基于GreenLab的油松结构-功能模型

 植物结构-功能模型(Functional-structural models, FSMs)将结构模型与过程模型结合起来, 用以描述环境机制驱动的植物生长, 输出植物的三维结构。GreenLab是一个近年来不断发展着的基于源-汇关系的通用植物结构-功能模型, 它多应用于农作物, 在树木方面的应用还很少。该文以幼龄油松(Pinus tabulaeformis)为研究对象, 首次将GreenLab模型应用到虚拟树木生长的研究中。采用破坏性取样, 实测了9株油松幼树的形态结构、拓扑结构和器官生物量信息, 根据拓扑编码体系组织数据。模型的直接参数是通过实测数据获得的, 隐含参数是利用非线性最小二乘法拟合反求获得的。对模型的假设进行了验证, 并对模型的模拟效果进行了评估, 结果表明: 节间总鲜质量、树木叶总鲜质量、节间鲜质量、节间长度观测值和模型模拟值建立的回归方程的决定系数在0.78~0.91之间, 因此该模型较真实地反映了油松的结构和生长过程。提出的树木结构和生物量测量及编码方法, 可作为针叶树建立结构-功能模型的参照。     

基于植株拓扑结构的生物量分配的玉米虚拟模型

依据植物结构—功能相互作用机理,建立了能模拟玉米生长发育与形态结构建成的虚拟模型。该模型的重要部分为基于植株拓扑结构的生物量分配模块。叙述了该模块的构建原理,以2000年田间试验数据提取了玉米的发育、生物量生产和生物量分配参数。模型模拟了2001年的玉米生长发育与生物量分配过程,模拟结果与田间试验结果比较吻合。应用该模型模拟了2001年玉米不同生育阶段植株的生物量分配和各器官生物量积累动态。     

PROSPECT5耦合4SAIL模型的亚热带典型森林冠层反射率时间序列模拟

冠层反射率在森林植被类型精确解译、森林碳同化关键参数如叶面积指数(LAI)、叶绿素等遥感反演等方面具有重要意义.本研究以亚热带毛竹林、雷竹林和常绿落叶阔叶混交林3种典型森林类型为研究对象,通过耦合PROSPECT5和4SAIL模型模拟其冠层反射率时间序列.首先,对PROSPECT5和4SAIL模型参数进行敏感性分析,探讨模型参数对冠层反射率的影响;其次,利用实测反射率对不敏感参数进行优化,并确定其参数值;最后,耦合PROSPECT5和4SAIL模型模拟3种亚热带森林冠层反射率,并与MODIS反射率进行对比.结果表明:LAI对第1、2、3、5、7波段最敏感,各波段的总敏感指数分别为0.80、0.83、0.94、0.66、0.47;叶绿素含量对第4波段最敏感,总敏感指数为0.59;叶片含水量对第6波段的敏感性最大,总敏感性指数为0.54;叶子结构参数、类胡萝卜素、热点参数、干物质含量和土壤干湿比等参数对各个波段都不敏感或敏感性较小.优化后的PROSPECT5和4SAIL模型模拟得到的冠层反射率能够真实反映3种典型森林的季节性变化规律,通过与MODIS反射率对比分析发现,模拟冠层反射率和MODIS反射率之间具有较高的决定系数,分别为0.86、0.90、0.93,均方根误差(RMSE)也较小,分别为0.09、0.07、0.05,且模拟反射率能在一定程度上解决MODIS反射率数据冬季易受雨雪、混合像元影响等问题.     

半干旱地区不同森林类型土壤水分动态模拟

采用暖温带落叶阔叶次生林、油松人工林和华北落叶松人工林样地土壤水分的生长季内观测数据和其他辅助观测数据,检验了Georgakakos等提出的土壤水分模型在半干旱林地的适用性。结果表明,该模型用于模拟半干旱林地日尺度土壤水分动态具有一定的可信度,且能够较好的反映不同森林类型的水文效应。模型参数的敏感性分析表明,不同目标函数的参数敏感度信息反映了该模型"异参同效"现象不显著,模型结构不确定性也较小。各参数的敏感度结果揭示了各参数在降雨入渗、深层渗漏和蒸散部分中的控制作用。从模型模拟的土壤水分变化通量来看,油松人工林地实际年蒸散发量大于其他林地,落叶阔叶林地年入渗量大于其他林地,而3种森林类型林地深层渗漏所占生长季降雨量的比例都较小。研究半干旱地区多年生人工林土壤水分的情况,不仅有助于从根本上认清半干旱地区土壤-大气-植被连续体的复杂作用关系,也为半干旱地区树种选择及造林后的生态水文效应研究提供理论依据。     

