基于随机森林的森林生态系统物候模拟研究

森林生态系统是陆地生态系统面积最大、最为重要的自然生态系统,研究其物候趋势的变化规律,并构建物候的模拟模型,对深入了解生态系统碳循环过程以及预测森林生态系统对气候变化的响应具有重要意义。过去几十年间,研究者已经开发了大量的物候模型,如生态生理模型和统计模型等。虽然这些物候模型在训练数据集上模拟效果良好,但利用测试集对模型进行验证时,其预测效果并不理想,导致这些物候模型难以推广。目前机器学习算法在农作物产量、物种分类等领域已经得到广泛应用,且与传统方法相比表现出明显优势。然而,机器学习在植被物候模型的应用仍处于起步阶段,未来有较大的发展潜力。本研究基于全球通量网络43个森林站点的长期碳通量观测数据,提取森林生态系统的生长季开始日期,分析其物候的长期变化趋势,同时结合辅助的气象因子观测数据,使用随机森林算法构建物候模型,并利用特征重要性分析方法探讨物候指标的主导影响因子。研究得出主要结论:从整体森林类型来看,生长季开始日期呈提前趋势,提前速率为0.36d·a^(-1),从具体森林类型来看,混交林的生长季开始日期提前趋势最为显著,提前速率为0.97d·a^(-1);并使用决定系数(R^(2))对模型的精确度进行评价,R 2平均结果为0.77。同时通过特征重要性算法分析气象因子对物候变化的影响,结果显示,生长季开始日期主要受到温度(42.98%)的影响,结果表明,随机森林算法在物候模拟上有着更为良好的拟合效果。

气候因子对塔河樟子松径向生长的边际效应

为了探究气候因子对塔河地区樟子松径向生长的影响,利用增强回归树模型及樟子松标准化年表,探究大兴安岭塔河地区各气候因子对樟子松径向生长的贡献率及边际效应。结果表明,与该地区樟子松径向生长正相关的气候因子为上年8月日照时数、当年8月最高气温、上年11月平均最高气温、上年7月平均气温及当年4月平均水汽压,贡献率分别为30.178%、12.213%、8.884%、6.313%和3.278%,负相关的气候因子为上年9-10月平均水汽压、当年10月日照时数,贡献率为20.629%、18.505%。所有气候因子均在一定范围内才与轮宽指数呈线性相关。

基于气象数据及体感温度的内蒙古赤峰油松人工林小气候分析

为揭示油松人工林小气候效应,以赤峰森林生态站南山生态园油松人工林为研究对象,采用定位观测获取2019-2021年林内温度、露点、相对湿度、风速及风速总量5个气象因子,通过对比风寒指数、热指数、体感温度3项指标及相关性分析,探究该研究区油松人工林小气候变化特征。结果表明:2019-2021年油松人工林内夏季温度降低,秋季温度回暖,2021年夏季温度均较2019、2020年有所下降,相较于2019年整体下降了2.14℃,秋季温度均较2019、2020年有所升高,相较于2019年升高了4.99℃;林内相对湿度增加,富含大量水汽,空气湿润,露点均较2019、2020年有所升高,夏季相较于2019年升高了0.15℃,秋季升高了8.69℃,相对湿度变化与露点一致,夏季整体升高10%,秋季整体升高17.48%;林内风速减小,风速及总量均较2019、2020年有所下降,夏季风速相较于2019年整体降低了0.02 m/s,风速总量减少了0.11 m/s,秋季风速降低了0.06 m/s,风速总量减少了0.23 m/s。

