东北森林碳源汇演变优化模拟及归因分析技术

成果号lyig10039618

项目名称东北森林碳源汇演变优化模拟及归因分析技术

完成人 范文义 毛学刚 于颖 杨曦光 温一博 李明泽 刘国良 李玉堂 李芳 李巍 卢伟 梅晓丹

完成单位 东北林业大学 沈阳农业大学 河北农业大学 黑龙江科技大学 黑龙江工程学院

年份2019

学科分类 220.1060;森林生态学

地域分类 东北林业大学

主题词 森林生态系统 碳源 碳汇 遥感 生态过程模拟

获奖信息2019年 梁希林业科学技术奖 2等奖

主要内容  1、所属科学技术领域
该项目瞄准了当前森林生态系统碳循环的学术前沿问题，以优化计算森林生态系统碳源汇、明晰森林碳源汇变化的影响机制为目标，采用遥感监测一生态系统模型模拟技术，优化计算森林生态系统碳源汇，将遥感信息与碳循环机理、地表碳通量与模型模拟结合，从而明显提高了森林生态系统碳源汇估算精度。同时分别考虑气温、降水、CO2 浓度、N沉降、林龄等因素对森林碳源汇分布的影响；综合考虑气温和降水气候因子对碳收支的驱动过程；融合所有非干扰因子，分析其对森林生态系统碳动态的影响。该成果可为我国碳汇林业及国家参与气候谈判和温室气体管理提供科学参考。该项目属于一级学科林学中二级学科森林经理学三级学科中林业遥感领城.
2、主要内容
针对森林生态系统结构复杂，对森林碳计量的估算结果普遍存在精度低、不确定性高的问题。本项目以多种地面数据为基础，研建了大尺度森林碳储量和地面参数的遥感反演模型。通过生态系统碳循环模型模拟、遥感和地面的耦合反演，集成，实现近百年东北森林生态系统碳源/汇分布的时空变化的精准监测计算，并分析森林碳源汇变化的影响机制。
其主要研究内容包括3个方面:
(1)森林碳源汇演变过程关键影响非干扰因子获取技术
森林碳源汇演变过程模拟关键因子包括森林类型、叶面积指数、叶片聚集度系数、森林地上生物量、森林年龄以及干扰等地表参数。关键因子主要做了3个方面的研究: (1)研究了森林主要树种的叶倾角分布，以此修正了叶面积指数与叶片聚集度指数关系(2)建立地面统一生物量估算模型获得了高精度的森林地上生物量数据:；(3) 采用机理模型定量反演叶片Vcmax，获得叶片Vcmax的空间分布数据。(4) 采用辐射传输模型实现森林生化参数遥感反演方法。
(2)森林碳源汇演变过程干扰因子获取技术
干扰后森林的再生长一直是碳循环研究关注的问题，尤其林火干扰由于发生频繁，破坏性强，对森林碳循环的各个过程有着重要的影响。同时，不同林火干扰强度对林龄的影响差别较大，因此，在碳循环模型中有必要充分考虑不同火烈度下林龄和碳库的变化情况，这是提高碳循环模型模拟森林碳源汇合理性与准确性的关键。应用Landsat TM与MODIS的mod14a2温度异常/火产品林火记录表以及提取火烧干扰数据。应用遥感数据(Landsat 7 TMETM+)结合归一化火烧指数(NBR)和差值归一化火烧指数(dNBR)提取林火烈度的空间分布。
(3)地面观测、遥感和生态过程型耦合的森林碳汇优化计算系统
通过构建土壤含水率，土壤湿度，土壤含盐量影响森林立地条件优劣的关键性参数的反演模型，修正NPP-age半经验半机理模型，建立不同立地条件下NPP与林龄的关系。以研究内容1获得的生态过程模型关键因子作为输入，将遥感信息与植物光合机理有机结合的生态过程模型(BEPS)结合，使用通量观测等资料进行模型参数优化，确定模型关键参数值及其随时间的变化特征，通过观测数据与模型同化，提高了森林碳源汇模拟的可靠性，并考虑森林扰动对森林生态系统碳循环的影响，攻克了多尺度、多维度东北森林碳源汇演变优化模拟的关键技术。
(4)森林碳汇演变过程及归因分析技术
在发展和改进碳循环模型的基础上,利用遥感与生态学模型相结合模拟东北森林生态系统碳源汇的方法，计算了东北区域森林生态系统碳通量空间分布结果，同时分别考虑气温、降水、CO2浓度、N沉降、林龄等因素对森林碳源汇分布影响；综合考虑气温和降水气候因子对碳收支的驱动过程；融合所有非干扰因子，分析其对森林生态系统碳动态的影响。
3、应用推广及效益情况
该项目中的碳通量精准动态监测技术和森林生物量碳储量遥感定量估算技术两项创新技术2016-2018年依托黑龙江省林业监测规划院、吉林省林业调查规划院、辽宁省林业调查规划监测院3家单位在黑龙江省(林地面积2053.9万公顷)、吉林省(林地面积953.09万公顷)以及辽宁省(林地面积634.4万公顷)进行了技术示范和推广，为3省节省了大量人力物力，大大减少外业调查成本。通过该技术3年的实践应用，应用单位均认为该技术先进，方便使用，外业内业工作效率得到极大地提高。该研究成果在推广中发挥了遥感与生态过程模型在森林资源监测中的作用，深受管理者和森林调查技术人员欢迎，引领了技术发展方向，可在其他林区进行进一步推广应用。