基于遙感模型和地面觀測(cè)的河口濕地碳通量研究.pdf

1、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球氣候變化研究的核心內(nèi)容之一。河口濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分,同時(shí)作為一種重要的濕地類型,具有其獨(dú)特的物質(zhì)循環(huán)和能量收支方式,并且對(duì)人為或自然的干擾極為敏感。相對(duì)于其它陸地生態(tài)系統(tǒng),有關(guān)河口濕地碳循環(huán)的研究還比較少,對(duì)其過程以及驅(qū)動(dòng)因子還了解甚少。渦度協(xié)方差技術(shù)(eddy covariance)可以提供長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù),但其觀測(cè)結(jié)果本身卻只能代表特定生態(tài)系統(tǒng)在特定環(huán)境中的碳通量特征,不能直接應(yīng)用在其它區(qū)

2、域。遙感是目前進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)變化的大尺度、連續(xù)和定量觀測(cè)的唯一可行的手段,遙感數(shù)據(jù)為河口濕地碳通量的模擬及尺度推繹提供了可能。本研究基于崇明東灘建立的長(zhǎng)期定位野外觀測(cè)站,采用渦度協(xié)方差技術(shù)對(duì)長(zhǎng)江河口濕地的二氧化碳通量進(jìn)行直接監(jiān)測(cè),為河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量及其變化提供精確估計(jì)。本研究嘗試融合渦度協(xié)方差技術(shù)和遙感技術(shù),評(píng)估應(yīng)用遙感模型估算河口濕地碳通量的可行性,并嘗試建立一種適合河口濕地生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)的碳通量估算模型,同時(shí)揭示河口濕地的潮汐過

3、程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的碳收支平衡和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響。主要結(jié)論如下:
　　 1)通過基于MODIS計(jì)算的光譜指數(shù)與微氣象因子[如水汽壓虧缺(VPD)、土壤含水量(VWC)、土壤溫度等]之間關(guān)系的分析,研究發(fā)現(xiàn)遙感光譜指數(shù)能較好地反映研究區(qū)內(nèi)主要微氣象因子的時(shí)間動(dòng)態(tài),并準(zhǔn)確地捕獲了許多微氣象因子在通量站點(diǎn)間的空間差異。這些空間差異主要是由站點(diǎn)的植被組成和覆蓋不同及離海距離的遠(yuǎn)近所導(dǎo)致的。在近海站點(diǎn),地表水分指數(shù)(LSWI)和增強(qiáng)植被指

4、數(shù)(EVI)被用來解釋主要微氣象因子季節(jié)變化,相對(duì)于距離海水較遠(yuǎn)的站點(diǎn),LSWI被用來解釋主要微氣象因子的時(shí)間變化。本研究提示,用遙感數(shù)據(jù)對(duì)地表參數(shù)的反演需要根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性選用不同的遙感參數(shù)。
　　 2)通過對(duì)從大壩到近海的沿東-西橫斷面上6個(gè)樣地的EVI和LSWI的時(shí)間序列分析,研究發(fā)現(xiàn)EVI、LSWI以及二者之間的差值(DVEL)均能反映出橫斷面上的植物群落類型和分布,及地表水分的變化特征,并可判斷衛(wèi)星過境前后各樣

5、地受潮水淹沒狀況。然而,遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的難度會(huì)隨著背景復(fù)雜性的增加而增大(如從近海到大壩)。鑒于河口濕地土壤背景變化多樣,EVI能用于分析植被,但卻難于扣除水分的影響。因此,本文構(gòu)建一個(gè)融合植被信息和水分信息的綜合濕地指數(shù),并發(fā)現(xiàn)年均綜合濕地指數(shù)可以更好地反映濕地的植被演替過程,例如當(dāng)基于EVI的綜合濕地指數(shù)(EVI/LSWI)小于0.25時(shí),該區(qū)域處在演替發(fā)展前期,表現(xiàn)為無任何植被覆蓋,經(jīng)常被潮水淹沒;當(dāng)綜合濕地指數(shù)介于0.25～0.7

6、5之間時(shí),該區(qū)域則處在演替先鋒階段,表現(xiàn)為稀疏的植被覆蓋和大面積的裸地等。
　　 3)受潮汐作用的影響,河口濕地生態(tài)系統(tǒng)有著獨(dú)特的碳循環(huán)過程,即橫向碳交換以及濕地土壤在厭氧條件下甲烷氣體的釋放?？梢?用于非濕地的經(jīng)典遙感模型(光能利用效率(LUE)模型)不能直接應(yīng)用于河口濕地初級(jí)生產(chǎn)力(GPF)的估算。本研究結(jié)果表明LUE模型估算的GPP和碳通量塔觀測(cè)的GPP之間存在的差異無法完全用觀測(cè)誤差來進(jìn)行解釋,模型的擬合度也很低(R2=

7、0.55),這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的關(guān)于該模型在森林、草原等生態(tài)系統(tǒng)中估算GPP的準(zhǔn)確性(R2在0.85以上)。由此,我們將潮汐作用所可能導(dǎo)致的橫向碳交換及濕地土壤由于厭氧環(huán)境下產(chǎn)生的甲烷氣體釋放的影響加入到模型中,并選擇地表水分指數(shù)(LSWI)、蒸發(fā)蒸騰量(ET)和潮高(TH)作為其解釋變量,模型的擬合度得到明顯改進(jìn)。改進(jìn)后的模型估算的GPP與碳通量塔觀測(cè)的GPP之間匹配良好(R2=0.88)。
　　 4)為了分析遙感數(shù)據(jù)估算NE

8、E及模擬環(huán)境梯度上NEE變化特征的可行性,本研究結(jié)合通量塔測(cè)量的NEE數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),采用分段回歸模型估算NEE,其中模型的解釋因子為地表反射率(7個(gè)波段)和光譜指數(shù)[NDVI、EVI、LSWI及LSWI(2100)],這些解釋因子均來自MODIS的8d合成數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示模型估算的NEE與實(shí)測(cè)的NEE之間匹配良好(R2=0.78),這說明用MODIS數(shù)據(jù)來估算NEE是可行的,而且模型估算的NEE值能從整體上反映研究范圍內(nèi)的NEE時(shí)空變異

9、性以及受不同驅(qū)動(dòng)因子而呈現(xiàn)的NEE變化特征。高潮帶體現(xiàn)了由植被季節(jié)性變化而驅(qū)動(dòng)的碳循環(huán)過程,而低潮帶體現(xiàn)了因潮汐活動(dòng)等因子驅(qū)動(dòng)的碳循環(huán)過程。
　　 5)本研究結(jié)合基于渦度協(xié)方差技術(shù)的通量塔測(cè)量的數(shù)據(jù),全面探討了遙感數(shù)據(jù)在河口濕地碳循環(huán)的影響因子分析以及碳通量估算中的可行性及研究方法上的改進(jìn)。研究表明本研究提出的模型在河口濕地GPP和NEE估算以及其季節(jié)性動(dòng)態(tài)的定量評(píng)價(jià)上具有一定的潛力,這為全球變化背景下的河口濕地碳通量閉合研究提