原始研究的文章

前面。对。水珠。变化,2023年1月20日
秒。森林管理
卷6 - 2023 | https://doi.org/10.3389/ffgc.2023.1099460

在德国分裂导致森林危机吗?

迪曼 ^{1 __},

夏洛特Gohr ^1、2中,

珍妮特美国Blumroder¹和

皮埃尔·l·Ibisch ^{1、2 *}

¹Econics和生态系统管理中心大学的埃贝斯瓦德地区可持续发展,德国的埃贝斯瓦德地区
²生物圈保护区学院大学的埃贝斯瓦德地区可持续发展,德国的埃贝斯瓦德地区

完整的森林生态系统功能的景观被存储和固碳,缓冲和冷却小气候,提供一系列相关的生态系统功能。森林碎片不仅对许多生物构成威胁,也减少了阻力和生态系统的弹性,尤其相关的持续的气候危机。最近高温年对森林的影响在德国并没有详细研究了分裂的影响。我们调查的森林碎片与温度的关系和活力在德国每ecoregion在树冠层次使用卫星图像分辨率1公里,30米。我们编译和相关森林地图基于Thiessen多边形的连通性,树冠气温最热的天基于地表温度,和森林活力基于最大归一化植被指数每生长季节。我们之间的分化生态区和主要森林类型。2022年,更大的完整的绿树环绕的区域分散天热有相对较低的温度和更高的整体活力。近98%的近195万个森林碎片在德国30米分辨率小于1公里²涵盖森林面积总量的近30%。抵消森林危机、森林和景观管理的目标应该是减少碎片和维护树生物量和森林覆盖的景观。增加连续森林片段的大小有助于基于生态系统的适应气候变化。

1。介绍

土地利用和基础设施日益碎片自然生态系统持续成几个较小的片段或多或少相互孤立的(Riitters 2007;Ibisch et al ., 2016)。而大型unfragmented森林景观被认为是世界上一些最重要的生态系统提供关键的好处很多物种(Minnemeyer Potapov, 2017),分裂是一个关键驱动因素对生态系统完整性的损失(罗杰斯et al ., 2022)。大完整的森林是大气中最伟大的下沉和存储不成比例的大量的碳比分散的森林,使他们一个重要的自然的解决方案在任何缓解和适应气候变化的解决方案(Potapov et al ., 2017;Moomaw et al ., 2019)。此外,减少生物多样性和当地物种灭绝的风险更高的原始森林景观的日益分化(贝茨et al ., 2017)。森林碎片导致的扩张森林边缘,让森林碎片更高的人为干扰(Vieilledent et al ., 2018)。更高的分散和更加孤立森林碎片倾向于推进当地气候条件的变化,导致干燥,热,和日益动荡小气候(Laurance et al ., 2002;b et al ., 2010;凝灰岩et al ., 2016)。不过,小树林碎片和绿色树冠覆盖相邻的高度修改人为景观还提供实实在在的利益调节小气候(阿尔托et al ., 2022)。然而,这样的效果更明显大完整的森林(Gohr et al ., 2021)。

森林的长期历史碎片在中欧已经导致了扫描线景观,由农业用地与温带森林的支离破碎的片段。在中欧,近40%的当前森林面积小于100米从森林边缘包括最大连续山林(Estreguil et al ., 2013)。干旱胁迫和风力的渗透进森林可以测量,直到几百米从森林边缘,导致森林小气候的改变和增加树死亡率(Laurance et al ., 2011)。森林小气候变化已报告在数十到数百米的森林边缘(哈珀et al ., 2005;凝灰岩et al ., 2016)。这可能是由于森林火灾损失增加的一个原因(每年Armenteras et al ., 2013;德里斯科尔et al ., 2021)。碳损失与边缘效应引起的森林碎片与碎片(另一个最近承认因素相关席尔瓦初级et al ., 2020)。