油松、侧柏苗木水力结构特征的对比研究

油松侧柏是分同属两个不同耐旱类型的树种,为了进一步了解其在水分运输和耐旱机理方面的特点,应用水力结构的基本理论,在正常水分条件下,用改良的冲洗法测定４年生油松侧柏苗木各部位的水力结构参数。实验和模拟的结果表明,油松和侧柏苗木都存在限速区;在非限速区,二者各部分木质部的导水串、比导串、叶比导串和胡伯尔值都随功能木质部直径的增加而增大,但表现出不同的变化趋势,这些变化能较好地说明油松和侧柏苗木耐旱的生态策略。在功能木质部直径相同的情况下,油松苗木水力结构的各参数均较侧柏大。     

基于数据同化的哈佛森林地区水、碳通量模拟

模型模拟和站点观测是陆地生态系统水、碳循环研究最主要的两种手段,但各有优势和不足,若二者相互结合,则能更准确地反映生态系统水、碳通量的动态变化.数据同化为模型与观测结合提供了一条有效的途径.本文采用哈佛森林环境监测站相关数据,利用集合卡曼滤波同化算法,将实测叶面积指数(LAI)和遥感LAI同化进入Biome BGC模型中,对该地区水、碳通量进行模拟.结果表明：与未同化模拟相比,将1998、1999和2006年实测LAI数据同化后,模型模拟碳通量(NEE)与通量观测NEE的决定系数(R²)平均提升8.4%;蒸散发(ET)的R²平均提升10.6%;NEE的绝对误差和(SAE)和均方根误差(RMSE)平均下降17.7%和21.2%,ET的SAE和RMSE平均下降26.8%和28.3%.将2000-2004年MODIS LAI 产品与模型同化后,NEE、ET模拟值与观测值间的R²分别提升7.8%和4.7%;NEE的SAE和 RMSE分别下降21.9%和26.3%,ET的SAE和 RMSE分别下降24.5%和25.5%.无论实测LAI还是遥感观测LAI,同化进入模型都能不同程度地提高水碳通量的模拟精度.     

流域水碳过程耦合模拟——WaSSI-C模型的率定与检验

在复杂的气候变化条件下, 利用水碳耦合模型进行生态水文学研究成为主要的研究手段和途径。该文以杂谷脑河上游流域为例, 在确定生态水文模型WaSSI-C模拟尺度的基础上, 探讨水碳耦合模型在中国西南湿润地区的适用性。杂古脑河上游流域位于岷江上游, 隶属于长江流域。在分析和讨论了模型结构和机理的基础上, 分别对模型蒸散和融雪计算进行了补充改进, 以提高模型的适用性。将1988-1996年作为模型的率定期, 1997-2006年作为模型的验证期, 分别在率定期和验证期利用实测的径流数据和中分辨率成像光谱仪数据的总初级生产力、蒸散(ET)数据, 对模拟结果进行对比验证。并利用决定系数(R²)和Nash-Sutcliffe效率系数(NS)两个指标对模拟效果进行评价。流域总径流率定期和验证期对比验证的R²分别为0.86和0.78; NS分别为0.82和0.67。总生态系统生产力和ET验证期的R²分别为0.89和0.78。可见模型模拟结果的两个评价指标都处于较为理想的区间内, 说明WaSSI-C模型在研究区内具有较好的适用性。并对模型的蒸散计算方法进行了讨论, 在此基础上提出了模型中存在的问题和改进的方向。     

近似贝叶斯法在光合模型参数估计中的应用

长期以来,光合作用机理模型中参数的确定都是一个难点。该文提出一种参数反演的方法,称为近似贝叶斯法(APMC),用来确定Farquhar光合模型的生理参数。通过将整个冠层抽象为一片大叶的思维抽象,笔者进一步将APMC应用到冠层尺度的生理参数求解,使直接求算冠层尺度生理参数成为可能。该文详细介绍了使用APMC估算光合模型参数的具体算法,并用实测数据进行了验证。结果表明,APMC可以很好地应用于冠层光合模型参数的估计,估计所得的参数落在参数生理上下限值之间,应用1 948个实测数据进行检验,得到决定系数0.75。模拟值和实测值的线性回归曲线斜率为1.04,与理论上的1.0非常接近。这个方法对光合模型参数的获取或许有积极的意义。     

