一种针对气候干扰变化的林分生长研究方法

1.本发明属于林分生长技术领域，更具体地说，尤其涉及一种针对气候变化的林分生长研究方法。


背景技术：

2.21世纪以来，随着计算机、网络、遥感技术和3d信息技术等学科的高速发展，这些技术也逐步成为林业科学与应用的研究热点。“数字林业”和“智慧林业”建设战略的提出，更是极大的加快了林业信息化的脚步，使林业管理从简单的信息管理朝经营决策方向发展。林分生长三维结构的动态模拟能够描述林分动态变化时的三维可视化图形，立体地反映林分的空间格局、林地利用状况，更直观地模拟现实林分生长过程中的动态变化。可以更详细、更准确、更直观明了地反映林分信息，以便科学地评价森林经营效果，使森林在人为控制下发挥最大的经济、生态、社会和文化效益,人们对森林实施经营管理，提高森林经营的集约程度，充分发挥森林的效益。林分生长三维结构动态模拟能帮助人们研究森林生长演化的科学规律，从而定制正确、合理的森林经营方案，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
3.在当前全球变化背景下，森林面临着社会发展、气候变化、环境破坏等多重干扰，导致生产力下降、生态系统稳定性弱化等生态功能退化问题。特别是全球亚热带地区均面临着针叶林比重下降、阔叶林比重上升的问题，这一变化对未来亚热带地区森林植物多样和生态安全可能有重大影响，因此，继续提供一种针对气候干扰变化的林分生长研究方法，以实现亚热带森林的可持续经营。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种针对气候干扰变化的林分生长研究方法，把森林冠层光合作用这一最重要的生理过程整合到林隙模型中，能有效地提高模型预测的准确性。而且，除了试验样地调查获取森林参数外，还利用了植物表型分析技术和空间技术测定森林冠层光合作用、森林生长状况、森林空间结构等指标，能有效提高森林参数的科学性和数据的准确度，从而实现亚热带森林的可持续经营。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种针对气候干扰变化的林分生长研究方法，包括如下步骤：
7.s1、建立森林分类系统，根据电子信息技术影像的信息可辨识性，结合传统森林分类系统，建立面向遥感的森林分类体系；
8.s2、分析森林分类体系中的针叶林逐步阔叶化的主要因素和机制，并根据立地条件，利用亚热带森林可持续经营技术和管理措施，建立试验样地；
9.s3、调查样地内林分起源、林分组成、立木株数、林分空间结构数据分析、实测林分的平均年龄、平均直径、平均树高、侧枝夹角、侧枝粗度、针叶密度、株优势木平均高、疏密度和蓄积量，以及林窗的大小和数量，获取不同季节、不同气候条件下样地内森林生物量、树
种组成、林分结构、受损情况；利用植物表型分析技术和空间技术分别测定自然条件和模拟试验下森林冠层光合作用、森林生长状况、森林空间结构这些森林群体指标；
10.s4、环境数据的获得与未来环境因子预测，从各地气象局获得试验基地相关的气象站的气候因子数据，并采用高分辨率气候模型climateap生成研究区未来的气候数据，通过历年数据、经纬度坐标和海拔生成试验区任意点的无尺度月、季、年和未来某时间节点的高精度气候数据集；
11.s5、根据数据集的相关研究结果建立数学模型，分析亚热带地区针叶林退化的主要干扰因子及其退化机制，并利用模型预测未来亚热带森林随气候变化的演变情况，以林窗模型为基础，采用自下而上的方法，将光合模型和树木生长模型及林窗模型与森林空间结构数据、树木种间和种内竞争数据有机耦合在一起，形成一个新的森林生理
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生物量
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生长量模型(fpbg模型)；
12.s6、根据试验样地的实测光合数据和森林资源调查样地的数据对模型进行参数化和验证，最后以上述样地的数据作为模型的输入数据，以模拟的气候变化情景作为驱动变量运行fpbg模型，对所得结果进行分析研究，模拟结果能够揭示气候变化过程中森林生态系统的结构、组成和生产力的变化，进而分析全球气候变化对森林生态系统的影响。
