福建主要人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量研究.pdf

1、隨著全球工業(yè)的不斷進(jìn)步發(fā)展,大氣溫室氣體含量不斷上升,全球氣候變暖,越來越引起人們的關(guān)注。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,其固碳和吸碳作用日趨顯著。森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量包括土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、植被有機(jī)碳儲(chǔ)量和凋落物層有機(jī)碳儲(chǔ)量,其現(xiàn)有碳儲(chǔ)量是評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)吸收CO2功能的主要尺度。杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、毛竹(Phyllostachys hterocyc

2、la)和桉樹(Eucalyptus grandis)都是中國(guó)南方重要的森林資源,經(jīng)濟(jì)用途廣泛,是福建省分布最廣的人工林生態(tài)系統(tǒng)。本文采用野外調(diào)研與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了福建杉木、馬尾松、毛竹和桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及其空間分布特征,并用最小二乘-支持向量機(jī)法分別對(duì)各人工林土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度進(jìn)行了預(yù)測(cè)估計(jì),分析了土壤有機(jī)碳密度與林齡、坡向、坡位的線性和非線性回歸關(guān)系;運(yùn)用多元線性回歸模型預(yù)測(cè)不同人工林喬木層各器官生物量,在

3、此基礎(chǔ)上計(jì)算喬木層各器官的有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度;對(duì)杉木、馬尾松和桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤各層有機(jī)碳密度與喬木層的干、枝、葉和根,林下植被的草本層和灌木層以及凋落物層進(jìn)行了典型相關(guān)分析研究,深入分析土壤碳密度與地上部分碳密度的關(guān)系;最后,運(yùn)用刀切法、投影尋蹤等方法對(duì)喬木層碳密度與胸徑、樹高的關(guān)系進(jìn)行模擬。主要研究結(jié)果如下：
　　 ⑴土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的空間分布特征:有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均垂直方向上表現(xiàn)為土壤表層有機(jī)碳

4、含量隨著土層深度的增加而逐漸降低,其中表層到第二層的降低速度最快;水平方向上,從大到小依次為毛竹＞桉樹＞杉木＞馬尾松,下坡＞中坡＞上坡、陽坡＞陰坡;杉木林和毛竹林土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度表現(xiàn)出幼齡林＞中齡林＞成熟林的變化特征;而馬尾松林地、桉樹林地在不同發(fā)育階段土壤有機(jī)碳密度趨勢(shì)則相反,表現(xiàn)為幼齡林＜中齡林＜成熟林的變化特征。但因其受土壤碳含量、土壤容重、土層厚度的影響,又有一定變異性。
　　 ⑵應(yīng)用多元線性回歸模型對(duì)杉木、馬

5、尾松、毛竹和桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳密度與環(huán)境因子坡向和坡度以及林齡的關(guān)系,進(jìn)行了多元回歸分析。結(jié)果表明,林齡對(duì)杉木土壤剖面有機(jī)碳密度的影響比較顯著,而對(duì)馬尾松、毛竹和桉樹3個(gè)林分土壤剖面有機(jī)碳密度的影響不顯著,坡向和坡位對(duì)4個(gè)林分土壤剖面有機(jī)碳密度的影響均較小。但因多元線性回歸的前提是假設(shè)土壤有機(jī)碳密度與各因子之間的線性關(guān)系。
　　 ⑶進(jìn)一步應(yīng)用最小二乘支持向量機(jī)法對(duì)各人工林土壤碳密度進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果表明,對(duì)建陽和永安杉木

6、人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差分別為0.077％和0.116％;對(duì)建陽和永安杉木人工林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差為0.098％和0.082％;對(duì)建陽和永安馬尾松人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差分別為0.082％和0.081％;對(duì)建陽和永安馬尾松人工林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差為2.559％和0.049％;對(duì)建陽和永安毛竹人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差分別為2.709％和3.928％;對(duì)建陽和永安毛竹人工