太行山区NDVI时空变化及其与气候因子的关系

为明确太行山区长时间尺度植被覆盖度变化规律及其对气候因子的响应机制,采用1998-2018年的SPOT VEGETATION/NDVI卫星遥感数据,通过趋势线分析法、相关系数法与时滞相关分析法等,从时间和空间2个尺度分析太行山区植被生长状况、覆盖变化及其对气温和降水的响应程度。结果表明:1)太行山区总体植被覆盖率较高,77.5%区域面积的NDVI值在0.6~0.8范围内;2)21 a间太行山区NDVI值随时间呈现波浪式显著增加趋势,平均增长速率为0.03/10 a(线性增长率为0.067/10 a),通过0.01的显著性检验;太行山区植被覆盖在空间分布上呈现西北低、东南高,中部区域高低值交叉分布的特点;3)太行山区NDVI与气温在空间上呈现负相关为主,呈负相关面积约占太行山区总面积的54.37%,主要分布在太行山区的中部区域、南部边缘区域以及东北沿线区域;NDVI与降水呈现正相关为主,呈正相关的面积约占太行山区总面积的81.89%,整体上可以概括为从太行山区的西北区域到东南区域相关系数(R)逐渐变小。4)时间尺度上,NDVI与气温和降水均没有明显的相关性,但NDVI与降水的相关系数(R=0.286)大于与气温的相关系数(R=0.026);5)在滞后性分析中,太行山区NDVI与气温和降水在月时间尺度上有明显的时间滞后性关系,其中NDVI与气温的滞后性是1个月,与降水的滞后性是2个月。

气候变化对大兴安岭地区不同海拔落叶松径向生长的影响

为研究气候因子对不同海拔地区兴安落叶松(Larix gmelinii)径向生长的影响,根据大兴安岭地区平均海拔高度(573 m)和天然林线分布状况,依据树木年代学原理选取高海拔(850 m)、中海拔(485 m)、低海拔(290 m)3个海拔地区的树芯,建立落叶松树轮宽度标准化年表,使用Mann-Kendall检验和小波分析方法将树轮宽度指数(RWI)与气候因子进行相关分析、冗余分析、多元逐步回归分析。结果表明:兴安落叶松径向生长在3个海拔地区显示出不同的周期性变化,气候对不同海拔梯度落叶松径向生长的影响存在显著差异。其中,低海拔梯度落叶松径向生长与当年10月份月最高气温呈显著负相关,与上一年9月份降水量及标准化降水蒸散指数、当年10月份标准化降水蒸散指数呈显著正相关;中海拔梯度落叶松径向生长与上一年9月份月平均气温及月最高气温、当年6、7、9月份月最高气温呈显著负相关,与上一年8月份及9月份标准化降水蒸散指数、当年6月份降水量及标准化降水蒸散指数呈显著正相关;高海拔梯度落叶松径向生长与上一年8月份及当年5月份月平均气温、月最高气温呈显著正相关,与上一年6、8月份及当年5、6、8月份月最低气温呈显著正相关。温度和降水共同影响大兴安岭地区的树木生长,低温是高海拔地区落叶松径向生长的主要限制因子,降水是中、低海拔地区落叶松径向生长的主要限制因子。

杉木人工幼林小气候特征研究

于2021年1—12月对湖南省芦头林场的杉木人工幼林进行群落调查及小气候定位观测。结果表明:群落结构方面,调查样地共有植物9科9属11种,物种多样性草本层>灌木层>乔木层。小气候特征方面,林内全年净辐射为1 575.5 MJ·m-2,占太阳总辐射的66.70%;年均空气温度为16.4℃,7月平均温度最高(25.9℃),1月平均温度最低(5.8℃);土壤各层(0、5、10、20、40、60 cm)年平均温度分别为17.8、17.6、17.6、17.5、17.5、17.4℃;随着土壤深度的增加,土壤温度日、年较差均逐渐减小;不同深度的土壤湿度变化不大;全年降水量为1 936.4 mm,降水主要集中在3—8月,占全年总降水量的85.2%;年均风速0.8 m·s-1,10月份平均风速最大,8月份平均风速最小,全年以南风为主。研究结果有助于了解杉木人工幼林小气候变化特征,可为杉木人工林生产力的提高、生态效益和经济效益的增加提供科学依据。