本研究是指所有的森林斑块的森林碎片无论大小。较小的森林碎片在很大程度上受到的影响周围的边缘,只有更大的大部分内陆地区的森林碎片可以缓冲从环境和生物的变化与优势。森林边缘效应是许多相互作用的环境影响的结果。既有理化和生物从森林生态系统的环境影响。小气候和mesoclimatic影响森林的特殊相关性的生命力是炎热和干旱的压力增加了在过去的几十年中,预计在不久的将来大幅上升(雅各et al ., 2018)。极端高温事件更容易发生和正在进行的气候变化导致水分胁迫和干旱,尤其是对森林生态系统(费舍尔et al ., 2017)。在德国,我们说森林危机的基础上,森林破坏严重,近年来由于干旱、热浪、害虫(特别是树皮甲虫疫情于2018年),和管理不善(林德纳et al ., 2014;Schuldt et al ., 2020;Blumroder et al ., 2021;Ibisch 2022;Thonfeld et al ., 2022)。健康的森林可以为景观冷却,尤其是在炎热的天,在热浪(Gohr et al ., 2021)。

虽然有大量的知识碎片如何影响温度在热带森林和森林的生命力(Taubert et al ., 2018;席尔瓦初级et al ., 2020),很少有研究相关的模式分裂与温度和森林的生命力完全在温带森林,如德国的森林。温带和热带森林的特征本质上是不同的;因此,重要的是要理解这些联系特定的温带森林开发地区或biome-specific森林管理策略。因此,必须了解这些影响在温带森林。本研究旨在扩大当前的知识森林片段之间的关系,他们的大小,和相关的温度变化和森林的生命力在德国。特别是,我们解决了以下问题:

(1)森林碎片与空间变化温度和森林景观活力?

(2)热梯度和森林内部活力森林片段受到变化的大小和程度的隔离森林片段?

在这项研究中获得的信息提供了输入森林管理和景观规划追求生态系统弹性和基于生态系统的适应气候变化。现有的监视应用程序,如欧洲森林状况监控(Buras et al ., 2021)或Waldmonitor (之声et al ., 2022)关注植被活力。扩展这个监测与分析的森林碎片可以促进森林脆弱性的理解。本研究提供循证理由减少森林碎片集约管理的风景。

2。材料和方法

我们量化森林碎片与地表温度的关系和森林的生命力在德国每ecoregion树冠层次使用四步方法论的方法:(i)编制年度国家森林覆盖2022年以及温度和植被活力数据;(2)初步治疗所有的数据集,包括标准化的空间分辨率和计算的年度平均最热的天,生长季节内的最大活力;(3)森林数据集转化为presence-absence森林覆盖图和计算分裂的程度;及(iv)的森林碎片之间的关系分析,温度,和森林活力使用区域统计数据和二维等值线图映射每ecoregion和森林类型。在代码编辑器中执行数据集预处理的谷歌地球引擎。后期处理和可视化与ArcGIS 10.7和准备4.0.3 RStudio版本。

2.1。德国生态区

占区域特征的影响,如高度和植物群落,我们定义我们的分析基于9个生态区在德国(奥尔森et al ., 2001;Bundesamt毛皮Naturschutz (BfN), 2017年;图1)。生态区的理由作为集团类似的地理和生物特征的组合的物种被认为是证明(史密斯j . r . et al ., 2018)。的影响高度的影响反映在德国生态区的划分。因此,我们认为调查ecoregion边界内的分裂模式合适。在德国两北生态区,波罗的海ecoregion和北海ecoregion,展览小森林覆盖,他们被排除在分析之外。

图1

图1所示。德国地图分类由七个生态区(左)Bundesamt毛皮Naturschutz (BfN), 2017年)。波罗的海和北海森林覆盖率较低的股票被排除在原始数据集。森林覆盖(绿色)是基于全球森林变化的数据集(汉森et al ., 2013)的森林地区2021(每个像素定义为超过50%的森林覆盖率的基础上汉森et al ., 2013)。一个例子相应地区的森林覆盖面积Thiessen多边形和相应的连接值在0 - 1显示在右边。

2.2。森林覆盖率和森林类型

我们创建了一个德国的森林覆盖图30米分辨率为2022从2000年全球树木覆盖数据集,使用一个树冠覆盖50%的阈值,通过减去树覆盖损失从2001年到2021年(汉森et al ., 2013)。我们没有占森林覆盖获得因为没有可靠的数据是可用的。数据来源于陆地卫星7 etm +数据,任何植被和森林覆盖的特点是比5米高(高汉森et al ., 2013)。这个阈值是基于区分能力高的木本植物,在多光谱图像,特别是那些在全球范围内地球观测系统,如陆地卫星和MODIS (汉森et al ., 2010)。尽管被批评为不区分本地和种植森林,这些高分辨率的地图是适合捕捉生物物理特性取决于森林覆盖全球各地(Tropek et al ., 2014)。结果在2022年德国的森林覆盖率为27.9% (补充表1)不同于官方统计数据。官方统计数据,2021年森林覆盖率为31.9% (Bundesministerium毛皮Ernahrung和Landwirtschaft [BMBL], 2022),包括“法律森林”没有实际的树木覆盖的地区,不包括一些林地或树覆盖在城市地区。相比之下,在这项研究中,只有森林与可衡量的树木覆盖被认为是相对较小的森林斑块在小岛屿和海岸线的波罗的海和北海生态区是省略,从而导致总森林覆盖率的较小的区域。