7、林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差為2.895％和2.474％:對(duì)桉樹人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差為0.066％:對(duì)桉樹人工林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測(cè)的平均誤差為0.049％。說明LS-SVM模型對(duì)福建4種人工林土壤有機(jī)碳密度值的預(yù)測(cè)效果良好。
　　 ⑷森林生態(tài)系統(tǒng)中各部分有機(jī)碳密度,特別是土壤有機(jī)碳密度受諸多因子影響,而且各因子之間可能存在線性或非線性的關(guān)系,且有主要因素和次要因素。本文采用嘗試用建立擴(kuò)展離散灰色序列模

8、型,來預(yù)測(cè)土壤有機(jī)碳密度值,并確定影響土壤有機(jī)碳密度的主要變量。結(jié)果表明,杉木、馬尾松和桉樹人工林的林齡與土壤表層有機(jī)碳密度和土壤剖面有機(jī)碳密度之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)均為最大值,因此確定林齡為杉木林、馬尾松林和桉樹林的主變量,其余因子為輔助變量。運(yùn)用擴(kuò)展灰色離散序列高階動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)杉木、馬尾松和桉樹人工林表層土壤有機(jī)碳密度和土壤剖面有機(jī)碳密度進(jìn)行模擬,結(jié)果表明相關(guān)系數(shù)R均大于0.7832,且預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差較小,說明擴(kuò)展灰色離散序列高階動(dòng)

9、態(tài)土壤有機(jī)碳密度預(yù)報(bào)模型對(duì)福建不同人工林土壤有機(jī)碳密度的預(yù)測(cè)效果良好。
　　 ⑸選取福建建陽、永安地區(qū)的杉木、馬尾松和桉樹人工林表層土壤有機(jī)碳密度和土壤剖面有機(jī)碳密度為因變量,林齡(A)、坡位(P)、坡向(S)、林分密度(D)、坡度(G)、土壤容重(V)等為自變量,利用實(shí)數(shù)編碼自適應(yīng)約束優(yōu)化遺傳算法進(jìn)行參數(shù)搜索,建立投影尋蹤回歸預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明,該模型在3個(gè)人工林土壤表層和剖面有機(jī)碳的預(yù)測(cè)中,其預(yù)測(cè)值平均誤差區(qū)間為5.73％～

10、10.56％,標(biāo)準(zhǔn)誤差區(qū)間為7.25％～15.24％,相關(guān)系數(shù)介于0.886～0.940之間,說明改進(jìn)的投影尋蹤模型用于土壤有機(jī)碳密度預(yù)測(cè),能達(dá)到理想效果,方法簡(jiǎn)單有效,模型適用性及實(shí)用性較強(qiáng)。
　　 ⑹生物量模型的改進(jìn):喬木層各器官的生物量采用相對(duì)生長(zhǎng)量法進(jìn)行模擬,即利用各器官的生物量與D2H(其中D為胸徑、H為樹高)的關(guān)系進(jìn)行模擬:本文在模擬W=α(D2H)b的基礎(chǔ)上,對(duì)各器官生物量的改進(jìn)模型W=α·DbHc進(jìn)行優(yōu)化模擬,結(jié)

11、果表明模擬效果理想,其結(jié)果可以用來計(jì)算喬木層各器官有機(jī)碳密度。
　　 ⑺不同森林類型喬木層有機(jī)碳密度存在差異,其中杉木林喬木層有機(jī)碳密度最高,為15.145kg/m2,其次為馬尾松林喬木層有機(jī)碳密度,為13.723 kg/m2,最小是桉樹林喬木層有機(jī)碳密度,為5.662 kg/m2,表現(xiàn)出杉木材＞馬尾松林＞毛竹林＞桉樹林的趨勢(shì)。從各林分類型喬木層各器官有機(jī)碳密度來看,均表現(xiàn)出干＞根＞枝＞葉的趨勢(shì)。就樹干而言,有機(jī)碳密度從大到小依

