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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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基于遥感和实测数据的大兴安岭沼泽湿地碳储量估算研究

满卫东  
【摘要】:沼泽湿地生态系统是陆地生态系统服务功能最强、服务价值最高,生物多样性最丰富、保护意义最重大,固碳潜力最大,生态系统净化能力最强的生态系统,荣获“地球之肾”美誉。沼泽湿地被认为是地球上最大的生态系统碳库之一,它对全球碳循环有重要影响。沼泽湿地的碳积累和碳排放已经成为世界各国政府乃至全球最为关注的问题之一。北方沼泽湿地生态系统通常分布在中高纬度地区,是巨大的陆地碳库。北方沼泽湿地碳库对气候变化十分敏感,气候轻微变化都会影响沼泽湿地生态系统碳收支。作为典型的北方沼泽湿地区,大兴安岭(Greater Khingan Mountains,GKM)是中国第二大冻土区,储藏着大量碳。因此,对大兴安岭沼泽湿地碳储量准确估算,可为大兴安岭沼泽湿地的保护、利用和生态恢复提供科学依据,为沼泽湿地的管理提供理论指导,并对有效加强沼泽湿地分布区的生态环境保护,促进沼泽湿地分布区生态环境与社会经济协调发展提供重要依据和决策参考。也为我国沼泽湿地碳循环研究提供科学依据,对全球碳储量估算和碳循环研究有重要意义。本文通过对大兴安岭沼泽湿地调查,确定了大兴安岭沼泽湿地主要类型。基于Landsat 8 OLI和GF-1遥感影像,综合利用面向对象分类方法和人工目视解译方法实现了大兴安岭沼泽湿地信息提取并制图,总体分类精度较好,能够满足本研究需求。基于野外实地采集的土壤样品,采用地理信息系统技术和普通克里金空间插值方法,完成了大兴安岭沼泽湿地土壤有机碳含量空间模拟;并运用GIS中叠加分析方法和数理统计方法,分析了土壤有机碳含量的垂直和水平分布的分异性及其影响因素;最终完成土壤有机碳密度和储量的估算。基于Landsat 8 OLI影像建立31个特征变量,综合野外采集的生物量样本,采用逐步回归方法建立反演大兴安岭沼泽湿地植被生物量模型。利用碳系数和模拟生物量估算沼泽湿地植被有机碳密度。综合以上结果估算大兴安岭沼泽湿地有机碳储量。通过本研究得出的结论如下:(1)经过对大兴安岭沼泽湿地调查确定其遥感分类系统为:草本沼泽、灌丛沼泽和森林沼泽。在e Cognition 8.64平台上,综合利用Landsat 8 OLI和GF-1遥感影像,可以有效优化光谱分辨率和空间分辨率,有助于保证大兴安岭沼泽湿地分类精度。采用多时相遥感影像(6月末或7月初以及8月末9月初影像)综合利用的优势:不同沼泽湿地植被之间或与其他地物类型之间存在着一定物候差异,从而使它们的在某个特定时期光谱特征、纹理特征等差异明显,选取此时遥感影像有助于沼泽湿地信息提取。(2)基于多尺度分割方法将Landsat 8 OLI和GF-1影像分割为对象单元。在此基础上,通过分析纹理、位置、形状和上下文关系等特征、遥感影像光谱的均值、亮度和标准差特征以及NDVI、NDWI、RVI、DVI、PVI、SAVI和TSAVI等指数,综合利用面向对象和人工目视解译分类方法可以有效地提取大兴安岭的草本沼泽、灌丛沼泽、森林沼泽和非沼泽湿地信息。大兴安岭沼泽湿地分类结果总体精度和Kappa系数分别为0.9181和0.8863,分类效果较好。结果可知,大兴安岭草本湿地33140.31 km2,灌丛湿地3763.81 km2,森林湿地877.26 km2。(3)基于Landsat 8 OLI影像7个波段的反射率和NDVI、NDWI、RVI、DVI、PVI、SAVI、TSAVI、MSAVI、RDVI、NIR/G、EVI、TVI、RI、NDI、BI、GVI、WI、PC1、PC2、PC3、MNF1、MNF2、MNF3和MNF4等31个特征变量,结合实测不同沼泽湿地生物量,采用逐步回归方法构建生物量反演模型,以此估算植被生物量空间分布。研究发现,草本沼泽和森林沼泽模型建立引入模型变量较多,模拟精度较高。灌丛沼泽建立的生物量模型具有一定的预测能力,模拟时仅引入一个变量,相对其他两种沼泽湿地类型的生物量模拟模型模拟能力略差。参考大兴安岭沼泽湿地生物量模型的R2、RMSE和r RMSE来选取模拟效果最好的模型。大兴安岭沼泽湿地生物量集中分布在0-4 kg/m2范围,高值区主要分布在大兴安岭北部。大兴安岭沼泽湿地碳储量为2.21 Pg C。(4)大兴安岭沼泽湿地0-30、30-60和60-100 cm层土壤有机碳含量差异显著(p0.05),随深度增加土壤有机碳含量显著减小。土壤有机碳含量变异程度随着土壤深度增加而变大。不同沼泽湿地类型土壤有机碳含量在0-30 cm层差异显著(p0.05),灌丛沼泽和森林沼泽土壤有机碳含量明显高于草本沼泽;随着深度增加,同层不同沼泽湿地类型土壤有机碳含量差异显著性减小(p0.05)。(5)通过统计分析可知,大兴安岭沼泽湿地类型是影响土壤有机碳含量差异的主要因素,土壤类型对其影响相对较小。大兴安岭草本沼泽土壤有机碳含量与高程呈显著负相关(p0.05),与降水呈极显著正相关(p0.01);灌丛沼泽土壤有机碳含量与降水呈显著正相关(p0.05);森林沼泽土壤有机碳含量与气温呈极显著负相关(p0.01),与降水量呈极显著正相关(p0.01)。大兴安岭沼泽湿地土壤有机碳含量与气候因素相关性大,与地形因素相关性小。随着土壤深度增加,本文所考虑的影响因素对土壤有机碳含量影响逐渐减小。(6)通过普通克里金插值对大兴安岭沼泽湿地土壤有机碳密度进行空间模拟并估算了土壤有机碳储量。大兴安岭0-30 cm、30-60 cm和60-100 cm土壤有机碳密度平均值分别为28.43 kg/m2、17.45 kg/m2和15.60 kg/m2,草本沼泽、灌丛沼泽和森林沼泽土壤有机碳储量分别为1723.39、276.89和57.54 Tg C。不同沼泽湿地类型在0-30 cm土层土壤有机碳密度差异显著(p0.05),灌丛沼泽森林沼泽草本沼泽。大兴安岭沼泽湿地土壤有机碳50%以上分布在0-30 cm,并随深度增加而减少。(7)大兴安岭沼泽湿地平均有机碳密度为58.50 kg C·m-2,其变化范围为12.48~306.39 kg C·m-2,湿地碳储量为2.21 Pg C。不同沼泽湿地平均有机碳密度由高到低为森林沼泽灌丛沼泽草本沼泽。草本沼泽的平均有机碳密度相对较小,但其有机碳储量最高,为157637 t C,主要由于大兴安岭沼泽湿地类型中草本沼泽面积远高于其他沼泽湿地类型面积。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X171.1

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