我们创建了一个德国的森林类型图30米分辨率的最新CORINE土地覆盖产品2018 100米,首先将数据集分为三个森林类型类,也就是说,阔叶,原始,和其他森林,其次reprojecting,重采样(30米),并屏蔽数据集编译后的森林覆盖图30米的分辨率。

2.3。森林碎片

Thiessen多边形连接(指的是,如Ibisch et al ., 2016;Mehdipour et al ., 2019;吴et al ., 2019)的森林碎片被用作代理估计森林碎片。测量结合片段大小和isolatedness从其他森林碎片和一个无单位的值介于0(高分裂)和1(低分化)。它被定义为之间的比例大小的森林碎片和周边Thiessen多边形。Thiessen(或泰森多边形法)多边形描述采样点周围的地区/区域内任何位置从多边形更接近的样本点/面积比任何其他采样点/地区。Thiessen连接性的价值越大,越接近附近的森林碎片,因此分裂越低。

2022年德国的森林覆盖光栅数据集转换成森林多边形使用重心法,和每一个点森林生成多边形。此后,Thiessen创建多边形,Thiessen多边形连接每个森林多边形(指值被计算图1)。使用这些连接值基于2022年德国的森林覆盖,我们在30米分辨率生成的森林碎片映射。

2.4。森林的温度

极端高温事件更容易发生和正在进行的气候变化导致水分胁迫和干旱,尤其是对森林生态系统(费舍尔et al ., 2017)。在温和的生物群落,健康的森林有助于景观冷却(Gohr et al ., 2021)。与此同时,森林是由自然和人为干扰严重影响。地表的辐射皮肤温度的驱动力的长波辐射和湍流热通量交换surface-atmosphere接口(李et al ., 2013),提出了有价值的结果在几个显热通量模型(詹et al ., 1996)。地表温度接近空气温度趋势对当地气温在分析森林覆盖的影响甚至在不同纬度区域(李et al ., 2016),即使白天陆地表面的热影响,之间有一个换热空气和陆地表面(金和迪金森,2010年;Mildrexler et al ., 2011)。因此,德国的地表温度数据集有资格的评估森林冠层温度和基于MODIS Aqua MYD11A1数据集在1公里的空间分辨率,捕获每天在欧洲中部时间下午1.30∼(CET)。温度测量红外辐射强度的范围(与10.8 - -12.3μm乐队31和32)(Wan et al ., 2015)。创建一个数据集的每像素平均温度从2022年1月到10月最热的天,每天的平均温度是签字的德国和后来产生的124天,超过30°C选择(补充表1,请参考Gohr et al ., 2021)。通过这种方式,我们生成的地图上的平均气温在2022年德国森林最热的天,(有记录以来最热的年份德国Wetterdienst [DWD], 2022年;连同2019年,2022年夏天,是1881年以来第三个最热的夏天;Imbery et al ., 2022)。相同的应用程序生成的温度对2013年- 2022年最热的天对生态区(补充图1)。

2.5。森林的生命力

归一化植被指数(NDVI)是衡量光合活动,通常用于衡量植被压力和水平衡,因此代表植被活力(兰伯特et al ., 2013;Chakraborty et al ., 2022)。此外,该参数可以作为解释变量对森林覆盖(温度变化的影响翁et al ., 2004;邓et al ., 2018)。德国是基于MODIS NDVI数据集的Aqua MYD13A2为期16天的复合材料在1公里的空间分辨率的数据集。复合从MODIS图像预处理使用近红外和可见光谱,捕捉每天下午1.30∼点,完成和通过选择最好的云像素较低,低视角,和最高的归一化植被指数(Didan 2015)。生长季节从5月到9月,这导致10图像覆盖2022年德国。我们创建了一个映射的森林活力为德国2022年使用生长季节的最大值。每个像素的最大价值选择承认不同峰值的“绿色”不同的植被在2022年绿树环绕的区域。最小值自碎片对健康的影响没有考虑森林的主要目标。最小值有一个各种各样的潜在原因,如害虫和疾病的暴发,水压力,或其他环境因素。如果只考虑到最大值,活力的丧失可能有点低估了,但这个错误不影响空间的区域评估模式(或时间变化)。相同的应用程序生成的最环保的归一化植被指数2013年- 2022年对森林类型和生态区(补充图2,3)。

