森林生态系统碳循环模型研究进展
摘要
森林生态系统是地球陆地生物圈的主体，也是陆地表面最大的碳库，在全球碳循环研究中扮演着重要角色。准确地估算森林生态系统的碳汇储量，不仅有利于解释全球碳收支不平衡的问题，也有利于促进林业碳汇交易的快速发展。文中总结了森林生态系统碳循环实测与估算的主要方法，归纳了常用的森林生态系统碳循环预测模型，分析模型参数估计、评价方法及其不确定性来源，提出了利用数据同化技术进行非自治生态系统碳循环监测的研究展望。
关键词： 森林生态系统；碳循环；模型预测；数据同化
森林生态系统作为陆地生态系统的主体，在调控碳收支平衡、全球气候变化中都具有重要意义[1]。研究森林生态系统碳循环规律，不仅是解决科学问题、预测气候变化及实现碳汇管理的科学基础，也是我国碳排放外交谈判和制定节能减排行动方案的基本需求[2]。
森林生态系统碳循环实测与估算方法
1.1实测数据采集方法
研究生态系统碳蓄积和碳循环一般是从生物量和净初级生产力的估算开始的 ,采集数据的方法总体上可分为生物量清查法和涡度相关法[3]。生物量清查法包括生物量调查法和土壤调查。生物量调查法具体测定方法常按地上部分、枯落物和根系分别采用不同的方法，土壤调查通过土壤剖面和土钻法采集土壤样本，再通过干烧法或重铬酸钾氧化法测定土壤碳样本。
涡度相关法是采用三维超声风速仪测定林冠层与大气之间的湍流交换量的微气象学方法, 是在林冠上方直接测定二氧化碳的涡流传递速率 ,从而计算出森林生态系统吸收固定二氧化碳通量的方法[4]。与其他微气象学方法不同，涡度相关法只需要在一个参考高度上对二氧化碳浓度以及风速进行监测。大气中物质的垂直交换往往是通过空气的涡旋状流动来进行的 ,这种涡旋带动空气中不同物质包括二氧化碳, 向上或者向下通过某一参考面,二者之差就是所研究的生态系统固定或放出的二氧化碳量。
生物量清查法是研究森林生态系统碳蓄积的经典方法 ,并在较长时间尺度( 3～5年) 上研究生态系统碳交换方面得到很好应用。涡度相关法可研究较短时间( 时、日 、月等) 尺度内森林生态系统与大气间的碳交换量 , 是研究森林生态系统碳通量的过程与机制的国际通用方法。
1.2森林生态系统碳储量遥感估算
当前广泛应用的森林生物量遥感估算模型主要包括统计模型、 物理模型和过程模型[5]。统计模型是通过样地调查得到实地生物量数据，再与遥感影像数据进行回归分析或利用机器学习算法计算森林生物量。统计模型虽然简单易用，但是模型建立的统计关系不能反应气候条件的季节变化，因此基于统计模型的森林生物量估计都具有不确定性[6]。物理模型通过研究二向性反射与森林生物量之间的关系，利用遥感信息反演估算生物量，主要包括辐射传输模型和几何光学模型。过程模型可在不同时空尺度上模拟森林生态系统的主要过程，其主要驱动变量都可以利用遥感获取。利用遥感手段获取模型参数的方法改进了以往依靠经验确定模型参数的传统做法，促进了森林生态系统过程模型的发展[7]。
1.3森林生态系统碳通量遥感估算
观测森林生态系统碳通量，主要有地面站点观测和卫星遥感观测两种方法。地面站点观测精度高、易获取，但是如果需要大尺度大范围研究某一课题[8]，需要站点形成网络，虽然已经形成一些站点观测网络，但是其空间分布往往是离散的，不能像卫星遥感观测那样具备稳定、连续、大尺度观测的优点，利用遥感数据进行碳通量研究，有利于提高森林生态系统碳通量估算的准确性。
