文章目录

摘要

Abstract

缩略语表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

    1.2.1 森林生产力的研究概述

    1.2.2 森林生产力的计量方法

    1.2.3 马尾松生产力影响因素

1.3 研究目标、内容和技术路线

    1.3.1 研究目标

    1.3.2 主要研究内容

    1.3.3 研究技术路线

2 研究区概况及研究对象

2.1 地理位置

2.2 气候特点

2.3 地质地貌

2.4 土壤条件

    2.4.1 北亚热带黄棕壤

    2.4.2 中亚热带红壤

    2.4.3 南亚热带砖红壤性红壤

2.5 马尾松的生物学和生态学特性

3 基于生物量累积的马尾松生产力空间分异及影响因素

3.1 引言

3.2 生物量和生产力数据库建立

3.3 生产力影响因素

    3.3.1 林分特征

    3.3.2 气候条件

    3.3.3 土壤性质

3.4 数据统计分析

3.5 结果与分析

    3.5.1 数据库林分特征统计

    3.5.2 马尾松NPP统计特征

    3.5.3 马尾松NPP的空间分异

    3.5.4 马尾松NPP影响因素分析

    3.5.5 马尾松分布区环境条件的空间变异

3.6 讨论

    3.6.1 马尾松NPP的影响因素

    3.6.2 纬度对马尾松NPP的影响

    3.6.3 不确定性分析

3.7 小结

4 基于树木年代学的马尾松生产力影响因素及空间分异

4.1 引言

4.2 数据源与研究方法

    4.2.1 马尾松“年轮-气候”关系的数据库建立

    4.2.2 数据库基本信息

    4.2.3 关键气候要素的识别及其空间分异

    4.2.4 样地气候特征比较

    4.2.5 敏感性分析

    4.2.6 统计分析方法

4.3 结果与分析

    4.3.1 数据库年表统计特征

    4.3.2 马尾松生长对气温和降水的敏感性对比

    4.3.3 马尾松年轮宽度与月均温的关系

    4.3.4 马尾松年轮宽度与月降水量的关系

    4.3.5 基于关键气候要素的样地空间分异

    4.3.6 关键气候要素的空间分异

    4.3.7 影响马尾松“年轮-气候”关系的样地气候特征识别

4.4 讨论

    4.4.1 马尾松生长对气温和降水响应的敏感性

    4.4.2 影响马尾松生长的关键气候要素

    4.4.3 影响马尾松“年轮-气候”关系的样地气候特征

    4.4.4 滞后效应

    4.4.5 创新与不足

4.5 小结

5 基于样地实测的马尾松生产力梯度变异及影响因素

5.1 引言

5.2 研究方法

    5.2.1 样地设置与选择

    5.2.2 生产力的测定方法

    5.2.3 土壤样品的采集与测定方法

    5.2.4 气候变量

    5.2.5 数理统计分析

5.3 结果与分析

    5.3.1 马尾松生产力及其影响因素在气温梯度的变化

    5.3.2 马尾松生产力及其影响因素在降水梯度的变化

    5.3.3 马尾松生产力及其影响因素在密度梯度的变化

    5.3.4 马尾松生产力及其影响因素在林龄梯度的变化

    5.3.5 马尾松生产力影响因素的综合分析

5.4 讨论

    5.4.1 气候条件对马尾松生产力的影响

    5.4.2 林分特征对马尾松生产力的影响

    5.4.3 马尾松生产力影响因素的对比验证

5.5 小结

6 基于3-PG模型的马尾松生产力模拟预测

6.1 引言

6.2 研究材料与方法

    6.2.1 研究区概况

    6.2.2 3-PG模型原理

    6.2.3 模型参数

    6.2.4 模拟精度评价

6.3 结果与分析

    6.3.1 模型拟合及验证

    6.3.2 马尾松NPP对未来气候变化情景的响应

6.4 讨论

    6.4.1 区域尺度马尾松NPP的模拟

    6.4.2 马尾松NPP对气候变化的响应

6.5 小结

