基于遙感模型和地面觀測的河口濕地碳通量研究.pdf

1、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球氣候變化研究的核心內(nèi)容之一。河口濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分,同時作為一種重要的濕地類型,具有其獨特的物質(zhì)循環(huán)和能量收支方式,并且對人為或自然的干擾極為敏感。相對于其它陸地生態(tài)系統(tǒng),有關(guān)河口濕地碳循環(huán)的研究還比較少,對其過程以及驅(qū)動因子還了解甚少。渦度協(xié)方差技術(shù)(eddy covariance)可以提供長期連續(xù)的觀測數(shù)據(jù),但其觀測結(jié)果本身卻只能代表特定生態(tài)系統(tǒng)在特定環(huán)境中的碳通量特征,不能直接應(yīng)用在其它區(qū)

2、域。遙感是目前進行生態(tài)系統(tǒng)變化的大尺度、連續(xù)和定量觀測的唯一可行的手段,遙感數(shù)據(jù)為河口濕地碳通量的模擬及尺度推繹提供了可能。本研究基于崇明東灘建立的長期定位野外觀測站,采用渦度協(xié)方差技術(shù)對長江河口濕地的二氧化碳通量進行直接監(jiān)測,為河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量及其變化提供精確估計。本研究嘗試融合渦度協(xié)方差技術(shù)和遙感技術(shù),評估應(yīng)用遙感模型估算河口濕地碳通量的可行性,并嘗試建立一種適合河口濕地生態(tài)系統(tǒng)特點的碳通量估算模型,同時揭示河口濕地的潮汐過

3、程對生態(tài)系統(tǒng)的碳收支平衡和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響。主要結(jié)論如下:
　　 1)通過基于MODIS計算的光譜指數(shù)與微氣象因子[如水汽壓虧缺(VPD)、土壤含水量(VWC)、土壤溫度等]之間關(guān)系的分析,研究發(fā)現(xiàn)遙感光譜指數(shù)能較好地反映研究區(qū)內(nèi)主要微氣象因子的時間動態(tài),并準確地捕獲了許多微氣象因子在通量站點間的空間差異。這些空間差異主要是由站點的植被組成和覆蓋不同及離海距離的遠近所導(dǎo)致的。在近海站點,地表水分指數(shù)(LSWI)和增強植被指

4、數(shù)(EVI)被用來解釋主要微氣象因子季節(jié)變化,相對于距離海水較遠的站點,LSWI被用來解釋主要微氣象因子的時間變化。本研究提示,用遙感數(shù)據(jù)對地表參數(shù)的反演需要根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性選用不同的遙感參數(shù)。
　　 2)通過對從大壩到近海的沿東-西橫斷面上6個樣地的EVI和LSWI的時間序列分析,研究發(fā)現(xiàn)EVI、LSWI以及二者之間的差值(DVEL)均能反映出橫斷面上的植物群落類型和分布,及地表水分的變化特征,并可判斷衛(wèi)星過境前后各樣

5、地受潮水淹沒狀況。然而,遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測的難度會隨著背景復(fù)雜性的增加而增大(如從近海到大壩)。鑒于河口濕地土壤背景變化多樣,EVI能用于分析植被,但卻難于扣除水分的影響。因此,本文構(gòu)建一個融合植被信息和水分信息的綜合濕地指數(shù),并發(fā)現(xiàn)年均綜合濕地指數(shù)可以更好地反映濕地的植被演替過程,例如當基于EVI的綜合濕地指數(shù)(EVI/LSWI)小于0.25時,該區(qū)域處在演替發(fā)展前期,表現(xiàn)為無任何植被覆蓋,經(jīng)常被潮水淹沒;當綜合濕地指數(shù)介于0.25～0.7

6、5之間時,該區(qū)域則處在演替先鋒階段,表現(xiàn)為稀疏的植被覆蓋和大面積的裸地等。
　　 3)受潮汐作用的影響,河口濕地生態(tài)系統(tǒng)有著獨特的碳循環(huán)過程,即橫向碳交換以及濕地土壤在厭氧條件下甲烷氣體的釋放。可見,用于非濕地的經(jīng)典遙感模型(光能利用效率(LUE)模型)不能直接應(yīng)用于河口濕地初級生產(chǎn)力(GPF)的估算。本研究結(jié)果表明LUE模型估算的GPP和碳通量塔觀測的GPP之間存在的差異無法完全用觀測誤差來進行解釋,模型的擬合度也很低(R2=

7、0.55),這遠遠低于文獻報導(dǎo)的關(guān)于該模型在森林、草原等生態(tài)系統(tǒng)中估算GPP的準確性(R2在0.85以上)。由此,我們將潮汐作用所可能導(dǎo)致的橫向碳交換及濕地土壤由于厭氧環(huán)境下產(chǎn)生的甲烷氣體釋放的影響加入到模型中,并選擇地表水分指數(shù)(LSWI)、蒸發(fā)蒸騰量(ET)和潮高(TH)作為其解釋變量,模型的擬合度得到明顯改進。改進后的模型估算的GPP與碳通量塔觀測的GPP之間匹配良好(R2=0.88)。
　　 4)為了分析遙感數(shù)據(jù)估算NE

8、E及模擬環(huán)境梯度上NEE變化特征的可行性,本研究結(jié)合通量塔測量的NEE數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),采用分段回歸模型估算NEE,其中模型的解釋因子為地表反射率(7個波段)和光譜指數(shù)[NDVI、EVI、LSWI及LSWI(2100)],這些解釋因子均來自MODIS的8d合成數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示模型估算的NEE與實測的NEE之間匹配良好(R2=0.78),這說明用MODIS數(shù)據(jù)來估算NEE是可行的,而且模型估算的NEE值能從整體上反映研究范圍內(nèi)的NEE時空變異

9、性以及受不同驅(qū)動因子而呈現(xiàn)的NEE變化特征。高潮帶體現(xiàn)了由植被季節(jié)性變化而驅(qū)動的碳循環(huán)過程,而低潮帶體現(xiàn)了因潮汐活動等因子驅(qū)動的碳循環(huán)過程。
　　 5)本研究結(jié)合基于渦度協(xié)方差技術(shù)的通量塔測量的數(shù)據(jù),全面探討了遙感數(shù)據(jù)在河口濕地碳循環(huán)的影響因子分析以及碳通量估算中的可行性及研究方法上的改進。研究表明本研究提出的模型在河口濕地GPP和NEE估算以及其季節(jié)性動態(tài)的定量評價上具有一定的潛力,這為全球變化背景下的河口濕地碳通量閉合研究提