13.作为优选的技术方案，步骤s1中的所述森林分类体系包括一级分类和二级分类，一级分类将森林划分为针叶林、阔叶林和针阔叶混交林三类；二级分类根据生境的差异将针叶林划分为暖性针叶林和温性针叶林；根据季相差异将阔叶林划分为常绿阔叶林、常绿落叶、阔叶混交林及落叶阔叶林。
14.作为优选的技术方案，将基于相邻木关系的空间结构参数角尺度、混交度、大小比数这些空间结构指数应用到针叶林、针阔混交林林地的空间结构分析中，对试验样地收集的调查数据的空间结构参数一元分布和二元分布进行研究比较，得取试验样地在宏观层次和微观层次上的空间结构的特征及动态变化情况。
15.作为优选的技术方案，步骤s5中所述数学模型是以林窗动态模型为基础，模拟森林生态系统的结构、功能和动态，模拟结果包括森林结构特征、树木竞争、森林植物多样性、生产力和生物量。
16.作为优选的技术方案，步骤s4中的所述climateap模型是在climatewna模型基础上建立的适用于亚太地区的气候模型，且climateap模型采取双线性插值和动态局部回归的方法，将气候数据降尺度为无尺度的点数据。
17.作为优选的技术方案，所述climateap模型生成了9个环境因子数据：年均气温、最热月平均气温、最冷月平均气温、大于5℃年积温、年均降水量、湿季降水量、干季降水量、降水ph值、小于0℃年积温。
18.作为优选的技术方案，步骤s5中的所述数学模型主要包括气候模型(含酸雨)和森林模型，因为气候变量是林窗模型的主要驱动变量，所以林窗模型可以直接用于气候变化对森林影响的数据收集。
19.作为优选的技术方案，步骤s5中的所述fpbg模型的林隙模型部分与传统的林隙模型基本一致，光模型采用forska模型，对林木之间竞争对林木生长的影响的模拟采用jabowa模型，然后根据野外的实测光合数据和森林资源调查样地的数据对模型进行参数化和验证。
20.作为优选的技术方案，步骤s3中的所述林分空间结构数据分析是对对林分空间结构的评价采用混交度(m)、大小比(u)和角尺度(w)这3个基础林分空间结构参数，以及包含这3个参数信息的林分整体空间结构指标，即林分空间结构指数(fssi)和林分空间结构距离(fssd)，共5个指标来度量。
21.本发明的技术效果和优点：通过把森林冠层光合作用这一最重要的生理过程整合到林隙模型中，能有效地提高模型预测的准确性；其次，除了试验样地调查获取森林参数外，还利用植物表型分析技术和空间技术测定森林冠层光合作用、森林生长状况、森林空间结构等指标，有效提高森林参数的科学性和数据的准确度，从而实现亚热带森林的可持续经营。
附图说明
22.图1为本发明针对气候干扰变化的林分生长研究方法的流程图；
23.图2为本发明针对气候干扰变化的林分生长研究方法的数学模块驱动框图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例1
26.请参阅图1
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2，本发明提供一种针对气候干扰变化的林分生长研究方法，包括如下步骤：
27.s1、建立森林分类系统，根据电子信息技术影像的信息可辨识性，结合传统森林分类系统，建立面向遥感的森林分类体系；
28.s2、分析森林分类体系中的针叶林逐步阔叶化的主要因素和机制，并根据立地条件，利用亚热带森林可持续经营技术和管理措施，建立试验样地；
29.s3、调查样地内林分起源、林分组成、立木株数、林分空间结构数据分析、实测林分的平均年龄、平均直径、平均树高、侧枝夹角、侧枝粗度、针叶密度、株优势木平均高、疏密度和蓄积量，以及林窗的大小和数量，获取不同季节、不同气候条件下样地内森林生物量、树种组成、林分结构、受损情况；利用植物表型分析技术和空间技术分别测定自然条件和模拟试验下森林冠层光合作用、森林生长状况、森林空间结构这些森林群体指标；
30.s4、环境数据的获得与未来环境因子预测，从各地气象局获得试验基地相关的气象站的气候因子数据，并采用高分辨率气候模型climateap生成研究区未来的气候数据，通过历年数据、经纬度坐标和海拔生成试验区任意点的无尺度月、季、年和未来某时间节点的高精度气候数据集；
