauer, 2006)。考虑的生态系统服务包括生物多样性、土壤肥力、碳储存和封存以及水质和水量。然后利用相关指标评价造林作业的相应效果。由于这些影响与受造林作业影响的关键林分参数有关，因此可以将其纳入情景建模。因此，情景建模进一步允许预测和分析森林管理替代方案(FMA)对森林生态系统服务的影响。

各种森林生态系统服务之间的关系可能是协同的，通过将木材碳从森林转移到木材产品，碳封存和木材生产已经证明了这一点(Ruddell等，2007年，Weslien等，2009年)。然而，也有人声称，其产生的原地碳储量仍然低于未管理森林的林分，指出了一种权衡(Hynynen等人，2005年，Lasch等人，2005年，Seidl等人，2007年，nuery和Keeton 2010年)。一些作者已经证明了强化森林管理对生产力的负面影响(Sterba 1988, Merganičová et al. 2005, Helmisaari et al. 2011)。此外，生物多样性的维持可能会减少木材产量(Boscolo和Vincent 2003年)。考虑到它对森林规划的重要性，关于不同管理制度下多种森林产品和服务之间的协同作用和权衡的量化知识似乎相当有限。

本研究的目的是通过量化五种森林管理替代方案对可销木材生产、土地期望值(LEV)、生物多样性属性、水质、水量、土壤肥力、碳封存和碳储量的影响，揭示协同作用和权衡。对位于中欧山毛榉森林植被带的虚拟正常森林进行了模拟，并对其影响进行了分析。FMAs的范围从不干预到密集的造林系统。这种量化是决策支持和多目标森林规划的基本投入(Pukkala 2002年，Lexer和Brooks 2005年，Fürstenau等人2007年)。

方法

网站站

虚拟森林管理单元代表了中欧森林生态系统的湿温带气候和酸性土壤。管理单位被认为位于德国西南部，在海拔500米左右的山下植被带。土壤是发育在花岗岩/片麻岩材料上的dydytic形成岩。发生轻微的灰化，尤其在针叶树下。沙壤土排水良好。对于不受管理的森林自然保护区，假设厚度为70毫米、枯木比例较高的木素虫(Zanella et al. 2011)。在管理山毛榉林中，半模态占主导地位，在云杉林中，欧模态占主导地位。土壤物理性质和物种特定的生根模式都是水文模拟的重要参数，基于海德堡地区土壤状况监测(BZE)的土壤剖面描述(例如，bze_proffil 1035 FA Heidelberg)和费德勒(1995)建议的各自土壤质地类别的模型参数进行了估计。土壤pH值较低，养分含量适中(表1)。相比之下，氮的有效性相对较高，主要是由于氮沉积(表2)源于养牛和工业排放。因此，土壤C/N比值为中等到较低(<25)，表明土壤氮的保留率很低或可以忽略不计。亚海洋气候的年平均降水量为1050毫米，平均气温为8摄氏度。

假设该地点自最后一次冰期以来一直被森林覆盖，潜在的自然植被是Luzulo-Fagetum (Ellenberg 1996)。该场地的质量是这样的，它提供了良好的生长条件，接近欧洲山毛榉的最佳条件。区域产量分类提供了一个站点指数(H_{One hundred.})为32米(100岁时的最高高度)，挪威云杉为35米(挪威云杉(L。)岩溶)。因此，假定产量为8米^3.哈⁻¹年⁻¹山毛榉和13米^3.哈⁻¹年⁻¹云杉(Landesforstverwaltung Baden-Württemberg 1993)。

森林管理方案

fma的特点是其目标和造林方法，从而产生了林分层面上基本一致的森林操作过程(Duncker等，2012年)。fma根据其对自然过程和条件的干预程度进行区分。为了分析不同管理方式对虚拟森林生态系统服务的影响，定义了五种虚拟森林管理模式。FMAs形成了从被动到高森林经营强度的梯度。以下对五个fma的描述提供了模拟相应林分发展的一般准则。

FMA 1:非管理森林自然保护区，非干预森林管理

非管理森林自然保护区的主要目标是允许自然过程，包括干扰和自然循环，在没有管理干预的情况下发展，以创造具有生态价值的自然生境和自然产生的生物多样性。因此，为了这个唯一的目的，森林一直没有得到管理(Peterken 1996, Sprugel 1991)。不干涉哲学是严格意义上的。

FMA 2:接近自然的林业，低干预的欧洲山毛榉管理

目的是生产有价值的木材，同时使用模拟自然过程作为指导原则。生物遗产和自然生物群落，以及生境树木，在林分内被推广，不应被移走。欧洲山毛榉被选择用于木材生产，因为这是潜在的自然植被中的优势树种。首选的再生方法是自然再生。最后的采伐系统是在40年的时间里对单个树木进行目标直径的采伐，以启动山毛榉的自然再生。目标是胸径65厘米(dbh)，以60株未来作物树/公顷达到这一目标。由于红色心材形成的风险，目标直径将在120年内达到。未来的作物树从上面被稀疏释放。只允许从站点提取中继。通过选择单一和小群的树木留在林分，将生境和生物多样性保护结合起来。 The unmanaged areas will have implications for forest operation processes. They increase the risk of falling dead trees or branches, and potentially require longer skidding distances. This leads to higher harvesting costs, which are difficult to quantify. Instead, we calculated the full timber losses for the remaining trees, although in practical forestry those trees are often low quality, damaged, or nonproductive trees, or they are rare species, are in a special habitat, or are veteran trees. This was implemented in the model as leaving 20% of the area unmanaged.