2.6。分析

我们重新分类的森林碎片分成三个不同类别根据片段的大小,也就是说,小(小于1公里²)、中(1到5公里²),大(大于5公里²)。我们重新取样预处理温度和归一化植被指数数据集30米空间分辨率。我们使用森林覆盖的光栅数据集提取面具准备温度、归一化植被指数、Thiessen连接,和森林类型的数据在德国森林覆盖。为了研究分裂之间的空间关系,温度,和森林的活力在不同生态区在德国,我们准备好的二维等值线图的地图空间代表了在一个变量对另一个变化。此外,我们计算统计信息每森林片段大小ecoregion Thiessen连接性,温度,和活力,分别使用带状ArcMap 10.7的统计工具。时间序列变化的最大活力每生长季平均气温的变化在最热的天,我们使用类似的方法。每年从2013年到2022年,每个ecoregion,我们提取温度和活力的平均值和标准偏差数据集在相应的森林地区(前几年的减去森林的减少)。

3所示。结果

关于分裂条件、温度、和活力德国在绿树环绕的区域差别很大。大的完整的绿树环绕的区域分散(例如,西南部地区的黑森林,图2一个天热时)表现出相对较低的温度(图2 b)和高活力(图2 c)。人口密集地区森林覆盖率较低和较高的碎片(例如,德国西北的部分地区)特性高温炎热的天气和低活力通常非常小的森林碎片。

图2

图2。绿树环绕的区域特征在德国整个陆地生态区的2022(一)森林碎片(Thiessen连接),(B)地表温度(地表温度(LST);MODIS Aqua MYD11A1)表示的每像素意味着炎热的天气(≥30°C), 2022年(C)森林的生命力(NDVI;MODIS Aqua MYD13A2)表示的最大值May-September植物的生长季节。

3.1。碎片,温度和活力

当前森林分布在德国历史悠久的结果人为土地利用(卡普兰et al ., 2009)。目前在德国占大约990万公顷森林覆盖我们的研究方法(官方统计状态1140万公顷(Bundesministerium毛皮Ernahrung和Landwirtschaft [BMBL], 2022),在30米分辨率,分散到近195万小森林片段的192万小于1公里²只有约2000年的森林碎片大于5公里²最大尺寸为3800公里²。

对分布在不同生态区,68%(阿尔卑斯山脉)到16%(西北低地)的德国被森林覆盖补充表1)。的面积被森林覆盖,西部高地森林的份额最高21960公里²。更高价值的Thiessen连接(接近1)显示高连通性的森林碎片,因此更少的碎片。我们分析Thiessen连接值的中值在所有不同大小的森林碎片类,和结果表明,大森林片段有更高Thiessen连接所有的生态区的值从0.75到0.87 (补充表2),而这个范围只在中等大小的森林碎片和0.31 - -0.51 0.58 - -0.70小型森林碎片。当比较Thiessen连接在不同生态区、森林碎片在所有大小类最高价值观在阿尔卑斯山。Thiessen连接在不同大小的森林生态区的大型森林片段高于小型森林到0.35 - -0.49级,而这个值大,中,小型片段比较中期在于0.13 - -0.27的范围。Thiessen连接值的中位数在生态区高分组每个片段大小的值。

森林的2022天最热的平均温度与大片段都低于小片段在1.29°C的所有生态区在阿尔卑斯山一样大3.28°C的西南高地(补充表2)。当比较中等大小的森林碎片大片段内这两个生态区,这之间的区别是0.8和2.46°C。当比较中小森林片段之间的温差范围0.46和0.82°C。最高气温的变化之间的不同大小的森林碎片被发现在西南高地。降低温度的效果与高海拔描绘的生态区由于海拔生态区的一个分类变量。这种模式是验证一个像素的基础上在德国(参考补充图4)。2022年炎热的天气总每ecoregion多样。在阿尔卑斯山,24天30°C以上注册,与西南高地相比2022年107天超过30°C(完整列表引用补充表1)。

