基于经验模型和机理模型的杉木人工林生物量估测对比研究

为了揭示间伐干扰下杉木人工林生物量的变化规律,研究利用江西省吉水县石阳林场的36块杉木人工林样地的实测数据和研究区气候数据,通过基于经验的引入地位指数(SI)的生物量生长方程组和基于机理的3⁃PG模型,模拟并预估林分生物量,分析在间伐和非间伐的情况下,不同立地的林分其生物量0—50a的变化。结果表明:(1)构建了生物量生长方程组,并在参数a、b、c中引入地位指数SI,发现改进后的模型对于基础模型拟合精度更高,且对数似然比检验表明,改进效果显著(P<0.05)。(2)通过对3⁃PG模型预测精度验证发现,预估值和实测值之间有很高的一致性,各因子的决定系数(R^(2))在0.65—0.96之间,其中,胸径和树高的R^(2)均高于0.92;各因子的平均相对误差(MRE)不超过26%。(3)通过比较经验模型和机理模型的生物量预测发现,经验模型的预测误差MRE为16.50%,机理模型为23.52%,经验模型预估精度更高。进一步对未来预测对比分析表明,机理模型预估值高于经验模型。(4)两个模型模拟的杉木人工林生物量规律一致,即随着林龄的增加,杉木人工林林分总生物量均表现出先快速增加,后逐渐平稳的趋势;并且间伐不会改变这种趋势,但间伐林分在间伐后的生物量生长速率高于无间伐林分。此外,由于SI对经验模型影响显著,改进模型拟合效果更好,更具有生态学意义。参数化后的3⁃PG模型模预估精度较高,能够为江西杉木人工林生长规律研究提供依据。虽然经验模型和机理模型在对研究区杉木人工林生物量的预估上均具有较好的表现,但各具特点和局限性。经验模型参数较易获得,且经验模型预测生物量、林分胸高断面积和林分平均树高的R^(2)、MRE均优于机理模型;但模型对于建模数据内的评价效果较好,对于建模数据外的应用具有局限性,即经验模型更适合模拟生长期间的某一阶段的林分生物量。机理模型虽然需要的参数较多,但是考虑了生态学原理,弥补了经验模型的不足,可较好解释和模拟环境因子对树木生长的影响,对校正数据之外生长阶段的林分生物量预测更有优势。

3PG碳生产模型在长白山阔叶红松林总初级生产力估算中的应用

利用ChinaFLUX长白山站阔叶红松林的通量观测数据以及同期卫星遥感数据,对3PG模型中的植被光合模型(VPM)、光能利用率模型(EC-LUE)、陆地生态系统模型(TEM)、卡内基-埃姆斯-斯坦福方法模型(CASA)4种模型进行参数重组,通过对比通量观测值与估算值的均方根误差、决定系数及平均误差确定模型的最适合参数;并利用实测的通量观测数据对优化后的模型进行拟合度验证,以提高其估算长白山阔叶红松林总初级生产力(GPP)的准确性.结果表明:采用温度、增强植被指数、地表水分指数分别表征原模型中的温度限制因子、光合有效辐射吸收比例、水分限制因子估算长白山阔叶红松林GPP时,结果最优,优化后模型的精度(R^2=0.948,RMSE=0.035 mol·m^(-2)·month^(-1))明显优于原模型(R^2=0.854,RMSE=0.177 mol·m^(-2)·month^(-1)),且能够有效改善原模型生长季明显高估的现象;通过敏感性分析可知,温度是对GPP估算不确定性影响最大的参数,其次为增强型植被指数和光合有效辐射,地表水分指数最小,且变量间的交互作用对GPP估算不确定性也存在影响.

基于3PGS-MTCLIM模型模拟根河林区火后植被净初级生产力恢复及其影响因子

林火是大兴安岭林区主要的干扰因子,且对森林生态系统的碳平衡有着重要影响.火干扰强度以及不同地形条件所导致的山地气候差异是影响火后植被净初级生产力恢复过程的主导因素.本研究以内蒙古根河林区为例,使用多时相的Landsat TM遥感数据(2008—2012年)和1980—2010年间的气象资料,结合山地小气候模型MTCLIM与光能利用效率模型3PGS,模拟森林火后植被净初级生产力(NPP)的时空恢复过程,并探讨不同火烧强度和地形因子对NPP恢复进程的影响.结果表明:3PGS-MTCLIM模型能够较准确地在小尺度范围内模拟NPP的空间分布格局,模拟结果与样地具有较好的对应关系,R^2=0.828; 3PGS-MTCLIM模型模拟火后NPP下降百分比在43%～80%,相对于火前NPP水平该区域的平均恢复周期大约为10年;火烧强度对火后恢复具有显著影响,火烧强度越强,NPP恢复所需要的周期越长,火后NPP恢复速度呈现先快后慢的增长趋势;地形因子中,海拔对火后NPP恢复程度的影响最明显,其次为坡度,而坡向的影响最小.