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区域尺度气候敏感的落叶松人工林林分生长模型

臧颢  
【摘要】:全球气候变化对森林可持续经营提出了新的挑战,采取适应性经营对策应对气候变化尤为关键。模拟和预测气候变化对森林生长收获的影响,是适应性森林经营决策的必然要求。传统的林分生长模型由于假定气候不变,不能预测气候变化下的森林生长收获,因此需要构建气候敏感的林分生长模型。本文以我国东北华北地区7个省(北京市、河北省、黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区、山西省)的落叶松人工林为对象,基于第六次、第七次和第八次国家森林资源连续清查的370个固定样地数据和Climate AP软件中提取的12个生物气候因子数据,构建了气候敏感的落叶松林分生长模型系(CSSGM-larch),该模型系有一定的统计可靠性和生物合理性。利用CSSGM-larch预测了研究区落叶松人工林在2010-2099年三种未来气候情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)下的生长,并分析了气候变化和间伐对林分生长的交互作用。得到的主要结论如下:(1)建立了区域落叶松树高-胸径模型。采用非线性最小二乘法、混合效应模型、分位数回归和广义可加模型分别拟合树高-胸径简单模型和广义模型,发现基于混合效应模型的树高-胸径简单模型表现最佳(建模样本中,Ra2=0.912,绝对误差MAB=0.801m,相对绝对误差RMA=9.1%,均方误RMSE=1.095m;检验样本中,MAB=0.736m,RMA=8.6%,RMSE=1.013m)。应用该模型可以预测东北华北区域落叶松人工林单株木的树高。(2)构建了区域气候敏感的落叶松人工林优势高模型,发现最热月平均温与落叶松优势高的关系受夏季降水量的影响,而夏季降水量与落叶松优势高的最大值成正相关,基于该模型计算了各样地的地位指数(基准年龄为20年)。通过模拟2010-2099年地位指数对气候变化的响应,发现与当前气候条件相比,未来气候情景下(温度升高和降水增加)区域地位指数呈现增加的态势,不同气候情景下地位指数的平均差值为-0.093m~0.174m(-1.40%~1.69%),差值的变化范围在-0.554m~1.100m(-9.19%~7.52%)。(3)分别构建了区域落叶松人工林的含间伐效应的气候敏感的林分株数转移模型、气候敏感的林分断面积、蓄积和生物量模型,并以此模拟了2010-2099年落叶松人工林林分生长。结果显示:与当前气候条件相比,未来气候情景下(温度升高和降水增加)林分枯死、断面积和生物量减少,林分蓄积增加。三种气候情景下林分枯死的平均差值为-0.086株×hm-2×year-1~0.014株×hm-2×year-1(-0.87%~0.05%),变化范围为-3.497株×hm-2~3.053株×hm-2(-16.26%~15.04%);林分断面积的平均差值为-0.294m2×hm-2~0.072m2×hm-2(-1.98%~0.74%),变化范围为-5.766m2×hm-2~4.534m2×hm-2(-22.68%~21.22%);林分蓄积平均差值为-2.390m3×hm-2~1.807m3×hm-2(-2.37%~1.44%),变化范围为-52.706m3×hm-2~84.062m3×hm-2(-26.63%~35.76%);林分生物量平均差值为-1.896t×hm-2~1.119t×hm-2(-2.33%~0.97%),变化范围为-35.212t×hm-2~44.878t×hm-2(-25.79%~25.04%)。(4)采用混合效应模型和联立方程组方法,建立了区域气候敏感的落叶松林分生长模型系(CSSGM-larch)。与(3)中单个方程相比,模型系考虑了不同模型残差的相关性,因而更加合理。通过CSSGM-larch模拟了2010-2099年气候变化下落叶松人工林的生长状况。从整体看,在2010-2099年间,与当前气候相比,未来气候变化下(温度升高和降水增加)林分枯死、断面积减少,林分蓄积、生物量增加,三种未来气候情景的林分枯死平均差值为-0.106株×hm-2×year-1~0.024株×hm-2×year-1(-2.04%~0.27%),变化范围为-48.338株×hm-2×year-1~42.046株×hm-2×year-1(-45.96%~68.01%);林分断面积的平均差值为-0.055m2×hm-2~0.022m2×hm-2(-0.36%~0.08%),变化范围为-1.016m2×hm-2~0.865m2×hm-2(-6.27%~5.67%);林分蓄积的平均差值为-0.778m3×hm-2~1.267m3×hm-2(-0.78%~0.57%),变化范围为-13.284m3×hm-2~40.640m3×hm-2(-10.41%~15.07%);林分生物量的平均差值为-0.825t×hm-2~0.719t×hm-2(-0.97%~0.33%),变化范围为-10.837t×hm-2~18.064t×hm-2(-11.85%~10.07%)。(5)分省、龄组、气候带分析了2010-2099年间落叶松林分的生长。发现不管是单独采用各模型,还是使用模型系,与当前气候条件下相比,未来气候情景下(温度升高和降水增加),河北省和内蒙古自治区的林分枯死、断面积、蓄积和生物量减少;北京市、黑龙江省、辽宁省和山西省的林分枯死、断面积、蓄积和生物量增加;吉林省的林分枯死减少,林分断面积、蓄积和生物量增加。未来气候情景下(温度升高和降雨增加),幼龄林的林分枯死、断面积、蓄积和生物量都减少;中龄林的林分枯死、断面积和生物量减少,林分蓄积增加;近熟林和成过熟林的林分枯死、断面积减少,林分蓄积和生物量增加。未来气候变化下中温带的林分枯死、断面积、蓄积和生物量变化较大,寒温带和暖温带的变化较小。(6)通过CSSGM-larch模拟了不同气候情景不同间伐强度下2010-2039年间落叶松人工林中幼林的生长情况,并分析了间伐和气候变化的交互作用,发现不同省不同气候情景的表现并不一致,表现出2种相反的趋势:随着间伐强度的增加,林分枯死减少,林分断面积、蓄积和生物量增加;随着间伐强度的增加,林分枯死增加,林分断面积、蓄积和生物量减少。(7)研究表明了经验模型在预测气候变化对森林生长影响方面的潜力,模拟结果可作为未来东北华北地区制定落叶松人工林应对气候变化经营措施的依据。


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