中位数活力值,编译的中位数最大归一化植被指数在德国2022年的生长季节,通常较低在较小的森林碎片和更高的大森林里片段(图3和补充表2)。因为地区不歧视森林类型(补充图3,5,6可以观察到),一个更通用的模式。最高的活力最大碎片的阿尔卑斯山脉,西部高地,西南高地。活力值低于0.8的最小的西南高地的片段,和东北和西北低地。

图3

图3。缩放值(平均每个指标绿树环绕的区域在德国2022除以标准差)每ecoregion对不同大小的森林碎片(< 1公里²1 - 5公里²> 5公里²)。指标Thiessen连接性森林覆盖地区2022年在德国(蓝色),地表温度(地表温度(LST);MODIS Aqua MYD11A1]基于2022年最热的天的均值(红色)和归一化植被指数(MODIS Aqua MYD13A2)基于生长季节的最大值2022(绿色)。高度的范围/ ecoregion下面描述的标题。每个片段的覆盖率大小组织如上图所示X设在在公里²。

小树林片段对应连接低、活力,和更高的温度在所有生态区和各自的高度的范围,当看了中位数在德国在2022年(图3和补充表2)。由于混合不确定性(不足或过高的像素效果)中的值的小片段低于1公里高因为温度和森林的生命力是最初捕获在1公里的空间分辨率。然而,有温度和森林区域细节的活力。最高气温在西南高地的小片段,和最低温度能找到最大的阿尔卑斯山的碎片。在东北和西北的小片段低地,观察活力最低。最大最高的活力注册阿尔卑斯山脉和西高地的碎片。

3.2。空间碎片的变化,温度和森林的生命力

Thiessen连接之间的二元等值线图地图和地表温度(图4一)和Thiessen连接性和森林的生命力(NDVI) (图4 b)描述研究代理指标如何彼此不同的地理空间。青色,品红色色调在地图上表示两个变量之间的正相关,而蓝色和红色色调表示消极的协会。例如,高连通性的绿树环绕的区域之间的空间变化2022年在德国和各自的低温可以观察到大,联系性更好森林地区(图4一蓝色区域)。这种关系不仅适用于大森林景观(例如,黑森林的一部分或阿尔卑斯山)但也可以发现在较小的地区森林片段(例如,在东北低地Schorfheide)。可以找到类似的模式之间的高连通性的绿树环绕的区域和高活力(图4 b红色区域)。然而,空间格局更加分散。尤其是东北低地显示高连通性活力较低的信号。在高海拔地区(例如,阿尔卑斯山脉),温度较低时,连接是高,但只有一些地区显示高活力与高连通性,而其他区域显示了连接和活力(图4 b,阿尔卑斯山ecoregion洋红色和绿色区域)。当比较的二维等值线图地图阔叶和针叶林类型(补充图5,6),有明显的迹象表明,阔叶森林在德国北部和东部,代表着自然植被,过去已经严重退化和破碎。针叶人工林似乎受益于大森林块和更高的连接,有一个更高的归一化植被指数等北部德国西南部黑森林。

图4

图4。二元绿树环绕的2022年在德国地区的地图和之间的关系程度的分裂与温度和植被活力。(一)Thiessen连接和地表温度的2022年炎热的天气。(B)Thiessen连接性和最大NDVI每2022年的生长季节。

变化的范围考虑所有的森林碎片每ecoregion可观测到的扩展数据范围的连接在绿树环绕的区域与炎热的一天温度和最大生命力(图5)。支离破碎的森林在阿尔卑斯山相对低于其他生态区,冷却器,森林活力最高。低地显示最低的最低平均连通性和活力,而拥有类似的平均气温为高地。最高平均温度记录在西南高地。在西部和东部高地和Prealps略高连通性伴随着更低的温度和更高的活力。在调查的分布Thiessen连接每ecoregion无论片段组、连通性低得多(图5),原因是所有的生态区是由森林片段的存在小于1公里²。因此,降低总体连接值明显。

图5

图5。箱形图的连通性,温度和活力绿树环绕的地区在德国每ecoregion包括所有值2022无论大小的片段。每个数据集的平均每箱线图被描绘成一个大胆的水平线,上面的线代表的上四分位数的值低于75%,低于中位数的线表示的下四分位数以下值的25%。(一)Thiessen连接在德国2022年森林覆盖地区。(B)基于平均地表温度(LST) 2022年最热的天。(C)活力(NDVI)基于最大值2022年的生长季节(为了提高可读性,离群值低于0.6不描述)。数据的统计分ecoregion是如上图所示X设在。