FMA 3:联合目标林业，中等干预的欧洲山毛榉和挪威云杉管理

这些目标是相结合的，强调经济回报，同时尊重其他生态系统服务。与低干预(接近自然)林业相反，挪威云杉在50%的区域内被混合用于经济目的。混合型为群智型，促进山毛榉自修剪过程。首选的再生方法是自然再生。最后的收获系统是一个目标直径的收获，以集体收获的形式，为期20年。山毛榉的目标直径为55厘米，未来每公顷种植100棵。云杉的目标直径为50厘米，未来每公顷种植150棵。未来的作物树从顶部12米的高度开始，从上方开始稀疏生长。由于红色心材形成的风险，山毛榉的目标直径将在120年内达到。只有树干和杆大小的实木被利用，并从基地中提取。 Habitat and biodiversity protection are incorporated by leaving 5% of the area unmanaged, mainly by leaving all deadwood, big trees (beech >100 cm dbh), old trees (>150 years), trees with holes, and unusual tree species. The practical implications on forest operations are accounted for as described above for FMA 2.

FMA 4:平龄林业，高干预挪威云杉管理

平龄林的主要目标是生产木材和盈利。如果生态目标可以在不损失太多收入的情况下实现，通常会纳入这些目标。在许多欧洲国家，国家准则概述了确保这种做法的业务符合可持续性和环境保护的最佳做法。挪威云杉的种植密度为每公顷3000棵。一旦经济目标达到最大化，即土地预期价值以3%的利率实现最大化，最后使用的采伐系统是带状采伐或小规模采伐。大约250棵树从下面被严重砍伐。只有树干，杆大小的茎和较大的实木被利用和从现场提取。

FMA 5:木材生物量生产，挪威云杉密集干预管理

采用均龄管理，主要目的是最大限度地生产用于建筑市场的锯木，以及用于木材燃料市场的木质残余物。后者是通过稀释小直径的茎来实现的。场地准备和种植将是正常的再生方法，根据需要使用化学杂草控制。为了便于交叉比较，种植密度和间伐制度被认为与FMA 4相同。然而，除了在FMA 4中实践的实木采伐外，大约80%的树枝、针和木顶(slash)被削碎用作木材燃料。片伐是正常的造林做法。

增长、生产和经济价值

采用W+对不同方法下管理的山毛榉和云杉的实际生长进行了建模(Yue等人，2008年)，W+是一种森林生长模拟器，基于均龄林的林分级和单株级生长模型的组合。它的参数是从位于德国西南部的永久性试验田估计出来的。这些地块覆盖了广泛的场地类型和生长条件。此外，广泛的不同处理包括关于初始间距，间伐类型和间伐强度。模拟器W+的目的是用作造林决策支持工具(Weise和Kublin, 1997, 1998)。Yue等人(2008)详细描述了这一概念，并提供了一个全面的评价。

除了立地指数和林龄外，模型的输入数据还包括样本树的胸径和高度列表。当样本树的经验数据缺失时，使用约翰逊曲线(Elderton and Johnson 1969)生成基于茎数、基面积、年龄和平均高度的直径分布。这个生成林分的选项应用于初始化森林林分。在五种fma的处理制度下，对林分的发展进行了完全旋转模拟。将林分每年的发展阶段划分为年龄群，假设这些年龄群代表虚拟正常林中的单个林分。由于fma之间的旋转长度不同，为了进行交叉比较，必须按比例计算林分发展的每个年龄群的大小，使其总和等于一个标准正常森林面积。这种方法直接适用于FMAs 4和FMAs 5，那里的林分是在最后的清理中收获的。相比之下，FMAs 2和3表明再生岩屑的时间延长，旨在促进自然再生。在这些情况下，再生被认为是在前一个林分的树冠下建立和发展的。因此，相同的森林面积被两个年龄群使用，每一代一个。 This was accounted for by allotting the area only to the generation that formed the main canopy, while no area needed to be dedicated to regeneration as long as it was in the shade of the former one. It was assumed that the phase of two overlapping generations accounted for half of the prolonged period of regeneration cuttings in final harvesting. For that reason the rotation length for FMAs 2 and 3 was shortened by half of this period before allocating the reference normal area to the age cohorts (Assmann 1961). In the case of FMA 1, no production target or stand treatment was defined. Nonetheless, the approach chosen for cross comparing the FMAs required a mean stand life. Thus, it was assumed that a new small-scale generation is able to establish under the canopy of the preceding stand as soon as the basal area of the preceding stand is permanently reduced by tree mortality to <20 m² ha⁻¹．用W+估计林分发育和树木死亡率，假设平均林分寿命为163年。值得注意的是，W+的死亡率模型对林分密度和乔木维数敏感。然而，它没有任何内建的干扰模型来解释树皮甲虫、风暴或雪负荷造成的破坏。

