毛竹林生态系统碳循环时空模型构建及应用研究

摘要

森林在应对全球气候变化中具有重要作用。竹林是中国亚热带特殊而重要的森林类型，具有强大的固碳能力，但其源汇过程极易受人类经营活动干扰。目前，竹林快速生长阶段的碳素积累特征及其光合生理生态响应、站点尺度上的竹林碳水通量特征、竹林资源碳储量遥感定量估算、经营措施对竹林土壤碳库的影响特征以及林分结构对竹林固碳功能的影响等竹林生态系统碳汇相关研究已经取得突破。然而，由于缺乏适合竹林生态系统碳循环研究的模型，使得竹林生态系统碳源/汇在大尺度上时空格局形成的机制以及调控机理的了解甚少，如何兼顾竹林特有生长过程，指导竹林生态系统固碳经营也缺乏理论依据。本研究以竹林地面调查数据、碳通量塔观测数据、MODIS遥感数据等为基础，创新改进BIOME-BGC模型以适应竹林特有生态过程与经营措施，获取适用于竹林碳循环模拟的生理生态参数，构建竹林碳循环过程模型。以浙江省为例，模拟竹林碳储量和碳通量时空动态，揭示其时空异质性的形成机制，在此基础上进一步分析经营管理措施对竹林生产力与碳汇能力提升的关系，优化现有竹林经营措施，为提高竹林生产力和碳汇能力提供新的理论指导。研究主要的内容和结论包括以下几方面:　　(1)竹林碳循环过程模型构建及时空模拟方面。构建了适用于竹林生态系统的碳循环模型，实现了竹林生态系统碳通量和碳储量的高精度时空模拟，主要结论如下:①基于BIOME-BGC模型，引入年龄因子、大小年生长、新竹生长、凋落等竹林特有生理生态过程，融入施肥、挖笋、钩梢和择伐四重要的竹林经营措施模块，获取了一套适合竹林碳循环模拟的生理生态参数，建立了竹林生态系统碳循环模拟的过程模型。②利用碳通量观测数据与样地调查碳储量数据验证了其模拟精度，浙江省竹林碳通量平均模拟精度为0.73，比原模型提高了64.42％，平均误差降低了77.49％，碳储量模拟精度达到了0.81，均方误仅为2.92Mg C·hm-2。　　(2)竹林碳储量、碳通量时空格局及变异方面。分析了浙江省2003-2014年碳通量和碳储量时空格局，利用地统计学原理探讨了碳储量的时空变异特征，主要结论如下:①2003-2014年浙江省竹林碳通量和碳储量时空格局基本一致。以地上碳储量为例，十二年间地上碳储量总体上呈不断增加趋势，其高值区域由稀疏分布发展为大面积集中分布。竹林地上碳储量高值区域主要分布在在浙西北、浙西南和东部的山区，而低值区域分布在成片竹林边缘、东部沿海地区以及零散分布的竹林。竹林地上碳储量增加较多的区域与其分布变化趋势较为一致，而减少量较多的区域零散分布于全省。②2003-2014年全省平均碳储量由12.02Mg C·hm-2增加至18.15Mg C·hm-2，年均增长率为3.49％;总碳储量的变化由9.22Tg C增加至16.42Tg C，年均增长率为4.93％。③浙江省竹林地上碳储量空间异质性可由指数半方差模型来表达。2003-2014年浙江省竹林地上碳储量表现出强烈的空间自相关性，其主导因素为结构因素，环境因子（温度、二氧化碳浓度、辐射和降水）以及地形因子（坡度、坡向、海拔）对竹林碳储量具有显著影响。但2003-2014碳储量异质性尺度即空间自相关范围逐渐降低，说明经营等随机因素对碳储量时空异质性不容忽视。　　(3)提升毛竹林碳汇能力经营方案方面。在研究不同经营措施对竹林碳循环影响的基础上，探讨了不同采伐季节、采伐年限、采伐强度下毛竹林碳循环的变化情况，寻找提升竹林碳汇能力的最优择伐模式，主要结论如下:①毛竹林碳储量与碳通量对不同经营措施响应的分析结果表明以过量施肥来提高产量的做法是对增加毛竹林碳汇能力不利的，只有通过多种经营措施有机结合才能保证产量和碳汇能力同时提高。②综合考虑毛竹植被碳储量、生产力、产量和碳汇能力，冬季为毛竹林最佳择伐季节，2年为毛竹林最佳择伐年限。③优化得到了提高竹林碳汇能力的最佳择伐方案为:1-5年生的竹不砍伐，6年生竹采伐30％，7年生竹采伐80％，8年生以上竹完全采伐。与生产上高强度择伐(Ⅲ度(4-5年)及以上全砍）相比，该方案理论上不但可以使毛竹林现存植被碳储量可以提高74.63％，且累计收获的地上部分碳储量（产量）还可以提高21.50％。　　(4)竹林碳循环模型系统的实现方面。应用C＃编程语言实现了竹林碳循环模型图形化界面运行系统，实现了模型运行控制参数与植物生理生态参数的可视化设置，输入输出数据的智能读取，并以多线程方式运行，大大提升了区域碳循环模拟效率。模型输出结果可直接使用GIS软件进行空间处理和分析，为竹林生态系统碳模拟和碳汇经营管理提供了快速决策支持系统。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 森林生态系统碳循环研究方法

