3PG碳生产模型在长白山阔叶红松林GPP估算中的应用

作     者：常晓晴 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邢艳秋

授予年度：2019年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：3PG碳生产模型 总初级生产量 光能利用率模型 涡度相关技术 温带阔叶红松林 

摘      要：植被总初级生产力作为陆地生态系统循环研究中重要评判因子,是评估森林固碳能力和碳收支的重要参数。准确估计植被生产力,能够预测生态系统动态变化,科学认识生态系统与气候变化的关系,并且可以为生态系统的管理提供数据和科学支持,对进一步理解全球碳循环过程和生态系统功能具有重要意义。植被生产力估算模型由于是在特定区域建立和验证,不具备普适性。所以将3PG碳生产模型应用到长白山阔叶红松林,需将特定因子进行优化,使其更能反映长白山地区的植被特征。充分利用多源、多尺度数据资料,将数据-模型进行融合,集成遥感和地面观测的气象、通量等数据,评估模型模拟精度,优化模型结构,降低模型的误差,在植被生产力估算中具有迫切要求。本论文以长白山通量塔的贡献区为研究区域,利用遥感数据、气象数据以及长白山通量观测数据,将3PG碳生产模型与VPM、Ⅵ以及EC-LUE模型进行对比,并利用通量观测数据对模型结果精度进行评价,对模型结构优化进行研究。本文的主要研究内容和结论如下:(1)针对模型中涉及到各个因子与总初级生产力GPP变化关系问题,本文将其进行相关性分析,结果发现:在模型输入的各个因子中,植被指数(NDVI、EVI、LSWI)和潜热通量与总初级生产力的判定系数最大,说明其相关性最好,其次是叶面积指数和平均温度,再次是降雨量、水汽压差和光合有效辐射,感热通量与涡度相关观测估算的GPP的相关性最小。(2)基于3PG碳生产模型的总初级生产力GPP估算,本文将其与VPM、VI以及EC-LUE光能利用模型模拟的GPP估算精度进行对比。结果表明:利用2003-2005年数据驱动这几个模型预测GPP,将三年的通量数据作为验证数据对模型模拟结果进行比较,综合考虑R2、RMSE以及拟合斜率,3PG模型GPP估算精度最高(R2=0.921,RMSE=1.89gC/m2.d),其次为 Ⅵ 与 EC-LUE 模型,VPM(R2=0.920,RMSE=2.82gC/m2·d)模型估算精度最低;在模型模拟GPP的年均总量上来看,3PG碳生产模型在生长季存在高估,而其他模型在生长季存在明显或轻微的低估。(3)针对3PG碳生产模型在预测时出现的高估问题,本文借助其他光能利用率模型中的参数结构,对3PG碳生产模型进行优化。结果表明:利用最适温度、增强型植被指数、地表水分指数分别表示3PG碳生产模型中温度限制因子、光合有效辐射吸收比例、水分限制因子,模拟GPP结果最优,与原模型相比,R2从0.854提高到0.948,且优化后3PG碳生产模型有效地改善原模型中生长季高估现象,优化后模型的GPP模拟与实测值之间的相关系数为0.948。本论文利用3PG碳生产模型模拟阔叶红松林的GPP,优化了模型结构,改善了模拟精度。该研究过程加深了我们对3PG碳生产模型以及各光能利用率模型不同结构和参数的理解,明确了各个参数对GPP估算敏感性的影响,为进一步利用3PG模型预测林分生长以及生物量变化提供重要的参考价值。