沙地樟子松林生长三维动态建模和固碳潜力研究

森林是陆地生态系统中碳的主要储存库，北半球中、高纬度地区的森林是重要的碳汇。干旱、半干旱区的森林通过吸收CO2、降低地表反照率对局部气候的影响有着显著作用。樟子松是中国北方干旱、半干旱风沙地区防风固沙林的重要树种。森林植被动态模型是当前研究森林植被变化的重要研究手段。由于树木冠层结构和生理功能的时空变异性对树木个体获取光进行光合作用有着很大的影响，而现有森林动态模型简化了树木冠层结构和生物量的模拟，不能精确模拟树木生物量，不适合直接用作森林碳储量估算的研究工具。因此，本研究以沙地樟子松天然林为研究对象，通过野外观测和数学建模相结合的方法，根据森林动态模拟理论，基于精确模拟单株樟子松生长的功能-结构三维模型，构建空间直观的沙地天然樟子松林生长动态模型，并利用此模型预测和评价该区域沙地樟子松天然林生长和碳储量动态以及固碳潜力，该研究同时也可为干旱、半干旱区乔木植被碳储量的估算提供科学依据。

植物幼苗的空间位置对认识、模拟和预测森林生态系统的空间结构具有重要的影响和作用。本研究以呼伦贝尔沙地天然樟子松为研究对象，选择森林生长、更新和演替动态变化的最小单元——单株樟子松，通过野外观测和数学建模相结合的方法，利用樟子松散生单木天然更新特征，将精确模拟单株樟子松生长的功能-结构三维模型和樟子松天然更新苗的空间分布模型相结合，构建了单株尺度的具有清晰空间结构的沙地樟子松种群生长动态模型, 并评估了沙地樟子松天然林的碳密度和碳储量。主要研究结果如下：1）樟子松散生单木更新幼苗的距离分布符合Janzen-Connell假说，但具有明显的方向性。更新幼苗主要分布在方位角为0°-127°和216°-360°的两个区间中，平均扩散方向为北偏东16°。更新幼苗与母树的距离从0.37-10.95 m，平均扩散距离为5.37 m，幼苗密度在这个区域最高。樟子松幼苗建成要求具较低太阳辐射的微环境。常年没有遮荫的环境不适宜樟子松天然更新的完成。2）根据林地观测的沙地天然樟子松生长过程中结构和生物量动态变化数据，调整并校准了沙地天然樟子松功能-结构模型。基于直接测量或者拟合获得的参数，模型能描述天然樟子松生长过程中结构和生物量的动态变化。3) 樟子松生长天然更新模型由生长模块和更新模块两个部分组成。其中生长模块由同化物生产模拟、同化物分配模拟组成；更新模块由更新苗数量模拟、方向分布模拟和距离分布模拟组成。方向分布采用Von Mises分布模拟和距离分布采用Weibull分布模拟，根据实际观测的方向和距离数据，反求分布参数。根据蒙特卡罗随机模拟方法生成樟子松更新苗的空间分布特征，与实际观测的樟子松更新苗分布一致。4) 樟子松天然林生态系统的总碳密度为224.2 t hm-2，其中植被平均碳密度为59.6 t hm-2，凋落层平均碳密度为6.2 t hm-2，土壤和凋落层平均碳密度合计164.6 t hm-2。从所占比重来说，植被碳密度占整个樟子松天然林生态系统碳密度的26.6%，土壤和凋落层碳密度占生态系统总碳密度的73.4%。土壤碳库是樟子松天然林生态系统最主要的碳库。