本科畢業(yè)論文

疏勒河源高寒草甸土壤溫室氣體觀測(cè)模擬研究題目：疏勒河源高寒草甸土壤溫室氣體觀測(cè)模擬研究

目錄摘要 2Abstract 3引言 41材料與方法 51.1研究區(qū)概況 51.2DNDC模型簡(jiǎn)介 61.3氣體樣品的采集 71.4環(huán)境因子監(jiān)測(cè) 81.5分析方法 81.6模型參數(shù)設(shè)置 82結(jié)果與討論 122.1CO2通量變化特征 122.2模型驗(yàn)證 132.3環(huán)境因子對(duì)CO2通量的影響 193總結(jié)與展望 213.1結(jié)論 213.2問(wèn)題與展望 22參考文獻(xiàn) 24致謝 28

疏勒河源高寒草甸土壤溫室氣體觀測(cè)模擬研究摘要：本研究以青藏高原東北部疏勒河上游多年凍土區(qū)的高寒草甸為研究區(qū)，利用反硝化-分解（DeNitrification-DeComposition，DNDC模型），結(jié)合氣象要素和土壤環(huán)境因子等數(shù)據(jù)，模擬了該區(qū)土壤溫度和地表CO2通量，將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，并分析地表CO2通量與其環(huán)境因子間的相關(guān)性。結(jié)果表明：模型能夠較好地模擬研究區(qū)土壤溫度和地表CO2通量，模型模擬值與實(shí)地觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9601（n=365,P＜0.01）和0.9783（n=14,P＜0.01），均方根誤差RMSE分別為0.21和0.34；在整個(gè)觀測(cè)期（2013年）樣地土壤表現(xiàn)為CO2源，土壤CO2通量的日變化范圍為23.79～481.00mg?m?2?h?1，年排放總量為1479.24g?m-2；CO2通量與氣溫（P＜0.01）、降水（P＜0.05）、太陽(yáng)輻射（P＜0.01）、10cm土壤溫度（P＜0.01）、10cm土壤含水量（P＜0.05）和10cm土壤鹽分（P＜0.01）均顯著相關(guān)。待模型進(jìn)一步改進(jìn)之后，方可優(yōu)化其在該研究區(qū)的適應(yīng)性。關(guān)鍵詞：高寒草甸；溫室氣體；DNDC；CO2通量；環(huán)境因子ObservationandSimulationofGreenhouseGasinAlpineMeadowSoilsattheSourceofShuleRiverAbstract:Inthisstudy,thealpinemeadowsinthepermafrostareaintheupperreachesoftheShuleRiverinthenortheasternQinghai-TibetPlateauwereusedasthestudyarea.DeNitrification-DeComposition(DNDCmodel)wasusedincombinationwithdatasuchasmeteorologicalelementsandsoilenvironmentalfactorstosimulatethisSoiltemperatureandsurfaceCO2flux,comparethesimulatedvaluewiththemeasuredvalue,andanalyzethecorrelationbetweenthesoilCO2fluxanditsenvironmentalfactors.TheresultsshowthatthemodelcanbettersimulatethesoiltemperatureandsurfaceCO2fluxinthestudyarea.ThecorrelationcoefficientsR2betweenthesimulatedvalueandthefieldobservationvalueare0.9601(n=365,P<0.01)and0.9783(n=14,P＜0.01),therootmeansquareerrorRMSEis0.21and0.34respectively;inthewholeobservationperiod(2013),thesoilinthesampleareaappearedasaCO2source,andthedailyvariationrangeofthesoilCO2fluxwas23.79～481.00mg?m?2?h?1,thetotalannualemissionis1479.24g?m-2;CO2fluxandtemperature(P<0.01),precipitation(P<0.05),solarradiation(P<0.01),10cmsoiltemperature(P<0.01),thewatercontentof10cmsoil(P<0.05)andsalinityof10cmsoil(P<0.01)weresignificantlycorrelated.Onlyafterfurtherimprovementofthemodelcanitoptimizeitsadaptabilityinthestudyarea.Keywords:Alpinemeadow;Greenhousegases;DNDC;CO2flux;Environmentalfactors引言自上個(gè)世紀(jì)中葉以來(lái)，氣候變化已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注。