基于人工神经网络与空间仿真模拟的区域森林碳估算比较——以龙泉市为例

森林是生态系统的重要组成部分,准确估算森林碳储量及其分布对于评价森林生态系统的功能具有重要意义。以龙泉市为研究区,利用2009年99个森林资源清查样地数据和同年度Landsat TM影像数据,采用高斯序列协同仿真(SGCS)与BP神经网络方法(BPNN)分别模拟森林地上部分碳密度及其分布,并进行了对比分析。随机将样本数据分成70个建模样本和29个检验样本。通过模型检验,BP神经网络预测值与实测值的相关性达到0.67,相对均方根误差为0.63,空间仿真方法预测值与实测值的相关性为0.68,相对均方根误差为0.63,空间仿真方法预测能力略高于神经网络方法。仿真结果表明,基于BP神经网络模拟的森林碳总量为11042990 Mg,平均碳密度为36.10 Mg/hm2,总体森林碳密度均值高于样地平均值8.82%。基于空间仿真模拟的森林碳总量为11388657 Mg,平均碳密度为37.23 Mg/hm2,总体森林碳密度均值高于样地平均值9.40%。对比分析可知:高斯协同仿真模拟和BP神经网络虽然在碳总量估算值上与抽样数据估计值相近,但两种方法在估测值的频率分布以及研究区碳分布上有较大的差异。与BP神经网络相比,序列高斯协同模拟结果更接近系统抽样样地实测值,全部样地预测值与实测值的相关性达到0.75,在估计区域森林碳空间分布上有明显优势。在碳密度值域与频率分布方面,序列高斯协同模拟结果分布更合理。综上所述,序列高斯协同模拟在森林碳空间估计方面要优于BP神经网络。     

基于TM影像、森林资源清查数据和人工神经网络的森林碳空间分布模拟

森林是陆地生态系统中最大的碳库,在全球碳平衡和减缓全球气候变化方面发挥着不可替代的作用。当前主要利用森林资源清查数据和优势树种材积源-生物量的关系进行碳储量估算,在此基础上有效结合遥感影像数据将会更好的满足相关部门对国家和区域森林碳储量计算的需求。利用临安市2004年森林资源清查的930个样地数据和同年度Landsat TM影像数据,提取6个波段灰度值以及与碳储量相关性相对较大的3个波段组合,结合人工神经网络对研究区森林碳储量及其分布进行有效模拟。结果显示,用误差反向传播算法训练神经网络较好的重建了森林碳密度空间分布和变化,森林碳地上部分模拟结果与样地实测值之间的一致性好,全区域模拟结果森林碳平均值为0.98Mg(10.89Mg/hm²),总体森林碳密度模拟结果低于样地平均值约13%,进一步验证了人工神经网络在对大范围森林碳估算与模拟上具有较好的效果,为区域森林碳储量的估测研究提供有效的方法支持。     

基于地统计学和CFI样地的浙江省森林碳空间分布研究

基于浙江省2009年CFI固定样地数据、森林资源规划设计调查林相图,利用地统计学方法对浙江省森林碳空间分布进行了模拟分析。结果表明,CFI固定样地数据用于省域范围的森林碳汇空间特征研究是合适的。数据显示,浙江森林植被平均碳密度为22.07Mg/hm2;与四川、福建、海南等地相比,平均碳密度较低。受人类活动、自然环境等因素影响,浙江省森林碳分布主要表现为:总体上森林碳密度空间变化趋势自西向东逐渐降低,与自然空间(海拔、地势等)趋势一致。基于地统计学和CFI固定样地,对省域范围的森林资源空间分布的研究,可以为省域森林碳汇管理提供依据,为我国特别是亚热带南方集体林区利用国家CFI数据进行大区域同类研究提供借鉴。     

不同采样密度下县域森林碳储量仿真估计

采用浙江省台州市仙居县森林资源二类调查样地实测地上部分碳储量数据,结合Landsat TM影像数据,利用序列高斯协同仿真(SGCS)算法、序列高斯块协同仿真(SGBCS)算法,以4种地面采样密度(SD)SD_1=0.012%、SD_2=0.010%、SD_3=0.007%、SD_4=0.005%,估计全县森林碳储量及其空间分布,分析不同地面采样密度对区域森林碳储量及其分布格局估计精度的影响。结果表明:1)不同采样密度下SGCS和SGBCS估计的森林碳储量分布趋势相似,SGCS估计在采样密度为SD_2时可以满足精度要求,且均值与实测最相符;SGBCS估计受采样密度影响较小,在四种采样密度下均可满足精度要求。2)SGCS、SGBCS估计的不确定性随着采样密度的降低均呈现出整体升高的趋势,增长速率在SD_2采样密度时最低,相对SD_1分别升高1.08%、-1.71%;当SGBCS算法的采样密度由SD_2变为SD_3时,样地数的减少对不确定性影响最大,但对区域空间变异格局估计没有实质性影响。3)将采样密度控制在SD_2(0.010%)水平,利用SGCS和SGBCS算法均能得到准确可靠的森林碳储量及其分布信息,同时能节省至少20%左右的森林调查工作量。     