1．2．2 森林生态系统碳循环模型介绍

1．2．3 BIOME-BGC模型

1．2．4 竹林碳循环估算的研究现状

1．3 本研究概况

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究目标

1．3．3 技术路线

2 研究区及数据获取

2．1 研究区域概况

2．2 竹林碳通量观测塔

2．2．1 毛竹林碳通量观测试验地

2．2．2 雷竹林碳通量观测试验地

2．2．3 碳通量塔通量观测系统

2．3 数据处理

2．3．1 通量观测数据处理

2．3．2 竹林样地调查及生理生态参数获取

2．3．3 气象数据处理

2．3．4 浙江省竹林分布信息提取

2．3．5 土壤数据处理

2．3．6 地形数据处理

2．4 本章小结

3 竹林碳循环过程模型构建

3．1 BIOME-BGC模型结构及原理

3．1．1 土壤水分平衡

3．1．2 冠层辐射传输

3．1．3 气孔导度模型

3．1．4 物候模型

3．1．5 光合作用模型

3．1．6 呼吸模型

3．1．7 分配模型

3．1．8 碳通量计算

3．2．1 年龄因子的引入

3．2．2 林分更新模拟

3．2．3 大小年生长模拟

3．2．4 新竹生长模拟

3．2．5 凋落模块的改进

3．2．6 分配模块的改进

3．3 竹林经营管理模块的构建

3．3．1 施肥措施

3．3．2 挖笋措施

3．3．3 钩梢措施

3．3．4 择伐措施

3．4 本章小结

4 竹林生态系统碳循环模拟与分析

4．1 生理生态参数优化

4．2 模拟与数据分析流程

4．3 毛竹林碳循环模拟精度评价

4．4 浙江省竹林碳通量时空格局

4．5 不同经营管理措施对毛竹林碳循环的影响分析

4．6 毛竹林NPP影响因子分析

4．7 讨论

4．7．1 改进BIOME-BGC模型模拟毛竹林碳循环

4．7．2 人类干扰对毛竹林碳循环的影响

4．7．3 毛竹林NPP对气候因子的响应

4．8 本章小结

5 竹林地上碳储量时空分布及异质性分析

5．1 碳储量时空模拟及评价方法

5．1．1 数据及模拟过程

5．1．2 模拟验证

5．2 碳储量时空异质性分析方法

5．2．1 区域化变量

5．2．2 变异函数

5．2．3 半方差图的结构分析

5．2．4 半方差图拟合模型

5．2．5 半方差模型的评价

5．3 碳储量时空模拟结果及分析

5．3．1 模拟结果

5．3．2 模拟精度评价

5．3．3 竹林碳储量时空分布特征分析

5．4 竹林碳储量空间异质性分析

5．5 竹林地上碳储量空间异质性的影响因素

5．6 讨论

5．7 本章小结

6 提升竹林碳汇的最优经营措施研究

6．1 研究区域

6．2．1 实验设计

6．2．2 地上碳储量测定

6．2．3 模型介绍及参数优化

6．2．4 模型检验

6．2．5 择伐情景模式设置

6．3 结果与分析

6．3．1 模型精度评价

6．3．2 最佳采伐季节分析

6．3．3 最佳采伐年限分析

6．3．4 最大保留年龄分析

6．3．5 最佳采伐模式分析

6．4 讨论

6．5 本章小结

7 竹林碳循环模型系统的实现

7．1 系统设计的目标

7．2 系统功能模块设计

7．3 系统操作流程设计

7．4 系统数据格式设计

7．5 系统主要界面设计

7．6 模拟算法设计

7．7 系统代码统计

7．8 本章小结

8 结论与讨论

8．1 结论

8．1．2 竹林碳通量和碳储量时空格局及变异方面

8．1．3 毛竹林最优择伐措施研究方面

8．1．4 系统开发与实现方面

8．2 创新点

8．3 讨论

参考文献

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获得成果目录

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导师2 简介

致谢