4所示。讨论

在研究2022年,森林碎片明显影响当地气温在炎热的天气和森林的生命力。在这里,我们表明,这些影响随ecoregion和我们讨论影响景观和森林管理。

4.1。碎片在森林地区的影响温度和活力

ecoregion的独立,更大的碎片绿树环绕的区域显示连接最高,最低温度和最高的活力。低的值Thiessen连接在所有生态区由于小型森林片段的主导地位表示很大程度上的分裂。最少的支离破碎的森林面积在德国阿尔卑斯山(最高Thiessen连接平均值为0.38比1的最大值)。与其他生态区相比,这个地区更城市化由于其地形,通过基础设施(因此,分裂的影响Ibisch et al ., 2016)或城市那么严重。整个森林高活力在阿尔卑斯山ecoregion全等与其他研究,测量了生物质股票的增长和扩大森林覆盖区域,尽管强化自然和人为干扰(Bebi et al ., 2017)。阿尔卑斯山是最小的生态区与7796年绿树环绕的区域观察到的数据点。高海拔和地形陡峭的斜坡是最有可能的原因各种各样的温度从低到高值。虽然天热少2022年阿尔卑斯山ecoregion被检测到,阿尔卑斯山也受到气候变化的威胁和更频繁的极端温度(Seidl et al ., 2011;Gobiet et al ., 2014)。更大的森林覆盖在山区可以帮助保持永久积雪超过non-tree-covered区域(Hesslerova et al ., 2018)。

Prealps具有所有生态区的最高高度的范围在299 - 1468米海拔(参考图3)。由于更密集的土地使用、绿树环绕的区域在Prealps连接和重要比阿尔卑斯山,和地表温度ca。5°C高于中位数阿尔卑斯山。阿尔卑斯山脉的山麓也受到气候变化的影响(例如,Thrippleton et al ., 2020)。

在德国西南高地是ecoregion测量温度最高的2022年森林的树冠。因此,森林是很少连接(Thiessen连接值0.18)中活力(中值归一化植被指数0.79)和高温(平均28.7°C是7°C的温度比在阿尔卑斯山)。它实际上是德国最热门地区的区域气候和人口最密集的地区之一。ecoregion,有一些高度连接森林如黑森林south-westernmost部分但是大部分地区较低的连通性和较小的森林碎片。一个小规模的研究领域,研究欧洲赤松使用近距离的遥感dendroecological调查和森林边缘,发现这些森林边缘更容易受到干旱、显示增加死亡率和低树生命力(Buras et al ., 2018)。在瑞士使用热成像进行的一项研究发现,弹性的干旱阔叶森林不同的物种(谢勒et al ., 2011)。低活力值中位数为0.71 2022年可以与云杉森林枯死,这是占主导地位的树ecoregion类型。不过,原始森林茂密的站似乎受益于更高的连通性和显示更高的活力,特别是在黑森林(补充图3,5,6)。大阔叶主导ecoregion北部森林地区,如Spessart, Steigerwald,或Ebrach森林,展示活力相对较高(补充图5)。

东部高地共享一个相似的价值低的连通性(平均0.18)西南高地,但更高的活力(平均0.81)和低2°C的温度。强烈的温度下降,活力,从媒介和连接增加大森林片段,可以与更少的集约管理的森林。在巴伐利亚森林地区,主要针叶林相对重要和连接(图4)。然而,植被是压力下由于气候树皮甲虫云杉的爆发在2012年之前(Lausch et al ., 2013 a,b)。与森林砍伐的厄尔士山区也是如此,由于最近树皮甲虫爆发(Gdulova et al ., 2021)。图林根的森林仍然可以被认为是一个相对人脉广泛的区域相对较低的温度和更高的活力,尽管挪威云杉主要树种(泰尔et al ., 2006)。但是一些年来,它已经遭受了暴风雨和树皮甲虫疫情,是最有可能的是,在这个区域,气候变化的影响将变得更加频繁,如温度的上升,更频繁的极端温度,减少供水在生长季节(Frischbier et al ., 2014)。

