基于遥感和模型的浙江西北部典型森林植被NPP及对人类活动的响应特征研究

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长期的持续的人类干扰,例如土地利用类型的变化,严重威胁森林生态系统的稳定性和物种多样性,进而影响到森林生态系统固碳能力。自然保护及保护区内分区管理是保护生态系统稳定的最佳手段,然而,研究自然保护区分区管理对森林植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)的影响目前还没有相关报道。浙江西北部安吉区域位于长三角地区,城镇化发展和毛竹林面积的扩张使得土地利用类型变化剧烈,因此如何精确定量评估土地利用类型变化对森林植被NPP的影响是迫切需要解决的问题,然而,研究近31年来城镇化发展和毛竹林扩张对安吉森林生态系统NPP的影响鲜有报道。基于前文的研究背景与选题依据,本研究(1)基于Triplex-Flux过程机理模型,模拟安吉毛竹林森林生态系统30分钟时间尺度NPP,并从天和月2个时间尺度评价毛竹林大小年经营管理对毛竹林生态系统NPP的影响,从而为区域碳平衡的准确计量、生态服务功能的测算提供理论依椐和数据支持。(2)基于CASA参数模型,模拟近31年天目山自然保护区森林植被月时间尺度NPP,分析自然保护区分区管理措施对NPP的影响,从而为自然保护与生态系统服务功能的关系研究提供科学依据,也为自然保护区分区管理,特别是生态系统的恢复提供理论指导。(3)基于自然保护区数据和安吉数据,建立阔叶林、针叶林、毛竹林和农田潜在NPP(NPPpot)估算模型,为NPPpot的精确估算提供方法指导,也为区域生产潜力的评估提供数据支持。同时建立人类活动扰动指数(human activity disturbance index,HADI)定量化探讨土地利用类型变化对NPP的影响,为定量化描述人类活动对植被NPP的影响提供参考。总结本微的研究成果,有以下主要结论:(1)基于通量塔观测数据和MOD15A2H 500 m LAI数据对Triplex-Flux模型进行参数化与试运行,经验证,其结果适用于天目山常绿落叶阔叶混交林和安吉毛竹林生态系统NPP的模拟研究(R2在0.53~0.89之间,p<0.01)。同时,利用CASA模型估算了天目山自然保护区和安吉区域NPP,经验证,CASA模型适用于天目山自然保护区和安吉区域NPP的模拟研究(R2在0.39~0.91之间,p<0.01)。(2)基于Triplex-Flux模拟结果,从月和日时间尺度上分析毛竹林大小年经营管理对NPP的影响。结果表明,毛竹林大年NPP高于小年。在月时间尺度上,越冬期(12月,1~2月)和竹鞭抽芽期(3~5月)NPP大年均高于小年。而在主要生长期(6~9月),6~7月份小年NPP高于大年,8月大年NPP高于小年。大年疏林期(10~11月)NPP低于小年孵笋期(10~11月)。受LAI的影响,6月份大小年NPP相差最大。在日时间尺度上,越冬期和竹鞭抽芽期,大年NPP均高于小年,而在主要生长期,大年NPP低于小年。大年疏林期NPP低于小年孵笋期。毛竹林碳利用效率(carbon use efficiency,CUE)大年高于小年,2011~2014年毛竹林生态系统CUE年均值分别为0.55、0.52、0.53和0.52 month-1。越冬期和竹鞭抽芽期CUE大年均高于小年。而在主要生长期,CUE大年低于小年,6~7月份小年CUE高于大年,8月大年CUE高于小年。大年疏林期CUE低于小年孵笋期。(3)基于CASA模拟结果,分析自然保护区分区管理对天目山自然保护区NPP的影响。近31年来天目山自然保护区平均NPP总量为3.07×1010 g C year-1,单位面积平均NPP值为707.68 g C m-2 year-1。天目山自然保护区4种植被类型年均NPP值由大到小排列为:毛竹林(739.77)≈常绿阔叶林(738.97)>落叶阔叶林(694.34)>针叶林(673.23)。天目山自然保护区年均NPP表现出核心区较高,实验区较低的特征,单位面积平均NPP值由大到小排序为:核心区(719.83)>缓冲区(710.91)>实验区(705.6)。天目山自然保护区核心区由于受到严格保护,单位面积NPP相对较高,区内NPP相对较稳定,在p<0.1水平上无显著下降区域,而实验区由于裸地及建筑用地的增加,以及常绿阔叶林面积的降低,单位面积NPP相对较低,在p<0.1水平上区内NPP有0.23%的区域NPP显著下降,而在p<0.05水平上,核心区、缓冲区和实验区 NPP均无显著降低。因此,天目山自然保护区分区管理措施是有效的。(4)基于天目山自然保护区,建立了阔叶林、针叶林和毛竹林NPPpot估算模型,并利用CASA模型模拟的NPP结果对NPPpot模型的精度进行检验。结果表明,3种森林植被类型NPPpot估算模型适用于安吉区域森林植被NPPpot的估算(R2>0.86,p<0.01)。2014年安吉区域森林植被NPPpot表现出毛竹林最高,针叶林最低的特征,单位面积平均NPPpot值由大到小排序为:毛竹林(883.28)>阔叶林(859.09)>针叶林(700.07)。3种森林植被类型单位面积平均NPPact值由大到小排序为:毛竹林(821.88)>阔叶林(760.79)>针叶林(726.46)。(5)估算了 2014年安吉区域NPP人类占用(HANPPlucc)和人类活动扰动指数(HADI)。受到人类活动的影响,2014年安吉实际NPP 比潜在NPP减少了13.08%,NPP 减少量达1.21×1011g C year-1,单位面积平均减少了 64.26 g C m-2 year-1。阔叶林和针叶林面积的减少是导致安吉区域NPP减少的主要原因,使得区域实际NPP 比潜在NPP分别减少了 3.58%和2.40%,而毛竹林的扩张使得区域实际 NPP 比潜在 NPP 增加了 7.77%,即 3.32×1010g C year-1。
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