基于3-PG机理模型的杉木林碳固定及蒸散量模拟研究

论文摘要

本研究的目的是根据湖南会同杉木林生态系统国家野外观测研究站1990年1月-2005年12月的气象观测数据,确定3-PG模型的主要参数,并利用会同国家森林生态研究站第二代杉木人工林的长期定位观测数据运行模型；其次,估算贮碳量和固碳速率及其分配随林龄变化的趋势,并进行模型的逐步验证,为森林的可持续经营提供关键数据的参考；最后,估算此期间杉木林的月蒸散量和年蒸散量及其变化规律,并用水量平衡法计算的蒸散量对模拟估算结果进行验证。研究结果表明：3-PG模型能成功地估算叶面积指数（LAI）、树干生物量（Ws）、净初级生产量（NPP）、林分贮碳量随林龄变化的趋势以及碳的分配、月和年蒸散量等。模拟结果为：（1）会同杉木人工林林分、树干、根和叶的贮碳量随着林龄的增加而先增后减,林分和树干的贮碳量都是在林龄为41年时达到最大值（林分为184.02 tC·hm-2,树干为124.09 tC·hm-2）,根和叶在林龄为44年时达到最大值（根为45.09 tC·hm-2,叶为13.04 tC·hm-2）,凋落物贮碳量在模拟期间一直处于不断增加的趋势。树干对林分贮碳量贡献最大（约64.8%）,其次是根（约23.5%）和叶（约8.7%）,凋落物的贡献最小（约3%）。（2）3-PG模型估算的会同杉木林月蒸散量、年蒸散量与水量平衡法的相似,1月份的蒸散量最小,然后逐渐增大,7月份达到最大值,此后逐渐减少。全年月平均蒸散量为90.1mm,占全年月平均降水量（122.14mm）的72.12%。除了8月和9月份的蒸散量大于降水量,其余各月份的蒸散量均小于降水量。各年之间的会同杉木人工林年蒸散量差异不大,多年的年蒸散量均值为1049 mm,占年平均降水量（1350 mm）的77.7%。在降水量大的年份,蒸散系数比降水量小的年份小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1. 国内外研究现状
• 1.1 模型的定义及分类
• 1.1.1 经验模型
• 1.1.2 机理模型
• 1.1.3 混合模型
• 1.2 杉木人工林生长模型研究
• 1.2.1 标准表和生长过程表的编制
• 1.2.2 收获预估模型
• 1.2.3 直径分布模型
• 1.2.4 树高模型
• 1.2.5 基于密度控制的生长经营模型
• 1.2.6 单木模型
• 1.2.7 养分动态模型
• 1.2.8 其它模型
• 1.3 杉木人工林水分利用模型研究
• 2 模型原理简介
• 2.1 树木的光合作用
• 2.1.1 光合作用的部位
• 2.1.2 光合作用的历程
• 2.2 太阳辐射与光合有效辐射
• 2.2.1 太阳辐射的计算
• 2.2.2 光合有效辐射
• 2.3 冠层太阳辐射截留模型
• 2.4 叶面积指数
• 2.5 碳生产模型
• 2.5.1 环境因子对光合生产的影响
• 2.5.1.1 温度对光合作用的影响
• 2.5.1.2 霜冻对光合作用的影响
• 2.5.1.3 肥力对光合作用的影响
• 2.5.1.4 林龄对光合作用的影响
• 2.5.1.5 水汽压差对光合作用的影响
• 2.5.1.6 土壤含水量对光合作用的影响
• 2.5.1.7 生理影响综合因子
• 2.5.2 冠层导度
• 2.5.3 冠层量子效率
• 2.5.4 总初级生产
• 2.5.5 净初级生产
• 2.6 碳平衡模型
• 2.6.1 碳平衡方程
• 2.6.2 光合物质的分配
• 2.6.2.1 根系的更新率模型
• 2.6.2.2 光合物质对干的分配以及叶的更新率模型
• 2.6.3 叶凋落速率
• 2.6.4 与密度和环境胁迫无关的死亡率
• 2.7 林分自然稀疏模型
• 2.8 水量平衡模型
• 2.8.1 林冠截留模型
• 2.8.2 水分利用模型（蒸散发模型）
• 2.8.2.1 模拟水分利用的意义
• 2.8.2.2 Penman-Monteith方程及解法
• 2.9 模型参数
• 3. 实验地概况及研究方法
• 3.1 实验地概况
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 林分生长调查及生物量的测量
• 3.2.2 地下水位测定
• 3.2.3 土壤水分观测
• 3.2.4 土壤性质抽样调查
• 3.2.5 叶面积测定
• 3.2.6 气象数据定位观测
• 3.2.7 水文数据定位观测
• 4. 模型应用
• 4.1 冠层太阳辐射截留模型
• 4.1.1 模拟结果
• 4.1.2 模拟结果的验证
• 4.2 叶面积指数
• 4.2.1 模拟结果
• 4.2.2 模拟结果的验证
• 4.3 光合生产的影响因子
• 4.4 冠层导度和冠层量子效率
• 4.5 碳生产模型
• 4.5.1 净初级光合生产
• 4.5.1.1 模拟结果
• 4.5.1.2 模拟结果的验证
• 4.5.2 杉木人工林贮碳量及其分配
• 4.5.2.1 模拟结果
• 4.5.2.2 模拟结果的验证
• 4.5.3 杉木人工林固碳速率及其分配
• 4.6 敏感性分析
• 4.7 蒸发散模型
• 4.7.1 杉木人工林月蒸散量的变化规律
• 4.7.2 杉木人工林年蒸散量的变化规律
• 4.7.3 模型的验证
• 5. 结论
• 6. 讨论
• 7. 参考文献
• 附录1.模型的基本结构框架
• 附录2.3-PG模型所涉及的变量
• 附录3.气象观测数据
• 附录4.模拟值（1）
• 附录5.模拟值（2）
• 附录6.攻读学位期间的主要学术成果
• 致谢