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《北京林业大学》 2016年
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杉木人工林生态系统生物量及碳储量定量估测

付尧  
【摘要】:森林作为陆地上最大的碳储库,其对全球碳循环的调节控制作用非常重要,如何能快速且精准的对森林生态系统的生物量和碳储量进行估测显得非常重要。本研究以福建省三明市将乐县杉木人工林为研究对象,研究了不同龄级杉木人工林乔木层、林下灌草层、凋落物层及土壤层的含碳率,进而对杉木人工林生态系统的生物量及碳储量进行了定量估测。同时建立了基于高分辨率卫星影像的杉木人工林乔木层生物量、碳储量反演模型,并对研究区杉木人工林进行了估算。主要研究结论如下:(1)杉木属于浅根系植物,单株生物量主要集中在地上部分,地上部生物量占76.09%~78.49%,地下部分占21.51~23.91%。除幼龄林外,其它龄级林木各器官生物量均为B树干B树根B树枝B树叶。杉木地下根系生物量分布规律是B20-40cm>B10-20cm >B40-60cm>B60-80cm>B80cm以上,地下不同粗细等级根系生物量分布规律在不同龄级都表现为B大根B粗根B中根B细根。(2)通过含碳率测定结果可知,杉木地上部分的含碳率大于地下部分含碳率。杉木整株平均含碳率为46.97%。相同器官含碳率在各年龄阶段无显著差异,相同年龄阶段不同器官间差异性显著。地上部分各器官平均含碳率为C。C桔枝C树干C活桧C树枝。其中针叶含碳率在各器官中最高,平均含碳率为49.58%。去皮树干为47.62%,树皮47.31%,活枝为47.45%,枯枝为47.81%;杉木地下部分平均含碳率为44.44%,且C大根C中根C细根C粗根。其中杉木大根平均含碳率为46.66%,粗根为45.80%,中根为46.17%,细根为46.13%;(3)杉木人工林林下植被的含碳率为C灌木层C草本层,其中林下灌木层平均含碳率为43.56%,枝、叶、根平均含碳率分别为含碳率44.49%、43.50%、42.71%;草本层平均含碳率为36.10%,地上、地下平均含碳率分别为41.72%、30.47%;杉木林下凋落物的平均含碳率为40.41%,且C未分解层C平分解层C完全分解层。土壤的有机碳含量随着土壤深度的增加而减小,同一土层深度不同林龄下的土壤有机碳含量差异显著,同一林龄的不同土层深度的土壤有机碳含量差异性显著。(4)根据林木生物量的相容性理论,以总生物量为基础,直接控制各器官或组分的生物量,采用模型联合估计的方法建立了杉木总体生物量估计的相容性模型,总体估计精度达到93.4%。分析结果显示杉木人工林生态系统生物量随着林分年龄的增加而增加,成熟林达到最大值,而后急剧下降。其中乔木层生物量所占比例最高,随着林分年龄不同,约为89.17~223.01t·hm-2;灌木层生物量为约0.44~13.27t·hm2,草本层生物量为约1.61~4.90 t·hm-2,凋落物层生物量为约2.97~5.75t·hm-2。(5)杉木人工林生态系统总的碳储量在幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林中分别为182.61,182.29,243.69,245.16和210.05 t·hm-2。其中,植被层占总碳储量的44.49%~61.95%,凋落物层占总碳储量的0.73%~1.25%;土壤层占总的碳储量37.20%~54.76%。植被层以乔木层碳储量最大,占96.47%~97.76%,林下植被碳储量占2.24%~4.50%。(6)利用样地调查数据,从6种树冠面积-胸径模型中选择拟合精度最高的模型(CA=a+b D+c D2)作为基础模型,考虑不同样地会对树冠产生不同的影响,将样地做为随机效应,建立了杉木树冠面积-胸径混合线性效应模型(LME模型),从模型验证结果可以看出,考虑异方差结构和随机效应的LME模型能够显著提高模型的预估精度,杉木林树冠面积-胸径关系模型的模拟精度的adj-R2从0.3267提高到0.4953,而验证精度的adj-R2从0.0889提高到0.3127。(7)利用高分辨率卫星影像,基于控制标记符分水岭分割算法,结合形态学图像分析方法对杉木人工林不同年龄阶段的单木树冠进行了提取,总的来说幼龄林、成熟林和过熟林阶段,树冠的提取的精度较高,而在中龄林和近熟林阶段,树冠的精度较差,其中幼龄林株数精度平均达到96.02%,用户精度达到82.93%。中龄林株数精度平均达到85.11%,用户精度达到60.46%。近熟林株数精度平均达到79.77%,用户精度达到54.00%,成熟林株数精度平均达到83.92%,用户精度达到69.65%。过熟林株数精度平均达到93.15%,用户精度达到79.96%。(8)利用基于高分辨率卫星影像的树冠面积提取结果,结合线性混合效应杉木树冠面积-胸径模型对杉木胸径进行预估,并结合乔木生物量预估模型对杉木人工林不同发育阶段的杉木乔木生物量进行预估,结果显示杉木林各生长阶段林分乔木层生物量预估精度分别为67.57%,71.94%,73.05%,96.10%和93.15%。
