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科学研究与应用

科学研究与应用

Journal of Scientific Research and Applications

  • 主办单位: 
    未來中國國際出版集團有限公司
  • ISSN: 
    3079-7071（P）
  • ISSN: 
    3080-0757（O）
  • 期刊分类: 
    科学技术
  • 出版周期: 
    月刊
  • 投稿量: 
    4
  • 浏览量: 
    435

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热带森林转化为人工林及其自然恢复过程研究进展

Research Progress on the Conversion of Tropical Forests to Plantations and Their Natural Restoration Processes

发布时间：2026-03-31
作者: 韦浪 :云南师范大学 云南昆明;
摘要: 热带森林大规模转化为单一种植人工林是全球热带地区面临的重要生态环境问题。随着经济发展模式转变和生态保护意识增强，部分退化人工林进入自然恢复阶段，其恢复路径、生态过程和影响因素已成为恢复生态学研究热点。本文系统综述了近20年来热带森林转化为人工林的生态影响、人工林退化后的自然恢复机制、不同恢复路径的效果对比以及影响恢复进程的关键因素。未来研究应加强长期定位监测、多尺度空间分析和恢复路径的经济生态综合评价，为热带地区退化人工林的生态恢复提供科学依据。
Abstract: The large-scale conversion of tropical forests to monoculture plantations is a critical ecological and environmental issue facing tropical regions worldwide. With the transformation of economic development models and the enhancement of ecological conservation awareness, some degraded plantations have entered the natural restoration stage, and their restoration pathways, ecological processes, and influencing factors have become research hotspots in restoration ecology. This paper systematically reviews the ecological impacts of tropical forest conversion to plantations, the natural restoration mechanisms of degraded plantations, the comparative effects of different restoration pathways, and the key factors affecting restoration processes over the past 20 years. Future research should strengthen long-term monitoring, multi-scale spatial analysis, and comprehensive economic-ecological evaluation of restoration pathways to provide a scientific basis for the ecological restoration of degraded plantations in tropical regions.
关键词: 热带森林；人工林；自然恢复；生态系统服务
Keywords: tropical forest; plantation; natural restoration; ecosystem services

引言

热带森林是地球上生物多样性最丰富、生态系统功能最复杂的陆地生态系统，覆盖全球陆地面积的7%，却容纳了全球50%以上的物种。然而，自20世纪中叶以来，热带地区大规模的森林转化导致约一半的原始热带森林消失或退化。其中，转化为单一种植人工林（如橡胶、油棕、桉树等经济作物）是热带森林丧失的主要驱动力之一。以东南亚为例，橡胶种植面积从1990年的540万公顷扩张至2020年的超过1400万公顷，油棕种植面积同期增长了2倍以上。这种大规模的森林向人工林转化在满足全球资源需求的同时，导致了严重的生物多样性丧失、碳储量下降、水文过程改变和土壤退化等生态环境问题。随着部分人工林经济效益下降、生态保护政策加强以及全球气候变化应对需求，大量退化或废弃的人工林进入自然恢复阶段。如何理解这些退化人工林的自然恢复过程、评估不同恢复路径的生态效果、识别影响恢复成效的关键因素，已成为热带森林恢复生态学的重要科学问题。本文系统回顾了近20年来的相关研究，为热带地区退化人工林的生态恢复和景观管理提供科学参考。

1 热带森林转化为人工林的生态影响

1.1 生物多样性丧失

热带森林转化为单一种植人工林导致生物多样性急剧下降。Fitzherbert等综合分析发现，相比原始森林，油棕园的植物物种丰富度下降80%—90%，鸟类减少77%，蝴蝶减少83%。Barlow等的大规模研究表明，热带地区的人为干扰可能使森林生物多样性损失加倍。在东南亚橡胶种植区，橡胶纯林的植物物种数仅为原始森林的5%—10%，土壤节肢动物多样性下降60%—70%。功能多样性的丧失同样值得关注。Warren-Thomas等发现，油棕园中的鸟类群落功能多样性显著低于原始森林，特别是大型食果动物和林下食虫鸟类几乎完全消失。这种功能多样性的丧失可能对种子传播、授粉和害虫控制等生态系统过程产生长期影响。

1.2 碳储量和气候调节功能下降

热带森林转化为人工林显著降低了生态系统碳储量。Guillaume等对东南亚橡胶种植园的评估发现，橡胶林的地上生物量仅为原始森林的30%—50%，总碳储量减少40%—60%。Carlson等估算，1990—2010年间，东南亚因森林转化为油棕园和橡胶园，累计释放了约3.5亿吨碳。更值得关注的是，人工林转化还导致土壤有机碳的长期流失。有长期监测表明，森林转化为橡胶林后，表层土壤有机碳在前5年下降约25%，并在20—30年内持续缓慢下降。

