[发明专利]高分辨率土地利用及森林景观过程耦合模拟系统及方法

说明书

本发明提供一种高分辨率土地利用及森林景观过程耦合模拟系统及方法，涉及地理学和生态学技术领域。本系统包括土地利用变化模块以及森林演替模块；所述土地利用变化模块在神经网络模型基础上，利用自适应惯性竞争机制来计算未来不同社会经济和自然条件下土地利用格局变化；所述森林演替模块为在大时空尺度上模拟森林演替的空间直观景观模型，本发明能够更为准确评估未来气候变化和土地利用变化对我国森林生态系统碳储量的影响。与现有的生态系统过程模型相比，本模型需要的参数较少且获取更方便，运行效率更高，森林资源调查数据可以直接用于参数化模型和验证模型的模拟精度。

技术领域

本发明涉及地理学和生态学技术领域，尤其涉及一种高分辨率土地利用及森林景观过程耦合模拟系统及方法。

背景技术

土地利用变化是影响陆地生态系统碳循环最重要的因素之一，其对大气CO₂浓度增加的贡献仅次于化石燃料的燃烧(Foley et al.2005,Houghton et al.2012)。已有研究表明，1850-1998年已有136±5×10⁹t碳通过土地利用变化从陆地生态系统排放到大气中，约占目前大气中增加的CO₂总量的33％(Watson et al.2000)。森林是陆地生态系统最大碳库，其碳储量占到全球陆地生态系统碳储量45％左右，在全球碳循环中扮演着重要的角色(Pan et al.2011,Reich 2011)。土地利用方式的变化不仅直接降低森林生态系统地上碳储量(Baccini et al.

2012)，而且还通过影响与土壤有机碳形成和转化的因子间接影响土壤有机碳的含量和分布(Don et al.2011)，还可以通过改变土壤有机质的分解速率影响土壤有机碳氮蓄积量，它的微小波动将在很大程度上减缓或加速大气CO₂浓度升高，改变全球陆地生态系统碳平衡(Le Quéréet al.2018)。因此，土地利用变化对森林生态系统碳储量的影响受到格外关注，不仅是森林生态管理的重要基础，而且对我国政府制定气候变化减缓政策具有重要指导意义。

目前研究土地利用变化对陆地生态系统碳储量影响的方法主要包括经验模型、IPCC清单法和生态过程模型等。经验模型是通过经验关系建立统计相关模型来量化土地利用变化对陆地生态系统碳收支的影响(付超et al.2012)。Houghton等建立的“薄记”(Bookkeeping)模型是目前研究土地利用变化对陆地生态碳收支影响最普遍和最广泛的经验统计模型(Houghton et al.1983)。该模型基于土地利用变化速率以及与土地利用变化密切相关的、单位面积植被和土壤碳储量的变化来计算区域碳收支变化量。在“薄记”(Bookkeeping)模型中给出了植被和土壤碳储量对几种典型土地利用变化的响应曲线：森林砍伐、林产品收获与造林、弃耕与开荒、草原抛荒与扩张等。该模型经过许多国内外学者的不断修正与完善，被广泛用于估算区域和全球尺度上土地利用变化对森林生态系统碳循环的影响(葛全胜et al.2008)。但是土地利用变化是一个较为复杂的过程，簿记模型是以植被和土壤碳储量作为整个模型的重点，没有考虑土地利用变化过程中土壤呼吸以及遗留下来的植被残体氧化腐烂等过程所带来的碳排放。此外，不同研究对土地利用变化速率计算方法以及碳密度数据获取方式存在差异，使得Bookkeeping模型的估算结果存在较大不确定性(唐睿和彭开丽2018)。