【关键词】:杉木人工林 生物量 碳储量
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S718.55
【目录】:
  • 摘要3-6
  • ABSTRACT6-12
  • 1 绪论12-38
  • 1.1 研究背景和研究意义12-13
  • 1.2 国内外研究现状13-38
  • 1.2.1 森林生物量碳储量研究进展13-27
  • 1.2.2 含碳率的研究进展27-32
  • 1.2.3 单木树冠提取研究进展32-38
  • 2 研究区概况与研究方法38-50
  • 2.1 研究区概况38-40
  • 2.1.1 自然条件38-39
  • 2.1.2 森林资源39-40
  • 2.1.3 社会经济条件40
  • 2.2 论文主要研究内容40-41
  • 2.3 研究方法及技术路线41
  • 2.4 实验数据及处理41-50
  • 2.4.1 样地数据41-47
  • 2.4.2 遥感数据47-48
  • 2.4.3 模型建立与评价48-50
  • 3 杉木人工林生态系统生物量估测及分析50-76
  • 3.1 杉木人工林乔木层生物量模型构建及估测50-60
  • 3.1.1 单木生物量模型的构建50-56
  • 3.1.2 杉木人工林乔木层地下生物量分析56-59
  • 3.1.3 林分乔木层生物量估算结果59-60
  • 3.2 杉木人工林林下灌草层生物量估测及分析60-71
  • 3.2.1 灌木生物量62-66
  • 3.2.2 草本生物量66-71
  • 3.3 杉木人工林林下凋落物层生物量估测及分析71-72
  • 3.4 杉木人工林生态系统生物量定量估测72-73
  • 3.5 本章小结73-76
  • 4 杉木人工林生态系统含碳率测定76-90
  • 4.1 杉木人工林乔木层含碳率测定76-77
  • 4.2 杉木人工林林下灌草层含碳率测定77-78
  • 4.3 杉木人工林凋落物层含碳率测定78-79
  • 4.4 杉木人工林土壤有机碳含量测定79-88
  • 4.4.1 土壤有机碳含量79-83
  • 4.4.2 土壤的肥力指标、土壤pH值对土壤有机碳的影响83-86
  • 4.4.3 土壤物理性质对土壤有机碳的影响86-88
  • 4.5 本章小结88-90
  • 5 杉木人工林生态系统碳储量估测与分析90-100
  • 5.1 杉木人工林乔木层碳储量估测90-91
  • 5.2 杉木人工林林下灌草层碳储量估测91-93
  • 5.3 杉木人工林凋落物层碳储量估测93-95
  • 5.4 杉木人工林土壤层碳储量估测95-96
  • 5.5 杉木人工林生态系统总体碳储量分析96-98
  • 5.6 本章小结98-100
  • 6 基于遥感技术的乔木层生物量估测技术研究100-116
  • 6.1 树冠数据采集100-101
  • 6.2 杉木人工林树冠面积-胸径关系模型构建101-107
  • 6.2.1 基础模型101-103
  • 6.2.2 模型精度比较103-104
  • 6.2.3 混合线性效应模型104-105
  • 6.2.4 模型验证105-107
  • 6.3 基于高分辨率卫星影像的杉木人工林树冠面积定量估测107-112
  • 6.3.1 分水岭算法原理108
  • 6.3.2 分水岭算法实现步骤108-110
  • 6.3.3 杉木树冠矢量化110
  • 6.3.4 精度分析与算法评价110-112
  • 6.4 基于树冠面积的杉木人工林胸径反演112-113
  • 6.5 基于树冠面积杉木人工林乔木层生物量估测113-115
  • 6.6 本章小结115-116
  • 7 结论、创新与研究展望116-120
  • 7.1 主要结论116-118
  • 7.2 本文特色与创新118
  • 7.3 研究展望及建议118-120
  • 参考文献120-138
  • 个人简介138-140
  • 导师简介140-142
  • 获得成果目录清单142-144
  • 致谢144-146
  • 附录146-148

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