森林的生产性服务是根据生产的可销售木材量来评估的。在山毛榉的情况下，小的一端的树枝比树皮直径约7厘米。根据平均年增量(MAI)对fma进行比较_u(m^3.哈⁻¹年⁻¹))为轮作结束时每公顷木材总产量除以轮作长度。此外，计算土地期望值sensu Faustmann (1849a和b)，以评估管理方案中木材生产的经济产量。土地期望值是一种常用的现金流贴现方法，用于林地的估值(Straka和Bullard 1996年)，计算利率为1 - 5%。纳入土地预期价值的现金流来自林业业务，例如种植、照料、间伐或收割。FMAs 4和5的云杉种植成本为2,300欧元/公顷⁻¹．照料费用为每公顷500欧元⁻¹5岁和15岁。用于间伐或采伐作业的现金流是通过采伐树木的体积和净收益/m³的乘积之和来估计的。根据1995年至2005年期间的平均值，路边中等质量圆木的净收入/立方米被描述为胸径的函数，如图1所示(Duncker和Zell 2009)。假定在FMA 5中产生的芯片残留物为路边5的净收入提供了条件€/ m³宽松。在计算土地期望价值时未考虑固定成本;因此，fma1和预留地区的土地期望值均为零，而预留地区已在fma2和fma3中按比例占比。

碳

通过将体积增长(指的是实木，用W+估计)与总净生物量增长(NG_总计) (Pretzsch 2009)，使用云杉(Wirth et al. 2004, Eckmüllner 2006)和山毛榉(Wutzler et al. 2008)的通用生物量函数。这些函数被应用于评估不同树木组分的干质量，即分别基于单个树和林分变量的叶、枝、茎和根生物量。在NG的基础上计算平均年碳固存率_总计来解释呼吸作用和树木生长过程中短暂的生物量损失。它用每公顷树斛生物量的年平均固碳量(t_C哈⁻¹年⁻¹)．一般认为碳占生物量的50% (Knigge和Schulz 1966)。

虽然在FMAs中每年收获的碳量是在一个轮作期内所有提取的生物量的碳总和除以轮作的平均长度，但每公顷的平均碳储量是估算为不同地上树木组分的干质量碳总和除以轮作的平均长度。用枯木的平均数量乘以122公斤米的平均碳密度来估计死亡生物量的平均碳储量⁻³在deadwood (Vesterdal和Christensen 2007)。枯木本身的累积量采用W+中实现的死亡率模型进行模拟(Yue et al. 2008)。此外，在只采伐茎木的情况下，还添加了现场遗留的采伐残留物，即树桩、树枝和树梢。粗木屑被分为两部分，即基本为实心茎木，直径为10 cm;而剩余的地上生物量，通常<10厘米。每个馏分中粗木屑的平均数量计算为枯木年平均累积量和恒定衰减率的动态平衡(Zell et al. 2009)。用混合模型估算了每种枯木组分和树种的衰减率。该混合模型包括7月温度和年降水量作为输入变量，因此具有地点特异性的优势(Zell et al. 2009)。嫩枝和树枝的年短暂损失未被考虑在内。

水

为了可视化树种、轮作长度和间伐制度的影响，使用BROOK90 (Federer 1995)水文模型计算了一般森林管理方案的水平衡。参数化基于对云杉和山毛榉的实验，在这些实验中对模型进行了彻底的测试(例如，Katzensteiner 2000, Jost等人2005)。对于山毛榉，根据Hietz等人(2010)计算了不同发育阶段的叶面积(单侧，投影)。对于云杉，叶面积是根据针叶质量估算的，具体叶面积取决于树木类别(Eckmüllner和Sterba 2000)。单位叶面积冠层最大电导设为0.25 cm s⁻¹对于云杉和0.45厘米⁻¹山毛榉。云杉的反照率设为0.14，山毛榉设为0.20。对于积雪，反照率设置为0.23(云杉)和0.3(山毛榉)。为了模拟FMAs 4和5中云杉的伐林期伐林和草本植被的影响，Katzensteiner(2000)假设了以下情况:电导从0.4 cm s下降到0.25 cm s⁻¹前四年反照率从0.15增加到0.23，之后6年反照率下降到0.14。对于FMA 5的刈割阶段，假设第1年和第2年的裸土，设叶面积指数为0.1，允许反照率从第1年的0.05增加到第10年的0.15。