基于经验模型和机理模型的杉木人工林生物量估测对比研究

为了揭示间伐干扰下杉木人工林生物量的变化规律,研究利用江西省吉水县石阳林场的36块杉木人工林样地的实测数据和研究区气候数据,通过基于经验的引入地位指数(SI)的生物量生长方程组和基于机理的3-PG模型,模拟并预估林分生物量,分析在间伐和非间伐的情况下,不同立地的林分其生物量0-50a的变化。结果表明:(1)构建了生物量生长方程组,并在参数a、b、c中引入地位指数SI,发现改进后的模型对于基础模型拟合精度更高,且对数似然比检验表明,改进效果显著(P<0.05)。(2)通过对3-PG模型预测精度验证发现,预估值和实测值之间有很高的一致性,各因子的决定系数(R²)在0.65-0.96之间,其中,胸径和树高的R²均高于0.92;各因子的平均相对误差(MRE)不超过26%。(3)通过比较经验模型和机理模型的生物量预测发现,经验模型的预测误差MRE为16.50%,机理模型为23.52%,经验模型预估精度更高。进一步对未来预测对比分析表明,机理模型预估值高于经验模型。(4)两个模型模拟的杉木人工林生物量规律一致,即随着林龄的增加,杉木人工林林分总生物量均表现出先快速增加,后逐渐平稳的趋势;并且间伐不会改变这种趋势,但间伐林分在间伐后的生物量生长速率高于无间伐林分。此外,由于SI对经验模型影响显著,改进模型拟合效果更好,更具有生态学意义。参数化后的3-PG模型模预估精度较高,能够为江西杉木人工林生长规律研究提供依据。虽然经验模型和机理模型在对研究区杉木人工林生物量的预估上均具有较好的表现,但各具特点和局限性。经验模型参数较易获得,且经验模型预测生物量、林分胸高断面积和林分平均树高的R²、MRE均优于机理模型;但模型对于建模数据内的评价效果较好,对于建模数据外的应用具有局限性,即经验模型更适合模拟生长期间的某一阶段的林分生物量。机理模型虽然需要的参数较多,但是考虑了生态学原理,弥补了经验模型的不足,可较好解释和模拟环境因子对树木生长的影响,对校正数据之外生长阶段的林分生物量预测更有优势。     

滨海湿地植被地上生物量遥感反演

盐沼植被生物量是滨海湿地生态系统碳循环研究的重要参数,是湿地生态系统健康评价、资源可持续利用的关键指标,开展盐沼植被地上生物量监测方法研究具有重要意义。目前,遥感技术在湿地生物量监测领域已经得到广泛应用,但反演方法仍以统计模型为主,模型构建需要实测数据支撑,时空拓展性不强。选择江苏盐城丹顶鹤保护区为研究区,基于冠层辐射(PROSAIL)传输模型,通过局部和全局敏感性分析,对模型参数本地化,构建了互花米草地上生物量半经验反演模型,应用于Landsat 8 OLI遥感影像,获得了互花米草地上生物量的时空分布。研究结果表明,利用PROSAIL模型模拟互花米草冠层反射率,叶面积指数(LAI)、叶片干物质含量(Cm)、叶倾角分布参数(LIDF)、等效水厚度(Cw)、叶绿素含量(Cab)、叶片结构参数(N)为高敏感性参数,类胡萝卜素含量(Car)、土壤参数(P_soil)为低敏感性参数;利用不同时刻的遥感影像反演了地上生物量,遥感反演结果与实测数据对比,拟合度R²为0.83,均方根误差(RMSE)为0.43kg/m²,平均相对误差(MRE)为15.7%,精度较高,模型具有较好的时空普适性。研究发展了盐沼植被地上生物量遥感反演方法,解决了以往过于依赖现场实测数据构建反演模型的局限性,该方法可以为研究滨海湿地生态系统碳循环以及准确估算其碳汇潜力提供技术支持。     

Characterization of the effects of inter-tree competition on source–sink balance in Chinese pine trees with the GreenLab model

We investigate the characteristics of individual tree response to competition on source–sink balance through the functional–structural plant model GreenLab. Four Chinese pine (Pinus tabulaeformis Carr.) trees were destructively sampled and were divided into two groups: high-density group and low-density group. First, the effects of density on organ dimensions and on organ relative mass were analysed based on experimental measurements. These were primary indicators of the plant response to competition. Second, the hidden parameters of the GreenLab model, as well as a tree-specific characteristic surface, were estimated using the data of total tree biomass for needle and wood compartments, for each of the four trees in parallel. The quality of the fitting is finally validated using data of individual organ mass at shoot level for the sampled branches. The Mann–Whitney Student’s t test showed that there were significant differences between the shoot attributes of the two groups for shoot diameter, shoot biomass and needle biomass. No significant difference was found for current year shoot lengths of the two groups. The parametric identification of the model allowed estimating and comparing the amount of biomass that was allocated to primary growth and to secondary growth in the two density conditions. It showed that biomass allocated to secondary growth (ring compartment) was the most strongly affected by density, and that the organ demand satisfaction ratio profiles of each of these trees were a relevant, integrated indicator of the tree state.     

