東北東部森林碳循環(huán)過程的集水區(qū)尺度模擬.pdf

1、大氣中CO2濃度的升高引發(fā)了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題，使得碳循環(huán)研究受到了空前的重視。中高緯度的東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)處于全球變化的敏感區(qū)域，在維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境中起到重要作用，是碳循環(huán)研究的重點(diǎn)區(qū)域。利用模型模擬碳循環(huán)過程是碳循環(huán)研究的重要方法，其中IBIS(Integrated Biosphere Simulator)模型是森林碳循環(huán)模擬的有利工具，代表著全球碳循環(huán)模型的發(fā)展方向。利用IBIS模型模擬東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對陸地碳循環(huán)和

2、全球變化研究具有重要意義。
　　為使IBIS模型更好地體現(xiàn)碳循環(huán)過程的空間異質(zhì)性，適用于東北東部集水區(qū)尺度的碳循環(huán)模擬，本研究融合GIS、Visual FoxPro、Visual C＃等建模技術(shù)，改進(jìn)IBIS模型。在氣象、地形、植被和土壤等數(shù)據(jù)的支持下，利用改造后的IBIS模型模擬張家溝集水區(qū)5種森林類型的碳循環(huán)過程，以實測數(shù)據(jù)對IBIS模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，分析集水區(qū)碳通量的時空格局及其隨地形因子的變化。主要結(jié)果和結(jié)論如下:

3、　　(1) IBIS模型改進(jìn)。由于IBIS模型只能模擬離散的樣點(diǎn)(plot)，無法針對連續(xù)的植被空間開展模擬，沒有考慮地形對土壤水分流動、太陽輻射差異的影響，忽略了森林碳動態(tài)的空間異質(zhì)性，造成森林碳循環(huán)模擬機(jī)理上欠缺。因此，本研究進(jìn)一步完善IBIS模型機(jī)理，應(yīng)用GIS技術(shù)，以一個集水區(qū)作為模擬尺度，以一個柵格單元作為最小模擬單位，增加了IBIS模型的地形分析模塊，改進(jìn)了土壤水分再分配和地表太陽輻射計算模塊，篩選了適合中國東北地區(qū)的8種植

4、被功能型(PFTs)，細(xì)化了模型物候算法和模型參數(shù)，優(yōu)化了模型編程語言和數(shù)據(jù)存儲格式。使得改進(jìn)后的IBIS模型能夠利用實際地貌進(jìn)行模擬，機(jī)理性更強(qiáng)，實現(xiàn)了集水區(qū)尺度的連續(xù)植被空間碳水過程的細(xì)致模擬，充分體現(xiàn)不同地形條件下森林碳循環(huán)過程的空間異質(zhì)性，為集水區(qū)尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模擬提供了有利工具，為今后碳循環(huán)研究的尺度上推奠定了堅實基礎(chǔ)。
　　(2) IBIS模型運(yùn)行系統(tǒng)的實現(xiàn)。應(yīng)用Visual C＃編程語言和Visual Fo

5、xPro數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)了IBIS模型圖形界面運(yùn)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以推廣到全國其他地區(qū)模擬運(yùn)算，主要功能有:模型輸入?yún)?shù)的讀取、編輯與管理，模型模擬運(yùn)算，模型輸出結(jié)果的設(shè)置、讀取與導(dǎo)出，以及完善的系統(tǒng)出錯提示功能等。總體來看，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)清晰、界面美觀、使用方便等特點(diǎn)。
　　(3) IBIS模型驗證。本研究從土壤呼吸、凈初級生產(chǎn)力(NPP)兩個方面，采用IBIS模型模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比的方法驗證模型模擬精度。結(jié)果表明:改造后的I

6、BIS模型模擬效果較好，模擬結(jié)果基本可靠，適用于東北東部集水區(qū)森林碳循環(huán)的估算。
　　(4)土壤呼吸模擬。研究區(qū)土壤呼吸年平均值為571gC/(m2·a)。年土壤呼吸的空間格局與生長季土壤呼吸空間格局相似，均表現(xiàn)為高值區(qū)主要分布在北部、西南和東南區(qū)域，低值區(qū)主要分布在溝谷附近，該格局與集水區(qū)的地形、植被及其組合等因素有關(guān)。研究區(qū)土壤呼吸的季節(jié)性變化呈單峰曲線形式，土壤呼吸峰值均出現(xiàn)在7月，其中落葉松林峰值最低，為85.5gC/m2

7、，雜木林峰值最高，為146.3gC/m2。研究區(qū)年總土壤呼吸為865.44tC/a，雜木林分布面積最大，年平均土壤呼吸值最高(628gC/(m2·a))，年總土壤呼吸量為486.39tC/a;落葉松林分布面積最小，年平均土壤呼吸值最低(356gC/(m2·a))，年總土壤呼吸量為0.29tC/a。5種森林類型的土壤呼吸值與5cm深土壤溫度存在極顯著的指數(shù)關(guān)系，與土壤濕度的相關(guān)性較低，土壤溫度的變化可以解釋土壤呼吸約70％的季節(jié)變化。從地

8、形因素看，坡度和坡向?qū)ν寥篮粑挠绊懘笥诤０螌ν寥篮粑挠绊懀@與研究區(qū)的整體海拔不高且高差較小有直接關(guān)系。
　　(5)凈初級生產(chǎn)力(NPP)和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)模擬。研究區(qū)森林NPP年平均值為375gC/(m2·a)，森林NPP在空間上大體呈現(xiàn)為東北和西北兩區(qū)域高，然后逐漸向中心溝谷地區(qū)減少;生長季中，不同月份的NPP空間格局變化顯著。森林NPP季節(jié)變化與氣溫、降水量和太陽輻射等密切相關(guān)，NPP月均值變化曲線呈雙峰形式，

9、峰值出現(xiàn)在5月和8月。研究區(qū)森林NPP年總量為541.72tC/a，雜木林NPP年總量為260.00tC/a，占研究區(qū)NPP總量的48％。各植被類型中，楊樺林的年平均NPP最高(405gC/(m2·a))，雜木林最低(336gC/(m2·a))。從NPP與氣候因子的關(guān)系看，NPP與降水量的相關(guān)性(R2=0.6657，P＜0.01)高于與溫度的相關(guān)性(R2=0.5383，P＜0.05)，說明降水量是決定集水區(qū)NPP值的主要限制因子。從地形