據(jù)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第五次報(bào)告，1951-2012年全球地表均溫以每10年上升0.12℃的速率升高[1]。在這一背景下，大氣中溫室氣體濃度升高成為該現(xiàn)象的主導(dǎo)因素。CO2是最主要的溫室氣體，與CO2相比，CH4和N2O排放的絕對(duì)量很小，但是它們?cè)谖占t外輻射后會(huì)導(dǎo)致全球變暖能力的增強(qiáng)。在百年尺度上，單位質(zhì)量的氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）的全球增溫潛勢(shì)（GWP）分別是CO2的34倍和298倍[2]，因此對(duì)全球變暖這一環(huán)境問(wèn)題有著重要貢獻(xiàn)。故而，諸多科研者開(kāi)始致力于溫室氣體排放的研究。為了能夠定量描述土壤溫室氣體排放量對(duì)于自然環(huán)境要素變化所做出的響應(yīng)，越來(lái)越多的人開(kāi)始借助數(shù)學(xué)模型，對(duì)其展開(kāi)深入的研究學(xué)習(xí)。隨著陸地生態(tài)系統(tǒng)模型的多角度研究,運(yùn)用模型工具對(duì)土壤主要養(yǎng)分元素和生物量進(jìn)行模擬與刻畫(huà)是目前較為有效的方法,目前已有10多個(gè)相關(guān)模型發(fā)表,較成熟的有DNDC[3]、Century[4]、Biome-BGC[5]、RothC[6]和NCSOIL[7]等。生態(tài)系統(tǒng)模型均可成熟應(yīng)用于土壤長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的模擬,而這些模型中,DNDC(Denitrification-Decomposition)模型是一種基于地球圈層內(nèi)或各圈層間的循環(huán)過(guò)程，即生物地球化學(xué)過(guò)程。其以模擬輻射、溫度、濕度、pH、Eh以及濃度梯度等為主的環(huán)境因子來(lái)反映氣候、土壤、植被和人類(lèi)活動(dòng)4種基本的生態(tài)驅(qū)動(dòng)力[8]，具有多層次，高精度及較好的可行性。隨著社會(huì)需求的發(fā)展甚至改變，它的功能模塊亦在不斷的推廣與驗(yàn)證。自1992年被首次發(fā)表以來(lái)，先是利用該模型來(lái)模擬農(nóng)業(yè)土壤溫室氣體N2O的排放[9]，追蹤N2O的整個(gè)循環(huán)過(guò)程，隨著模型的不斷完善和發(fā)展，其模塊功能日漸涉及廣泛。為了適應(yīng)不同的生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域尺度和研究問(wèn)題，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，DNDC模型結(jié)構(gòu)不斷完善、相關(guān)參數(shù)得到優(yōu)化、功能不斷擴(kuò)展。在模擬溫室氣體模塊中，其模擬對(duì)象由原來(lái)的N2O增加到CO2和CH4，且能支持多種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的模擬，如農(nóng)田、森林、草地、濕地和養(yǎng)殖系統(tǒng)等[10-14]。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球碳收支的主體部分，亦作為全球碳循環(huán)的重要組成部分存在著。研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)制及對(duì)全球變化的響應(yīng)，是預(yù)測(cè)大氣CO2含量及氣候變化的重要基礎(chǔ)。全球每年由土壤釋放的CO2量等于或超過(guò)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力[15]，對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)60%以上[16-17]。