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基于过程模型的气候变化对长白落叶松人工林净初级生产力的影响
解雅麟, 王海燕, 雷相东
植物生态学报    2017, 41 (8): 826-839.   DOI: 10.17521/cjpe.2016.0382
摘要   (926 HTML129 PDF(pc) (1426KB)(1386)  

气候变化对净初级生产力(NPP)会产生显著的影响, 但影响的方向和程度存在较大的不确定性。过程模型是揭示气候变化对森林生产力影响的重要工具。该文以吉林省四平、临江、白山等地10个林区30块长白落叶松(Larix olgensis)人工林固定样地为研究对象, 基于气候、土壤、林分生长等观测数据, 运用3-PG模型模拟了长白落叶松人工林NPP在一个轮伐期(40 年)内随林龄的动态变化, 以及在未来不同气候情景条件下NPP的变化情况。结果表明: 通过本地参数化后的3-PG模型模拟的长白落叶松林NPP为272.79-844.80 g·m-2·a-1, 与基于样地实测的NPP具有很好的一致性, 平均相对误差和相对均方根误差均小于12%。在未来CO2浓度、温度及降水同时增加的情景下, 长白落叶松林NPP明显增加。单独增加温度会减小长白落叶松林的NPP, 而降水及CO2浓度增加能够在一定程度上促进NPP的增加, 但降水增加的正效应明显弱于温度升高的负效应。参数敏感性分析表明: 生长最适温度、林分比叶面积达(年龄为0时比叶面积+成熟叶比叶面积)/2时的林龄、每次霜冻导致生产力流失天数是模型的关键参数。因此, 3-PG模型可以准确地模拟长白落叶松的NPP, 模拟结果可为应对气候变化的长白落叶松经营管理提供依据。


参数
Parameter

Value
分类
Category
来源
Source
生物量的分配关系和比例 Allometric relationships and partitioning
胸径2 cm树叶与干分配比 Foliage: stem partitioning ratio when DBH = 2 cm 1.00 A 本文拟合 Fitted in this study
胸径20 cm树叶与干分配比 Foliage: stem partitioning ratio when DBH = 20 cm 0.5 A 本文拟合 Fitted in this study
干生物量与胸径关系中常数值 Constant in the stem biomass and DBH relationship 0.007 3 A 本文拟合 Fitted in this study
干生物量与胸径关系中幂值 Power in the stem biomass and DBH relationship 3.409 A 本文拟合 Fitted in this study
净初级生产量分配给根的最大值 Maximum fraction of net primary productivity to roots 0.95 A 本文拟合 Fitted in this study
净初级生产量分配给根最小值 Minimum fraction of net primary productivity to roots 0.5 A 本文拟合 Fitted in this study
气温修正因子 Air temperature modifier
生长最低气温 Minimum air temperature for growth (℃) -25 L Xu et al., 2012
生长最适气温 Optimum air temperature for growth (℃) 17 L Sun et al., 2009
生长最高气温 Maximum air temperature for growth (℃) 27 L Xu et al., 2012
霜冻修正因子 Frost modifier
每次霜冻导致生产力流失天数 Production lost days per frost day (d) 1 C 默认参数 Default parameters
冠层结构和过程 Canopy structure and process
比叶面积 Specific leaf area (SLA)
年龄为0时比叶面积 Specific leaf area at age 0 (m2·kg-1) 12.93 L Song & Sun, 2012
成熟叶比叶面积 Specific leaf area for mature leaves (m2·kg-1) 5 L Song & Sun, 2012
年龄为(SLA0 + SLA1)/2比叶面积 Age at which specific leaf area = (SLA0 + SLA1)/2 8 L Song & Sun, 2012
光截获 Light interception
消光系数 Extinction coefficient 0.5 L Amichev et al., 2011
郁闭度年龄 Age at canopy cover (a) 5 L Gonzalez-Benecke et al., 2014
从林冠降水蒸发的最大比例 Maximum proportion of rainfall evaporated from canopy 0.15 C 默认参数 Default parameters
最大降水截留时叶面积指数 Leaf area index for maximum rainfall interception 5 C 默认参数 Default parameters
光合生产和呼吸 Photosynthesis production and respiration
冠层量子效率 Canopy quantum efficiency (mol·mol-1) 0.035 L Ma et al., 2008
净初级生产力/总初级生产力
Ratio of net primary productivity to gross primary productivity
0.47 L Liu et al., 2015
树枝在干中的比例 Fraction of stem biomass as branch and bark 0.15 L
林分初生时树枝占干生物量的比例 Fraction of branch and bark at age = 0 0.15 L Coops & Waring, 2011
林分成熟时树枝占干生物量的比例 Fraction of branch and bark for mature stands Coops & Waring, 2011
树枝占平均值时的林龄
Age at which fraction = (Branch and bark fraction at age = 0+Branch and
bark fraction for mature stands)/2
1.5 L Coops & Waring, 2011
立地初始化条件 Stand initialization
初始种植年 Years of initial plantation 1973-1983 M 本研究测定 Measurements in this study
初始密度 Initial stocking (trees·hm-2) 3300 M 本研究测定 Measurements in this study
海拔 Altitude (m) 230-751 M 本研究测定 Measurements in this study
纬度 Latitude (°) 41.61-43.88 M 本研究测定 Measurements in this study
肥力等级 Fertility rating 0.7 ± 0.1 M 本研究测定 Measurements in this study
土壤质地类型 Soil texture Clay loam M 本研究测定 Measurements in this study
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表3 长白落叶松人工林3-PG模型参数和初始数据
正文中引用本图/表的段落
气候变化对净初级生产力(NPP)会产生显著的影响, 但影响的方向和程度存在较大的不确定性。过程模型是揭示气候变化对森林生产力影响的重要工具。该文以吉林省四平、临江、白山等地10个林区30块长白落叶松(Larix olgensis)人工林固定样地为研究对象, 基于气候、土壤、林分生长等观测数据, 运用3-PG模型模拟了长白落叶松人工林NPP在一个轮伐期(40 年)内随林龄的动态变化, 以及在未来不同气候情景条件下NPP的变化情况。结果表明: 通过本地参数化后的3-PG模型模拟的长白落叶松林NPP为272.79-844.80 g·m-2·a-1, 与基于样地实测的NPP具有很好的一致性, 平均相对误差和相对均方根误差均小于12%。在未来CO2浓度、温度及降水同时增加的情景下, 长白落叶松林NPP明显增加。单独增加温度会减小长白落叶松林的NPP, 而降水及CO2浓度增加能够在一定程度上促进NPP的增加, 但降水增加的正效应明显弱于温度升高的负效应。参数敏感性分析表明: 生长最适温度、林分比叶面积达(年龄为0时比叶面积+成熟叶比叶面积)/2时的林龄、每次霜冻导致生产力流失天数是模型的关键参数。因此, 3-PG模型可以准确地模拟长白落叶松的NPP, 模拟结果可为应对气候变化的长白落叶松经营管理提供依据。
表3   长白落叶松人工林3-PG模型参数和初始数据
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