小兴安岭森林植被物候对气候变化的响应

【目的】采用遥感提取植被物候的方法,以小兴安岭为研究区,构建森林植被物候时空变化,分析森林植被物候变化对气候变化的响应。【方法】基于GIMMS NDVI 3g影像,运用一元六次多项式拟合植被生长曲线,并结合逐像元动态阈值法提取小兴安岭1982-2015年森林植被生长开始期(SOS)、生长结束期(EOS)和生长季长度(LOS)共3种物候参数;利用ArcGIS软件,将气温、降水以及日照时数数据与植被物候参数逐像元分析,得到物候参数与气象因子偏相关系数的空间分布特征。【结果】(1)植被物候多年平均值空间分布特征呈现由西北向东南方向,植被SOS逐渐提前,植被EOS逐渐推迟,植被LOS逐渐延长的规律。(2)小兴安岭森林植被SOS集中在日序第112.1~128.3天,年际变化在1998年前后出现转折,1998年前呈显著提前趋势(R^(2)=0.284,P=0.028),1998年后呈不显著推迟趋势(R^(2)=0.002,P=0.86),导致整个时间段(1982-2015年)变化不显著,变化幅度为每10年提前0.12 d(R^(2)=0.001,P=0.872);森林植被EOS集中在第277.3~294.8天,年际变化呈现显著推迟趋势,变化幅度为每10年推迟2.33 d(R^(2)=0.294,P<0.01);森林植被LOS集中在149.5~167.5 d,年际变化呈现显著延长趋势,变化幅度为每10年延长2.45 d(R^(2)=0.231,P<0.01)。(3)小兴安岭森林植被SOS对当年4月温度的响应最明显,其次是当年2月温度;植被EOS对当年8月降水响应最明显,其次是当年6月温度。【结论】(1)小兴安岭森林植被物候多年平均值与水热条件多年平均值呈现出比较一致的空间规律特征。(2)研究期植被EOS的变化主要受8月降水的变化驱动,8月降水的下降是导致植被EOS显著推迟的主要原因。(3)20世纪末出现的全球变暖停滞引起2月温度在1998年前后呈现由显著上升转变为不显著下降,引起植被SOS变化趋势在1998年前后发生突变,导致整个时间段植被SOS变化不显著。

湖北大巴山针阔混交林森林小气候特征

以大巴山东脉的针阔混交林为对象,通过对气候因子的测定与分析揭示北亚热带典型针阔混交林森林小气候特征。依托湖北大巴山森林生态系统定位观测站对林内和林外空气温湿度、风速、降水量、太阳总辐射、光合有效辐射、土壤温度等气候因子监测数据,分析鄂西北大巴山针阔混交林小气候特征。结果表明:林外空气温度和土壤温度一般高于林内,冬季除外;观测期林内降水总量839.8 mm,林外1065.8 mm;林内按月度计算的平均风速为0.24 m·s^(-1),林外为1.02 m·s^(-1),林外月平均风速远大于林内;对于太阳总辐射以及光合有效辐射而言,林内和林外均表现为夏季高于冬季,林内明显低于林外。试验证明湖北大巴山针阔混交林具有其森林小气候特征。