本研究以青藏高原東北部疏勒河上游多年凍土區(qū)的高寒草甸SLP2樣地為研究區(qū)，利用靜態(tài)箱－氣相色譜法對(duì)2013年地表CO2通量進(jìn)行觀測(cè)模擬，分析地表CO2通量的日（晝夜）和季節(jié)變化特征，觀測(cè)數(shù)據(jù)與DNDC模型模擬數(shù)據(jù)的擬合度及其環(huán)境因子，以期對(duì)DNDC模型在該研究區(qū)的適應(yīng)性做出精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)提供參考。1材料與方法1.1研究區(qū)概況試驗(yàn)樣地位于青藏高原東北緣祁連山中西段疏勒河上游多年凍土區(qū)綜合觀測(cè)場(chǎng)（SLP2；98°16′14″E，38°21′17″N，海拔4014m），如圖1所示。該區(qū)域氣候干冷，多風(fēng)；據(jù)SLP2樣地氣象站2013年數(shù)據(jù)資料顯示年均氣溫和降水量約分別為－6.0℃和477.0mm，年均空氣相對(duì)濕度為48.1%，太陽(yáng)輻射為204.5W?m-2，年均風(fēng)速為3.9m?s-1（圖3）。樣地0～50cm不同層次土壤顆粒機(jī)械組成平均為砂粒42.4%、粉粒40.0%、粘粒17.6%。植被類(lèi)型為中度退化高寒草甸，覆蓋度約42.0%，代表性植物為柔軟紫菀（Asterflaccidus）、波伐早熟禾（Poapoophagorum）、高山嵩草（Kobresiapygmaea）、矮生嵩草（Kobresiahumilis）、沙生風(fēng)毛菊（Saussureaarenaria）、西伯利亞蓼（Polyygomumsibiricum）等[18]，物種豐富度指數(shù)（R）為11.0±1.0，Shannon-Wiener指數(shù)（H′）為2.29±0.10。土壤類(lèi)型為簡(jiǎn)育干潤(rùn)均腐土。圖1研究區(qū)地理位置Figure1Locationofthestudyarea1.2DNDC模型簡(jiǎn)介DNDC（DeNitrification-DeComposition）模型是美國(guó)新罕布什爾大學(xué)發(fā)展起來(lái)的，中心是模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳和氮的生物地球化學(xué)循環(huán)，時(shí)間步長(zhǎng)以日為單位，是目前國(guó)際上最為成功的模擬生物地球化學(xué)循環(huán)的模型之一[19-23]。模型由兩大部分構(gòu)成：第一部分包括土壤氣候、植物生長(zhǎng)和有機(jī)質(zhì)分解三個(gè)子模型，第二部分包括硝化作用、反硝化作用和發(fā)酵作用三個(gè)子模型（如圖2所示）。第一部分的作用是利用生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)的各種生態(tài)驅(qū)動(dòng)因子，即模型輸入的參數(shù)：氣候、土壤、植被以及人類(lèi)管理措施，來(lái)模擬生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境營(yíng)力（溫度、濕度、pH、Eh和相關(guān)反應(yīng)物濃度梯度）。生物地球化學(xué)場(chǎng)便是由這些生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境營(yíng)力組成的一個(gè)目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)的多維力場(chǎng)。第二部分的作用是模擬環(huán)境營(yíng)力對(duì)微生物活動(dòng)的影響，并計(jì)算植物-土壤系統(tǒng)中主要溫室氣體（CO2、CH4和N2O）以及N2、NO、NH3的排放。運(yùn)行模型時(shí)，需輸入數(shù)據(jù)包括氣候數(shù)據(jù)（氣溫、降水和太陽(yáng)輻射）、土壤性質(zhì)（容重、質(zhì)地、粘粒含量、酸堿度以及初始SOC含量）、土地利用（農(nóng)作物種類(lèi)和輪作）和農(nóng)田管理（翻耕、施肥、灌溉、秸稈還田比例等）。該模型是對(duì)土壤碳、氮循環(huán)機(jī)制進(jìn)行全面描述的過(guò)程模型，適用于點(diǎn)位和區(qū)域尺度的各種氣候帶的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[25]。