祁连山区青海云杉林生长过程及其固碳能力研究

发布时间：2017-05-22 13:01

  本文关键词：祁连山区青海云杉林生长过程及其固碳能力研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：森林有着固碳释氧的作用,在应对全球变暧时,它可作为一个碳汇在降低大气CO2浓度中发挥着积极的作用。值得注意的是,温带森林虽然仅占陆地面积的8%,但它承担着陆地上大约40%的碳吸收。然而,我国西北祁连山区的温带森林经历过长期的砍伐,这对祁连山区的森林固碳作用影响很大。如果将砍伐的森林进行合理恢复并将退化的森林进行合理的保护,森林将会固定更多的碳,这对降低大气中CO2浓度、减缓全球变暖有重要的现实意义。本文以祁连山的建群种青海云杉为研究对象,研究了其生长过程与生境适宜度模型,得到了青海云杉林的优先恢复与保护区,并对青海云杉林的固碳能力进行了全面而科学的评价。也希望森林生长过程的研究能为祁连山区森林生态水文的研究提供一些参考,并且期望本研究能为其他森林砍伐区的森林恢复与保护以及森林固碳能力研究方面提供一些方法上的参考。本文的研究内容大致分两部分,一是利用基于模型模拟的手段和基于数理统计的方法分别对青海云杉林的生长过程(材积生长和生物量变化)进行了研究,在其中为了驱动模型模拟,作者改进了一个山区气候模拟器为其提供日气象数据输入；二是首先构建了青海云杉林的生境适宜度模型并估算了其生境适宜度和潜在分布区,然后在第一部分研究结果的基础上,作者估算了研究区内青海云杉林的潜在固碳量并评价了不同生境适宜度下青海云杉林的固碳能力。基于以上研究内容,本文得到如下结论：1.改进山区气候模拟器(MTCLIM)方面(1)许多要素影响着日温度(最高温与最低温)和日降水的预测,而在山区内,地形属性和风向是最主要的因子；在MTCLIM中,引入地形属性和风向可以大大提高其对日最低温与最高温、日降水以及日相对湿度的预测精度。(2)原始的MTCLIM不适合拥有较少且分散参考气象站的山区,并且它不能进行气象要素的空间预测,而改进后的MTCLIM在一定程度上可以解决这些问题。(3)改进后的MTCLIM可以在日尺度上提供气象要素的空间分布数据；利用24个自动气象站的短期观测资料验证这些气象数据之后,其RMSE和MAE低于其他研究的值,因此,本研究获取的日最低温与最高温和日降水的空间分布数据可以为研究区内的分布式水文模型或生态模型提供日气象数据输入。2.青海云杉林生长过程研究方面(1)青海云杉的材积生长过程(碳量累积过程)是可以用BIOME-BGC的机理来解释的,但在模拟时,需要大量生态生理参数来驱动模型,此外,气象数据的精确性会影响模拟精度；但是本文的研究没有考虑树木的自然稀疏过程,仅仅是在林分树木密度不变的情况下研究青海云杉林的生长过程。(2)在利用BIOME-BGC("normal simulation"运行)估算青海云杉林的材积量时,冠幅投影面积(CPA)的引入不仅能使BIOME-BGC在单株尺度上对树木材积进行估算,而且能校准样地材积量在样地年龄较小时期的过高估算以及在样地年龄较大时期的过低估算。尽管,这种校准可能只对未发生稀疏现象的幼龄林和中龄林有用,而对于树冠面积与样地面积处于动态相等的成熟林与过熟林作用不大,但是CPA的引入对于我们模拟林分生长早期有很重要的作用。因而,我们建议在BIOME-BGC中引入CPA,以此提高BIOME-BGC模拟碳量的精度。(3)在样地尺度上,青海云杉林的生物量是关于样地总材积和样地树木密度的一个函数,这个函数能很好地实现生物量由单株向样地尺度的转换。青海云杉林的生物量随着森林年龄的增加呈现出先增大后减小的趋势,青海云杉林的生物量处于一个时刻变动的过程当中；并且当青海云杉样地年龄约为183年时,其单位面积的生物量达到最大。此外,青海云杉林分生物量在空间上的分布会呈现出一定的地带性,这是由不同地区不同的水热条件引起的,在超体积生态位的空间里,不同环境变量的组合导致了青海云杉林不同的生长状况,也影响了其累积的生物量。3.青海云杉林生境适宜度研究方面(1)研究区内青海云杉林的生境适宜度和潜在分布区可以用多年平均7月气温、多年平均降水量以及年太阳辐射模拟得到；多年平均7月气温、多年平均降水量以及年太阳辐射分为11.5 ℃、380 mm和2×103 kWh/m2时,研究区内青海云杉林的生境最好,最适宜青海云杉林的生长。(2)通过青海云杉林实际分布区与较高生境适宜区(适宜度值为0.627-1)的比较,青海云杉林在研究区内有很高的恢复潜力；研究区内优先保护区和优先恢复区的面积分别为56.65 km2和43 km2,这些区域内的青海云杉林将会固定更多的碳。(3)在全球变暖的背景下,全球范围内受破坏森林的保护与恢复对于碳固定至关重要。本研究的方法可能会对其他地区的森林决策者在实施森林保护和恢复计划时提供必要的帮助,这些计划的实施可以减少大气中的CO2浓度,有助于减缓甚至遏制全球变暖。4.青海云杉林固碳能力研究方面(1)在生物量方程中将年龄设定为183年时,恢复区内青海云杉林的碳量为179-182 t/hm2,碳量变化不大,这可能是恢复区内较小的水热差异造成的；此外,恢复区内的平均碳量可达为180t/hm2,说明青海云杉林有很强的固碳能力,恢复区内青海云杉林的潜在碳量总量为7.3×106t。(2)青海云杉林在不同的生境适宜度下其固碳能力不等,在较高的生境适宜度下能固定更多的碳量。(3)通过计算不同生境适宜度下青海云杉林的水分利用率,发现高的生境适宜度下青海云杉林可以利用相对较少的水量合成更多的碳量。(4)青海云杉林有巨大的潜在碳量存在,合理的森林恢复方式和保护方式能让青海云杉林固定更多的碳,在实际的工作中,可以先从青海云杉林的优先保护区和优先恢复区入手。
