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基于CBM-CFS3模型的三峡库区主要森林生态系统碳计量

作　者: 付甜
导　师: 肖文发
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 生态学
关键词: CBM-CFS3 三峡库区森林碳储量碳密度净第一性生产力
分类号: S718.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

森林是陆地生态系统中最大的碳库,它对全球碳循环的贡献是不可比拟的。三峡库区地处长江流域中下游,生态地位特殊,是我国生态环境保护的重点地区,库区森林生态系统在保持水土、涵养水源、增加碳汇等方面均发挥了重要作用。采用模型模拟方法对库区森林生态系统进行碳储量和生产力的研究,一方面模型模拟的结果有利于更客观地评估三峡库区森林的生态功能；另一方面,通过对模型参数的本土化改进,有利于探索更精确的区域性碳计量的理论与技术方法。本文以长江三峡库区的马尾松林、杉木林等主要森林类型为研究对象,以加拿大碳收支模型CBM-CFS3为平台,先收集森林资源清查的一类调查样地的连续调查数据,运用若干种理论生长函数模型,通过比较得出各森林类型最优的林分水平的年龄—蓄积产量曲线,作为模型模拟森林碳储量和生产力的驱动力；然后通过收集大量文献样地资料,采用幂函数模型和多项logit模型分别估计出各森林类型的蓄积—生物量转换参数和林木器官(干、皮、枝、叶)生物量比例参数。最终,应用估算的产量曲线、生物量转换和比例参数以及收集到的生物量周转和凋落物分解参数,以1999年三峡库区森林资源清查二类调查数据中的林龄,面积等数据为基础,实现三峡库区的森林生态系统碳储量和生产力的模拟计算。模型参数估计的主要结论如下：(1)以Richards、Logistic和Korf生长函数为备选模型,运用非线性回归方法,分别建立林龄-蓄积量生长模型,并通过模型拟合统计量和抽样精度检验的结果比较,对各个模型进行评价,选出适合各森林类型的最优模型。结果表明：Richards模型表现出较强的适应性,其次为Logistic模型、Korf模型。各主要森林类型的最优曲线拟合结果表现良好,决定系数R2均达到0.5以上,均方根误差在10.99m3·hm"2～21.07m3·hm-2之间,精度检验的结果在44%～80%之间。各森林类型的蓄积预测值与实测值的残差呈正态分布,残差有随林龄的增大而增大的趋势。针叶混交林的生长潜力最大,其蓄积生长极限达到352.356m3·hm-2;柏木林长势较差,蓄积生长极值不超过80m3·hm-2。(2)蓄积-生物量转换模型的拟合结果除常绿阔叶林外均关系显著,预测残差随自变量的增大而升高,均方根误差均控制在6.520t·hm-2～23.123t·hm-2,精度检验结果在31.14%～91.79%之间,除常绿阔叶林以外,预测精度均达到70%以上。林木器官生物量比例模型拟合的结果除常绿阔叶林外均关系显著,预测残差随自变量的增大而减小。干、皮、枝和叶生物量比例模型的均方根误差均不超过0.1,分别达到0.031～0.085,0.005～0.041,0.029～0.103和0.016～0.083,其精度检验结果分别达到91.04%～96.14%,62.71%～94.48%,63.70%～94.47%和-8.86%～83.92%。各森林类型(除常绿阔叶林外)的乔木层地上生物量模型可行性较高,模型所得生物量参数也可为亚热带森林生物量参数研究提供参考。模型模拟主要结果如下：(1)三峡库区森林生态系统的死有机质(DOM)碳库的碳储量达到103.636×106t,其中地下DOM碳储量是地上DOM碳储量的3倍以上。对不同森林类型而言,马尾松林的DOM碳储量最高(占库区森林总DOM碳储量的26.1%),其后由大到小依次为落叶阔叶林(22.7%)、针阔混交林(20.2%)、针叶混交林(15.2%)、柏木林(5.5%)、常绿阔叶林(5.0%)、杉木林(3.4%)和温性松林(1.9%)。不同森林类型的DOM碳库的碳密度差异很大,表现为针叶林的DOM碳密度明显小于阔叶林和混交林,尤其是柏木林的各类DOM碳密度均为最低,针阔混交林的DOM碳密度最大。(2)三峡库区森林生态系统总有机碳储量达到151.018×106t,其中土壤有机质的碳储量高达80.163×106t,占总森林生态系统碳储量的53.1%,植被生物量的碳储量为47.382×106t(31.4%),枯落物的碳储量为23.472×106t(15.5%)。不同森林类型的生态系统碳储量差异较大,在3.144×106t到40.706×106t之间,分布面积最大的马尾松林的生态系统碳储量最高,生产力较低的柏木林总有机碳储量最低。三峡库区森林生态系统(植被、凋落物、土壤)的平均碳密度达107.353t·hm-2,低于全国平均水平258.83t·hm-2,远低于约275t.hm-2的世界平均水平(植被、土壤)。平均土壤有机质碳密度为56.984t·hm-2,植被碳密度为33.682t.hm-2,枯落物碳密度为16.685t·hm-2。针叶林的生态系统碳密度要小于阔叶林和混交林,针叶林中又属柏木林的碳密度最小；针阔混交林的碳密度最大；各森林类型的植被、枯落物和土壤有机质碳库的碳密度大小与其总碳密度大小正相关。(3)三峡库区森林生态系统净第一性生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)的模拟结果表明：库区内森林植被的平均NPP为3.92t C·hm-2·a-1,其中超过三分之二的碳被分配给凋落物,造成2.71t C.hm-Z.a-1的碳排放,平均NEP为1.21t C·hm-2·a-1。库区植被年均固定大气中的C共5.513×106t,其中有1.694×106t C被固存在生态系统中,并因凋落物分解而释放3.819×106Mg C归还给大气。