目前,世界上已經(jīng)有很多國(guó)家的科學(xué)家使用DNDC模型進(jìn)行應(yīng)用研究，如對(duì)美國(guó)愛(ài)荷華州馬斯凱丁縣的玉米生長(zhǎng)過(guò)程的模擬[26]、美國(guó)夏威夷的甘蔗的生長(zhǎng)模擬[27]、中國(guó)東北遼寧的玉米產(chǎn)量進(jìn)行模擬和分析[28]、英國(guó)帝國(guó)大學(xué)和農(nóng)業(yè)研究所利用DNDC模型對(duì)英國(guó)種植的楊樹(shù)進(jìn)行了7年的模擬研究[29]。2000年結(jié)束的亞太地區(qū)全球變化國(guó)際研討會(huì)上，DNDC模型被指定為在亞太地區(qū)進(jìn)行推廣的首選生物地球化學(xué)模型[30]。圖2DNDC模型結(jié)構(gòu)圖[24]Figure2DNDCmodelstructurediagram[24]1.3氣體樣品的采集SLP2樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)樣方，將樣方內(nèi)的植物用剪刀齊地剪除，然后用靜態(tài)箱法采集CO2地表氣體樣品。采樣箱（0.4m×0.4m×0.4m）用不銹鋼材料焊接制成，箱外罩有3cm厚保溫板，箱內(nèi)安裝有小風(fēng)扇和空氣溫濕度計(jì)；箱底基座（0.4m×0.4m×0.1m）由不銹鋼片焊制而成，呈四面體，上端有凹槽，采集氣體樣品時(shí)，將采樣箱倒扣入基座凹槽中并注水密封[31]。高寒草甸土壤CO2地表通量日變化觀測(cè)時(shí)間均為：2013年4月28日、5月4日、6月28日、8月1日、9月29日、10月5日和12月31日。從當(dāng)日0:00至21:00，每3h觀測(cè)一次，每次觀測(cè)地表氣體時(shí)用100mL注射器采集3個(gè)氣體樣品（在30min內(nèi)每間隔15min采集1次氣體樣品）。1.4環(huán)境因子監(jiān)測(cè)本研究選取的環(huán)境因子為氣象要素中的空氣溫度、降水、風(fēng)速、太陽(yáng)總輻射和10cm土壤溫濕鹽。試驗(yàn)樣地所在的綜合觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)布設(shè)有測(cè)定氣象和土壤溫濕鹽的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。氣象要素中的空氣溫度測(cè)定采用HMP155A型溫濕度傳感器（Vaisala），太陽(yáng)輻射的測(cè)定利用CS300型傳感器（Campbell），風(fēng)速的測(cè)定利用034B型風(fēng)速風(fēng)向儀（MetOne）。10cm深度處土壤溫度、含水量和鹽分（簡(jiǎn)稱(chēng)溫濕鹽）的測(cè)定利用Hydra-ProbeII型土壤傳感器（Stevens），每10min記錄一次數(shù)據(jù)（連續(xù)監(jiān)測(cè)）。1.5分析方法氣體樣品CO2的濃度分析使用儀器為安捷倫7890A溫室氣體分析系統(tǒng)，載氣為高純N2（30ml/min），色譜柱為HayesepQ（80-100目），工作溫度為60℃。CO2在375℃下先經(jīng)鎳觸媒轉(zhuǎn)化器還原成CH4后其濃度被火焰離子化檢測(cè)器檢測(cè)（250℃）；定量所使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體中CO2濃度為402.97ml?m-3；該標(biāo)準(zhǔn)氣體由中國(guó)氣象局中國(guó)氣象科學(xué)研究院提供，經(jīng)多輪標(biāo)校，濃度定值結(jié)果可溯源世界氣象組織（Worldmeteorologyorganization）維持的國(guó)際一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其中，溫室氣體的排放速率計(jì)算采用如下公式[32]：F＝ρH（P／P0）（T0／T）（ΔC／Δt）式中：F為氣體排放速率；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體密度；H為靜態(tài)箱高度；ΔC／Δt為靜態(tài)箱內(nèi)濃度變化速率；T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣絕對(duì)溫度和氣壓；T為靜態(tài)箱內(nèi)的絕對(duì)溫度；P為采樣地點(diǎn)的氣壓。本研究相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析和回歸分析在SPSS22.0完成。1.6模型參數(shù)設(shè)置DNDC模型所需輸入?yún)?shù)包括地理與氣候、土壤、植被及管理措施參數(shù)等。