基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布

森林生物量是陆地生态系统重要的碳库,其大小与空间分布特征直接影响森林的碳汇潜力。基于空间降尺度技术,以中国第六次国家森林资源清查资料为基础,同时结合1∶100万植被分布图及同期的基于MODIS反演的NPP空间分布,定量估算了1 km分辨率下我国森林生物量的空间分布。结果表明:(1)降尺度技术能有效结合遥感数据的空间特征与地面详查资料的统计特征,从而较好地解决当前生物量估算的区域尺度转化问题;(2)我国森林生物量存在明显的空间分布规律,与水热条件的空间分布格局基本一致,表现为西部较低东部较高,大型山脉分布处较高;(3)我国森林生物量总量11.0 Pg,平均生物量74.8 Mg/hm2,其中高值区主要集中在东北大小兴安岭和长白山地区、新疆山区、西南横断山脉地区以及东南武夷山地区。     

甘肃省森林碳储量现状与固碳速率北大核心CSCD

针对森林碳平衡再评估的重要性和区域尺度森林生态系统碳库量化分配的不确定性,该研究依据全国森林资源连续清查结果中甘肃省各森林类型分布的面积与蓄积比重以及林龄和起源等要素,在甘肃省布设212个样地,经野外调查与采样、室内分析,并对典型样地信息按照面积权重进行尺度扩展,估算了甘肃省森林生态系统碳储量及其分布特征。结果表明:甘肃省森林生态系统总碳储量为612.43 TgC,其中植被生物量碳为179.04 TgC,土壤碳为433.39 TgC。天然林是甘肃省碳储量的主要贡献者,其值为501.42 TgC,是人工林的4.52倍。天然林和人工林的植被碳密度均表现为随林龄的增加而增加的趋势,同一龄组天然林植被碳密度高于人工林。天然林土壤碳密度从幼龄林到过熟林逐渐增加,但人工林土壤碳密度最大值主要为近熟林。全省森林植被碳密度均值为72.43 Mg C·hm–2,天然林和人工林分别为90.52和33.79 Mg C·hm–2。基于森林清查资料和标准样地实测数据,估算出全省天然林和人工林在1996年的植被碳储量为132.47和12.81 TgC,2011年分别为152.41和26.63 TgC,平均固碳速率分别为1.33和0.92 TgC·a–1。甘肃省幼、中龄林面积比重较大,占全省的62.28%,根据碳密度随林龄的动态变化特征,预测这些低龄林将发挥巨大的碳汇潜力。     

甘肃省森林碳储量现状与固碳速率

针对森林碳平衡再评估的重要性和区域尺度森林生态系统碳库量化分配的不确定性, 该研究依据全国森林资源连续清查结果中甘肃省各森林类型分布的面积与蓄积比重以及林龄和起源等要素, 在甘肃省布设212个样地, 经野外调查与采样、室内分析, 并对典型样地信息按照面积权重进行尺度扩展, 估算了甘肃省森林生态系统碳储量及其分布特征。结果表明: 甘肃省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg C, 其中植被生物量碳为179.04 Tg C, 土壤碳为433.39 Tg C。天然林是甘肃省碳储量的主要贡献者, 其值为501.42 Tg C, 是人工林的4.52倍。天然林和人工林的植被碳密度均表现为随林龄的增加而增加的趋势, 同一龄组天然林植被碳密度高于人工林。天然林土壤碳密度从幼龄林到过熟林逐渐增加, 但人工林土壤碳密度最大值主要为近熟林。全省森林植被碳密度均值为72.43 Mg C·hm^-2, 天然林和人工林分别为90.52和33.79 Mg C·hm^-2。基于森林清查资料和标准样地实测数据, 估算出全省天然林和人工林在1996年的植被碳储量为132.47和12.81 Tg C, 2011年分别为152.41和26.63 Tg C, 平均固碳速率分别为1.33和0.92 Tg C·a^-1。甘肃省幼、中龄林面积比重较大, 占全省的62.28%, 根据碳密度随林龄的动态变化特征, 预测这些低龄林将发挥巨大的碳汇潜力。     

