中国森林生态系统碳周转时间的空间格局(3)

其他相关数据集反演的凋落物的周转时间应该与基于凋落物观测数据直接估算的值(凋落物现存量/年凋落物量)具有一致性.

结果表明当反演得到的最优参数应用于TECO- R过程模型时, 模型模拟的NPP、生物量、土壤有机碳与11个观测数据的结果接近(图3), 这表明基于数据-模型融合方法和中国生态系统的观测数据得到TECO-R模型, 能很好地模拟中国森林生态系统的碳循环过程. 此外, 反演结果表明, 尽管凋落物观测数据没有用于参数反演过程, 但基于TECO-R模型与其他11个观测数据集反演出的凋落物周转时间与基于观测数据直接估算的周转时间(凋落物现存量/年凋落物量)具有很好的一致性(图4). 这体现了数据-模型融合方法反演参数的优势, 即它不仅能反演与观测数据直接相关的参数, 而且在过程模型的支持下也能有效反演其他间接相关的参数.

图3 基于优化参数的TECO-R模型的模拟值(NPP、生物量、土壤有机碳)与观测值的比较

图中各点为每种植被类型的均值, 水平与垂直方向的误差棒分别为观测值和模拟值的标准误

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中国科学: 地球科学 2010年 第40卷 第5期

图4 基于TECO-R模型反演的凋落物周转时间(τF, τC)与基于站点观测数据估算值(凋落物现存量/年凋落物量)的对比

2.2 最大光能利用率

由于植被的最大光能利用率参数(ε*)直接影响着进入生态系统的碳量, 它不仅反映了森林生态系统生产力的大小, 而且影响着后续的碳循环过程, 因此, 最大光能利用率是一个非常重要的参数. 反演分析表明(表2, 图5): 常绿阔叶林的潜在最大光能利用率(ε*)最大, 达到1.20 g C MJ 1; 其次是落叶阔叶林与落叶针叶林(0.57 g C MJ 1); 而常绿针叶林与混交林的值最小, 分别为0.44和0.47 g C MJ 1. 与其他研究结果的比较表明: 本研究基于NPP、生物量、土壤有机碳等观测值反演得到的不同植被的最大光能利用率的相对大小与Running等[33]基于生理生态过程方法得到的值, 以及朱文泉等[34]基于单纯的NPP观测值统计得到的值具有很好的一致性(表2), 即不同植被类型的最大光能利用率的相对大小均表现为常绿阔叶林最大, 落叶阔叶林和落叶针叶林居中, 混交林和常绿针叶林最小.

但从最大光能利用率的数量上看, 除常绿阔叶林外, 本文反演得到的值与基于单纯的NPP观测值估算的ε*更为接近(表2). 对常绿阔叶林而言, 本文与朱文泉等[34]估算的ε*差异较大. 本研究反演的ε*的值为1.20, 明显大于朱文泉等[34]的0.985, 而与彭少麟等[35]估算的1.25 g C MJ 1和Running等[33]的1.259 g C MJ 1更为接近. 由于常绿阔叶林广泛分布在华南地区, 这一结果也支持了彭少麟等[35]的结论, 即如果使用CASA模型缺省值(ε*=0.389 g C MJ 1)[20,21], 将使基于CASA模型模拟的常绿阔叶林的NPP量明显偏低.

碳周转时间介于1.05~2.98年, 其中落叶阔叶林与落叶针叶林最小(分别为1.05和1.13年), 常绿针叶林最大(2.98年), 常绿阔叶林与混交林居中(分别为1.63和1.70年); 5种森林生态系统茎的平均碳周转时间介于32.14~56.64年, 其中常绿阔叶林与落叶阔叶林最小(32.14~34.57年), 而常绿针叶林与落叶针叶林最大(51.42~56.64年), 混交林居中(38.36年).

5种森林生态系统根的碳周转时间的反演表明(图5), 常绿阔叶林与落叶阔叶林根的周转时间最小, 其中上层土壤(0~20 cm)根的周转时间分别为25.60与33.81年, 中层土壤(20~50 cm)根的周转时间分别为32.84和33.99年, 底层土壤(50~100 cm)根周转时间为33.38和59.96年. 常绿针叶林与落叶针叶林的根周转时间最大, 其中上层分别为55.79和56.79年, 中层分别为56.08和56.65年, 底层分别为57.25和57.82年. 混交林根周转时间居中, 从上到下各层根周转时间分别为37.64, 43.67及72.75年.