中国温带旱柳物候期对气候变化的时空响应

为了揭示中国温带植物物候随时间变化和植物物候对气候变化响应的空间格局及其生态机制,利用52个站点1986—2005年的旱柳展叶始期、开花始期、果实成熟期、叶变色始期和落叶末期的物候数据,分析其时间序列的线性趋势,并通过建立基于最佳期间日均温的物候时间模型,确定物候发生日期对气温年际变化的响应。在研究的时段内,区域平均旱柳展叶始期、开花始期和果实成熟期的发生日期分别以-4.2 d/10 a、-3.8 d/10 a和-3.3 d/10 a的平均速率显著提前,而区域平均旱柳叶变色始期和落叶末期的发生日期则分别呈不显著推迟和以2.4 d/10 a的平均速率显著推迟的趋势。单站展叶始期、开花始期和果实成熟期发生日期的线性趋势以提前为主,显著提前的站点分别占40%、41%和29%;叶变色始期发生日期呈显著提前和显著推迟趋势的站点数相当,分别占17%和19%;落叶末期发生日期的线性趋势以推迟为主,显著推迟的站点占23%。各站展叶始期、开花始期和果实成熟期发生日期的线性趋势空间序列与相应的最佳期间日均温的线性趋势空间序列之间呈显著负相关,表明一个站点前期气温升高的速率越快,该站这些物候期发生日期提前的速率就越快。在物候期对气温年际变化的响应方面,区域平均春季最佳期间日均温每升高1℃,展叶始期、开花始期和果实成熟期的发生日期分别提前3.08 d、2.83 d和3.54 d;区域平均秋季最佳期间日均温每升高1℃,叶变色始期和落叶末期的发生日期分别推迟1.69 d和2.28 d。单站展叶始期和落叶末期发生日期对气温年际变化的响应表现出在温暖地区的站点比在寒冷地区的站点更为敏感的特点。总体上看,基于日均温的物候时间模型对春、夏季物候期的模拟精度明显高于对秋季物候期的模拟精度。建立了基于最佳期间日均温和日累积降水量的改进秋季物候模型,该模型使旱柳叶变色始期和落叶末期的模拟精度显著提高。由此可见,旱柳叶变色始期和落叶末期的发生日期受到前期气温和降水量的综合影响。

南亚热带鹤山三种人工林小气候效应对比

先锋生态系统的小气候效应是评价它们在植被生态恢复过程中恢复效能的主要指标之一。对 1 4龄的马占相思 ( Acacia mangium)、荷木 ( Schima superba)、湿地松 ( Pinus elliotii)人工林小气候效应的对比研究表明 ,荷木林的降温保湿效应最好。气温 (最高温、最低温和平均温 )和土壤温度 (地表最高温、最低温和平均温度 )均为 3种林分中最低。荷木林林内气温一般比马占相思林和湿地松林低 0 .1～ 0 .5℃ ,地表和土壤温度一般低 0 .3～ 2 .5℃ ,相对湿度高 1 .2 %。对荷木林和湿地松林温、湿度垂直方向上 4个层次 (距地0 .5 m,2 .0 m,4.0 /5 .0 m,9.0 m)上的观测结果表明 ,湿季林内温度随高度增加而增加 ;在最冷月 ( 1月份 )时 ,林内温度随高度增加而减小。无论是干季还是湿季 ,林内湿度都随林分高度的增加而减小。结合林分结构调查、森林土壤养分含量等资料 ,初步认为 ,南亚热带地带性森林植被人工恢复实践中 ,荷木等本地树种更为适宜。

全球变化研究中的中国东北森林—─草原陆地样带(NECT)

陆地生态样带已成为全球变化研究的重要方法和手段。国际地圈－生物圈计划（ＩＧＢＰ）的陆地样带——中国东北森林—草原陆地样带（ＮＥＣＴ）的提出为中国全球变化研究奠定了基础。该样带在东经１１２°～１３０°３０′间沿北纬４３°３０′设置，长约１６００ｋｍ，是一条中纬度温带以降水为驱动因素的梯度，具有良好的植被、土壤、土地利用、气候等环境因素的过渡特征。文章介绍了中国东北森林—草原样带的确定、生态特征及在数据库建设、植被结构和生产力模拟以及遥感研究中取得的初步成果。

森林冠层空气动力学参数的确定

使用长白山阔叶红松林的风、温、湿梯度资料和超声风温仪测量的湍流资料，计算了长白山森林空气动力学粗糙度Ｚ０，零平面位移ｄ、冠层上动量曳力系数ＣＤ及水热曳力系数ＣＨ，并对ｄ和Ｚ０的计算方法做了误差分析。树高２６ｍ的长白山原始森林空气动力学粗糙度Ｚ０＝１．６ｍ，零平面位移ｄ＝１９．５ｍ。基于质量守恒原理来计算高植被下垫面的动力学粗糙度、零平面位移是目前较为精确和实用的方法。要想得到较精确的ｄ和Ｚ０，必须提高湍流通量ｕ′ｗ′和风廓线的测量精度，并确定合适的测量高度使得ｕ′ｗ′的测量和一点风速的测量在惯性副层内。在不稳定条件下，森林上空动量曳力系数ＣＤ，水热曳力系数ＣＨ与稳定度有较好的关系，近中性的平均代表值约为ＣＤ＝６．６×１０－３，ＣＨ＝６．４×１０－３。引入零平面位移ｄ后。

