美赛森林管理｜碳汇、经济与水源涵养的多目标建模

这是 2022 MCM/ICM 的 Problem E 项目。题目要求建立森林及木制品的碳汇模型，设计兼顾采伐与其他生态价值的森林管理方案，将模型应用于具体森林，并向当地社区解释管理建议。团队论文将碳汇、水源涵养和经济价值整合为 CWE（Carbon Sequestration-Water Conservation-Economic Value）模型，再以中国辽东地区的长白落叶松人工林与蒙古栎天然次生林作为应用案例。我在团队中主要负责建模，并参与少量论文撰写；具体子模型与段落边界未进一步确认。

森林管理不是单一目标问题。林木继续生长可以固碳，但适度采伐形成的木制品同样能够储存碳，并带来经济收益；采伐又会改变植被结构和水源涵养能力。不同目标的单位、时间尺度与方向并不一致，直接比较容易失真。同时，树种、龄级、林分密度、木材含碳量、培育成本和地形气候等变量众多，有限数据下必须通过清晰假设控制模型复杂度。

项目需要完成四项任务：估算森林与木制品随时间变化的碳汇能力；建立能够权衡碳汇、采伐经济价值和水源涵养的决策模型；选择具体森林验证模型的应用方式；将结论转化为面向当地社区的非技术说明。页面只呈现论文能够支持的建模过程、团队成果与已确认奖项，不把现实部署效果或未经确认的个人独立贡献作为事实。

建模资料覆盖林木蓄积生长、不同龄级生物量、植被有机碳含量、木材密度与含碳量，以及培育、管理和采伐成本。水源涵养部分整理了降雨、土壤质地、土地覆盖、植被和地形五类影响因素。区域应用选择辽东森林，并聚焦当地具有代表性的长白落叶松人工林和蒙古栎天然次生林。这里描述的是论文的数据与资料研究，不是用户访谈；数据出处、代码数据文件和个人负责的数据整理范围待补充。

方案采用分层组合结构。碳汇模型先区分活体林木与木制品：活体林木使用 Richards 方程拟合蓄积生长，再结合生物量、平均有机碳含量与龄级面积估算碳汇潜力；木制品依据木材含碳量和密度计算。经济价值模型综合采伐收入、累计培育管理成本和采伐人工成本。水源涵养模型使用 AHP 为五类因素赋权并进行一致性检验。最后将不同目标归一化，以加权方式组合成 CWE 多目标决策函数。

论文先建立符号、假设与各子模型，再完成 AHP 判断矩阵、指标权重和一致性比率计算，将碳汇、经济价值与水源涵养目标归一化后以相同的 0.33 权重组合。区域应用阶段代入辽东森林面积、树种结构、龄级、木材含碳量和密度等数据，以采伐数量和采伐间隔为主要决策变量进行求解。我主要承担建模工作，并参与少量论文撰写；编程语言、求解器、绘图工具、代码模块以及具体负责的公式推导范围尚未进一步确认。

论文在辽东森林案例中给出的管理结果是每公顷采伐 450 株、每 30 年采伐一次，并据此讨论森林与木制品的长期碳汇。团队同时完成了 24 页英文提交论文，以及面向当地社区的非技术文章《Is Logging Necessarily Bad?》，解释适度采伐为何可以成为森林管理的一部分，并最终获得 Honorable Mention。该结果是论文模型的计算输出，不代表已经现实部署或经过独立外部验证；详细评审反馈尚未补充。

CWE 模型把环境、经济和社会相关因素放进同一个决策框架，能够清楚呈现目标之间的取舍，但结果依赖多项简化假设和经验参数。正文采用等权组合，权重依据仍可加强；模型只重点分析两类树种，也没有充分覆盖气候变化、生物多样性和其他人类活动。后续可以补充参数敏感性、不同权重情景、误差区间和跨区域验证，并将数据处理与求解流程整理为可复现代码。个人具体负责的子模型、论文段落边界与赛后复盘仍可在获得更多信息后补充。