基于随机森林模拟的森林生态系统碳通量对不同台风干扰的响应

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在全球变暖背景下,人工林在陆地生态系统碳循环中发挥着重要作用,灾难性天气事件(如台风)对人工林生态系统的影响有待进一步研究。利用2021年台风烟花和2022年台风梅花,研究了短期频繁台风对亚热带人工林和净生态系统CO2交换(NEE)的影响,并进一步研究了台风扰动背景风对生态系统碳通量的调节机制。一种被称为随机森林(RF)的机器学习算法被用来识别影响碳通量的因素。RF模型能较好地预测总生态系统生产力(GPP)、生态系统呼吸(Reco)和净生态系统交换(NEE),并能显示不同台风过程中驱动因子的变化。本研究还基于Landsat8 OLI遥感影像和谷歌Earth Engine(GEE)云服务平台,计算了台风登陆前后森林的破坏程度。本文基于遥感的方法可以在区域尺度上准确评估“烟花”和“梅花”造成的森林损失,为全面评估过去和未来台风对中国沿海森林的影响提供方法和数据支持。本研究的主要成果包括:(1)基于2021年7月20日~7月31日和2022年9月9日~9月20日一共24天的通量观测站数据,Ta、Ts、P和PAR在台风影响下,都降低到了极值,而在过境时WS、Rainfall、SWC10cm和RH影响中有所增加。(2)不同台风干扰程度对于人工林NEE影响是不一样的,正面登陆的台风烟花对于人工林NEE影响更大,台风扰动后NEE显著下降。Reco和GPP与土壤水分呈负相关。降雨后,生态系统呼吸减少,但对NEE的影响较小,导致生态系统碳汇增加。(3)将野外调查样本数据与谷歌高清图像获得的样本数据进行对比,数据显示台风对上海森林造成了不同程度的破坏。上海市受台风“梅花”影响的森林面积(损失程度大于5%)为398.05 km~2,占森林总面积的44.23%。在森林损失率为5%~20%的地区中,林冠损失率为轻度(20%~50%)、中度(20%~50%)和重度(50%)的地区所占比例分别为39.7%、3.9%和0.6%,说明烟花台风对森林的损害主要集中在损失率为轻度和中度的类别中。受影响的森林在空间上相对分散,并没有聚集在台风登陆区。受害森林比例最高的是青浦区、松江区和金山区。(4)受台风“烟花”(损失程度大于5%)影响的森林面积为372.34 km~2,占总森林面积的41.37%。在损失森林中,轻度5%-20%、中度(20%-50%)和重度(50%以上)的林冠损失率分别为39.4%、1.7%和0.12%,表明烟花台风对森林的破坏主要集中在轻度和中度损失率类别。在台风登陆区,受影响的森林在空间上是分散的,而不是聚集的。受影响的森林比例最高的是浦东新区、宝山区和崇明区。(5)基于200个实际调查数据,进行随机森林模拟。数据表明:针叶林受台风影响较大,东西的植树方向影响较大,树高20 m受台风影响较大,胸径10cm影响较大,盖度40%受台风影响小,植树密度每亩200棵后较为稳定。
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