7 主要结论及展望

7.1 主要结论

7.2 特色与创新

7.3 不足与展望

参考文献

附录

附录 Ⅰ.区域尺度马尾松生物量数据库

附录 Ⅱ.基于树木年代学的马尾松“年轮-气候”关系数据库

附录 Ⅲ.马尾松“年轮-气候”关系数据库5 个随机子集的敏感性分析结果

攻读博士期间论文成果与学术研究

致谢

文章摘要:自工业革命以来,全球CO₂浓度急剧上升,气候变暖给人类社会的发展及生产生活带来了严重的影响。森林是陆地生态系统的重要组成部分,也是最重要的碳库,在调节全球碳平衡、缓解温室气体浓度上升方面发挥着不可替代的作用。森林生产力是评估森林固碳能力的重要指标之一,它会受到众多生物和非生物因素的影响。在全球气候变化的大背景下,了解森林生产力在多种时空尺度下对各种因素的响应规律对于森林碳循环研究及碳汇管理政策的制定具有重要意义。本文以我国南方地区重要的人工林造林树种马尾松为研究对象,以“规律探索-实测验证-模型驱动-情景预测”为研究思路,基于大量研究文献构建了我国南方区域尺度的马尾松树干、树枝、树叶、树根、地上部分和乔木层生产力数据库和基于树木年代学的“年轮-气候”关系数据库,基于生产力数据库并结合全国1 km空间分辨率的土壤数据和气象插值数据探讨了马尾松生产力在经纬度和海拔上的空间分异规律与影响因素,并基于树木年轮学分析了马尾松径向生长的季节性气候影响因素及其空间分异规律,揭示了马尾松生产力空间分异特征及其形成原因。根据文献荟萃分析结果分别调查了马尾松生产力关键影响因素的野外典型样地,分析和验证了气温、降水、林分密度和林龄对马尾松生产力的影响;在利用文献数据库和野外实测数据对3-PG（Physiological Principles Predicting Growth）生产力模型进行了区域尺度的马尾松参数化的基础上,模拟了马尾松生产力对未来不同气候情景的响应,以期为马尾松林的科学经营与碳汇管理提供科学依据。本研究取得的主要结论如下:（1）基于区域尺度马尾松生产力数据库的荟萃分析表明,各器官的净初级生产力均表现出了较大的变化幅度,其中树干为0.29～8.71 t·hm^-2·a^-1、树枝为0.10～2.11t·hm^-2·a^-1、树叶为0.02～2.31 t·hm^-2·a^-1、树根为0.07～2.11 t·hm^-2·a^-1,地上部分（树干、树枝和树叶）为0.88～10.81 t·hm^-2·a^-1,乔木层为1.04～13.13 t·hm^-2·a^-1。马尾松器官生产力平均值由大到小依次为:树干(3.51 t·hm^-2·a^-1)>树根(0.81 t·hm^-2·a^-1)>树枝(0.69 t·hm^-2·a^-1)>树叶(0.34 t·hm^-2·a^-1)。马尾松各器官生产力均随着纬度的升高而表现出显著的降低趋势,而在经度和海拔上未表现出明显的空间分异规律。（2）区域尺度马尾松生产力受到气候条件、土壤性质和林分特征的共同影响,且这些因素对各器官生产力的作用机制和效应大小均有所不同。总体来看,年均温、年降水量、林龄、林分密度、土壤有效磷和有机质含量均表现出与马尾松生产力显著的正相关关系,而7～8月平均高温与马尾松生产力呈显著的负相关关系,树叶生产力与林龄也呈显著的负相关关系。方差分解结果表明,林分特征和气候条件对马尾松生产力的影响比土壤性质的影响更大。研究区内各土壤理化指标的空间变异规律比较复杂,仅土壤有效磷、p H和容重在纬度上表现出了微弱的变异趋势,而降水量的空间变异幅度也相对有限且基本能满足马尾松生长所需。值得注意的是,与马尾松生产力呈显著负相关的7～8月平均高温的空间变异幅度较小（27.94～33.45℃）,说明整个研究区内的马尾松生长均会受到夏季高温的抑制;同时,由于年均温和12月低温随着纬度的降低而显著升高,分布在南亚热带地区的马尾松比中亚热带和北亚热带地区马尾松的生长季更长,因此表现出更高的生产力。可见温度是马尾松生产力在纬度上呈现分异现象的关键因素。（3）基于“年轮-气候”关系数据库的季节性气候对马尾松生长影响的分析表明,在马尾松生长当年及上一年间的各月气候变量中,当年的1～3月气温、6～8月气温和7～9月降水是影响马尾松生产力的关键气候因素。1～3月气温和7～9月降水在绝大多数样点表现出对马尾松生长的促进作用,而6～8月气温则表现为对马尾松生长的抑制作用。