福建主要人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量研究.pdf

1、隨著全球工業(yè)的不斷進(jìn)步發(fā)展,大氣溫室氣體含量不斷上升,全球氣候變暖,越來越引起人們的關(guān)注。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,其固碳和吸碳作用日趨顯著。森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量包括土壤有機(jī)碳儲量、植被有機(jī)碳儲量和凋落物層有機(jī)碳儲量,其現(xiàn)有碳儲量是評價森林生態(tài)系統(tǒng)吸收CO2功能的主要尺度。杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、毛竹(Phyllostachys hterocyc

2、la)和桉樹(Eucalyptus grandis)都是中國南方重要的森林資源,經(jīng)濟(jì)用途廣泛,是福建省分布最廣的人工林生態(tài)系統(tǒng)。本文采用野外調(diào)研與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法,研究了福建杉木、馬尾松、毛竹和桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及其空間分布特征,并用最小二乘-支持向量機(jī)法分別對各人工林土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度進(jìn)行了預(yù)測估計,分析了土壤有機(jī)碳密度與林齡、坡向、坡位的線性和非線性回歸關(guān)系;運用多元線性回歸模型預(yù)測不同人工林喬木層各器官生物量,在

3、此基礎(chǔ)上計算喬木層各器官的有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度;對杉木、馬尾松和桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤各層有機(jī)碳密度與喬木層的干、枝、葉和根,林下植被的草本層和灌木層以及凋落物層進(jìn)行了典型相關(guān)分析研究,深入分析土壤碳密度與地上部分碳密度的關(guān)系;最后,運用刀切法、投影尋蹤等方法對喬木層碳密度與胸徑、樹高的關(guān)系進(jìn)行模擬。主要研究結(jié)果如下：
　　 ⑴土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的空間分布特征:有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均垂直方向上表現(xiàn)為土壤表層有機(jī)碳

4、含量隨著土層深度的增加而逐漸降低,其中表層到第二層的降低速度最快;水平方向上,從大到小依次為毛竹＞桉樹＞杉木＞馬尾松,下坡＞中坡＞上坡、陽坡＞陰坡;杉木林和毛竹林土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度表現(xiàn)出幼齡林＞中齡林＞成熟林的變化特征;而馬尾松林地、桉樹林地在不同發(fā)育階段土壤有機(jī)碳密度趨勢則相反,表現(xiàn)為幼齡林＜中齡林＜成熟林的變化特征。但因其受土壤碳含量、土壤容重、土層厚度的影響,又有一定變異性。
　　 ⑵應(yīng)用多元線性回歸模型對杉木、馬

5、尾松、毛竹和桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳密度與環(huán)境因子坡向和坡度以及林齡的關(guān)系,進(jìn)行了多元回歸分析。結(jié)果表明,林齡對杉木土壤剖面有機(jī)碳密度的影響比較顯著,而對馬尾松、毛竹和桉樹3個林分土壤剖面有機(jī)碳密度的影響不顯著,坡向和坡位對4個林分土壤剖面有機(jī)碳密度的影響均較小。但因多元線性回歸的前提是假設(shè)土壤有機(jī)碳密度與各因子之間的線性關(guān)系。
　　 ⑶進(jìn)一步應(yīng)用最小二乘支持向量機(jī)法對各人工林土壤碳密度進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果表明,對建陽和永安杉木

6、人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差分別為0.077％和0.116％;對建陽和永安杉木人工林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差為0.098％和0.082％;對建陽和永安馬尾松人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差分別為0.082％和0.081％;對建陽和永安馬尾松人工林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差為2.559％和0.049％;對建陽和永安毛竹人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差分別為2.709％和3.928％;對建陽和永安毛竹人工