从1997年到2006年，我们编制了一个10年时间序列的每日天气记录。¹因此，一个一致的数据——包括降水、辐射、温度、蒸汽压和风速的信息，包括干年和湿年——可以用于进一步的建模。10年时间序列在轮作中重复，因此适用于每种森林管理方案的每个林分发展阶段(年)。混合林分的反应用纯林分各自发展阶段的产量的加权平均值计算。

我们没有使用_3. ⁻根区作为影响水质的指标(Gundersen et al. 2006 .))因为高NO_3. ⁻地表水和地下水的浓度是不可取的。此外,没有_3. ⁻在酸性土壤中，淋失对土壤酸化有促进作用_3. ⁻浓度与植物毒性铝(Al^{3 +})和一些重金属(Gundersen etal . 2006)。无_3. ⁻-N浓度是根据旋转尺度的N质量平衡计算的，即，在旋转过程中N的累积输入减去收获产品中N的累积去除，除以上述估计的林分排水量(N-深度-N去除)/径流。这意味着在轮作过程中，土壤有机质中氮的掺入可以忽略不计，这在该地点的矿质土壤C/N比低于20的情况下是可以预期的(Gundersen等，1998年)。计算不_3. ⁻-N浓度可能接近成熟林分(约20年至收获)观察到的浓度，也将是平均NO的合理估计_3. ⁻在整个旋转过程中的浓度(Gundersen et al. 2006)。

营养和酸化

通过将不同树木成分及其相应干质量的平均营养浓度相乘，估计采收过程中去除的营养量(Jacobsen et al. 2002)。计算采收茎木(包括树皮)的年平均养分输出量。此外，对于云杉FMA 5，出口收获残留物中的营养成分被假设为叶子和树枝的80%。对于FMA 2的山毛榉，出口按比例减少了预留保护面积(20%)。

由沉积产生的系统的输入是根据该区域的典型量计算的。²假设对云杉的投入是对山毛榉的投入的1.5倍(表2)。为了说明在各种fma中，采伐的影响，以及山毛榉与云杉的对比，计算了沉积减去出口。生物量收获的酸化效应被估计为钙、镁和钾在等效基础上的总和(Raulund-Rasmussen et al. 2008))．硝酸盐的淋溶伴随着阳离子，通常是所谓的碱性阳离子，因此是土壤酸化的原因(Gundersen et al. 2006)。因此，硝酸盐的浸出被指定为潜在酸化。

生物多样性

人们曾多次尝试寻找评估不同森林生物多样性的方法(Gustafsson et al. 1999, Larsson 2001)。由于不可能测量和监测各种管理做法对所有物种的影响，因此使用指标作为总生物多样性的替代品(Lindenmayer et al. 2000)。然而，生物多样性不能用简单的数字来描述，设计适当的指标是一项艰巨的任务(Failing and Gregory 2003)。由于这项研究是基于模拟而不是真实的清单，我们集中研究了那些众所周知的支持高水平生物多样性的属性。此外，选择的属性在树级和林分级建模中得到了充分的表征(Lexer等，2000年)。在我们的研究中所选择的属性是:以细和粗木屑形式存在的大量枯木;大直径树木密度;树种数目;林地的主要栖息地面积，在我们的案例中与预留面积相同。

多变量分析

对于上面讨论的每个关键服务，选择2至4个指标子集(共13个)纳入主成分分析。因此，主成分分析给每个服务一个平衡的权重。我们只考虑了两个维度，因为两个第一主成分捕获了FMAs中选定的13个指标中几乎90%的可变性。我们使用SAS 9.1进行分析。

结果

表3总结了结果，说明了FMAs对所有指标的影响。

木材产量与土地期望值

在FMA 1中，生产力被定义为零，即生态系统层面的呼吸和生产是相互平衡的。木材产量，用MAI表示_u在林分水平上，云杉FMAs 4和5最高，山毛榉FMA 2最低(表4)_u与云杉fma4和fma5相比，山毛榉fma2约占54%，如果只考虑被管理的部分，则占68%。由于山毛榉和云杉有不同的木材密度，FMAs在平均年净生物量增长(NG_总计)．在这里，山毛榉FMA 2的生产力占最高NG的92%_总计FMA在土地期望值方面的排名对利率非常敏感，只有在低利率时才与相应的体积生产力相一致(表4)。尽管FMA 4生产的木材量最多，但在利率为>2%时，它也产生了最低的土地期望值。如FMA 5所示，额外提取木材燃料的采伐残留物只能在3%的利率下补偿这一影响。当利率超过2%时，山毛榉和云杉组合FMA 3有利于提供最高的土地期望值。与所有其他管理方案相比，它仍然是正的，即使利率是5%。

