DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47143-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38605043
تاريخ النشر: 2024-04-11
المؤلف: Zhen Yu وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة الغابات والسياسات
نظرة عامة
تدرس الدراسة قدرة الغابات في الصين على احتجاز الكربون، مع تسليط الضوء على عدم اليقين الكبير الناجم عن التمثيل غير الكافي لديناميات التركيب السكاني للأشجار وتأثيرات الحصاد. باستخدام نموذج بيولوجي كيميائي قائم على العمليات مستند إلى جرد الغابات الوطنية الذي يشمل حوالي 415,000 قطعة دائمة، تتوقع الأبحاث زيادة في مخزون الكربون الحيوي بمقدار 13.6 ± 1.5 Pg C من 2020 إلى 2100. تشمل هذه التوقعات مصادر كربون إضافية من مجموعة المنتجات الخشبية (0.6-2.0 Pg C) وممارسات إدارة الغابات المحسّنة (2.3 ± 0.03 Pg C).
تشير النتائج إلى أن الاعتماد على النماذج الإحصائية قد يقدم تحيزات كبيرة في توقعات الكربون على المدى الطويل، خاصة بسبب إغفال تأثيرات حصاد الخشب والتغيرات الديموغرافية في الغابات. من الجدير بالذكر أن عدم الأخذ في الاعتبار تأثيرات الحصاد على عمر الغابة قد يؤدي إلى توقع خاطئ لتوقيت ذروة احتجاز الكربون، مما قد يحولها بمقدار 1-3 عقود. تؤكد الدراسة على الحاجة الملحة لاستراتيجيات فعالة لإدارة الغابات لتعزيز احتجاز الكربون، بما يتماشى مع الجهود العالمية لتحقيق أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة المتعلقة بالاستخدام المستدام للنظم البيئية والتخفيف من تغير المناخ.
الطرق
استخدمت الطرق المستخدمة في هذه الدراسة محاكاة نموذج النظام البيئي الأرضي الديناميكي (DLEM) لتقييم تخزين الكربون الحيوي وديناميات الاحتجاز في غابات الصين، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل التشجير، وتغير المناخ، وارتفاع مستويات CO₂، وترسيب النيتروجين، وممارسات إدارة الغابات. بدأت المحاكاة بسنة أولية هي 1900 لأخذ التغيرات التاريخية في استخدام الأراضي والتغطية في الاعتبار (LUCC)، مع معايرة واسعة النطاق والتحقق من صحة تخزين الكربون والتغيرات من 1900 إلى 2020، كما هو مذكور في Yu et al. والشكل التوضيحي التكميلي S6. تم تأسيس حالة التوازن لكل بيئة بناءً على التغيرات بين السنوات في تدفقات الكربون والنيتروجين والمياه، تلتها فترة تشغيل لمدة 10 سنوات لتخفيف الانتقالات المفاجئة قبل فترة المحاكاة العابرة التي تمتد حتى 2100.
تم تصميم أربع مجموعات تجريبية لتحليل تغييرات مخزون الكربون من 2020 إلى 2100. قامت المجموعة الأولى بمحاكاة ظروف واقعية، مع تضمين معدل بقاء الأشجار بنسبة 47% أو 85% والامتثال للوائح الإدارة الوطنية للغابات والمراعي، مع اختلاف العوامل البيئية تحت مسارات اجتماعية واقتصادية مشتركة مختلفة (SSPs). درست المجموعة الثانية تأثيرات تحسين ممارسات إدارة الغابات، بينما ركزت المجموعة الثالثة على فقدان الكربون بسبب التأخير في تنفيذ هذه الممارسات. حافظت المجموعة الرابعة على LUCC عند مستويات 2020، مستبعدة توسع الغابات. سمحت المقارنات بين هذه المجموعات بتحديد مساهمات الغابات القائمة والجديدة في مخزونات واحتجاز الكربون، حيث تم إجراء جميع المحاكاة بدقة 0.5° × 0.5°. تم تفصيل التوزيعات المكانية المتوقعة والتغيرات في مخزون الكربون الحيوي للغابات في الأشكال التوضيحية التكملية S12 وS13.