【关键词】：青海云杉 MTCLIM 材积 生物量 BIOME-BGC 生境适宜度 固碳能力
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S791.18
【目录】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 研究背景13-17
• 1.1.1 森林在减缓全球变暖中的作用13-15
• 1.1.2 森林在干旱区内陆河流域中的角色15-17
• 1.2 问题提出17-18
• 1.3 研究目的与意义18-19
• 1.4 研究进展19-23
• 1.4.1 森林保护与恢复研究19-20
• 1.4.2 森林生长研究20-22
• 1.4.3 山区气候研究22-23
• 1.5 研究内容及技术路线23-26
• 第二章 研究区概况26-31
• 2.1 祁连山区基本概况26-29
• 2.1.1 地理位置26-27
• 2.1.2 气候条件27
• 2.1.3 地貌条件27
• 2.1.4 土壤条件27-28
• 2.1.5 水文条件28-29
• 2.1.6 植被分布29
• 2.2 研究区相对位置29-31
• 第三章 祁连山区气象数据的时空估算31-47
• 3.1 数据收集31-33
• 3.2 MTCLIM的改进33-37
• 3.2.1 日最低温与最高温33-34
• 3.2.2 日降水34-36
• 3.2.3 日相对湿度36-37
• 3.3 模拟策略以及评价指标37-38
• 3.4 MTCLIM改进前后性能的比较与分析38-43
• 3.4.1 日最低温与最高温38-40
• 3.4.2 日降水40-41
• 3.4.3 日相对湿度与总辐射41-43
• 3.5 祁连山区日最低温、最高温和降水的空间化及其验证43-46
• 3.6 小结46-47
• 第四章 青海云杉林林分生长过程的模拟47-64
• 4.1 研究树木生长的思路47-48
• 4.2 BIOME-BGC简介48-50
• 4.3 实验设计和数据收集50-52
• 4.4 BIOME-BGC运行参数的确定52-55
• 4.5 青海云杉林材积量的估算55
• 4.6 结果与分析55-60
• 4.6.1 青海云杉冠幅投影面积55-57
• 4.6.2 单株尺度上青海云杉材积57-58
• 4.6.3 样地尺度上青海云杉材积58-60
• 4.7 讨论60-62
• 4.7.1 青海云杉林材积的模拟60-61
• 4.7.2 青海云杉材积和冠幅投影面积在时间序列上的获取61
• 4.7.3 影响BIOME-BGC模拟精度的要素61-62
• 4.7.4 BIOME-BGC的应用62
• 4.8 小结62-64
• 第五章 青海云杉林生物量模型的构建64-69
• 5.1 实验设计和数据收集64-65
• 5.2 林分生物量模型65
• 5.3 青海云杉林生物量与年龄和立地环境的关系65-66
• 5.4 结果与分析66-67
• 5.5 讨论67-68
• 5.6 小结68-69
• 第六章 青海云杉林生境适宜度模型的构建69-84
• 6.1 物种生境适宜度模型69-70
• 6.2 数据准备70-73
• 6.2.1 数据收集和处理70-72
• 6.2.2 环境变量的选择以及空间化72-73
• 6.3 青海云杉林生境适宜度模型的构建73-74
• 6.4 青海云杉林的生境特征和适宜度的空间分布74-77
• 6.5 模型性能评价77-80
• 6.6 研究区内青海云杉林的优先保护区和恢复区80-81
• 6.7 讨论81-83
• 6.7.1 青海云杉林的生境适宜度81-82
• 6.7.2 青海云杉林的恢复与保护82
• 6.7.3 生境适宜度模型在其他森林砍伐区的应用82-83
• 6.8 小结83-84
• 第七章 青海云杉林固碳能力分析84-91
• 7.1 研究区内青海云杉林的潜在碳量84-86
• 7.2 青海云杉林固碳能力分析86-90
• 7.2.1 不同生境适宜度下青海云杉林的固碳量86-88
• 7.2.2 不同生境适宜度下青海云杉林的水分利用率88-90
• 7.3 小结90-91
• 第八章 结论与展望91-95
• 8.1 结论91-93
• 8.2 展望93-95
• 参考文献95-103
• 附录1103-104
• 在学期间科研工作情况104-108
• 致谢108

【参考文献】

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本文编号：385748