林分斑块尺度下的森林群落碳汇研究_杨婷.pdf
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1、第 40 卷第 4 期Vol.40No.4重庆工商大学学报(自然科学版)J Chongqing Technol Business Univ(Nat Sci Ed)2023 年 8 月Aug.2023林分斑块尺度下的森林群落碳汇研究杨婷1,罗红霞2,魏翔11重庆工商大学 公共管理学院,重庆 4000762西南大学 地理科学学院,重庆 400715摘要:针对森林碳循环过程模型空间模拟尺度多样化,但数据获取比较困难,森林碳变化响应与适应的研究不可能实现在不同生境下均安置碳通量观测系统的问题,提出利用遥感过程耦合模型定量估算动态 GPP 值、NPP 值、H 值及 NEP 值等,反演森林植被群落不同优势
2、树种碳汇/碳源情况,探寻造林、森林转化和森林人工经营管理等植被恢复措施对森林碳增汇的生态价值,激活碳源效应的促进重建作用。通过以空间代替时间的实地调查采样法和遥感模型相结合,输入 GLOPEMCEVSA 模型中温度影响系数、蒸散量、水气压影响系数、二氧化碳浓度胁迫、植物呼吸及土壤呼吸等驱动因子,研究在林分斑块尺度下森林碳储量差异。研究表明:(1)从整体情况来看,林地净初级生产力草地农业用地水域建设用地,林地净生态系统生产力农业用地草地建设用地水域;(2)从年际 NPP/NEP 值来看,森林生态系统大部分表现为大气 CO2碳汇;(3)森林群落自然恢复演替中 NPP 值大小关系是:乔幼落叶阔叶林群
3、落(A4)马尾松/杉木常绿针叶林群落(A5)柏木常绿针叶林群落(A6)常绿灌丛/灌草丛/人工灌木群落(A2)草本群落(A1);NEP 值表现为乔幼落叶阔叶林群落马尾松/杉木常绿针叶林群落常绿灌丛/灌草丛/人工灌木群落柏木常绿针叶林群落草本群落;人工辅助演替中 NPP 值大小关系是(慈竹)竹林群落马尾松/杉木常绿针叶林群落柏木常绿针叶林群落常绿灌丛/灌草丛/人工灌木群落;NEP 值表现为(慈竹)竹林群落马尾松/杉木常绿针叶林群落常绿灌丛/灌草丛/人工灌木群落柏木常绿针叶林群落,NPP 值和 NEP 值随顺行演替均呈现出先上升后下降的单峰状发展趋势。关键词:森林群落;次生演替;耦合模型;碳汇中图分
4、类号:S718.5文献标识码:Adoi:10.16055/j.issn.1672058X.2023.0004.015收稿日期:20220305修回日期:20220518文章编号:1672058X(2023)04010607基金项目:国家自然科学基金项目(41201436)作者简介:杨婷(1989),女,重庆忠县人,硕士,从事遥感与地理信息系统应用研究引用格式:杨婷,罗红霞,魏翔林分斑块尺度下的森林群落碳汇研究 J 重庆工商大学学报(自然科学版),2023,40(4):106112YANG Ting,LUO Hongxia,WEI XiangCarbon sinks of forest comm
5、unity at the forest patch scale J Journal of ChongqingTechnology and Business University(Natural Science Edition),2023,40(4):106112Carbon Sinks of Forest Community at the Forest Patch ScaleYANG Ting1,LUO Hongxia2,WEI Xiang11School of Public Administration,Chongqing Technology and Business University
6、,Chongqing 400076,China2School of Geographical Science,Southwest University,Chongqing 400715,ChinaAbstract:The spatial simulation scale of forest carbon cycle process models is diverse,but the data acquisition is difficultIt is impossible to install a carbon flux observation system in different envi
7、ronments in the study of forest carbon changeresponse and adaptation In this paper,the remote sensing process coupling model was proposed to quantitatively estimatethe dynamic GPP value,NPP value,H value,and NEP value,to invert the carbon sink/carbon source situation ofdifferent dominant tree specie
8、s of forest vegetation community,to explore the ecological value of vegetation restorationmeasures such as afforestation,forest transformation,and forest artificial management,and to activate the reconstructioneffect of carbon source effect Through the combination of field survey sampling method wit