7、林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差為2.895％和2.474％:對桉樹人工林土壤表層有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差為0.066％:對桉樹人工林土壤剖面有機(jī)碳密度預(yù)測的平均誤差為0.049％。說明LS-SVM模型對福建4種人工林土壤有機(jī)碳密度值的預(yù)測效果良好。
　　 ⑷森林生態(tài)系統(tǒng)中各部分有機(jī)碳密度,特別是土壤有機(jī)碳密度受諸多因子影響,而且各因子之間可能存在線性或非線性的關(guān)系,且有主要因素和次要因素。本文采用嘗試用建立擴(kuò)展離散灰色序列模

8、型,來預(yù)測土壤有機(jī)碳密度值,并確定影響土壤有機(jī)碳密度的主要變量。結(jié)果表明,杉木、馬尾松和桉樹人工林的林齡與土壤表層有機(jī)碳密度和土壤剖面有機(jī)碳密度之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)均為最大值,因此確定林齡為杉木林、馬尾松林和桉樹林的主變量,其余因子為輔助變量。運用擴(kuò)展灰色離散序列高階動態(tài)預(yù)測模型對杉木、馬尾松和桉樹人工林表層土壤有機(jī)碳密度和土壤剖面有機(jī)碳密度進(jìn)行模擬,結(jié)果表明相關(guān)系數(shù)R均大于0.7832,且預(yù)測值與實測值誤差較小,說明擴(kuò)展灰色離散序列高階動

9、態(tài)土壤有機(jī)碳密度預(yù)報模型對福建不同人工林土壤有機(jī)碳密度的預(yù)測效果良好。
　　 ⑸選取福建建陽、永安地區(qū)的杉木、馬尾松和桉樹人工林表層土壤有機(jī)碳密度和土壤剖面有機(jī)碳密度為因變量,林齡(A)、坡位(P)、坡向(S)、林分密度(D)、坡度(G)、土壤容重(V)等為自變量,利用實數(shù)編碼自適應(yīng)約束優(yōu)化遺傳算法進(jìn)行參數(shù)搜索,建立投影尋蹤回歸預(yù)測模型。結(jié)果表明,該模型在3個人工林土壤表層和剖面有機(jī)碳的預(yù)測中,其預(yù)測值平均誤差區(qū)間為5.73％～

10、10.56％,標(biāo)準(zhǔn)誤差區(qū)間為7.25％～15.24％,相關(guān)系數(shù)介于0.886～0.940之間,說明改進(jìn)的投影尋蹤模型用于土壤有機(jī)碳密度預(yù)測,能達(dá)到理想效果,方法簡單有效,模型適用性及實用性較強(qiáng)。
　　 ⑹生物量模型的改進(jìn):喬木層各器官的生物量采用相對生長量法進(jìn)行模擬,即利用各器官的生物量與D2H(其中D為胸徑、H為樹高)的關(guān)系進(jìn)行模擬:本文在模擬W=α(D2H)b的基礎(chǔ)上,對各器官生物量的改進(jìn)模型W=α·DbHc進(jìn)行優(yōu)化模擬,結(jié)

11、果表明模擬效果理想,其結(jié)果可以用來計算喬木層各器官有機(jī)碳密度。
　　 ⑺不同森林類型喬木層有機(jī)碳密度存在差異,其中杉木林喬木層有機(jī)碳密度最高,為15.145kg/m2,其次為馬尾松林喬木層有機(jī)碳密度,為13.723 kg/m2,最小是桉樹林喬木層有機(jī)碳密度,為5.662 kg/m2,表現(xiàn)出杉木材＞馬尾松林＞毛竹林＞桉樹林的趨勢。從各林分類型喬木層各器官有機(jī)碳密度來看,均表現(xiàn)出干＞根＞枝＞葉的趨勢。就樹干而言,有機(jī)碳密度從大到小依