碳储存与出口

由于不采伐制度，原始森林保护区(FMA 1)中活生物量的碳储量明显最大，而其他FMA只有很小的差异(表3)。在FMA 2、3和4中，死生物量的碳储量相似，但由于不采伐，保护区的碳储量显著增加，而在FMA 5中，由于去除残基，死生物量的碳储量明显减少。所有5个FMA的年平均碳固存率几乎相似，而从FMA 1到FMA 5，通过收割方式进行的碳去除显著增加。在FMA 5中，从储备中的零到几乎与茎木、树枝和针叶中储存的量相当。净吸收碳和收获碳之间的差异留在生态系统中进行分解，一些最终进入土壤腐殖质。伐木碳在木制品中的储存和伐木碳对化石碳的替代没有被考虑在内。

水

表3提供了根系区(Q)以下的水消耗(蒸散发)和渗透的旋转长度的平均值。由于气候凉爽潮湿，降水率高，蒸发需求低，每年有大约600毫米的水盈余⁻¹fma之间只有微小的相对差异。由于云杉的蒸散损失高于山毛榉，FMAs 4和5的径流最少。由于缺乏以高径流为特征的清晰再生，FMA 1自然保护区的径流比其他两个山毛榉备选区(FMA 2和FMA 3)少。在单株林分尺度上，水分消耗与林龄、林分结构和叶面积有明显的关系(图2)。

由根区以下渗漏的硝酸盐浓度表示的水质，几乎不受FMAs的影响。估计浓度(1.2至3.3毫克N l⁻¹，表3)远低于饮用水标准11 mg N l⁻¹(50毫克_3. ⁻l⁻¹)，因为研究地区的渗水量较高。由于渗透量在不同fma之间的差异仅为10%左右，因此硝酸盐浓度的差异主要反映了不同fma之间氮剩余的差异(6 ~ 18 kg N ha)⁻¹年⁻¹、表3)。

营养和酸化

在所有FMAs中，氮的沉积量超过了收获产品中氮的输出量。这种盈余与云杉的盈余比山毛榉高的树种有关，因为云杉林分的沉积速率更高(表2)，也与砍伐程度有关，在保护区中盈余特别高，而在非常密集的FMA5中盈余很低。其他元素都显示出较高的出口，这是由于收获而不是沉积，除了储量，所有元素都有一个小的正平衡。这在非常密集的FMA 5中尤其如此，它显示出比沉积高得多的输出。fma2、fma3和fma4的酸化程度相同，而密集的fma5的酸化率几乎是fma5的两倍。未经管理的保护区没有因收割而发生酸化。当硝酸盐被浸出时也会发生酸化(Gundersen et al. 2006)，因此，由硝酸盐浸出引起的最高酸化发生在保护区(FMA 1)和备选云杉(FMA 4和5)。综合这两种贡献可以看出，从FMA 1到FMA 5酸化程度不断增加(表3)。

生物多样性

从FMA 1到FMA 4和FMAs 5的生物多样性属性急剧下降(表3)。细木屑的丰度没有随着管理强度的增加而减少，因为只在管理森林中通过提取实木进行间伐产生了大量的细枯木。然而，生物多样性价值的最佳衡量标准通常与粗木屑有关。尽管FMA 2中粗木屑的数量仍约占FMA 1中估计数量的20%，但FMA 4和FMA 5中没有粗木屑。胸径60 cm的平均树数也有相同的变化趋势。相比之下，FMAs 4和FMAs 5的林分中树数量略多于其他管理方案，平均胸径为40 cm，而对生物多样性更重要的大树数量在FMAs 1和FMAs 2中更丰富。

在服务概述

在主成分分析中，FMAs 1和5被分离并构成PC1轴上的极值，而FMAs 2、3和4在PC1上非常相似，但在PC2上分离明显(图3，上面板)。PC1轴主要表示产量和生物多样性的相反梯度，PC2轴表示与水和营养有关的差异(图3，下图)。

讨论

生产力和经济价值

FMAs得出的可销木材体积生产率与根据当地产量表模拟所假设的产量质量不同。产量是8米^3.哈⁻¹年⁻¹山毛榉和13米^3.哈⁻¹年⁻¹对于云杉，在参考旋转100年的产量表中估计。对于云杉来说，每个FMA的实际旋转长度比参考的100年要短15到20年，而对于山毛榉来说，则要长15到20年。除了这种与轮作长度相关的效应外，FMAs内的林分密度体系还影响云杉和山毛榉的体积生产力(Pretzsch 2004年，Skovsgaard和Vanclay 2008年)。fma3内的云杉相对于fma4 (MAI_u11 vs. 14米^3.哈⁻¹年⁻¹)最可能发生的原因是以作物树为导向的严重稀疏(作物树的大量释放)，实证数据证明了这一点(Herbstritt et al. 2006)。这些生产力数字只与一代人有关，因此是一个保守的估计房地产的水平。FMAs 2和3长时间的再生扦插(在冠层下发生自然再生)导致了重叠世代。这一效应使林产层的年平均产量增加到11.3米^3.哈⁻¹年⁻¹在山毛榉fma2的管理部分内，以及10.8 m^3.哈⁻¹年⁻¹山毛榉和12.6米^3.哈⁻¹年⁻¹对于FMA 3中的云杉(Assmann 1965)。