1.3 水文过程改变和土壤退化

单一种植人工林显著改变了热带地区的水文循环。对比研究发现，橡胶林的蒸腾速率比原始森林高20%—30%，但林冠截留降水能力下降40%—50%，导致径流增加和土壤侵蚀加剧。单一种植人工林的涵养水源能力仅为原始森林的50%—70%。长期的单一种植导致土壤物理、化学和生物学性质全面退化。相比原始森林，人工林土壤容重增加15%—30%，孔隙度下降20%—40%，土壤板结严重。橡胶林土壤微生物生物量仅为原始森林的40%—60%，真菌多样性下降50%—70%，影响了土壤的生物扰动和有机质分解过程。

2 人工林退化后的自然恢复过程

2.1 自然恢复的基本模式

退化人工林的自然恢复遵循经典的次生演替理论。热带森林次生演替的一般模式，其恢复过程大致分为三个阶段：先锋种定居阶段（0—5年），以快速生长的先锋树种为主，通过种子雨或土壤种子库迅速占据空地；过渡阶段（5—20年），先锋种与中等演替树种共存，群落结构逐渐复杂化；成熟阶段（20年以上），后期演替树种逐渐占据优势，群落组成和结构趋向原始森林，但完全恢复可能需要数十年甚至上百年。

2.2物种组成与结构功能的恢复

物种组成的恢复是自然恢复过程中最受关注的方面。物种丰富度在恢复的前20年快速增加，之后趋于平缓，但即使恢复40—60年，物种数仍仅达到原始森林的60%—80%。种子传播限制是物种恢复的主要障碍，在森林破碎化景观中，大型动物传播的树种由于种子传播者缺失，几乎不能自然定居到恢复中的次生林。次生林地上生物量的恢复相对较快。Poorter等对新热带地区1500多个次生林样地的分析表明，生物量恢复遵循对数增长模式，前20年年均增长率约11吨每公顷，在良好条件下，40—60年可恢复到原始森林生物量的80%左右。然而，林分结构的恢复更为缓慢，次生林的垂直分层结构在恢复30年后仍显著简单于原始森林，大径级树木极度缺乏，这种结构简化直接影响了栖息地异质性。土壤功能的恢复普遍滞后。土壤有机质需要30—50年才能恢复到原始森林水平的70%—80%，而土壤微生物群落的恢复可能需要更长时间。生态系统服务的恢复速率因服务类型而异，木材生产在20—30年内可恢复到原始森林的80%—90%，但生物多样性保护功能需要40—120年。

2.3影响恢复速率的因素

景观背景是决定恢复速率的重要因素。距离种源森林距离是决定恢复速率的最重要因素之一。在距离原始森林100 m内的次生林，物种累积速率是距离500 m以上次生林的3—5倍。人工林的经营强度和持续时间显著影响恢复潜力。集约经营超过30年的橡胶林，由于土壤严重退化和种子库耗竭，其自然恢复速率比经营10—15年的年轻橡胶林低40%—60%。此外，降水量和季节性强烈影响恢复过程。年降水量大于2000 mm的湿润热带地区，次生林生物量恢复速率比年降水量1500-2000 mm的季节性热带地区快约50%。

3 不同恢复路径的对比

3.1 自然恢复与主动恢复

自然恢复指停止人为干扰后依靠自然过程进行的恢复，而主动恢复涉及人为种植、土壤改良等干预措施。Holl等对热带地区15年的对比实验表明，主动恢复（种植10种本地树种）比自然恢复在物种丰富度上高30%—50%，但主要是人为引入的树种贡献。有趣的是，在距离森林种源较近（<100 m）的地点，自然恢复在10—15年后可达到与主动恢复相似的生物多样性水平，但成本仅为后者的5%—10%。自然恢复的生态效益与经济成本比通常高于主动恢复，特别是在景观尺度上。但在严重退化、种源匮乏或需要快速恢复的场景下，主动恢复仍然是必要的。

3.2 保留残留树木与完全清除

这是人工林恢复中的关键管理决策。Zhang等对西双版纳橡胶林的研究表明，停止管理但保留橡胶树的“丛林式橡胶林”在恢复15—20年后，物种丰富度达到原始森林的60%—70%，而完全砍伐后的次生林仅达到40%—50%。保留残留树木的优势包括：提供生态骨架，保留的大树提供荫蔽，改善微环境，抑制杂草竞争；加速结构恢复，形成多层次垂直结构，增加栖息地异质性；维持部分生态功能，保持一定的碳储量和水文调节能力。然而，保留树种的选择至关重要。如果保留的是强烈抑制林下植被的外来种，可能阻碍自然恢复。在热带季节性森林中，保留20%—30%的人工林树木比完全清除在生物量累积上快约25%，但物种组成相似性略低，这提示需要在恢复速率和群落组成之间权衡。