A Functional and Structural Mongolian Scots Pine (Pinus sylvestris var. mongolica) Model Integrating Architecture, Biomass and Effects of Precipitation

Mongolian Scots pine (Pinus sylvestris var. mongolica) is one of the principal tree species in the network of Three-North Shelterbelt for windbreak and sand stabilisation in China. The functions of shelterbelts are highly correlated with the architecture and eco-physiological processes of individual tree. Thus, model-assisted analysis of canopy architecture and function dynamic in Mongolian Scots pine is of value for better understanding its role and behaviour within shelterbelt ecosystems in these arid and semiarid regions. We present here a single-tree functional and structural model, derived from the GreenLab model, which is adapted for young Mongolian Scots pines by incorporation of plant biomass production, allocation, allometric rules and soil water dynamics. The model is calibrated and validated based on experimental measurements taken on Mongolian Scots pines in 2007 and 2006 under local meteorological conditions. Measurements include plant biomass, topology and geometry, as well as soil attributes and standard meteorological data. After calibration, the model allows reconstruction of three-dimensional (3D) canopy architecture and biomass dynamics for trees from one- to six-year-old at the same site using meteorological data for the six years from 2001 to 2006. Sensitivity analysis indicates that rainfall variation has more influence on biomass increment than on architecture, and the internode and needle compartments and the aboveground biomass respond linearly to increases in precipitation. Sensitivity analysis also shows that the balance between internode and needle growth varies only slightly within the range of precipitations considered here. The model is expected to be used to investigate the growth of Mongolian Scots pines in other regions with different soils and climates.     

基于不同预测变量的天然椴树可加性地上生物量模型构建

森林生物量是森林生态系统的最基本数量特征,生物量数据是研究许多林业问题和生态问题的基础,因此,准确测定生物量对于计算碳储量以及研究气候变化、森林健康、森林生产力、养分循环等十分重要.目前,测算森林生物量常用的方法为生物量模型估算法.本研究基于小兴安岭地区和张广才岭地区97株实测生物量数据,建立了3个天然椴树立木可加性生物量模型系统(基于胸径的一元可加性生物量模型系统、基于胸径和树高的二元可加性生物量模型系统、基于最优变量的最优可加性生物量模型系统),采用非线性似乎不相关回归法进行参数估计,用加权方法解决模型的异方差问题,并采用“刀切法”进行模型检验.结果表明: 3种可加性生物量模型系统均能较好地对椴树各部分生物量进行拟合和预测(调整后确定系数R_a²>0.84,平均预测误差百分比MPE<8.5%,平均绝对误差MAE<16.3 kg,平均百分标准误差MPSE<28.5%),其中,树干和地上生物量的拟合效果优于树叶、树枝和树冠;在引入树高和树冠因子后,提高了模型的拟合效果和预测能力(R_a²提高0.01～0.04,MAE降低0.01～4.55 kg),缩小了预测值置信区间的范围,树干、树叶和地上生物量提高较多,树枝和树冠提高较少.总体来看,最优生物量模型系统效果最好,其次为二元生物量模型系统,再次是一元生物量模型系统,添加树高和树冠因子进行生物量模型的构建十分必要.     

陕西省不同气候区域油松人工林生物量和生产力的比较研究

本文初步研究了陕西省3个气候区域内7个地区的油松人工林生物量和生产力。根据55块标准地的295株伐倒木资料,建立了油松各器官生物量的估计方程。经研究比较不同区域油松人工林的生物量、年平均净初级生产量、现实生产量和叶片的干物质生产效率,结果表明,秦岭山地的油松林一般优于陕西北部的油松林,北亚热带和暖温带的油松林各项指标相差不大,但明显高于温带油松林。树干(带皮)生物量比例从南向北逐渐降低,树冠生物量比例从南向北逐渐增大。各调查区油松林分的林下植物种类不多,生物量约占群落总生物量的1%。林地凋落物重量在各地区之间差异很大,未分解层比例从南向北逐渐减小。经比较发现,陕西省大部分地区的油松人工林具有较高的生产力水平。     