沈阳城市森林小气候特征的研究

研究了沈阳城市森林不同生长期小气候温湿日变化特征.结果表明,城市森林不同生长期气温日变化趋势是早晨气温最低、午后气温最高,但受森林生态环境的影响,最高峰比太阳辐射峰值迟滞约2 h.一年四季气温日变幅为森林停止生长期(休眠期)>生长季前期>生长季后期>生长季中期.森林生长季前期、中期、后期土壤温度为白天高于夜间,而停止生长期(休眠期)为夜间高于白天.不同生长期土温日振幅为上层(20 cm)>中层(40 cm)>下层(80 cm),而同一层不同生长期的土温日振幅为土层深20 cm时,生长季前期>生长季后期>停止生长期(休眠期)>生长季中期;土层深>40 cm(80 cm)时,生长季前期>停止生长期(休眠期)>生长季后期>生长季中期.城市森林空气相对湿度日变化与气温和地温日变化则夜间的空气相对湿度高于白天,但不同生长期相对湿度值日变化为生长季中期>生长季后期>停止生长期(休眠期)>生长季前期.

树轮灰度与树轮密度的对比分析及其对气候要素的响应

通过对比新疆巩乃斯地区艾肯达坂采样点雪岭云杉5种树轮灰度年表与其对应4种密度年表的特征参数、年表曲线及其在全频域、高频域及低频域上的相关系数,发现早材平均灰度和晚材平均灰度的变化能够较好的反映早材平均密度和晚材平均密度的变化,而年轮最大灰度和年轮最小灰度的变化对年轮最小密度和年轮最大密度的变化则反映较差。与这一地区气象资料的相关分析结果表明,当年5月至8月平均最高气温与年轮平均灰度年表的相关性最好且具有明确的树木生理学意义,最高单相关系数为-0.542(P<0.0001,n=51)。证明了树轮灰度在历史时期气候变化研究中的应用潜力,同时也为将来在这一地区开展利用树轮灰度重建历史时期气候变化打下了基础。

基于GIS的浙江山核桃栽植综合区划

山核桃Carya cathayensis是浙江特有的经济林种之一,浙江的土壤、气候等环境条件比较适宜山核桃的生长,但由于区域布局的不合理制约了浙江山核桃的发展。根据山核桃产量与气象条件的关系和山核桃的生物学特性,提出了山核桃栽培的气候区划指标为年平均气温、年降水量、年日照时数和花期晴天数。综合考虑4个气候因子以及坡度、坡向、海拔高度、土壤类型和土壤质地等环境要素,应用层次分析法确定9个影响因子权重,基于应用统计学方法和地理信息系统,建立山核桃栽培区划的综合评估模型。结合浙江省土壤地理条件和土地利用现状,屏蔽不适宜山核桃种植的地块,将浙江省山核桃栽培综合区划划分为最适宜区、适宜区和不适宜区等3个等级。结果表明:浙江省山核桃最适宜栽培面积约占评价区域的26.31%,适宜区栽培面积约占33.39%,不适宜区栽培面积约占40.30%。

岷江上游退化植被不同恢复阶段群落小气候特征研究

按生态恢复的时间序列调查了6个不同类型的群落,测定了群落内光照强度、大气相对湿度、大气温度、土壤温度和土壤水分等参数。结果表明,随植被恢复时间的增加,群落内光照强度、地表温度和气温及其变动幅度逐渐减小;自然恢复群落和人工恢复群落相比较,前者有较高的群落气温和较低的大气相对湿度;随着恢复时间的增加,撂荒地各层的土壤含水量有所提高,人工恢复群落土壤上层(0～15cm )和中层(15～30cm )含水量随林龄增加而降低,而下层(30～4 5cm)则增加,自然恢复群落的土壤含水量高于其它群落。随之植被恢复的时间加长,群落内小气候向着稳定的方向发展。