النتائج
في هذه الدراسة، قمنا بتحسين ممارسات حصاد الخشب بناءً على عمر الغابة والديناميات السكانية، مبتعدين عن نماذج إزالة الكربون المدفوعة بالطلب مثل تنسيق استخدام الأراضي (LUH2). من خلال التركيز على نضوج الأشجار والعمر المحدد للأنواع، قمنا بتحسين عمليات إزالة الكربون وتراكمه، مما أدى إلى تحسين توقعات الكربون الحيوي في المستقبل. تدعم نتائجنا الأبحاث السابقة التي تؤكد على أهمية التركيب السكاني للغابات في خزانات الكربون الأرضية، كاشفة أن معدلات تراكم الكربون تختلف بشكل كبير خلال إعادة نمو الغابات على مستوى العالم. قمنا بالتحقق من صحة محاكاة نموذجنا باستخدام بيانات الجرد، مما يوضح أنه يمكن تحقيق تقديرات دقيقة لمخزونات الكربون الحيوي من خلال تضمين سيناريوهات واقعية لمعدلات بقاء الأشجار واختيار الأنواع بناءً على خرائط ملاءمة المواطن.
تشير النتائج إلى أن مخزونات الكربون الحيوي للغابات قد تزيد إلى 21.6-24.3 Pg C بحلول عام 2100، مع إمكانية احتجاز كربون تتراوح بين 11.2-14.8 Pg C بسبب تحسين معدلات بقاء الأشجار. تتوقع محاكياتنا معدلات احتجاز الكربون بمقدار 0.203 و0.192 Pg C سنويًا لعامي 2030 و2060، على التوالي، وهي أعلى بنسبة 2.0-15.3% من التقديرات السابقة. من الجدير بالذكر أننا وجدنا أن حصاد الخشب يؤثر بشكل كبير على ديناميات الكربون، حيث يغير الهيكل العمري ونمو الكتلة الحيوية، مما يؤثر على استجابة الغابة للتغيرات البيئية. يوفر نهجنا، الذي يتضمن تأثيرات حصاد الخشب ويتماشى مع السياسات الرسمية للغابات، تقييمًا أكثر واقعية لديناميات الكربون، مما يشير إلى أنه بينما يقلل الحصاد من الكربون الحيوي الحي، فإنه يسهل أيضًا إدارة الغابات المستدامة وإعادة النمو، مما يسهم في تحقيق أهداف الحياد الكربوني في النهاية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التوزيع المكاني وديناميات مخزون الكربون واحتجازه في غابات الصين، باستخدام نموذج قائم على العمليات (DLEM) مستند إلى بيانات موثوقة تم التحقق منها حول استخدام الأراضي وتغير التغطية (LUCC). تتوقع الدراسة أن الزيادة في مخزون الكربون الحيوي ستأتي بشكل أساسي من الغابات غير الخشبية، حيث تساهم الغابات الطبيعية بنسبة 57.7% والغابات المزروعة غير الخشبية بنسبة 34.2% من احتجاز الكربون خلال الفترة من 2020 إلى 2100. في المقابل، تساهم الغابات الخشبية بنسبة 8.1% فقط بسبب ممارسات الحصاد المنتظمة. يُقدر متوسط احتجاز الكربون الحيوي بمقدار 0.172 ± 0.017 Tg C سنويًا، مما يتجاوز بكثير التقديرات السابقة ويمثل جزءًا كبيرًا من احتجاز الكربون الحيوي العالمي.
تؤكد النتائج أيضًا على أهمية ممارسات إدارة الغابات في تعزيز إمكانيات احتجاز الكربون. تقترح الدراسة أن تمديد دورة الحصاد واستبدال الأنواع غير الأصلية بأخرى محلية يمكن أن يزيد من احتجاز الكربون بمقدار إضافي يبلغ 28.1 ± 0.4 Tg C سنويًا. تشير النتائج إلى أنه بينما تتمتع غابات الصين بالقدرة على العمل كخزان كبير صافٍ للكربون، فإن توقيت وإدارة حصاد الغابات أمران حاسمان لتحسين تخزين الكربون. تؤكد الأبحاث على ضرورة التنفيذ الفوري لاستراتيجيات إدارة الغابات الفعالة لتعزيز احتجاز الكربون وتحقيق أهداف الاستدامة على المدى الطويل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47143-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38605043
Publication Date: 2024-04-11
Author(s): Zhen Yu et al.
Primary Topic: Forest Management and Policy
Overview
The study investigates the carbon sequestration capacity of forests in China, highlighting significant uncertainties stemming from inadequate representation of tree demographic dynamics and the impacts of harvesting. Utilizing a process-based biogeochemical model informed by national forest inventories encompassing around 415,000 permanent plots, the research projects an increase in biomass carbon stock of 13.6 ± 1.5 Pg C from 2020 to 2100. This projection includes additional carbon sinks from the wood product pool (0.6-2.0 Pg C) and optimized forest management practices (2.3 ± 0.03 Pg C).