基于MODIS混合像元分解的湖南省森林碳密度反演

随着遥感技术的快速发展,基于遥感影像和地面样地的方法成为目前森林碳密度估算的常用手段.然而由于混合像元的存在严重制约了区域森林碳密度反演精度的提高,特别是MODIS这种低空间分辨率影像.本研究以MODIS影像和固定样地为数据源,开展森林碳密度的反演研究.首先利用不带约束、带约束的线性分解和非线性分解3种方法进行混合像元分解,导出不同土地利用/覆盖类型的丰度图;然后采用结合和未结合丰度图的序列高斯协同模拟算法对湖南省森林碳密度进行反演.结果表明： 3种混合像元分解模型中,带约束线性分解估计的地物丰度精度最高（平均均方根误差0.002）,明显优于不带约束线性分解和非线性分解模型;通过将混合像元分解模型和序列高斯协同模拟算法结合,森林碳密度反演精度从74.1%提高到81.5%,均方根误差从7.26减小到5.18;2009年湖南省森林碳密度的平均值为30.06 t·hm^-2,变化范围介于0.00～67.35 t·hm^-2之间.这表明混合像元分解在提高区域和全球尺度森林碳密度反演精度方面显示出巨大的潜力.     

百山祖国家公园公益林碳储量及分配特征

探讨区域尺度的碳储量及其空间分布特征,评估优势树种(组)的固碳能力,可为生态系统保护措施的制定提供数据参考.百山祖国家公园保存了我国东南沿海最为典型完整的中亚热带森林生态系统,但百山祖公园碳密度和碳储量的特征还不清楚.本研究以百山祖国家公园公益林为对象,利用森林资源一类清查数据,基于浙江省各优势树种(组)的相容性生物量...     

中国陆地生态系统碳源/汇整合分析

国家尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程的研究对于提升地球系统科学与全球变化科学的科技创新能力、提高我国参与应对全球气候变化国际行动和维护国家利益的话语权、保障国家生态安全和改进生态系统管理都具有重要意义。近年来,我国已经在气候变化与陆地生态系统碳循环领域开展了大量的研究工作,主要包括国家清查、生态系统模型模拟、大气反演等手段。然而,由于大尺度陆地生态系统碳源/汇的估算存在很大的不确定性,目前尚未形成国家尺度的陆地生态系统碳源/汇的整合分析。通过搜集已发表的关于中国陆地生态系统及其组分碳源/汇的59篇文献,整合国家清查、生态系统模型模拟、大气反演3种研究手段,分析中国陆地生态系统碳源/汇大小以及时间尺度上的动态变化。结果表明,在1960s-2010s期间中国陆地生态系统碳汇整体呈上升趋势,平均为（0.213±0.030）Pg C/a,其中森林、草地、农田和灌木生态系统碳汇分别为（0.101±0.023）Pg C/a、（0.032±0.007）Pg C/a、（0.043±0.010）Pg C/a和（0.028±0.010）Pg C/a。森林生态系统中的植被碳汇远大于土壤碳汇,然而这种格局在草地和农田生态系统却相反,而且1960s-2010s期间中国主要植被类型的生态系统碳汇总体上随时间呈增加趋势。融合多源数据（地面观测、激光雷达、卫星遥感等）、多尺度数据（样地尺度、站点尺度、区域尺度）以及多手段数据（联网观测、森林清查、模型模拟）,有助于全面准确地评估中国陆地生态系统碳源/汇及其对气候变化的响应。     

火对森林土壤的影响

林火是林地上自由蔓延的火,主要有计划火烧(控制火烧)和野火2种类型.火烧的严重程度决定了火灾的效果及其影响的持续时间.火能够通过燃烧有机质和改变粘土矿物来影响土壤结构,导致土壤容重增加和持水能力降低.长期来看,火烧引起土壤有机质减少.火烧之后土壤温度和pH值的升高会促进土壤呼吸,而微生物数量的减少、根系的死亡和可分解物质的减少则减弱土壤呼吸.林火消耗了森林的枯落物层,通过氧化、挥发、灰分颗粒对流、淋溶等途径减少了森林土壤的养分含量.火灾对土壤生物有重要影响,火灾引起的高温可直接杀死土壤微生物,同时通过改变土壤的各种理化性质及林地微环境,间接影响土壤微生物生存和群落的组成.火对土壤动物的影响显著小于对土壤微生物的影响,原因是前者具有更高的灵活性来逃避火灾.中低程度火烧主要通过土壤环境变化间接影响土壤酶,而严重火烧则通过高温直接使其变性.今后应开展跨学科的森林火灾长期研究,加强对火烧后土壤动物、微生物和生态系统之间相互关系的研究,注重计划用火、火灾对土壤有机碳、土壤养分库的稳定、土壤斥水性、水土流失强度和生物多样性影响方面的研究.     