除了对产量生产力的影响外，轮作长度还通过考虑利率对土地预期价值产生了强烈影响。理想情况下，平均轮作长度与土地期望值顶点点重合。在利率为3%的情况下，模拟的FMAs平均旋转长度接近土地期望值顶点的时间点。然而，他们在15到20年之后，利率是5%然而，这种影响并没有改变FMAs的排名。

为了计算土地期望值，必须假定木材净收入。假设收入是根据1995年至2005年期间路边中等质量木材的观察价格估计的。因此，它们包括FMAs 2和3中作物树的分类价值的保守估计。特别是山毛榉，以作物树木为导向的间伐方法增加了高质量木材的数量(Hein等，2007年)。对于云杉，同样的效应也被认为是存在的，但程度较小。尽管50cm dbh以下树木的净收入停滞不前，但值得注意的是，FMA 3内云杉的管理方法导致了最高的土地预期价值，即7100欧元/公顷，下降到298欧元/公顷⁻¹利率从2%到5%。这一发现与云杉替代方法的经济比较非常一致，揭示了以作物树木为导向的方法的优势(Kohnle和von Teuffel 2004)。当只考虑山毛榉时，FMA2的土地期望值比FMA3高，利率为2 - 5%，尽管它包含了20%的预留区域。然而，无论采用哪种利率，山毛榉管理从未达到与云杉相关的潜在土地期望价值。

林分建立成本对土地期望值的影响仅次于间伐和收割作业的现金流。在云杉的情况下，不考虑再生成本的FMA 3的土地期望值高于假设再生成本为2300欧元/公顷的FMA 4⁻¹．土地预期价值的差异使得假设支出为1,160欧元/公顷⁻¹在FMA 3设立摊位，利率为1%，甚至为2440欧元/公顷⁻¹，直至达到FMA 4的土地期望值。细微的差异强调了FMA 3成功的自然再生的重要性。

碳

这项研究在保护区中发现的活的和死的生物量的碳储量与在丹麦半天然山毛榉林的评估中发现的相同(Vesterdal和Christensen, 2007年)。同样，活生物量和死生物量的碳储量也与常规内莫勒尔森林的碳储量相同(Callesen et al. 2003)。与碳储量相比，从密集的FMAs中提取的碳量最高，说明了系统内部储存和系统出口之间的明显权衡(图4)。在系统中储存碳还是出口碳，最有利于全球碳平衡和对气候的影响，取决于出口碳的命运。在能源生产中替代化石燃料或储存在永久产品中的出口碳将对气候变化产生强烈的积极影响。beplay竞技从本质上说，木质材料的氧化可以在森林中发生，从而有利于生物多样性和生态系统服务，包括对土壤质量产生积极影响，或者，例如，在发电厂中作为CO₂-满足人类其他需求的中性能源。

本研究没有考虑土壤中的碳储量。在最近的一篇综述中，Nave等人(2010)记录了收获后土壤碳的显著下降。这种影响在森林地面最为明显，在矿物层中更为分散。一般模型似乎支持集约收获后土壤碳储量的显著下降(Paul et al. 2003, Johnson et al. 2010)。在我们的虚拟研究中，还必须预期到，由于收获，土壤碳会减少，特别是在非常密集的FMA 5中。

水

在“正常森林”的尺度上，FMA效应在很大程度上趋于平稳。因此，FMAs在径流量上的差异并不显著。耗水量较高的针叶林fma与径流量较高的阔叶林fma之间存在明显差异(径流量定义为总剩余水量，与水通路无关)。当与其他关于山毛榉和云杉的研究结果进行比较时，例如Solling (Benecke 1984)在类似的气候条件下进行的研究，人们必须意识到，在我们的虚拟案例研究中，杆期和成熟云杉林分的较高消耗被伐林期较高的径流部分补偿。自然保护区处于中间位置。持续的覆盖和高的粗木屑截留率很可能是造成这种反应的原因。

事实上，通用模型方法显示了我们的虚拟森林的低差异不能被推广。在干燥的大陆性气候中，即使是每年70毫米的渗漏差异也会对地下水的形成产生相对显著的影响。在这种条件下，蒸腾速率甚至可能更高。