9、h space instead of time and第 4 期杨婷,等:林分斑块尺度下的森林群落碳汇研究remote sensing model,the driving factors of temperature influence coefficient,evapotranspiration,water-pressure influencecoefficient,carbon dioxide concentration stress,plant respiration,and soil respiration in GLOPEM-CEVSA model wereinput to stud
10、y the differences of forest carbon storages at the forest patch scale The research showed that:(1)in thepicture as a whole,Net Primary Productivity of WoodlandGrasslandAgricultural LandWater AreaConstruction Land,Net Ecosystem Productivity of WoodlandAgricultural LandGrassland Construction landWater
11、 Area;(2)from theinter-annual NPP/NEP values,most forest ecosystems showed atmospheric CO2carbon sink;(3)the relationship of NPPvalues in the natural restoration succession of forest community was:Deciduous Broad-Leaved Forest Community(A4)Pinus Massoniana/Cunninghamia Lanceolata Evergreen Coniferou
12、s Forest Community(A5)Cypress Evergreen ConiferousForest Community(A6)Evergreen Shrub/Shrub Grass/Artificial Shrub Community(A2)Herbaceous Community(A1);NEP values were as follows:Deciduous Broad-Leaved Forest CommunityPinus Massoniana/Cunninghamia LanceolataEvergreen Coniferous Forest CommunityEver
13、green Shrub/Shrub Grass/Artificial Shrub CommunityCypress EvergreenConiferous Forest CommunityHerbaceous Community;the relationship of NPP values in artificial assisted succession wasas follows:Bamboo Forest Community Pinus Massoniana/Cunninghamia Lanceolata Evergreen Coniferous ForestCommunityCypre
14、ss Evergreen Coniferous Forest CommunityEvergreen Shrub/Shrub Grass/Artificial Shrub Community;NEP values were as follows:Bamboo Forest CommunityPinus Massoniana/Cunninghamia Lanceolata Evergreen ConiferousForest Community Evergreen Shrub/Shrub Grass/Artificial Shrub Community Cypress Evergreen Coni
15、ferous ForestCommunity,and both the NPP values and the NEP values showed a unimodal development trend of rising first and thendecreasing with the sequential successionKeywords:forest community;secondary succession;coupling model;carbon sink1引言气候变化愈演愈烈,引起全世界广泛关注,在应对全球气候变化的大背景下,须推动以 CO2为主的温室气体减排或增加吸收汇
16、,相较于工业温室气体减排,森林作为陆地生态系统的主体,森林碳汇更具有成本有效性。由不同林龄或不同演替序列的植被群落林分斑块组成的区域森林对调节全球碳循环、应对全球气候变化、减小 CO2为主的温室气体浓度等方面起到至关重要的作用1。当生态系统的碳排放输出和生物碳输入的平衡状态被打破时,就会出现大气的“碳汇”和“碳源”两种表现情况,碳吸收功能(碳汇)减缓气候变暖进程,碳排放(碳源)则导致加速气候变暖进程。随着森林被大规模的砍伐、不合理的耕作方式和粗放利用土地等,原有森林植被群落遭到破坏,大面积的基岩裸露于地表,从而出现生态系统退化现象,人类采取加强森林经营管理,扩大农林复合林、天然林等造林面积,以
17、生物碳转化为生物燃料的方式转移碳库,减少森林砍伐等治理和恢复措施已达到森林碳增汇减排的目的。因此,森林生态系统碳储量的研究一直是生态学热点研究之一,相关专家学者通过森林资源清查法、碳通量方法、模型模拟与遥感估测等方法对生态系统的生物量和生产力进行了长期的探索和研究211,相较于单靠实测数据研究大规模陆地生态系统碳储量的方法来说,样地数据远远不够,而利用不断创新发展的“3S”理论、探测、方法和技术手段进行遥感模型定量估算碳循环动态变化的优势就显而易见了,信息数据来源实时可靠、覆盖广,碳循环研究既经济又高效。在国外,Shikhasmita 等12 研究了东北印度锐棱玉蕊洪泛平原森林的生物量和碳储存