各森林类型的年均NPP在2.20tC·hm-2·a-1～5.08t C·hm-2·a-1之间,柏木林的碳固定能力最低,针阔混交林最高,其它森林类型的NPP由高至低依次为：针叶混交林>常绿阔叶林>落叶阔叶林>马尾松林>杉木林>温性松林。各森林类型的碳固存能力与其固定碳的能力并不一致,年均NEP在0.63t C·hm-2·a-1～-2.14t C·hm-2·a-1之间,由高至低分别为：针叶混交林>马尾松林>杉木林>常绿阔叶林>落叶阔叶林>针阔混交林>温性松>柏木林。通过与实测推算数据的对比验证,CBM-CFS3模型模拟出的森林植被碳密度结果合理；凋落物碳密度的估算结果大于实测推算数据,土壤有机碳密度则较低,远低于全国平均水平；模型死有机质中包含对死木的估算造成了凋落物碳密度的高估,而模型DOM碳库的初始化方法造成土壤有机碳密度的低估；NPP的估计结果基本与实测推算数据相一致。总的来说,模型模拟得出的三峡库区森林生态系统的平均碳密度低于全国平均水平,远低于世界平均水平,但其林龄结构以中幼龄林为主,未来库区森林的固碳潜力巨大。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-18
第一章绪论  18-41
  1.1 研究背景  18-19
  1.2 研究目的和意义  19-20
  1.3 国内外研究现状  20-33
    1.3.1 森林碳循环模型的发展  20-21
    1.3.2 森林碳循环模型的分类  21-23
    1.3.3 森林碳循环模型的结构  23-25
    1.3.4 区域尺度的典型森林碳循环模型研究  25-32
    1.3.5 森林碳循环模型的发展趋势  32-33
  1.4 我国在森林碳循环模型和碳计量方面的研究进展  33-38
    1.4.1 主要进展  33-36
    1.4.2 存在的问题  36-38
  1.5 主要研究内容及拟解决的科学问题  38-39
    1.5.1 主要研究内容  38-39
    1.5.2 拟解决的科学问题  39
  1.6 研究技术路线  39-41
第二章研究区域概况  41-46
  2.1 地理位置  41
  2.2 植被  41-44
  2.3 气候  44-45
  2.4 土壤  45-46
第三章加拿大碳收支模型CBM-CFS3  46-57
  3.1 CBM-CFS3模型的发展与特点  47-48
  3.2 CBM-CFS3模型的基本原理  48-57
    3.2.1 模型结构  48-50
    3.2.2 模型中的碳库构成  50-52
    3.2.3 模型参数系统  52-53
    3.2.4 数据要求  53-56
    3.2.5 数据输出  56-57
第四章林分年龄-蓄积生长曲线表的编制  57-65
  4.1 材料来源  57-58
  4.2 生长模型方法  58-60
  4.3 结果分析  60-62
  4.4 讨论  62-65
    4.4.1 林分生长曲线的作用  62-64
    4.4.2 林分生长曲线的适用性  64-65
第五章蓄积-生物量转换参数的估计  65-80
  5.1 材料来源  66-68
  5.2 CBM-CFS3的生物量模型结构  68-69
  5.3 蓄积-生物量转换参数的算法  69-72
  5.4 结果分析  72-77
    5.4.1 蓄积—生物量转换参数  72-73
    5.4.2 林木器官生物量比例参数  73-74
    5.4.3 精度检验结果  74-77
  5.5 结论与讨论  77-80
    5.5.1 模型的合理性  77-78
    5.5.2 模型参数的适用性  78
    5.5.3 森林中的其它生物量部分  78-79
    5.5.4 地下生物量及其动态  79-80
第六章凋落物分解与死有机质碳库  80-96
  6.1 生物量周转与凋落物转移  80-83
    6.1.1 死有机质碳库的碳输入  80-81
    6.1.2 生物量周转和凋落物转移参数  81-83
  6.2 DOM碳库中的凋落物分解过程  83-89
    6.2.1 CBM-CFS3的凋落物分解模型  83-86
    6.2.2 凋落物分解参数  86-89
  6.3 死有机质库的模型初始化  89-90
  6.4 三峡库区各森林类型DOM碳库的碳储量及碳密度  90-94
    6.4.1 各森林类型的DOM碳库的碳储量  91-92
    6.4.2 各森林类型的DOM碳库的碳密度  92-94
  6.5 讨论  94-96
    6.5.1 凋落物输入对土壤碳库的影响  94
    6.5.2 凋落物分解的影响因子  94-96
第七章三峡库区森林生态系统的碳储量与生产力  96-110
  7.1 三峡库区森林生态系统的碳储量  96-100
    7.1.1 森林生态系统碳储量的组成  96-97
    7.1.2 三峡库区森林生态系统碳储量及碳密度  97-100
  7.2 森林生态系统的净初级生产力和净生态系统生产力  100-104
    7.2.1 森林生态系统NPP与NEP的模型方法  100-102
    7.2.2 三峡库区森林生态系统的NPP和NEP  102-104
  7.3 模型模拟结果的比较性检验  104-106
  7.4 讨论  106-110
    7.4.1 三峡库区森林生态系统对碳汇的贡献  106
    7.4.2 模型模拟方法的优势  106-107
    7.4.3 CBM-CFS3模型的局限性  107-108
    7.4.4 CBM-CFS3模型的不确定性  108-110
第八章总结与展望  110-113
  8.1 总结  110-111
  8.2 展望  111-113
参考文献  113-126
在读期间的学术研究  126-127
致谢  127

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