为了简化氮平衡计算，我们假设在富氮土壤中，土壤有机质中不再积累氮(即假设土壤氮处于稳定状态)。更重要的是，我们忽略了硝化/反硝化造成的气体损失，这可能达到几千克N公顷⁻¹年⁻¹正如在德国西南部的Högelwald网站所观察到的那样(Kreutzer et al. 2009)。然而，我们估计的硝酸盐浓度(1.2至3.3毫克N l⁻¹，表3)，基于简化n平衡，与我们举例区域监测地块观测到的浓度处于相同的范围。^3.尽管该地区的氮沉降相对较高，但整个FMAs的估计硝酸盐浓度(表3)相对较低。当降水达到>1000毫米时，不太可能出现长时间的高浓度硝酸盐。然而，如果降雨量为650毫米，FMAs 1和4的硝酸盐浓度将超过饮用水标准。虽然硝态氮浓度本身很低，但估计的N淋出量(即N过剩6至18公斤N公顷)⁻¹年⁻¹，表3)在欧洲的管理森林中较高(Dise等，2009年)，这意味着0.4至1.3 keqv ha的土壤酸化⁻¹年⁻¹，这与生物量去除造成的影响相似(表3)。从FMA 4到FMA 5的N盈余显著减少说明了通过增加生物量去除来抵消N饱和影响的可能性。这可能是在碱阳离子供应充足的肥沃土地上的一种选择，或在营养物质通过木灰回收回收的地方。

营养和酸化

当由于沉积而输入的养分超过由于收割而输出的养分时，养分就会在土壤中积累或滤出。相反，生物量的输出超过了沉积，必须通过土壤的释放来补偿，无论是通过风化，还是通过可用于植物吸收的池的减少(Raulund-Rasmussen et al. 2008)。在我们的虚拟研究中，氮元素过剩，而其他元素短缺;在北欧的其他地区也发现了类似的情况(Raulund-Rasmussen et al. 2008)。

人们对空气污染和采收造成的酸化过程进行了深入研究(Raulund-Rasmussen et al. 2008)。在这项研究中，我们估计了来自生物质收获和硝酸盐淋溶导致的酸化的贡献。在所有的替代方案中，氮过量和淋失都可能对酸化产生显著影响，只有在非常密集的收获方案(FMA 5)中，生物质出口的贡献才更为重要。氮过剩的这种相对较高的重要性当然是由于氮的高沉积速率(表2)。在酸性土壤中，硝酸盐的高淋失率可能会导致铝的调动，从而导致酸度的输出(Gundersen et al. 2006)。

生物多样性

值得注意的是，应用死亡率模型对枯木的测量结果是保守的，因为它只对林分密度和树维数敏感。因此，树皮甲虫、风暴或积雪破裂的影响没有被考虑在内。然而，这些模型确实为林分水平上有意义的生物多样性指标提供了一个可靠的“自下而上”计算(Lexer等，2000)(Lindenmayer等，2000)。为了对比FMAs，这些模型和相应的生物多样性属性被认为是最实用的，因为在这个层次上，森林管理主要通过造林作业的应用来实施(Smith等人，2008年)。生物多样性的其他重要方面，包括林分的连通性和大小和空间排列的异质性，都需要在景观层面加以考虑。这需要我们做出额外的假设，因为模拟是基于一个在树和林分层面都有效的模型。

随着管理强度的增加，生物多样性属性下降明显。由此可以得出两个结论。首先，如果目标是为所有物种在景观中生存创造机会，就有必要为保护目的留出一些区域。FMA 1中有FMA 2中所缺乏的品质，为了便于分散和长期存活，大而连贯的区域通常比小而孤立的隔离区域更好。然而，这些因素的重要性取决于所考虑的生物体类型(Cabeza和Moilanen 2003年)。在某些情况下，如疾病等生物因素或极端天气条件等非生物事件发生并在当地消灭目标生物时，分离和分散的种群可能有利于保护生物多样性。第二，即使某些生物多样性价值丧失了，FMA 2情景表明，将保护生物多样性的重要因素与积极的经济产出结合起来是可能的。在这种情况下，重要的生物多样性价值和高土地期望价值在高利率下得到维持。这一发现得到了对北方森林(Hynynen et al. 2005)和温带森林(Seidl et al. 2007)的类似结果的支持。

合作和权衡

在假设框架条件下，选择经济价值最大化的FMA受利率支配。如果这个值被认为是孤立的，FMA 5是1% (LEV)的最佳选择_低)，其次是3%的FMA 3，以及更高比率的FMA 2甚至FMA 1 (LEV_高)．这些方法以从FMA 5到FMA 2强度递减的方式干预自然过程。因此，所有其他森林生态系统服务也有响应，因为它们受到树种组成、林分密度和年龄结构的影响，或者也受到养分进出口的影响。

总体而言，我们的结果表明，FMAs以不同的方式影响所考虑的生态系统服务(表3和图3)。然而，所选指标中的大部分变异性(66%)被总结在PC1中(图3，下面板)，这意味着许多指标存在协同作用(符号聚类)，而其他指标则存在权衡(符号在PC1(或PC2)轴上相互对立)。下面将进一步探讨一些协同和权衡的例子。