18、;Amoah 等13 研究了加纳博比里森林保护区龙头竹、阿比西尼亚牛蒡和黄荆人工林的地上生物量、碳储量和燃料价值;agavan 等14 研究了印度安达曼群岛红树林中的植物生物量。在国内,杜明凤等15 研究了贵州省 20 年森林碳储量时空变化;戴子熠等16 研究了 19882018 年广西北海红树林蓝碳储量变化;张峰等17 研究了北京市森林碳储量和碳汇经济价值;于贵瑞等18 研究了区域尺度陆地生态系统固碳速率和增汇潜力概念框架及其定量认证科学基础。国内外对碳储量的研究经历了萌芽时期、高潮时期和发展时期,大部分研究学者从只关注某个或某部分生理机理的研究发展到整个能量物质系统的生产、积累、循环及相互
19、作用的研究。直到 21 世纪后我国森林碳储量的系统研究也有了显著成就,碳储量研究方法主要包括森林资源清查法、碳通量法、模型模拟等,而模型模拟方法让区域、全国及全球的碳循环研究具701重庆工商大学学报(自然科学版)第 40 卷有可操作性,随着“3S”科学的创新发展,卫星遥感影像直接提取实时可靠的数据让大规模遥感估测法在国内外得到广泛应用。国内外研究学者通过建立耦合模型让碳平衡研究取得实质性进展,致力于弥补不同模型模拟方法的缺陷,过程模型主要模拟植物分解、呼吸和光合作用等,输入参数较多,数据采集难度大,遥感模型利用动态实时的卫星遥感图像建立碳储量模拟模型,解决了传统方法尺度转换的问题。针对大区域尺
20、度森林的碳储量研究已有大量成果,但是在次生演替背景下对林分斑块中不同植被群落的碳储量研究却鲜有报道,本文利用空间代替时间的实地调查采样法和遥感模型反演法相结合,通过遥感图像、植被群落调查数据、土壤和气象数据等建立遥感-过程 GLOPEM CEVSA 耦合模型,定量演算不同演替阶段植被群落的净初级生产力和生态系统生产力,比较植被群落在退耕还林前后的碳储量变化,分析不同森林植被群落的碳转化和碳吸收能力,评估森林治理恢复对碳增汇功能发挥的生态现实意义,为森林人工经营管理和植被生态系统重建恢复提供参考数据。2研究方法与数据来源2.1野外调查数据试验区在“一山两槽三岭”的构造地貌上,地处华蓥山向西南延伸
21、的支脉,呈东北-西南走向,分布着马尾松(Pinus massoniana Lamb)、女贞(Ligustrum lucidumAit)、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb)Hook)、柏木(Cupressus funebris Endl)、慈竹(Neosinocalamus affinis(endle)Keng)、斑茅(Saccharum arundinaceum etz)等乔木、藤刺灌丛、草丛。试验区先后出现过几次大规模森林资源砍伐,土壤类型属于三叠纪嘉陵江组石灰岩发育而成的黄色石灰土,浅薄贫瘠的土壤流失严重,基岩裸露地表,植被群落遭到破坏后出现逆行演替。在中梁山
22、典型试验区设立样方,乔木群落样方面积为10 m2,灌木群落样方面积为 5 m2,草本层样方调查面积为 1 m2,详细记录物种个体信息共计 153 种。分层计算并辨别物种数量和优势种趋势,利用 WinTwins 2.3软件的双向指示种分析法对样方进行等级划分1922,采用数量分类和排序的方法获取空间代替时间的六种典型次生演替植被类型。2.2驱动数据及处理通过重庆气象局各气象观测站的每年气温、降水量、日照时数、相对湿度、风速等数据,土壤质地类型数据、北碚土壤类型矢量数据、土壤碳含量数据,重庆岩溶区分布图、植被类型分类图、重庆地区 30 m 数字高程图,计算获取研究区温度影响系数、蒸散量、水气压影响
23、系数、二氧化碳浓度胁迫、植物呼吸及土壤呼吸等数据。2.3遥感过程耦合模型(GLOPEMCEVSA 模型)对 Landsat-8 OLI 成像仪所采集的 19962013 年遥感卫星影像进行几何校正、辐射校正、大气校正、投影转换、数据提取等处理,轨道号为 128/39,分辨率为30 m,统 一 投 影 为 UTM-WGS1984-48N。下 载MOD13A3 和 MOD17A3 卫星数据,验证 NDVI 提取及NPP 值模拟结果。结合植被类型分类图,通过遥感影像的近红外波段和红外波段值提取归一化植被指数,计算比值植被指数、太阳辐射总量、光合有效辐射等,结合 GLOPEM-CEVSA 模型数据反演
24、试验区 NPP、NEP 值:NEP(x,t)=NPP(x,t)-H(x,t)(1)NPP(x,t)=APA(x,t)(x,t)-a(2)NEP(x,t)净生态系统生 产 力(Net EcosystemProduction)为大气 CO2进入生态系统的净光合产量,表示净初级生产力扣除异养生物异养呼吸消耗光合产物之后的部分,计算方法如式(1)。NPP(x,t)净初级生产力(Net Primary Production),以干重(gC)表示,为陆地植被通过光合作用固定太阳能,在单位时间内单位面积所获得生物量的净增加量,计算方法如式(2)。a指植物自养呼吸,H(x,t)(Heterotrophic e
25、spiration)指异生物异养呼吸。APA(x,t)是太阳总辐射量 SOL与植被对光合有效辐射的吸收比率 FPA 之间的参数模型,如式(3):APA(x,t)=FPA(x,t)SOL(x,t)0.5(3)FPA(x,t)指植被对光合有效辐射的吸收比率,计算方法如式(4)。其中 NDVI 指归一化植被指数,将植被光合有效辐射比例分成 NDVI 和 S 两部分进行计算,结合植被指数取值,提高参数输入数据精度,减小模型模拟的误差偶然性。NDVIi,max代表第 i 种植被类型的最大值,NDVIi,min代表第 i 种植被类型的最小值,通过 NDVI、NDVIi,max、NDVIi,min计算出 F
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