西部高地的特点是整体连通性略高于东部和西南高地但显示更高的温度和不明显更高的活力(图5一个)。高连通性和高活力普法尔茨森林里是可见的(Pfalzerwald),南部ecoregion的边缘。一般来说,活力高于另一个高地,特别是由于相对较高的阔叶森林活力较高的范围内本身(补充图3)。同时,ecoregion由大型针叶人工林和经验的强有力的挪威云杉枯死在过去几年。西部高地是以前的一个德国西部最大的森林地区,包括Sauerland Bergisches土地,Siegerland,哈尔茨山。经过多年的大规模枯死和打捞日志,剩下的森林在相对贫穷的情况下,分散,和活力降低(Popkin 2021)。

在东北低地和西北低地,小号的森林碎片显示最低的连接。甚至在更大的森林碎片高连通性检测到,活力值低。这是由于大量的针叶人工林在两个生态区(补充图6)。许多欧洲赤松人工林似乎并不受益于一般北方气温有点低。他们经常有庞大的关系网,但这并没有转化为更好的活力签名。一般来说,似乎有一个梯度向更高的活力在北方,可能由于缓冲大海的海洋性气候的影响,提高降水潜力,和南部的干旱可能低于德国(辛克et al ., 2016)。这种效应的大陆性生态区在某种程度上反映。连接的中位数0.09和0.76的活力中值最低的所有生态区西北部低地,因此可以证明少连接所有生态区的森林覆盖。支离破碎的景观会导致低的连通性和更高的温度,和针叶人工林(根据脚踏实地)低活力。这些效应的影响,尤其是极端年从2018年起,顺向树皮甲虫(参见爆发补充图2)。有趣的是,德国北部最大的山毛榉森林,榆树,位于西北低地和显示相对较高Thiessen连接值高活力和低温(参考补充图5,7)。

4.2。分裂的影响

ecoregion的独立,更大的碎片绿树环绕的区域显示连接最高,最低温度和最高的活力(图3)。冷却功能的森林碎片增加更高的连通性。冷却效果也是植树造林(观察研究黄et al ., 2022)。我们的结果对于高连通性之间的关系,增加森林活力,基于归一化植被指数在温带森林领域,与其他研究也得到了类似的结果。其他人使用该参数,连接“植被持续的领域,”,发现高连通性保护区与NDVI值(高太阳et al ., 2021)。其他影响因素的归一化植被指数中未涉及本研究将本地和区域特征,如气候、土壤水分、优势树种和干扰的程度。

本研究主要关注区域评估和不能细看碎片的影响通过滑移轨迹和小规模的边缘效应。这些模式可能增加碎片影响和最有可能对当地森林有额外的影响温度和活力(巴克利et al ., 2003;Sufo Kankeu et al ., 2016;Shirvani et al ., 2020)。本机的特点和种植森林在德国没有覆盖在这个研究。到目前为止,没有全面和明确的空间信息在本地和种植森林是可用的,无论是对于全球(格兰瑟姆et al ., 2020)和德国。同样重要的是要注意,在一些地区,归一化植被指数和Thiessen连接不一定呈正相关。肯定有其他有关影响如森林的类型。例如,在德国东北部的苏格兰松树林,相对较低的活力是观察到,尽管高连通性。然而,特别是这些森林代表主要种植同龄林分结构多样性较低的单一栽培,相对开放的树冠,许多木材提取道路和小径。我们的分析不能考虑,还有森林内部分裂,导致森林生态系统的脆弱性的道路和打滑痕迹,目前没有可用的数据。德国目前的局势恶化,因为可再生能源生产的扩张的基础设施正在进入森林。这里,宽永久访问道路和风力涡轮机的空缺增加森林边缘和边缘效应在森林中。

促进保护剩下的原始阔叶森林,联合国教科文组织承认一些旧欧洲温带森林是自然遗产,是串行联合国教科文组织的组成部分,跨国房地产“古老而原始的山毛榉森林喀尔巴阡山和其他地区的欧洲”(Voloscuk et al ., 2013;Ibisch et al ., 2017;Jovanovićet al ., 2019;2022年联合国教科文组织)。在德国,Hainich国家公园,Kellerwald-Edersee国家公园,Serrahn森林,森林和Grumsin这个属性的一部分,显示相对较高的连接,特别是在核心区域,尽管规模相对较小。这些地区是高度重要的不仅是一个文化遗产也作为景观的冷却因素,残余的栖息地,是人类的娱乐价值。

