基于遥感反演的竹林物候时空变异及其对碳循环影响机制研究

来源 :浙江农林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wubo123321
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物候及其时空变异对森林生态系统碳循环的影响是国内外研究的热点。竹林是亚热带地区特殊的森林类型,近年研究表明,竹林固碳能力高,在维护全球碳平衡和应对气候变化等方面具有重要的作用,且竹林具有快速生长以及“大年”和“小年”等特殊的物候现象,大年长新竹和小年换新叶等不同物候阶段竹林生态系统碳收支对温度、降水等气候环境因子极为敏感。因此,监测竹林物候时空变异特征,阐明物候对环境的响应规律,揭示气候变化背景下物候对竹林生态系统碳循环的影响机制,将对深入研究竹林碳形成机理具有重要的理论意义,对竹资源经营管理具有重要的实践意义。本研究以浙江省竹林为对象,以2001-2018年MODIS LAI(Leaf area index)时间序列产品等为数据源,首先,构建基于LAI同化的竹林物候遥感反演模型系统,反演竹林生长季开始期(Start of the growing season,SOS)、生长季结束期(End of the growing season,EOS)和生长季长度(Length of the growing season,LOS)等物候指标;其次,结合气象等数据,分析物候对环境因子的响应;再次,物候耦合随机森林(Random forest,RF)模型,估算竹林地上生物量(Aboveground biomass,AGB),分析物候对AGB的影响;然后,物候驱动In TEC(Integrated terrestrial ecosystem carbon-budget)模型,并结合竹林分布、LAI和气象等数据,模拟竹林生态系统总初级生产力(Gross primary productivity,GPP)、净初级生产力(Net primary productivity,NPP)和净生态系统生产力(Net ecosystem productivity,NEP),并利用结构方程模型揭示气候变化背景下物候对碳循环时空变异的影响,并探讨了涉及物候的竹林生态系统生产力评价。通过研究主要得到以下5方面的结论:1、基于粒子滤波LAI数据同化技术构建了竹林物候遥感反演模型系统,实现了竹林物候时空分布精准反演。(1)竹林MODIS LAI时间序列同化产品精度高,R2达到0.91,均方根误差(Root mean square error,RMSE)仅为0.52。(2)同化LAI反演得到的竹林SOS和EOS精度最高,R2分别为0.56和0.54,RMSE最低,分别为6.34天和5.41天。(3)从竹林物候空间分布格局上看,SOS具有从西北到东南呈先提前到再延迟的趋势,而EOS和LOS具有从西北到东南呈延迟和延长的趋势;从时间上看,近20年浙江省70%左右的竹林SOS具有显著提前趋势,平均每年提前0.83天,60%左右的竹林EOS呈延迟趋势,平均每年延迟0.28天,70%左右的竹林LOS呈延长趋势,平均每年延长1.12天。2、降水是影响竹林物候时空变异的主导气候因子,且年降水每增加100mm,SOS提前0.18天,EOS延迟0.12天。其他气候等环境因子对竹林物候时空变异也具有显著的影响。3、物候耦合RF模型,较好的实现了浙江省竹林AGB时空估算。(1)AGB拟合精度和检验精度较高,R2分别为0.56和0.52,另外RMSE也较低,分别为7.25 Mg ha-1和7.62 Mg ha-1。(2)近20年浙江省竹林AGB平均以每年0.27 Mg ha-1的速度增加,且空间分异明显,具有北部大于南部,中部较低的空间格局。(3)竹林物候对AGB时空分布格局影响显著,SOS每提前1天,竹林AGB增加0.23 Mg ha-1,EOS和LOS每延迟和延长1天,分别增加0.46 Mg ha-1和0.17 Mg ha-1。4、改进冠层尺度光合作用模块,将竹林物候融入In TEC模型,实现了浙江省竹林生态系统碳循环精确模拟,阐明了气候变化背景下物候对竹林碳循环时空变异的影响。(1)融入物候后的In TEC模型模拟竹林碳循环精度较高,精度比原模型提高了1.24倍,RMSE降低了9.35%。(2)近20年浙江省竹林GPP和NPP平均值以每年2.0 g C m-2 yr-1的速率增加,而NEP增幅缓慢;从空间上看,GPP、NPP和NEP呈西北、西南和东北部相对较高的分布格局。(3)竹林物候对碳循环年际变化影响显著,年均SOS每提前1天,GPP和NPP分别增加2.50 g C m-2 yr-1和2.52 g C m-2yr-1;年均EOS每延迟1天,GPP和NPP分别增加7.31 g C m-2 yr-1和8.19 g C m-2 yr-1;LOS每延长1天,GPP和NPP分别增加2.07 g C m-2 yr-1和2.15 g C m-2 yr-1。(4)结构方程模型分析表明,竹林生态系统78%的GPP变化、83%的NPP变化和73%的NEP变化受物候和气候变化影响,但物候影响碳循环的直接通径系数绝对值(1.11)大于气候(0.52),说明竹林碳循环时空变异主要受物候影响。5、综合物候、碳循环、LAI、竹林分布、气象、土壤、地形等27个因子,建立了竹林生态系统生产力评价三层指标体系,基于偏最小二乘法通径模型,实现了竹林生产力水平时空评价。(1)通径分析表明,包括SOS、EOS和LOS在内的15个因子对竹林生态系统生产力有较大影响。(2)浙江省竹林生态系统生产力水平可分为5个等级,其中竹林生产力水平良好以上的,即I、II两个等级,占比面积较少,仅为16.53%,主要分布于浙江省西北部、西南部和中部部分区域;处于中等偏上或偏下水平的,即III和IV等级占比面积大,广泛分布在浙江省东南部、东北部和西部等区域。
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