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森林土壤的CO2排放通量是全球碳循環(huán)的最大組成部分之一。準(zhǔn)確估算森林土壤的CO2排放通量可以幫助我們更好地了解森林地區(qū)的碳循環(huán),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來氣候變化。然而,缺少亞熱帶森林地區(qū)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)極大地限制了我們對(duì)區(qū)域和全球尺度森林土壤CO2排放通量動(dòng)態(tài)的理解。
本研究采用自動(dòng)光腔衰蕩光譜法(CRDS)分析儀對(duì)中國(guó)南方典型亞熱帶森林枯水期土壤CO2排放通量進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明,土壤CO2的排放通量空間分布明顯受地形的影響較高,高值主要分布在海拔較高的10~25度斜坡和向陽(yáng)斜坡地區(qū)。
傳統(tǒng)上,土壤CO2排放通量是通過原位測(cè)量方法獲得,使用自動(dòng)封閉室法是測(cè)量森林碳通量最常用的途徑之一,已被證明可以有效地捕獲土壤CO2排放通量的高時(shí)間分辨率信息。原位測(cè)量目前主要分布在歐洲和北美等中高緯度地區(qū),對(duì)于低緯度地區(qū),如非洲和中國(guó)的熱帶和亞熱帶森林地區(qū),土壤CO2排放通量數(shù)據(jù)是相當(dāng)稀缺的。
近年來,雖然有一些研究致力于在野外測(cè)量的基礎(chǔ)上研究亞熱帶和熱帶林區(qū)土壤CO2排放通量的時(shí)間變化及其驅(qū)動(dòng)因素,但大多是地塊層面的研究,導(dǎo)致了全球碳預(yù)算的巨大不確定性。
實(shí)驗(yàn)采用光腔衰蕩光譜分析儀Picarro G2508搭配采用厚壁不銹鋼腔室(內(nèi)徑19.5cm,高度15cm)測(cè)量土壤CO2排放通量。該儀器可以同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量多種氣體通量(如CO2、CH4、N2O、NH3和H2O)。
此外,Picarro獨(dú)特的水汽校正算法可以自動(dòng)校正水汽引起的CO2濃度誤差。本研究分別在CHD和GY兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域測(cè)量了旱季的土壤CO2排放量(如上圖)。對(duì)于每個(gè)區(qū)域,每月進(jìn)行兩次測(cè)量。
本研究對(duì)中國(guó)南方典型亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)在旱季的土壤CO2的排放通量進(jìn)行了測(cè)量。
結(jié)果表明,它隨時(shí)間和空間有明顯的變化。并且在旱季土壤CO2排放通量的變化是由非生物因子(ST和SM)和生物因子(植被生產(chǎn)力)的變化驅(qū)動(dòng)。特別是旱季降水會(huì)影響土壤水分,從而直接決定亞熱帶森林土壤CO2通量。
在此基礎(chǔ)上,建立了基于遙感數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)隨機(jī)森林(RF)模型,對(duì)兩個(gè)研究區(qū)域的土壤CO2排放通量動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬,該模型在預(yù)測(cè)研究區(qū)域土壤CO2排放通量動(dòng)態(tài)方面表現(xiàn)出了良好的性能?;赗F模型,繪制了一個(gè)大型森林流域土壤CO2排放通量的時(shí)空格局,并進(jìn)一步研究了地形因素對(duì)流域土壤CO2排放通量的影響。高海拔地區(qū)、10 ~ 25度斜坡和向陽(yáng)坡土壤CO2排放通量較高;在模擬亞熱帶森林土壤CO2排放通量時(shí),未來的研究有必要考慮不同地形因素的影響。
雖然提出的RF模型表明,結(jié)合RS數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法在預(yù)測(cè)和估算亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放通量方面具有很高的潛力,但利用RS監(jiān)測(cè)亞熱帶和熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放通量仍處于探索階段,因此我們的研究提供了一些初步的參考和評(píng)價(jià)結(jié)果。未來還需要更多的實(shí)地觀測(cè)來進(jìn)行模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證。
此外,衛(wèi)星遙感的高空間(如Landsat和Sentinel)分辨率數(shù)據(jù)與時(shí)間(如MODIS)分辨率數(shù)據(jù)的融合,可能為提高亞熱帶和熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放通量監(jiān)測(cè)精度提供新的思路。
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