林隙干扰对森林生态系统的影响

林隙干扰通过改变森林微生境异质性和群落演替进程,对森林物种组成、林分结构和系统功能产生重要影响。本研究评述了有关林隙干扰对森林生态系统影响的最新研究进展,从物种生物学特性和环境因素两个方面分析了林隙干扰对森林物种组成变化的影响规律,基于群落组件和群落架构阐述了林隙干扰对森林结构的作用关系,梳理了林隙干扰对森林生态系统功能的影响机制。基于已有研究的分析和目前森林生态系统经营亟需解决的问题,提出未来研究所需关注的重点领域和问题: 林隙面积阈值确定方法;林隙闭合机制;林隙干扰对森林生态系统过程的影响;林隙干扰与森林生产力的关系。林隙干扰在促进物种更新和提升森林结构复杂性等方面具有优势,因此本研究可为我国低产低效人工林改造提供科学依据。     

Organic matter and nutrient dynamics of the forest and forest floor in the Hubbard Brook forest

Summary The forest floor is a major reservoir of organic matter and nutrients for the ecosystem and as such it influences or regulates most of the functional processes occurring throughout the ecosystem. This study reports on the nutrient and organic matter content of the forest floor of the Hubbard Brook Experimental Forest during different seasons and attempts to correlate results from studies of vegetation, litter, decomposition, stemflow, throughfall, and soil. An organic matter budget is presented for an undisturbed watershed.Average weight of the forest floor on an undisturbed watershed ranged from 25,500 to 85,500 kg/ha. The weighted watershed average was 46,800 kg/ha. Although the F and H horizons did not vary significantly with time, the L horizon increased significantly during the period June to August largely as a result of a severe hail storm. The order of abundance of elements in the forest floor was N;CaFe>S>P>Mn>K>Mg>Na>Zn>Cu. The concentrations of Ca, K, and Mn decreased with depth in the forest floor while N, P, S, Na, Fe, Zn, and Cu concentrations increased. N:P ratios were similar in decomposing leaf tissue, the forest floor, litterfall, and net stemflow plus throughfall suggesting a similar pattern of cycling. S was proportional to N and P in decomposing leaf tissue, the forest floor, and litterfall. Net stemflow and throughfall were affected by a relatively large input of SO₄=-S from the atmosphere. Residence times for elements in the forest floor were affected by inputs other than litterfall (precipitation, stemflow, and throughfall). Calculation of residence times using all inputs caused smaller values than if litterfall alone was used. While all residence times were reduced, the major differences occurred for K, S, and Na. N and P showed relatively long residence times as a result of retranslocation and immobilization by decomposers. The slow turnover rate because of the strong demand and retention by all biota must account for the efficiency of the intrasystem cycling process for N and P. K showed the shortest residence time. A rapid and efficient uptake of K by vegetation seems to account for the efficient cycling of this element. The patterns of nutrient cycling are several depending on the chemical properties of the forest floor, and nutritional requirements of the biota.This is contribution No. 67 of the Hubbard Brook Ecosystem Study. Financial support was provided by the National Science Foundation.     

Fungicides for forest trees,shade trees and forest products

The Botanical Review -     

森林采伐对森林景观的长期影响模拟

应用空间直观景观模型(LANDIS),模拟了小兴安岭友好林业局在有无采伐方案下400年内森林景观的动态变化,并利用统计软件APACK计算代表性树种的分布面积、年龄级和反映物种分布格局的聚集度指数.结果表明:与无采伐相反,采伐下的火干扰模式为高频率小面积低强度火烧;采伐对各种群的分布面积影响不大,但显著改变了种群的年龄结构,主要表现为降低了过熟林的分布面积,而增加了其他年龄级森林的分布面积;采伐降低了各树种的聚集度,导致森林景观一定程度上的破碎化.     

Restoration of the understorey layer of recent forest bordering ancient forest

Abstract. Recently established forests are commonly characterized by an impoverished understorey. Restoration is mostly based on spontaneous secondary succession, but little is known about the time period needed to achieve a community species pool with species composition equal to that of ancient forests. Vegetation in transects of 197 plots in 13 recent forest stands contiguous to the Meerdaalwoud ancient forest complex was surveyed. The recent forest stands ranged in age from 36 to 132 yr. The community species pool was described with an ecological, functional and phytosociological approach and based on groups derived from a CCA. Differences in community species pool between age classes of recent forest stands were analysed. During establishment of a new forest competitive species, forest edge species and species with high Ellenberg values for light and nitrogen and a more persistent seed bank will dominate the understorey. After 90 yr of succession the cover by these species decreases and reaches equal values to ancient forest after ca. 105 yr. A large number of forest species will be able to colonize the forest in less than 90 yr. Some typical forest species, however, have very low colonization rates and still have low cover in recent forest more than 105 yr old, so that complete restoration of the understorey requires a time period of over a century. Anthropogenic introduction of forest plant species may reduce the time required for ancient forest vegetation equality.