东北林区4个天然针叶树种单木生物量模型误差结构及可加性模型

基于276株实测生物量数据,构建了东北林区红松、臭冷杉、红皮云杉和兴安落叶松4个天然针叶树种总量及各分项生物量一元、二元可加性生物量模型.采用似然分析法判断总量及各分项生物量异速生长模型的误差结构(可加型或相乘型),而模型参数估计采用非线性似乎不相关回归模型方法.结果表明: 经似然分析法判断,4个天然树种总量及各分项生物量异速生长模型的误差结构都是相乘型的,对数转换的可加性生物量可以被选用.各树种可加性生物量模型的调整后确定系数R_a²为0.85～0.99,平均相对误差为-7.7%～5.5%,平均相对误差绝对值<30.5%.增加树高可以显著提高各树种可加性生物量模型的拟合效果和预测能力,而且总量、地上和树干生物量模型效果较好,树根、树枝、树叶和树冠生物量模型效果较差.所建立的可加性生物量模型的预测精度为77.0%～99.7%(平均92.3%),可以很好地预估东北林区天然红松、臭冷杉、红皮云杉和兴安落叶松的生物量.
     

不同林分起源的相容性生物量模型构建

目前为止已有不同方法构建生物量相容性模型,但不同林分起源的生物量相容性模型很少报道。针对此问题,以150株南方马尾松(Pinus masson iana)地上生物量数据为例,利用比例平差法和非线性联立方程组法建立不同起源地上生物量以及干材、干皮、树枝和树叶各分项生物量相容的通用性模型。根据分配层次不同,两种方法又各自考虑总量直接控制和分级联合控制两种方案。从直径、树高、地径、枝下高和冠幅5个林分变量中选取不同的变量构建一元、二元和三元生物量模型,并利用加权最小二乘回归法消除生物量模型中存在的异方差性。结果为:比例平差法和非线性联立方程组法都能有效保证各分项生物量总和等于总生物量,模型预测精度满足要求。总体而言,非线性联立方程组方法比比例平差方法精度高,同时两种方法中总量直接控制法比分级联合控制法预测效果好;各分项生物量模型本身作为权函数能有效消除异方差;各分项对应的三元生物量模型预测精度最高,其次是二元生物量模型,最低是一元生物量模型,但这些差异不是很大。总之,为权衡考虑模型预测精度和调查成本,建议把直径和树高作为协变量利用总量直接控制非线性联立方程组法对不同起源生物量建模。     

General allometric equations and biomass allocation of <Emphasis Type="Italic">Pinus massoniana</Emphasis> trees on a regional scale in southern China

Applying allometric equations in combination with forest inventory data is an effective approach to use when qualifying forest biomass and carbon storage on a regional scale. The objectives of this study were to (1) develop general allometric tree component biomass equations and (2) investigate tree biomass allocation patterns for Pinus massoniana, a principal tree species native to southern China, by applying 197 samples across 20 site locations. The additive allometric equations utilized to compute stem, branch, needle, root, aboveground, and total tree biomass were developed by nonlinear seemingly unrelated regression. Results show that the relative proportion of stem biomass to tree biomass increased while the contribution of canopy biomass to tree biomass decreased as trees continued to grow through time. Total root biomass was a large biomass pool in itself, and its relative proportion to tree biomass exhibited a slight increase with tree growth. Although equations employing stem diameter at breast height (dbh) alone as a predictor could accurately predict stem, aboveground, root, and total tree biomass, they were poorly fitted to predict the canopy biomass component. The inclusion of the tree height (H) variable either slightly improved or did not in any way increase model fitness. Validation results demonstrate that these equations are suitable to estimate stem, aboveground, and total tree biomass across a broad range of P. massoniana stands on a regional scale.     

Evaluating the annual nature of juvenile rings in Bolivian tropical rainforest trees

Knowledge on juvenile tree growth is crucial to understand how trees reach the canopy in tropical forests. However, long-term data on juvenile tree growth are usually unavailable. Annual tree rings provide growth information for the entire life of trees and their analysis has become more popular in tropical forest regions over the past decades. Nonetheless, tree ring studies mainly deal with adult rings as the annual character of juvenile rings has been questioned. We evaluated whether juvenile tree rings can be used for three Bolivian rainforest species. First, we characterized the rings of juvenile and adult trees anatomically. We then evaluated the annual nature of tree rings by a combination of three indirect methods: evaluation of synchronous growth patterns in the tree- ring series, ¹⁴C bomb peak dating and correlations with rainfall. Our results indicate that rings of juvenile and adult trees are defined by similar ring-boundary elements. We built juvenile tree-ring chronologies and verified the ring age of several samples using ¹⁴C bomb peak dating. We found that ring width was correlated with rainfall in all species, but in different ways. In all, the chronology, rainfall correlations and ¹⁴C dating suggest that rings in our study species are formed annually.