3.3 同人工林类型的恢复潜力差异

不同类型的人工林由于树种特性、经营方式差异，其废弃后的恢复潜力显著不同。橡胶林相对容易恢复，因为橡胶树冠层相对开阔、通常不产生强烈化感物质、种植行距较大。废弃橡胶林10—15年后可形成具有30—50种乔木的复层结构。油棕林恢复较困难，Foster等在婆罗洲的研究发现，废弃油棕园10年后仍以先锋种为主，物种数不足20种，主要原因是种植密度大、长期除草剂使用导致土壤种子库耗竭。桉树林的恢复潜力取决于树种，外来桉树由于化感作用强，恢复极其缓慢。

4影响恢复进程的关键因素

4.1 种源可获得性

种源可获得性是决定自然恢复成败的首要因素。距离原始森林100m内的次生林，其树种累积速率是距离1 km以上的4—6倍。在高度破碎化的景观中，即使经过40—60年恢复，远离森林的次生林物种数仍仅为原始森林的30%—50%。动物传播种子的树种恢复严重依赖种子传播动物的存在。在东南亚，大型果食动物（如犀鸟、灵长类）的丧失导致许多重要树种无法扩散到恢复林中，有研究表明，恢复传播者群落可使恢复速率提高2—3倍。

4.2 土壤条件

土壤质量直接影响恢复速率和恢复的天花板高度。在营养贫瘠的土壤上，次生林生物量累积速率仅为肥沃土壤的40%—60%。氮和磷的可获得性是最重要的限制因子。长期集约经营导致的土壤压实严重阻碍树木根系生长，添加原始森林土壤可使树苗生长速率提高50%—100%，存活率提高30%—40%。

4.3 残留植被与人为干扰

恢复初期保留的植被类型和数量显著影响恢复轨迹。每公顷保留5—10棵大树可使鸟类和哺乳动物访问频率增加3—5倍，从而促进种子输入。这些大树还提供栖息地和食物资源，对维持动物群落至关重要。恢复过程中的持续干扰严重影响恢复成效。在亚马逊的研究表明，火烧次生林比未烧次生林的树木死亡率高3—5倍，生物量累积减少60%—80%。反复火烧可能将次生林锁定在灌草丛状态。在印度的研究发现，允许放牧的恢复林比禁止放牧的林地树木密度低50%—70%。某些入侵性草本或藤本可能形成单优群落，完全阻止树木定居，需要人为干预清除入侵种。

5结论与研究展望

5.1结论

热带森林大规模转化为单一种植人工林导致了生物多样性丧失、碳储量下降、土壤退化和生态系统服务衰退等严重生态后果。综合现有研究，可以得出以下主要结论：

（1）恢复是可能的，但漫长且不完全。在良好条件下，废弃人工林30—40年可恢复到原始森林生物量的70%—80%，但物种组成和生态系统功能的完全恢复可能需要更长时间。

（2）保留残留植被的“丛林式”恢复路径通常优于完全清除后的自然演替。残留树木提供生态骨架、加速结构恢复，使恢复速率提高20%—50%。但需要根据具体情况进行权衡。

（3）种源可获得性是决定恢复成败的首要因素。在距离种源森林较近、景观连通性好的地点，自然恢复具有很高的生态效益。而在高度破碎化景观中，可能需要主动干预。

（4）土壤条件和持续干扰显著影响恢复进程。长期集约经营导致的土壤退化可能需要数十年才能恢复，而火灾、放牧等持续干扰可能将恢复林锁定在早期演替阶段。

（5）不同人工林类型的恢复潜力差异显著。橡胶林相对容易恢复，油棕林和某些桉树林恢复困难，需要针对性的恢复策略。

5.2研究展望

当前大多数研究的时间跨度不足以捕捉完整的恢复过程。应建立更多的长期（50—100年）定位监测样地，以回答次生林能否最终达到原始森林的组成和功能、恢复轨迹的可预测性如何、气候变化如何改变恢复过程等关键科学问题。现有研究多关注样地尺度，但恢复的驱动因素和效果在景观尺度上可能完全不同。遥感技术的发展为景观尺度研究提供了新机遇，未来应加强遥感与地面调查的结合，建立恢复的多尺度监测体系。需要建立综合评价框架，整合生态、经济和社会维度。在相同成本下，哪种恢复路径能产生最大的生态和社会效益？全球变化正在改变热带森林的恢复条件和轨迹。气候变暖和干旱加剧可能改变树种的地理分布范围、增加火灾频率和强度、改变物候和生物间相互作用。未来研究需要将气候变化情景纳入恢复规划，开展“适应性恢复”，选择能适应未来气候条件的树种组合。此外，新技术如激光雷达、机器学习等为恢复研究提供了新工具。

未来研究应加强长期定位监测、景观尺度分析和恢复路径的综合评价，同时关注气候变化对恢复过程的影响，并利用新技术提升恢复的科学性和效率。在实践层面，应推广“生产性恢复”和“景观恢复理念”，平衡生态保护与社区生计，实现热带地区的可持续发展。

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