不同森林类型的温度与湿度校正后的凋落物周转时间和土壤有机碳周转时间如图5所示. 其中, 反

*

演得到的细凋落物的周转时间(τF)介于0.27~1.42年

(图5), 常绿阔叶林与常绿针叶林的值最小(分别为0.27和0.29); 落叶针叶林的值最大(1.42年); 而落叶阔叶林与混交林的值居中(分别为0.91和0.90年). 反演得到的粗凋落物的温度与湿度校正后的周转时间

*

)同样表现为常绿阔叶林与常绿针叶林最小(分别(τC

2.3 植物、凋落物、土壤碳周转时间

反演结果表明(图5), 5种森林生态系统叶的平均

为0.65与0.68年); 落叶针叶林最大(2.94年); 而落叶阔叶林和混交林居中(分别为1.89与1.53年). 温度与湿度校正后的不同土壤深度的土壤有机碳的周转时

***, τS, τS)显著高于凋落物周转时间(图5), 它间(τS123

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周涛等: 中国森林生态系统碳周转时间的空间格局

表2 不同研究的最大光能利用率(g C MJ 1)比较

常绿阔叶林(EBF) 落叶阔叶林(DBF) 常绿针叶林(ENF) 落叶针叶林(DNF) 混交林(MF)

本研究a) 朱文泉等[34]b) 彭少麟等[35] Running等[33]c) 1.20 0.985 1.25 1.259 0.57 0.692 1.044 0.44 0.389 1.008 0.57 0.485 1.103 0.47 0.475

a) 综合了NPP、生物量、土壤有机碳等多种相关的观测数据, 并在碳循环过程模型(TECO-R)的支持下从碳循环系统的一致性角度综合考虑, 从而部分消除了遥感数据与观测数据在空间尺度上的不一致性; b) 基于单纯的NPP观测数据的统计方法, 考虑了植被分类精度的可能影响; c) 基于生理生态过程模型

(BIOME-BGC)

图5 基于TECO-R模型和遗传算法反演得到的5种森林生态系统22个最优参数值及标准差

图中各符号的含义及单位参见表1

们上层、中层与底层的值分别为7.21~16.94, 13.13~ 81.21, 26.99~95.86年. 对于上层土壤而言, 落叶阔叶林与落叶针叶林的值最小(分别为7.38和7.21年), 常绿针叶林最大(16.94年). 对于中层土壤而言, 落叶针叶林的值最小(13.13年), 常绿阔叶林、落叶阔叶林及混交林居中(分别为22.02, 22.47及20.45年), 而常绿针叶林最大(81.21年). 对于底层土壤而言, 常绿阔叶林最小(26.99年), 落叶阔叶林与混交林次之(分别为35.62和43.15年), 而常绿针叶林最大(93.15年). 由于影响凋落物和土壤有机碳分解的温度和土壤湿度在空间分布上存在显著的差异性, 因此, 它们

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*

)存在实际的周转时间(τk)与温度湿度校正后的值(τk

明显的差异. 如果同时考虑温度和湿度对有机质分

解的影响(式(12)~(14)), 五种森林类型的细凋落物的实际的碳周转时间介于0.71~8.80年之间(图4). 其中落叶针叶林与落叶阔叶林的值最大(分别为8.80与4.38年), 常绿阔叶林与常绿针叶林最小(分别为0.71与1.65年), 混交林居中(2.50年). 5种森林类型的粗凋落物实际的平均碳周转时间介于2.07~22.76年之间. 尽管同一种植被类型下的粗凋落物周转时间显著大于细凋落物周转时间, 但不同森林类型之间粗、细凋落物周转时间的相对大小具有一致性, 即落叶针叶

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图6 生态系统碳周转时间的空间分布

林>落叶阔叶林>混交林>常绿针叶林>常绿阔叶林. 时间总的平均值为57.8年(变化范围为24.2~425.5年).

2.4 森林生态系统碳周转时间的空间分布 反演的结果表明, 中国森林生态系统(植被+凋落物+土壤)的平均碳周转时间存在很大的空间异质性, 其值大多在24~100年之间变化, 而绝大多数值介于24~70年之间( …… 此处隐藏：3792字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……