12、次為:馬尾松＞杉木＞桉樹＞毛竹;就樹根而言,有機(jī)碳密度從大到小依次為:杉木＞馬尾松＞毛竹＞桉樹;就樹枝而言,有機(jī)碳密度從大到小依次為:杉木＞馬尾松＞毛竹＞桉樹;就樹葉而言,有機(jī)碳含量從大到小依次為:杉木＞馬尾松＞桉樹＞毛竹。
　　 ⑻不同林分的林下植被有機(jī)碳密度以馬尾松最大,為0.263 kg/m2,其次為桉樹和杉木,毛竹林下植被的碳密度最少,只有0.031 kg/m2。林下植被各層中,灌木層和凋落物層均以馬尾松林的碳密度最大,

13、分別為0.133 kg/m2和0.107 kg/m2,桉樹和杉木其次,毛竹最少;草本層的有機(jī)碳含量則以杉木林最大,桉樹和馬尾松次之,毛竹最少。這進(jìn)一步說明本研究中的幾種人工林中,毛竹的林分結(jié)構(gòu)比較單一,林分碳儲量受人為干擾嚴(yán)重;馬尾松和杉木人工林的林分結(jié)構(gòu)相對比較豐富,林下植物種類多樣,生物多樣性較高。
　　 ⑼4種人工林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳貯量各不相同,杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲量最大,達(dá)到28.125 kg/m2;馬尾松人工林生

14、態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲量次之,為27.779 kg/m2;毛竹人工林生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲量第三,為22.884 kg/m2;而桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳儲量最小,為22.381 kg/m2。
　　 ⑽森林生態(tài)系統(tǒng)是一個有機(jī)整體,各部分的有機(jī)碳含量除受環(huán)境因子的影響外又有一定得自相關(guān)性。本文將土壤亞層即h1、h2、h3和h4層的有機(jī)密度以及0-100cm的剖面有機(jī)碳密度一起設(shè)為第一組的x1、x2、x3、x4、x5典型變量,喬木層的干、根、

15、枝、葉、草本層、灌木層和凋落層分別為第二組的y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7典型變量,采用典型相關(guān)分析討論地下部分碳密度對地上部分碳密度的影響,深入分析土壤碳密度與地上部分碳密度的關(guān)系。結(jié)果表明,土壤碳有機(jī)碳密度對u1的相對作用大小依土壤深度依次減小,即:第h1層(0～20cm)＞第h2層(20～40cm)＞第h3層(40～60cm)＞第h4層(60～100cm),其中第h1層是作用最大,第h4層的作用很小。V1與地上部分各層次

16、有機(jī)碳密度(y1)的原始數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系如下:v1與地上部分樹干、樹根有機(jī)碳密度(yi)的原始數(shù)據(jù)存在明顯的正相關(guān)。
　　 ⑾根據(jù)福建省永安和建陽杉木、馬尾松、毛竹和桉樹人工林64株調(diào)查材料,按刀切法原理對人工林喬木層有機(jī)碳密度的進(jìn)行估算。經(jīng)計算,人工林喬木層有機(jī)碳密度的估計量為12.740 kg/m2,且估計精度為93.239％。因此,利用刀切法估算人工林喬木層有機(jī)碳含量的結(jié)果可靠。
　　 ⑿基于投影尋蹤的喬木層有機(jī)碳密度

17、回歸模型：投影回歸是用于分析和處理非正態(tài)、非線性數(shù)據(jù)的一種新方法。由于建立多元回歸模型的前提是:影響因子與預(yù)報因子之間確切存在模型的假定相關(guān)關(guān)系,而各預(yù)測因子之間的相關(guān)關(guān)系并不是一致的線性或非線性,而是存在多種相關(guān)形式,因此采用一致線性或非線性形式建立的同歸模型不能真實的反映回歸關(guān)系。本文引入加權(quán)的思想,在改進(jìn)單純形算法的基礎(chǔ)上建立了喬木層有機(jī)碳密度模型,取得了較滿意的效果,12個訓(xùn)練樣本擬合值的總體擬合精度較高,在建陽杉木人工林喬木層