基于冠层叶龄时空格局的温带森林净初级生产力机理模型研究

Forest net primary productivity (NPP) is an important indicator for evaluating forest structure and function, and is a key index for quantifying forest productivity and quality. Estimating NPP accurately is very important for sustainable forest management. However, simulation results of current forest NPP mechanistic models not always agree well with the measurements. One of the most import reasons is that, almost all current NPP models emphasize on the effects of environmental factors on canopy photosynthetic capacity, and rarely consider the effect of leaf aging. In this research project, leaf ages of main tree species and their photosynthetic parameters (Vcmax, Jmax, Rd) will be observed in a temperate mixed forest in Changbai Mountain. After leaf-age spatiotemporal pattern in the canopy and changing trends of photosynthetic parameters with leaf aging are explained, leaf-age-affect dynamic functions of photosynthetic parameters will be built. With those functions coupled into our original forest NPP model, a new leaf-age-affect forest NPP model will be established. Implementation of this project will be crucial to assess the NPP of temperate forests accurately, and will provide better scientific supports to the sustainable forest management.

森林净初级生产力是衡量森林结构功能的重要指标，也是评价森林效益和森林质量的关键内容，其准确估算对森林资源的可持续经营和管理具有重要意义。现有的森林净初级生产力机理模型多强调森林生产力对环境要素的响应，极少考虑叶片生长进程——叶龄对光合生产能力的影响，这在很大程度上制约着森林生产力估算模型的科学性和准确性。本项目拟以长白山针阔混交林为研究对象，通过对冠层叶龄和光合生理参数的跟踪观测，探究森林冠层的叶龄时空格局，揭示叶龄对不同树种光合生理参数的影响规律，建立叶龄影响下的冠层光合生理参数动态子模型，并通过该子模型的引入，实现森林净初级生产力机理模型的优化。本项目的实施可为森林净初级生产力的准确评估和预测提供科学支撑，为森林资源管理决策提供理论依据。

准确估算森林净初级生产力对评价森林效益、质量及其可持续经营具有重要意义。以前的森林净初级生产力机理模型极少考虑了叶龄对光合生产能力的影响，制约着森林生产力估算模型的科学性和准确性。针对上述科学问题，本项目以长白山针阔混交林为研究对象，采用野外采集、机理分析和实证检验相结合的科学方法，对树种光合生理参数随叶龄变化规律及影响机制，以及树种叶龄及光合作用时空分布函数进行了研究，并在项目组原有模型的基础上，构建了基于冠层叶龄时空格局的森林净初级生产力模型。主要结果如下：.（1）对阔叶代表树种蒙古栎和针叶代表树种红松的叶龄分别以“日”和“月”进行度量，可以更细致地得到叶片光合能力时间动态及其影响机制。蒙古栎在爆芽后3日内，叶片的呼吸作用大于光合作用，不同生长时期光合能力差异高达458%。当年生针叶光合能力在冠层间无显著差异，在初期逐渐升高，中期达最大值，后期随叶片衰老逐渐降低，不同生长阶段间差异达107%。一年生针叶光合能力在整个生长季呈缓慢增长的趋势，总体变化不大，差异最高为18.3%。而针阔叶树种叶片比叶重、淀粉含量、N含量等参数对光合参数的影响机制在不同叶龄期间差异有所不同。.（2）通过对冠层不同树种光合参数和叶龄分布进行不同层次的划分，并对每层叶片以受光照叶片和被遮荫叶片进行区分，利用积温和光周期变量驱动的生长季指数（growing season index, GSI），确定了叶龄时空分布函数；并利用不同冠层叶片叶龄与氮含量、比叶重的关系，建立了叶龄影响下的光合生理参数动态模块，使用该模块对Vcmax的模拟结果与实际观测值的相关系数为0.63。.（3）改进后的基于冠层叶龄时空格局的森林净初级生产力模型对CO2通量的季节变化可以进行更好的模拟，模拟值与实测值的变化趋势基本一致。该模型解决了原有模型生长季初、末期模拟值偏高的问题。模拟值的精度也有明显提高，与实测值线性回归关系对比，改进后的模型斜率为0.788，相关系数为0.824。