长白山阔叶红松林近22年的气候动态

长白山阔叶红松林作为典型的温带森林生态系统,其长期的气候动态状况对研究全球变化具有重要的意义.本文采用中国科学院长白山森林生态系统定位站气象观测场1982～2003年的地面常规气象观测资料,对长白山阔叶红松林的光能因子(包括年日照时数、年日照百分率)、热量因子(包括年平均气温、1月、7月月平均气温、年极端最高、最低气温、年积温)、水分因子(包括年总降水量、年最大雪深、相对湿度、年总蒸发量)、以及年平均风速与风向等气候因子进行了分析,从而得出这些因子22年的平均值及其动态变化趋势,进而为相关领域的研究提供基础资料.

元谋干热河谷降雨、温度、蒸发量的监测分析

以元谋的苜林大黑山项目点为观测点,对其2002年7月至2004年4月的降雨量、气温极值与地表温度极值、蒸发量进行了观测分析,得出了这些指标在观测时段内的分异状况及其变化规律,以此表明了元谋干热河谷区的干、热气候特点。

青冈常绿阔叶林内的小气候特征

分析我国中亚热带东部青冈（Ｑｕｅｒｃｕｓｇｌａｕｃａ）常绿阔叶林内的小气候特征，１９９３～１９９５年的研究结果表明：①到达青冈林的总太阳辐射为３３４４７８０ｋＪ／（ｍ２·ａ），四季中群落的反射率、透射率和吸收率分别为１６％～２２％、９％～１２％和６７％～７４％。②林冠外上方及群落上层气温在白天高于群落下层，夜间低于群落下层，可相差３～５℃，夏季差异最大。③林内外空气相对湿度的日动态呈“Ｕ”型变化，林内夜间湿度高达９０％左右，午间较低，在５０％左右。在四季的晴天中，林冠上方的空气相对湿度均低于林内，相差５％～２２％，夏季和冬季差异最大。④林中的ＣＯ２浓度在林冠层最低，近地面层最高，各季节始终低于林外，其中夏、秋两季最明显。⑤在春、夏、秋３季中，土壤温度为白天高于夜间，而冬季则为夜间高于白天；土壤湿度以冬、春季较高（３１．９％和２８．５％），夏季最低（１４．２％）。由于青冈次生林的叶面积指数较小，群落结构较简单，因而整个群落的透光系数较大，群落内外空气温湿度的差异也较小。

黄河三角洲白蜡人工林小气候特征的时空动态变化

在山东省盐碱地造林试验站的12年生白蜡人工林内(山东黄河三角洲森林生态系统定位研究站的定位观测样地),设有25 m综合梯度观测塔(包含森林小气候观测系统),在高度1.5、3.5、11.0、13.0 m处分别设置4层气象传感器(空气温度、相对湿度、风速传感器),在高度3.5、11.0 m处设有两层四分量辐射传感器。于2015年3月—2016年2月,每个月份选择3个晴天代表日,按照数据采集频率为10 min的间隔24 h不间断采集数据,分析黄河三角洲地区白蜡人工林小气候特征的时空动态变化。结果表明:一年中,冠层内太阳辐射始终低于冠层上,冠层内年均太阳辐射可降低84.91%;林冠层在4月份表现出一定的保温作用,7月份表现出一定的负作用;一年中,观测塔高度3.5 m处的湿度基本高于观测塔高度11.0、13.0 m处的湿度,且4个月(4、7、10月份和次年1月份)的日变化特征显示林冠层夜间增湿作用明显;不同高度的风速,从大到小依次为13.0 m高处、11.0 m高处、1.5 m高处、3.5 m高处,林冠层年均可降低风速73.54%。