FMAs 4和5的高管理强度对所有考虑的生物多样性属性都产生了负面影响，揭示了林分水平上最大产量和生物多样性维持之间众所周知的权衡关系(Seymour and Hunter 1992, Seymour et. al 1999, Hunter 2001, Boscolo and Vincent 2003, Gamborg and Larsen 2003)。然而，研究表明，最大产量并不一定与最高土地期望值相一致。根据利率，我们的低干预林业，目标是生产较少的数量，但高质量，导致高货币价值。这些与不确定性相关，因为它们是在框架条件下计算的，随着时间的推移会发生未知的变化。与FMA 1相比，FMA 2的生物多样性属性仍受到负向影响，但与更强烈的备选方案相比，它们的影响要高得多。这清楚地表明，需要以选定的利率考虑市场服务和非市场服务之间的协同作用和权衡。图5为利率为1%和3%时的土地期望值，以及木屑平均数量。粗木屑的数量在图中各点标记旁边的括号内额外提供。图5中的直线调节线连接了两个最外层的fma，它们最好地满足了其中一个服务。除了产生大量细木屑的FMA 4，其他FMA都保持在这条线以下，利率很低。 Thus, a specialized approach is superior. To achieve the desired levels of both services, the required landscape mixture of specialized approaches can be selected along this line. However, at an interest rate of 3%, FMAs 2 and 3 are beyond this line, thus proposing a convex possibility frontier. This effect of interest rate is also indicated by the findings of Boscolo and Vincent (2003), Hynynen et al. (2005), and Seidl et al. (2007) for different forest types. Although interest rate had a strong influence on land expectation value, the ranking of different management alternatives for oak and pine forests in a temperate region of eastern Germany under priority settings of stakeholder groups in overall utility was not sensitive to variations in interest rate (Fürstenau et al. 2007). However, the highest interest rate considered by Fürstenau et al. (2007) was 2.5%. Possibly, this explains why the described effect of interest rate on the ranking of management alternatives in our study does not become apparent. In accordance with the desired level of achievement, an integrative approach will synergistically best maintain biodiversity while providing the highest economic result. It raises rather more the question—which attribute level is to be maintained while providing income from timber production.

同样，对碳储量和固碳的影响是不同的，至少需要被看作是双重的。首先，在收获率为零的未接触保护区(FMA 1)中发现了最高的储量和C同化率，由于我们将备选方案定义为稳态参考，由于呼吸和分解，同化的碳(几乎完全)再次释放。其次，与之相反的是，受管理的备选方案——特别是密集的FMA 5——都显示出很高的C采收率。乍一看，这些结果似乎与Seidl等人(2007)的结果相反，导致非管理的参考具有最高的C就地隔离率(与我们的C存量相当)。然而，虽然我们使用了稳态假设，Seidl等人(2007)使用了相同的起点，因此很可能得出了相同的股票高变化。与我们的结果平行的是，他们发现了生物多样性和产量之间的权衡。

该研究清楚地说明了生产与其他生态系统服务之间以及其他生态系统服务内部复杂的协同和权衡模式。尽管很复杂，但服务提供的主要差异可以被分为两个维度(图3)，这表明管理决策中的协同作用和权衡可能是可以澄清的，特别是当服务的响应功能变得更好时。这里得到的模式可能不像成本和木材奖励等假设的输入变量那样普遍一致，而且自然条件可能会显著改变服务的结果指标。然而，该研究表明，使用概念模型、经验模型和过程模型的组合是为管理决策过程开发基础的一种可靠的方法。

在目标相互冲突的情况下，在景观一级将专门的森林管理按森林事务处分开可能是适当的。关于维持生物多样性，一种可能是设立严格保护的自然保护区。要在不减少木材采伐的情况下实现这一目标，就必须补偿性地增加其他地方的采伐。在有可能增加木材产量的情况下，在自然保护区建立景观而损失的木材可以用专门用于集约化生产的一小块土地的木材来代替。在森林管理强度的主要矩阵中，这形成了缅因州的景观三位一体(Seymour和Hunter 1992年，Seymour 1993年)。这一愿景本质上意味着不存在组合所有服务的最佳单一解决方案。然而，这一策略的一个问题是，需要大片的区域来保护可存活的种群，自然保护区最终成为景观中的孤立岛屿(Whittaker et al. 2001)。此外，已查明的生态系统服务对造林业务的响应使管理人员能够在森林管理方法中纳入适当的养护措施(Kulhavý等，2004年)。在保护生物多样性的情况下，这可能包括保留生境元素，如粗木屑或老树(Lindenmayer等，2000年)和模拟自然干扰(Bengtsson等，2000年)。此外，保持土壤和水的质量需要减少养分损失，例如，通过只采伐茎木而不是整棵树(Raulund-Rasmussen et al. 2008)。 In the case of nitrogen saturation, surplus nitrogen may, however, be removed with biomass to decrease nitrate pollution of seepage water.

¹气候站330 Beerfelden的天气数据来自Deutscher Wetterdienst，气候站460 Heidelberg的天气数据来自Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt baden - wrttemberg。
²该数据是根据由巴登-符腾堡州Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt运营的海德堡204站对该地区的典型数据进行评估得出的。
^3.数量是基于该地区在由巴登-符腾堡州Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt经营的第II级地块802所评估的典型数量。

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勘误表:本文原稿的图4和图5有错误。更正于2012年1月11日作出。