尽管北半球中、高纬度森林生态系统已经被反复的证明是全球陆地碳汇的主要区域,然而,不同外界环境因子对该区域森林碳源/汇的影响仍存在较大的争论和不确定性。其中主要的原因之一是因为现有的碳循环模型中很少能够对影响碳循环过程的林分内在因素(林龄的影响)和外在因素(气候、大气组分变化等)的影响加以区分。这一区分过程十分重要,因为林龄在林分发育的不同阶段扮演着不同的角色,这导致在定量某些外界环境因子对林分树木生长的影响时极有可能被林龄的影响所干扰。此外,森林生产力随林龄的变化在不同的林分立地条件下也有所区别,这种区别将直接关系到模型模拟森林净初级生产力(NPP)的结果是否准确,然而,在大多数NPP-age关系研究中,林分立地条件的影响并没有受到足够的重视,甚至经常被忽略。基于目前碳循环模型研究中存在的争论和不足,本研究以黑龙江省森林为研究对象,利用地理加权回归(GWR)模型结合林分因子和遥感因子对2010年地位级指数(SCI)的分布进行了估算,同时利用归一化火烧指数(NBR)和差值归一化火烧指数(dNBR)对黑龙江省2000-2010年的森林火烧迹地和林火烈度进行提取和分级。根据不同火烈度对林分平均年龄的影响,本研究对林龄分布进行了修正,从而使其更加准确。另一方面,本研究采用林分收获表和森林样地清查数据建立了黑龙江省12种主要森林类型在不同立地条件下的NPP与林龄(NPP-age)的关系,并将这些关系以及不同火烈度对林龄和碳库的影响加入到碳循环模型中,进而对模型的模拟机理进行改进。研究最终利用改进后的整合陆地生态系统碳(InTEC)模型,结合林分内部和外部因子对1901-2010年间黑龙江省森林碳源/汇的年际变化及空间分布情况进行了定量模拟和分析。此外,研究还设计了一系列情景实验来定量分析不同因子对森林碳源/汇变化的影响及贡献。根据研究结果得到的主要研究结论如下:1.定量不同火烈度对林龄的影响有利于对模型中关于林火干扰的模拟方式进行改进。本研究结果表明,黑龙江省2000-2010年森林火灾主要发生在大兴安岭和小兴安岭地区,总过火面积接近53万hm2。其中轻度火烧,中度火烧和重度火烧分别占总过火面积的60%,34%和6%。兴安落叶松林和蒙古栎林在整个研究区中过火面积较大,分别占总过火面积的29%和47%。各森林类型在不同林火烈度的过火面积均表现为:轻度火>中度火>重度火。当轻度林火发生时有所森林类型林龄不变,优势树种不发生演替;当中度林火发生时,只有兴安落叶松和白桦两种林型发生演替,林龄归0;当重度林火发生时,所有林型树木全部死亡,树木在火灾次年重新开始生长。2.准确的输入数据是提升模型模拟精度的前提。本研究结果认为,GWR模型能够很好地结合遥感因子和林分因子对林分SCI进行估算,模型估算SCI的R2adj为0.61,RMSE为0.43m。利用火烈度分布对干扰前林龄进行修正所得到的2010年干扰后林龄平均值为49年。3.合理的NPP-age关系是改进模型模拟机理的关键,本研究结果表明,树木在幼龄林时NPP增长迅速,并在成熟期左右达到最大值,成熟以后,NPP随着林龄的增加逐渐减少。对于纯林来说,针叶林NPP相对阔叶林要更高一些,但NPP达到最大值的时间却相对较晚,一般在20-30年之间达到最大值,而阔叶林NPP最大值发生时间较早,一般在10年左右。三种混交林中,针叶混交林的生产力最强。此外,立地条件更好的林分,NPP值也更高,最高值SCI所对应的NPP最多时可达到最小SCI的2-3 倍。4.利用改进后的InTEC模型模拟1901-2010年间黑龙江省森林NPP年际变化。结果表明:黑龙江省森林NPP在110年间总体呈上升趋势,涨幅达到31%,其中最高值发生在1993年,达到464 g C·m-2·a-1。从20世纪90年代初以后,NPP出现了长期的下降趋势,这一趋势一直持续到2003年。此后,NPP又开始逐渐回升,并在2010年达到386gC·m-2·a-1。1901年时,大兴安岭北部,小兴安岭南部和长白山西部的部分地区NPP相对较高,而小兴安岭北部和长白山东部的大部分地区的NPP则明显较低。到了 2010年,黑龙江省森林整体NPP均有显著的增长,增长较为明显的为小兴安岭北部和长白山地区,此时几乎整个大兴安岭地区的NPP都高于400 g C·m-2·a-1。然而小兴安岭北部森林NPP仍然明显低于其他区域。5.黑龙江省森林净生态群落生产力(NBP)在这110年间的年际波动较大,在20世纪30年代以前有多年出现碳源趋势。此后,黑龙江省森林在大部分时间里是一个大碳汇库。与NPP的年际变化趋势相似,在1990年以后NBP也出现了长期的下降趋势,下降幅度达到90%以上。近年来NBP有所回升,并在2010年达到了 121 gC·m-2·a-1。在1901年时,大兴安岭地区是黑龙江省主要的碳汇区域,小兴安岭和长白山的大部分地区则为碳源区域。在2010年,黑龙江森林是明显碳汇,大兴安岭和小兴安岭南部是主要的碳汇区域,仅有小兴安岭北部的少部分地区表现为碳源。6.黑龙江省森林生态系统碳库总量和碳密度在这110年间总体呈上升趋势,上升幅度分别为16%和13%,其中增长幅度最大的为小兴安岭南部地区。然而,大兴安岭北部地区生态系统碳库却在模拟时期出现了下降,下降幅度在0-5 kg C·m-2之间。7.通过设定情景模式,定量分析1950-2010年期间不同外界环境因子对NPP和NBP的影响发现,年龄因子是影响NPP和NBP的主要因子。外界环境因子中,气候变化是森林碳源/汇的决定性因素,其中温度在所有气候因子中占据主导地位,表明全球变暖已经对北半球中高纬度森林生态系统产生了严重的影响。大气C02和氮沉降对森林生产力的贡献相对较少,但仍说明大气组分变化对林分树木生长存在明显的施肥效应。