长叶松(Pinus palustris)生态系统碳物候动态和建模方法研究

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zhongjcrazytbag
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森林生态系统是陆地景观中的重要碳汇之一,对大气二氧化碳(CO2)浓度有着重要的调节作用。随着全球气候变化,森林生态系统在未来碳吸收能力的变化模式存在较多的不确定性。植物物候作为评估植物生长发育状态的重要指标,对森林生态系统的碳吸收/排放速率有着重要的控制作用。开展不同时空尺度的森林生态系统物候特征的研究,有助于理解陆地表面过程和生物地球化学过程的耦合关系,对于科学的应对全球气候变化具有重要的理论和实际意义。传统森林植被物候学的研究主要关注植物生长季长度、植物发芽、成熟和衰老等生物学特征的日期变化。近年来随着涡动相关CO2通量观测技术的应用,森林生态系统物候学被赋予了新的含义和研究体系,并且衍生出诸如植物群落光合作用物候、碳吸收物候和生态系统呼吸物候组成的植被碳物候研究体系。进一步开展基于涡动相关技术的森林生态系统碳物候动态的研究,对全面了解陆地表面物候过程和预测未来森林生态系统的碳动态具有重要的理论和实际意义,最终达到更好的应对全球气候变化的目标。美国东南部地区分布有广袤的亚热带针阔混交林,由于较高的年平均气温和充足的日照,使该地区的森林生态系统拥有十分可观的碳固存/吸收潜力。其中长叶松(Pinus palustris Mill.)是该地区森林中主要的乡土亚热带常绿针叶树种之一,幼树极高的生长速率(“Rocket”Stage(1))为该树种提供了可观的光合潜力。本研究基于此地区的三个不同土壤持水能力的长叶松林生态系统CO2通量观测站点,在2009年至2019年的微气象环境观测以及遥感、雷达扫描数据,使用植物物候模型调查了该亚热带长叶松生态系统碳物候动态的年际变化特征,及其对全球气候变化、周期性天气事件、自然灾害和森林管理的响应。最后初步探索了将主流物候建模方法应用于长叶松生态系统呼吸速率的可行性。本研究的主要结论如下:(1)基于三个成熟亚热带长叶松树林站点在2009年至2017年生态系统生产力观测数据的物候建模结果,并结合与站点层面(site-level)的微气象数据的统计分析。结果显示,站点土壤持水能力梯度会影响长叶松生态系统碳物候动态,更好的土壤水分有效性将有助于延长生态系统生长季长度。早春的低强度焚烧对长叶松生态系统碳物候参数没有显著的影响(P>0.05),但是焚烧将生长季开始的日期延迟了10天,并且随着土壤水分有效性的提高,生态系统生长季开始的日期将会被进一步的延迟(18天)。低强度的焚烧还可能增加了早春碳物候参数对辐射和气温变异的敏感性。研究发现,年际气候变化和周期性天气异常(强降雨、短期水分胁迫和长期区域干旱)对长叶松生态系统碳物候动态的驱动作用远胜于低强度“定时-定向焚烧”。其中,年际气温解释了生态系统生长季长度69%-90%的变化,而春季辐射解释了生态系统生长季长度50%-63%的变化,当夏季短期干旱后站点水分有效性出现恢复时,生态系统生长季长度将会被显著的延长。(2)飓风通过清除生态系统的叶面积、减少地上生物量并导致植物死亡来影响森林的物理结构和功能。2018年10月10日,飓风迈克尔(Michael)在墨西哥湾北部登陆,并对沿途森林景观造成了显著的重度破坏。基于长叶松生态系统生产力的碳物候动态特征表明(2009-2017),飓风加速了长叶松生态系统在秋季的衰老速率(-0.15/-0.11 g C m-2 d-1 d-1),继而导致生长季提前结束(提前了33 d-41 d)。在飓风过境的过程中,林冠层较高的森林遭受的物理破坏更大(最多损失了30%的叶面积和1.3m的冠层高度),并且显著的延长了飓风后的长叶松生态系统碳物候恢复期(共8个月)。在飓风过后的第一年夏季(2019),长叶松生态系统的生理学功能恢复至飓风前的水平。在飓风过境后的长叶松生态系统碳物候恢复过程中,森林结构的异质性控制了飓风后的长叶松生态系统春季物候进程。林下植物的生物多样性有助于早春阶段的长叶松生态系统恢复,但也会延迟夏季生长季峰值开始的日期。飓风过后的长叶松生态系统夏季物候动态(203 d-252 d)与植被覆盖率同步,并且主要由林冠层驱动。(3)在长叶松生态系统呼吸速率的物候建模过程中(增长率法和三阶导数法),增长率方法可能更适合于亚热带森林的生态系统碳物候建模,因为三阶导数方法可能会在物候过渡的缓冲期丢失一些重要的物候信号。同时,研究也发现了由气候异常引起的长叶松生态系统碳物候建模的不确定性。例如冬季异常变暖(0.02-0.15℃d-1)会导致生态系统呼吸以0.02-0.06 g C m-2 d-1 d-1的速率再次被激活,夏季的站点水分有效性动态变化会显著的影响长叶松生态系统碳物候动态和参数,并且表现出多峰和不对称的物候行为。尽管长叶松生态系统呼吸结束的日期与由增强植被指数所衍生的植物群落休眠日期呈现极显著的负相关关系(R2adj=0.59,P<0.01),此结果可能表明植被有效生长季的提前结束,会显著的增加冬季长叶松生态系统呼吸速率。但是从遥感观测得出的植被绿度物候参数,可能无法完全解释亚热带常绿植物群落在春季和夏季的碳物候动态(P>0.05)。本文从涡动相关技术所提供的森林生态系统物候学新视角出发,结合多源数据和配合植物物候模型,明确了气候变化对长叶松生态系统碳物候动态的重要驱动作用,春季增温和辐射增强正向作用了春季物候,并且有利于三个长叶松生态系统碳吸收能力的提升,但受土壤持水能力梯度的影响,三个长叶松生态系统对年际降水量变异的物候响应不同。在轻度森林外部扰动后,三个长叶松生态系统可以在短期内恢复至扰动前的生态系统生产力水平。土壤持水能力梯度导致的站点森林结构异质性,驱动了长叶松生态系统在重度森林外部扰动后的恢复动态和周期。选择合适的物候算法对准确量化森林生态系统生长季长度是至关重要的,建议在使用植物物候模型来评估森林生态系统物候动态时,需要进行实地考察和严格的模型测试。
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