基于遥感模型和地面观测的河口湿地碳通量研究

摘要

陆地生态系统碳循环是全球气候变化研究的核心内容之一。河口湿地是陆地生态系统碳库的重要组成部分,同时作为一种重要的湿地类型,具有其独特的物质循环和能量收支方式,并且对人为或自然的干扰极为敏感。相对于其它陆地生态系统,有关河口湿地碳循环的研究还比较少,对其过程以及驱动因子还了解甚少。涡度协方差技术(eddy covariance)可以提供长期连续的观测数据,但其观测结果本身却只能代表特定生态系统在特定环境中的碳通量特征,不能直接应用在其它区域。遥感是目前进行生态系统变化的大尺度、连续和定量观测的唯一可行的手段,遥感数据为河口湿地碳通量的模拟及尺度推绎提供了可能。本研究基于崇明东滩建立的长期定位野外观测站,采用涡度协方差技术对长江河口湿地的二氧化碳通量进行直接监测,为河口湿地生态系统的碳通量及其变化提供精确估计。本研究尝试融合涡度协方差技术和遥感技术,评估应用遥感模型估算河口湿地碳通量的可行性,并尝试建立一种适合河口湿地生态系统特点的碳通量估算模型,同时揭示河口湿地的潮汐过程对生态系统的碳收支平衡和净生态系统碳交换的影响。主要结论如下:
　　 1)通过基于MODIS计算的光谱指数与微气象因子[如水汽压亏缺(VPD)、土壤含水量(VWC)、土壤温度等]之间关系的分析,研究发现遥感光谱指数能较好地反映研究区内主要微气象因子的时间动态,并准确地捕获了许多微气象因子在通量站点间的空间差异。这些空间差异主要是由站点的植被组成和覆盖不同及离海距离的远近所导致的。在近海站点,地表水分指数(LSWI)和增强植被指数(EVI)被用来解释主要微气象因子季节变化,相对于距离海水较远的站点,LSWI被用来解释主要微气象因子的时间变化。本研究提示,用遥感数据对地表参数的反演需要根据生态系统的空间异质性选用不同的遥感参数。
　　 2)通过对从大坝到近海的沿东-西横断面上6个样地的EVI和LSWI的时间序列分析,研究发现EVI、LSWI以及二者之间的差值(DVEL)均能反映出横断面上的植物群落类型和分布,及地表水分的变化特征,并可判断卫星过境前后各样地受潮水淹没状况。然而,遥感数据监测的难度会随着背景复杂性的增加而增大(如从近海到大坝)。鉴于河口湿地土壤背景变化多样,EVI能用于分析植被,但却难于扣除水分的影响。因此,本文构建一个融合植被信息和水分信息的综合湿地指数,并发现年均综合湿地指数可以更好地反映湿地的植被演替过程,例如当基于EVI的综合湿地指数(EVI/LSWI)小于0.25时,该区域处在演替发展前期,表现为无任何植被覆盖,经常被潮水淹没;当综合湿地指数介于0.25～0.75之间时,该区域则处在演替先锋阶段,表现为稀疏的植被覆盖和大面积的裸地等。
　　 3)受潮汐作用的影响,河口湿地生态系统有着独特的碳循环过程,即横向碳交换以及湿地土壤在厌氧条件下甲烷气体的释放。可见,用于非湿地的经典遥感模型(光能利用效率(LUE)模型)不能直接应用于河口湿地初级生产力(GPF)的估算。本研究结果表明LUE模型估算的GPP和碳通量塔观测的GPP之间存在的差异无法完全用观测误差来进行解释,模型的拟合度也很低(R2=0.55),这远远低于文献报导的关于该模型在森林、草原等生态系统中估算GPP的准确性(R2在0.85以上)。由此,我们将潮汐作用所可能导致的横向碳交换及湿地土壤由于厌氧环境下产生的甲烷气体释放的影响加入到模型中,并选择地表水分指数(LSWI)、蒸发蒸腾量(ET)和潮高(TH)作为其解释变量,模型的拟合度得到明显改进。改进后的模型估算的GPP与碳通量塔观测的GPP之间匹配良好(R2=0.88)。
　　 4)为了分析遥感数据估算NEE及模拟环境梯度上NEE变化特征的可行性,本研究结合通量塔测量的NEE数据和遥感数据,采用分段回归模型估算NEE,其中模型的解释因子为地表反射率(7个波段)和光谱指数[NDVI、EVI、LSWI及LSWI(2100)],这些解释因子均来自MODIS的8d合成数据。结果显示模型估算的NEE与实测的NEE之间匹配良好(R2=0.78),这说明用MODIS数据来估算NEE是可行的,而且模型估算的NEE值能从整体上反映研究范围内的NEE时空变异性以及受不同驱动因子而呈现的NEE变化特征。高潮带体现了由植被季节性变化而驱动的碳循环过程,而低潮带体现了因潮汐活动等因子驱动的碳循环过程。
　　 5)本研究结合基于涡度协方差技术的通量塔测量的数据,全面探讨了遥感数据在河口湿地碳循环的影响因子分析以及碳通量估算中的可行性及研究方法上的改进。研究表明本研究提出的模型在河口湿地GPP和NEE估算以及其季节性动态的定量评价上具有一定的潜力,这为全球变化背景下的河口湿地碳通量闭合研究提供了借鉴。