由于參數(shù)較多，且有些參數(shù)無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，需分類(lèi)獲取。主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定、文獻(xiàn)收集以及采用模型默認(rèn)值等方法來(lái)綜合確定關(guān)鍵參數(shù)。1.6.1地理、氣候參數(shù)的確定氣象參數(shù)中的日最高、最低溫、日降雨量、輻射、濕度等數(shù)據(jù)來(lái)自于樣地觀測(cè)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)采用模型默認(rèn)值，如表1所示，表1DNDC模型地理和氣候參數(shù)Table1GeographicandclimaticparametersoftheDNDCmodel輸入?yún)?shù)取值備注模擬地點(diǎn)疏勒河源SLP2樣地實(shí)測(cè)緯度38.21實(shí)測(cè)時(shí)間尺度12013降水中N濃度（ppm）20實(shí)測(cè)大氣NH3濃度(μgN·m-3)0.06默認(rèn)大氣CO2濃度(ppm)400實(shí)測(cè)研究期間，SLP2樣地氣溫整體上呈單峰型，最高日均溫出現(xiàn)在7月，為13.9℃，最低日均溫出現(xiàn)在1月，為－20.8℃（圖3）。降水年內(nèi)分配不均勻，主要集中在5-8月。圖3SLP2樣地2013年氣象要素Figure3MeteorologicalelementsofSLP2plotin20131.6.2土壤參數(shù)土壤作為元素遷移轉(zhuǎn)化的載體和各因素之間的通道，土壤的相關(guān)屬性參數(shù)對(duì)模型是否能準(zhǔn)確模擬尤為重要，詳細(xì)土壤參數(shù)如表2所示，其余均按照系統(tǒng)默認(rèn)值。表2DNDC模型土壤參數(shù)Table2DNDCmodelsoilparameters輸入?yún)?shù)取值備注類(lèi)型干草原實(shí)測(cè)粘土比重0.176實(shí)測(cè)土壤容重1.84實(shí)測(cè)田間持水量0.49實(shí)測(cè)萎蔫點(diǎn)0.22實(shí)測(cè)SOC濃度（kgC·kg-1soil）0.02359實(shí)測(cè)pH8.84實(shí)測(cè)導(dǎo)水率0.02502實(shí)測(cè)孔隙度0.306實(shí)測(cè)土壤基本屬性（如土壤質(zhì)地、容重、pH、田間持水量、萎蔫點(diǎn)、粘土比重、孔隙度等）為必輸參數(shù)，但當(dāng)選擇了土壤質(zhì)地后，與質(zhì)地相關(guān)的田間持水量、萎蔫點(diǎn)、粘粒組成等表層土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)以及土壤構(gòu)造數(shù)據(jù)均會(huì)通過(guò)模型內(nèi)部功能設(shè)定將自動(dòng)顯示出來(lái)，同時(shí)，表層（0-5cm）土壤有機(jī)碳含量、氮濃度和銨鹽含量通過(guò)實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得，其余參數(shù)均采取模型默認(rèn)。1.6.3管理措施參數(shù)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)稻田溫室氣體排放具有重要影響。管理措施又包括農(nóng)作物的種類(lèi)與輪作、耕耘、化肥施用、有機(jī)肥施用、旱地灌溉、水田淹灌、塑膜技術(shù)、放牧與割草等。該部分需要輸入的管理措施參數(shù)包括模擬年數(shù)、農(nóng)作物的種類(lèi)與輪作系統(tǒng)基本參數(shù)（如輪作作物、各作物所持續(xù)的時(shí)間、輪作時(shí)間、各作物施肥次數(shù)和時(shí)間等）。因研究區(qū)屬于青藏高原自然放牧區(qū)，故作物主要為高寒草甸類(lèi)植被。1.6.4植被參數(shù)植被在土壤生態(tài)過(guò)程中也扮演著很重要的角色，其作為第一生產(chǎn)者通過(guò)光合作用為生態(tài)系統(tǒng)提供主要碳源，同時(shí)合成和分解其他物質(zhì)，貫穿在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中。植被參數(shù)主要包括作物種類(lèi)、最高生物量、生物量分配比例、C/N比值、生長(zhǎng)積溫、總需氮量、需水量、固氮系數(shù)、最適溫度、秸稈還田比例等，界面輸入數(shù)據(jù)如表3所示。