马尾松生长主要受当年气温和降水的影响,上一年气候条件对马尾松生长影响的“滞后效应”相对有限。研究样点的温度季节性变幅、温度年度变幅和最干季平均温度对马尾松“年轮-气候”关系的形成具有重要影响。马尾松年轮宽度与6～8月气温表现出显著正相关、负相关和不显著关系的样地在经纬度和海拔上均不存在明显的空间分异现象,因此,季节性气候对马尾松生长影响的分析同样反映出夏季高温对马尾松生产力的抑制效应遍布于整个树种分布区。（4）针对马尾松生产力关键影响因素（气温、降水、林分密度和林龄）的野外样地实测分析结果表明,在同一降水量等级的不同气温梯度上,马尾松生产力从大到小依次为:广西凭祥马尾松林（年均温:22.30℃）>湖南会同马尾松林（年均温:17.50℃）>湖北恩施马尾松林（年均温:11.16℃）,表明马尾松生产力随着样点年均温的升高而升高;在同一气温等级的不同降水梯度上,马尾松生产力从大到小依次为:湖南会同（年降水量:1349.71 mm）>江西千烟洲（年降水量:1617.34 mm）>湖北太子山（年降水量:1116.65 mm）,可见中等年降水量的会同样点具有最高的生产力,而高年降水量的千烟洲样点和低年降水量的太子山样点的马尾松生产力均较低,且二者间差异不显著。随着林分密度的增加,马尾松树高、胸径以及单株木的各器官生物量均显著减小,但林分生产力却随着密度的增加而增加。马尾松单株木生物量随着林龄的增加而变大,中龄林和近熟林生产力无显著性差异,它们均低于过熟林的生产力。样地实测结果总体上与文献荟萃分析结果相吻合,反映了气候条件和林分特征对马尾松生产力的作用规律,也证实了气温对马尾松生产力在纬度上的空间异质性起着重要作用。但各种土壤理化指标在研究样点和不同深度的土层间没有表现出规律性的变异趋势,对马尾松生产力的影响也与荟萃分析得到的结果有所区别,因此土壤性质对马尾松生产力的影响比较复杂且具有一定的不确定性。（5）在基于文献资料数据库和野外样地实测数据对3-PG生产力模型进行区域尺度的马尾松参数化后,运用模型对所有典型样地马尾松的树干及树枝、树叶、树根、地上部分和乔木层总生产力进行了模拟,结果表明马尾松乔木层和地上部分生产力的模拟值与实测值的相关性较高,决定系数R²分别达到了0.77和0.70,相对均方根误差RMSE分别为0.85和0.79 t·hm^-2·a^-1,说明3-PG模型可以较好地模拟各样点的乔木层和地上部分生产力。但模型对树叶和树根生产力的模拟精度不高,这2个器官的生产力往往会被低估,而与之对应的是对树干和树枝生产力的过高估计。尽管模型对各样点马尾松乔木层和地上部分生产力的模拟效果较好,但树木的生物量分配模式受到气温、降水、光照和土壤条件等众多因素的复杂影响,而马尾松分布区内的生态环境复杂且变幅较大,因此在区域尺度上对模型的生物量分配参数进行统一设定来实现对多个样点马尾松各器官生产力的准确模拟会比较困难。（6）以1981～2010年的气候为基准,利用3-PG生产力模型模拟了各实测样点马尾松乔木层生产力对未来2081～2100年间大气CO₂、气温和降水变化的响应。结果表明,研究区内各样点马尾松生产力对不同气候情景的响应规律总体上趋于一致,即马尾松生产力随气温的升高而降低,随CO₂浓度和降水量的升高而升高,但降水量对马尾松生产力的影响很小。在未来CO₂浓度、气温和降水共同变化的情景下,CO₂浓度上升和降水量增加给马尾松生长带来的正效应大于气温上升带来的负效应,因此马尾松生产力总体上呈现出上升趋势。但南亚热带地区广西凭祥样点的马尾松生产力受气温升高所引起的负效应影响较大,在典型浓度路径高排放情景（RCP 8.5）下的生产力模拟值低于基准气候下的生产力,这与其他4个中亚热带和北亚热带地区实测样点的马尾松生产力对该气候情景的正响应规律有所不同。

文章关键词:

作者单位:黄鑫 

论文DOI: 10.27158/d.cnki.ghznu.2021.000186

论文分类号: S791.248

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文章来源：广西林业科学 网址: http://gxlykx.400nongye.com/lunwen/itemid-139417.shtml

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