The findings indicate that reliance on statistical models may introduce substantial biases in long-term carbon projections, particularly due to the neglect of wood harvest impacts and forest demographic changes. Notably, failing to account for the effects of harvesting on forest age could lead to an erroneous forecast of the carbon sink peak timing, potentially shifting it by 1-3 decades. The study underscores the urgent need for effective forest management strategies to enhance carbon sequestration, aligning with global efforts to meet the UN Sustainable Development Goals related to sustainable ecosystem use and climate change mitigation.
Methods
The methods employed in this study utilized Dynamic Land Ecosystem Model (DLEM) simulations to assess biomass carbon storage and sink dynamics in China’s forests, considering factors such as forestation, climate change, rising CO₂ levels, nitrogen deposition, and forest management practices. The simulations commenced with an initial year of 1900 to account for historical land use and cover changes (LUCC), with extensive calibration and validation of carbon storage and changes from 1900 to 2020, as referenced in Yu et al. and Supplementary Fig. S6. The equilibrium state for each biome was established based on interannual variations in carbon, nitrogen, and water fluxes, followed by a 10-year spin-up run to mitigate abrupt transitions before the transient simulation period extending to 2100.
Four experimental groups were designed to analyze carbon stock changes from 2020 to 2100. The first group simulated realistic conditions, incorporating a tree survival rate of 47% or 85% and adhering to the National Forestry and Grassland Administration’s regulations, with environmental factors varying under different Shared Socioeconomic Pathways (SSPs). The second group examined the effects of enhanced forest management practices, while the third group focused on carbon loss due to delayed implementation of these practices. The fourth group maintained LUCC at 2020 levels, excluding forest expansion. Comparisons between these groups allowed for quantification of the contributions of existing and new forests to carbon stocks and sinks, with all simulations conducted at a resolution of 0.5° × 0.5°. The projected spatial distributions and changes in forest biomass carbon stock are detailed in Supplementary Figs. S12 and S13.
Results
In this study, we optimized wood harvesting practices based on forest age and demographic dynamics, moving away from demand-driven carbon removal models like Land-Use Harmonization (LUH2). By focusing on tree maturity and species-specific age, we enhanced carbon removal and accumulation processes, leading to improved projections of future biomass carbon. Our findings corroborate previous research emphasizing the significance of forest demography in terrestrial carbon sinks, revealing that carbon accumulation rates vary significantly during forest regrowth globally. We validated our model simulations using inventory data, demonstrating that accurate estimates of biomass carbon stocks can be achieved by incorporating realistic scenarios of tree survival rates and species selection based on habitat suitability maps.
The results indicate that forest biomass carbon stocks could increase to 21.6-24.3 Pg C by 2100, with a potential carbon sink of 11.2-14.8 Pg C due to improved tree survival rates. Our simulations predict carbon sink rates of 0.203 and 0.192 Pg C yr⁻¹ for 2030 and 2060, respectively, which are 2.0-15.3% higher than previous estimates. Notably, we found that wood harvesting significantly influences carbon dynamics, as it alters age structure and biomass growth, thus affecting the forest’s response to environmental changes. Our approach, which includes the impacts of wood harvest and adheres to official forestry policies, provides a more realistic assessment of carbon dynamics, suggesting that while harvesting reduces live biomass carbon, it also facilitates sustainable forest management and regrowth, ultimately contributing to carbon neutrality goals.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the spatial distribution and dynamics of carbon stock and sink in China’s forests, utilizing a process-based model (DLEM) informed by rigorously validated land use and cover change (LUCC) data. The study predicts that the biomass carbon stock increment will predominantly arise from non-timber forests, with natural forests contributing 57.7% and non-timber planted forests 34.2% of the carbon sink during the 2020-2100 period. In contrast, timber forests contribute only 8.1% due to regular harvesting practices. The average biomass carbon sink is estimated at 0.172 ± 0.017 Tg C yr⁻¹, significantly exceeding previous estimates and representing a substantial portion of the global forest biomass sink.
The findings also emphasize the importance of forest management practices in enhancing carbon sequestration potential. The study suggests that extending the harvest cycle and replacing non-native tree species with indigenous ones could increase the carbon sink by an additional 28.1 ± 0.4 Tg C yr⁻¹. The results indicate that while China’s forests are positioned to act as a significant net carbon sink, the timing and management of forest harvesting are critical for optimizing carbon storage. The research underscores the necessity for immediate implementation of effective forest management strategies to bolster carbon sequestration and achieve long-term sustainability goals.