12、次為:馬尾松＞杉木＞桉樹＞毛竹;就樹根而言,有機(jī)碳密度從大到小依次為:杉木＞馬尾松＞毛竹＞桉樹;就樹枝而言,有機(jī)碳密度從大到小依次為:杉木＞馬尾松＞毛竹＞桉樹;就樹葉而言,有機(jī)碳含量從大到小依次為:杉木＞馬尾松＞桉樹＞毛竹。
　　 ⑻不同林分的林下植被有機(jī)碳密度以馬尾松最大,為0.263 kg/m2,其次為桉樹和杉木,毛竹林下植被的碳密度最少,只有0.031 kg/m2。林下植被各層中,灌木層和凋落物層均以馬尾松林的碳密度最大,

13、分別為0.133 kg/m2和0.107 kg/m2,桉樹和杉木其次,毛竹最少;草本層的有機(jī)碳含量則以杉木林最大,桉樹和馬尾松次之,毛竹最少。這進(jìn)一步說明本研究中的幾種人工林中,毛竹的林分結(jié)構(gòu)比較單一,林分碳儲(chǔ)量受人為干擾嚴(yán)重;馬尾松和杉木人工林的林分結(jié)構(gòu)相對(duì)比較豐富,林下植物種類多樣,生物多樣性較高。
　　 ⑼4種人工林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳貯量各不相同,杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲(chǔ)量最大,達(dá)到28.125 kg/m2;馬尾松人工林生

14、態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲(chǔ)量次之,為27.779 kg/m2;毛竹人工林生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲(chǔ)量第三,為22.884 kg/m2;而桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲(chǔ)量最小,為22.381 kg/m2。
　　 ⑽森林生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體,各部分的有機(jī)碳含量除受環(huán)境因子的影響外又有一定得自相關(guān)性。本文將土壤亞層即h1、h2、h3和h4層的有機(jī)密度以及0-100cm的剖面有機(jī)碳密度一起設(shè)為第一組的x1、x2、x3、x4、x5典型變量,喬木層的干、根、

15、枝、葉、草本層、灌木層和凋落層分別為第二組的y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7典型變量,采用典型相關(guān)分析討論地下部分碳密度對(duì)地上部分碳密度的影響,深入分析土壤碳密度與地上部分碳密度的關(guān)系。結(jié)果表明,土壤碳有機(jī)碳密度對(duì)u1的相對(duì)作用大小依土壤深度依次減小,即:第h1層(0～20cm)＞第h2層(20～40cm)＞第h3層(40～60cm)＞第h4層(60～100cm),其中第h1層是作用最大,第h4層的作用很小。V1與地上部分各層次

16、有機(jī)碳密度(y1)的原始數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系如下:v1與地上部分樹干、樹根有機(jī)碳密度(yi)的原始數(shù)據(jù)存在明顯的正相關(guān)。
　　 ⑾根據(jù)福建省永安和建陽杉木、馬尾松、毛竹和桉樹人工林64株調(diào)查材料,按刀切法原理對(duì)人工林喬木層有機(jī)碳密度的進(jìn)行估算。經(jīng)計(jì)算,人工林喬木層有機(jī)碳密度的估計(jì)量為12.740 kg/m2,且估計(jì)精度為93.239％。因此,利用刀切法估算人工林喬木層有機(jī)碳含量的結(jié)果可靠。
　　 ⑿基于投影尋蹤的喬木層有機(jī)碳密度

17、回歸模型：投影回歸是用于分析和處理非正態(tài)、非線性數(shù)據(jù)的一種新方法。由于建立多元回歸模型的前提是:影響因子與預(yù)報(bào)因子之間確切存在模型的假定相關(guān)關(guān)系,而各預(yù)測(cè)因子之間的相關(guān)關(guān)系并不是一致的線性或非線性,而是存在多種相關(guān)形式,因此采用一致線性或非線性形式建立的同歸模型不能真實(shí)的反映回歸關(guān)系。本文引入加權(quán)的思想,在改進(jìn)單純形算法的基礎(chǔ)上建立了喬木層有機(jī)碳密度模型,取得了較滿意的效果,12個(gè)訓(xùn)練樣本擬合值的總體擬合精度較高,在建陽杉木人工林喬木層