31.s5、根据数据集的相关研究结果建立数学模型，分析亚热带地区针叶林退化的主要干扰因子及其退化机制，并利用模型预测未来亚热带森林随气候变化的演变情况，以林窗模型为基础，采用自下而上的方法，将光合模型和树木生长模型及林窗模型与森林空间结构数据、树木种间和种内竞争数据有机耦合在一起，形成一个新的森林生理
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生物量
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长量模型(fpbg模型)；
32.s6、根据试验样地的实测光合数据和森林资源调查样地的数据对模型进行参数化和验证，最后以上述样地的数据作为模型的输入数据，以模拟的气候变化情景作为驱动变量运行fpbg模型，对所得结果进行分析研究，模拟结果能够揭示气候变化过程中森林生态系统的结构、组成和生产力的变化，进而分析全球气候变化对森林生态系统的影响。
33.其中，步骤s1中的所述森林分类体系包括一级分类和二级分类，一级分类将森林划分为针叶林、阔叶林和针阔叶混交林三类；二级分类根据生境的差异将针叶林划分为暖性针叶林和温性针叶林；根据季相差异将阔叶林划分为常绿阔叶林、常绿落叶、阔叶混交林及落叶阔叶林。
34.其中，将基于相邻木关系的空间结构参数角尺度、混交度、大小比数这些空间结构指数应用到针叶林、针阔混交林林地的空间结构分析中，对试验样地收集的调查数据的空间结构参数一元分布和二元分布进行研究比较，得取试验样地在宏观层次和微观层次上的空间结构的特征及动态变化情况。
35.其中，步骤s5中所述数学模型是以林窗动态模型为基础，模拟森林生态系统的结构、功能和动态，模拟结果包括森林结构特征、树木竞争、森林植物多样性、生产力和生物量。
36.其中，步骤s4中的所述climateap模型是在climatewna模型基础上建立的适用于亚太地区的气候模型，且climateap模型采取双线性插值和动态局部回归的方法，将气候数据降尺度为无尺度的点数据。
37.其中，所述climateap模型生成了9个环境因子数据：年均气温、最热月平均气温、最冷月平均气温、大于5℃年积温、年均降水量、湿季降水量、干季降水量、降水ph值、小于0℃年积温。
38.其中，步骤s5中的所述数学模型主要包括气候模型(含酸雨)和森林模型，因为气候变量是林窗模型的主要驱动变量，所以林窗模型可以直接用于气候变化对森林影响的数据收集。
39.其中，步骤s5中的所述fpbg模型的林隙模型部分与传统的林隙模型基本一致，光模型采用forska模型，对林木之间竞争对林木生长的影响的模拟采用jabowa模型，然后根据野外的实测光合数据和森林资源调查样地的数据对模型进行参数化和验证。
40.其中，步骤s3中的所述林分空间结构数据分析是对对林分空间结构的评价采用混交度(m)、大小比(u)和角尺度(w)这3个基础林分空间结构参数，以及包含这3个参数信息的林分整体空间结构指标，即林分空间结构指数(fssi)和林分空间结构距离(fssd)，共5个指标来度量。
41.实施例2
42.在试验样地的模拟试验中采用模拟酸雨的设计，试验分为断根与不断根两个处理组，每组设置对照(ph 4.5)、低强度酸(ph 4.0)、中强度酸(ph 3.25)和高强度酸(ph 2.5)这4个ph梯度，按照so2
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4和no3
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的比例5∶1配制模拟酸雨。
43.实施例3
44.步骤s3中针对调查样地内参数，可直接收集植物种间的竞争力分析得出的数据，具体操作为：在不同林地内设置竞争范围，测定对象木和竞争木的胸径、高度及与树木间的
距离，在不同林地依据样地中林隙的半径、上层树的影响范围和样地的树高及冠幅这些指标来确定竞争范围，并把林地内主要针叶树、阔叶树选定对象木和竞争木，并进行标记以免重复，测量竞争木的胸径、高度及与对象木的距离，针叶树、阔叶树的种内和种间竞争指数采用hegyi单木竞争指数模型进行，首先计算出每个竞争木对对象木的竞争指数，将n个单木间的竞争指数累加，即得树木种内以及种间的竞争强度。
45.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。