4.3。对景观和森林管理的建议

森林的活力和功能不仅影响气候变化和自然干扰也由营林管理。过去几十年的管理尝试保护森林在欧洲并没有缓解气候变暖(Naudts et al ., 2016但甚至导致森林内部温度的增加Blumroder et al ., 2021)。有效的生态系统管理生态系统必须允许通过生物量的生长成熟,信息,网络,维持或提高工作能力最好的方式。生物质和生物能源的生产和存储在ecosystem-including死木头,腐殖质,或者有机分子在矿物土壤的物理基础所有可能的自然生态系统的生态过程。链接到生物物理能力的发展也是一个特性增加森林生态系统的能力。保护“绿水”存储和动员的生态系统(埃里森et al ., 2017;Sheil 2018;Te Wierik et al ., 2021)和小气候调节(Blumroder et al ., 2021,2022年)应该得到最高的优先级管理(Ibisch 2022)。减轻热在欧洲森林,极端的温度会增加阔叶树中的分数是一个必要的措施(Schwaab et al ., 2020)。德国森林已经高度分散。在一些forest-poor区域,建议增加缓冲树和森林覆盖的温度和促进森林的生命力(Gohr et al ., 2021)。的调节功能连接森林内的水、能源和碳循环比以往任何时候都更加需要(埃里森et al ., 2017)从高度分散的森林与森林边缘引发更多碳损失(史密斯et al ., 2018)。

遥感,特别是新的数据集,如德国的主要树种森林(之声et al ., 2022)将支持监测碎片出现在其他国家(充足,2006)。这是一个紧迫的任务状态报告员的联邦州和联邦部门负责森林,确保森林碎片是包括在森林森林健康状态报告和相应的分析。

碎片是由基础设施扩张和土地利用变化也(过去)森林管理:当种植园崩溃,巨大的树枯死,他们常常salvage-logged。气候变化下的再生能力降低和潜在的这些地区然后转化为开放的土地。这是不可避免的,森林碎片在不久的将来将进一步增加由于单一栽培的大规模树枯死。禁止打捞日志和大片砍伐森林管理似乎是一个必要的一步。现有的小森林碎片有可能被转换为更大的核心为增强生态系统发展森林地区。这可以通过放弃木材提取,实现造林等措施帮助修复,种植原生树木,自然再生,农林复合经营解决方案,和商业种植园。

5。结论

这项研究反映了森林在德国是高度分散的,这会削弱它们的生态系统功能。这项研究提供了观测证据表明,高度分散的森林表现出更高的温度和更少的森林的生命力。因此,德国的碎片在2022年大大有助于当前的和正在进行的森林危机。现有的小树林碎片存在着巨大的潜力转化成更大的核心领域更好的生态系统功能。随着森林火灾和极端气候事件在德国和世界范围内一般来说,迫切需要推进森林管理和修复工作,维护功能的森林一样多的好处,时间越长越好。减少森林的碎片是基于生态系统的适应气候变化的一个至关重要的贡献。

数据可用性声明

最初的贡献在这项研究中都包含在本文展示/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。

作者的贡献

π,DM, CG设计研究。糖尿病和CG执行分析、可视化和写了初稿。π和JB提供全面的评估和解释结果的支持。所有作者贡献的解释结果的后续修订手稿。

资金

本研究部分由PYROPHOB项目(授予数量:2219 wk50a4,联邦食品和农业部门和联邦环境、自然保护、核安全、消费者保护),通过“Glaserner Forstbetrieb”项目由德国联邦教育和研究(BMBF)通过VDI / VDE、授予数量:16 lc1603c。π的构思和监管框架内研究他的长期研究项目通过研究教授“全球变化下生物多样性和自然资源管理”(2009 - 2015)和“基于生态系统的可持续发展”(2015年以来)授予大学的埃贝斯瓦德地区的可持续发展。CG资助通过生物圈保护区研究所和创新和职业中心“ProBio-LaB”的科学研究和文化勃兰登堡的联邦国家。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/ffgc.2023.1099460/full补充材料

引用

阿尔托,J。,Maeda, E. E., Heiskanen, J., Aalto, E. K., and Pellikka, P. K. E. (2022). Strong influence of trees outside forest in regulating microclimate of intensively modified afromontane landscapes.Biogeosciences19日,4227 - 4247。doi: 10.5194 / bg - 19 - 4227 - 2022