表3DNDC模型主要植被參數(shù)Table3MainvegetationparametersofDNDCmodel輸入?yún)?shù)取值備注作物種類(lèi)多年生牧草實(shí)測(cè)最高生物量（kgC·hm-2）3672實(shí)測(cè)生物量分配比例0.01谷粒、0.54莖葉、0.45根默認(rèn)生物量C/N比值35谷粒、45莖葉、55根默認(rèn)總需氮量（kgN·hm-2）139.179模型計(jì)算生長(zhǎng)積溫（℃/生長(zhǎng)季）3000默認(rèn)需水量（g水/干物質(zhì)）350模型計(jì)算固氮系數(shù)1.01默認(rèn)最適溫度（℃）25～30默認(rèn)秸稈還田比例0.4實(shí)測(cè)研究區(qū)SLP2樣地地理與氣候、土壤參數(shù)、植被參數(shù)等均采用統(tǒng)一的氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算數(shù)據(jù)。2結(jié)果與討論2.1CO2通量變化特征本研究在測(cè)量地表CO2通量時(shí)，選取暗箱法，箱內(nèi)有生長(zhǎng)的植物，觀測(cè)前對(duì)樣方內(nèi)的地表植被進(jìn)行了刈割處理。因此，測(cè)得的CO2通量包括植物根系自養(yǎng)呼吸與土壤微生物異養(yǎng)呼吸產(chǎn)生的CO2之和。本研究CO2通量變化特征從日變化與季節(jié)變化展開(kāi)。2.1.1日變化在整個(gè)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)（2013年4月28日、5月4日、6月28日、8月1日、9月29日、10月5日和12月31日），從當(dāng)日0：00到21：00，每3h觀測(cè)一次，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以做出土壤CO2通量日變化特征圖（如圖4所示）。由圖可見(jiàn)，SLP2樣地土壤CO2通量的日變化大致表現(xiàn)出“倒N”型趨勢(shì)，即只有兩個(gè)峰值，最大值出現(xiàn)在下午15:00左右，為481.00mg?m?2?h?1，最小值出現(xiàn)在上午6:00或9:00，為23.79mg?m?2?h?1，其日變化規(guī)律與其他研究結(jié)果一致[33,34]，日變化通量范圍為23.79～481.00mg?m?2?h?1；因SLP2樣地2013年的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)均為正值，故整個(gè)觀測(cè)期該地土壤表現(xiàn)為CO2的源。圖4SLP2不同觀測(cè)期土壤溫室氣體地表通量日變化Fig.4DiurnalvariationofsoilgreenhousegassurfacefluxinSLP2duringdifferentobservationperiods2.1.2季節(jié)變化在整個(gè)觀測(cè)期：2013年4月28日、5月4日、6月28日、8月1日、9月29日、10月5日和12月31日地表CO2日均排放速率分別為70.55mg?m?2?h?1、85.78mg?m?2?h?1、287.10mg?m?2?h?1、222.59mg?m?2?h?1、51.63mg?m?2?h?1、69.05mg?m?2?h?1、51.23mg?m?2?h?1，可以看出，該樣地2013年內(nèi)在不同觀測(cè)期地表CO2排放特征表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，年內(nèi)土壤地表CO2排放主要集中在6-8月，最大值出現(xiàn)在7月，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因一方面是青藏高原土壤微生物長(zhǎng)期適應(yīng)高寒環(huán)境，土壤微生物又多居于土壤表層（0-10cm）,而7月份的土壤表層溫度比平時(shí)要高（圖10），這可能會(huì)增加微生物活性，進(jìn)而導(dǎo)致CO2通量增加[35],且最大排放量為332.88mg?m2?h?1，年排放總量為1479.24mg?m2?h?1（圖5）。圖5土壤溫室氣體地表通量季節(jié)變化Figure5Seasonalvariationofsurfacefluxofsoilgreenhousegases2.2模型驗(yàn)證模型驗(yàn)證是指利用模型模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，以此量化模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間的差異，也是模型使用過(guò)程的基本組成部分之一。如果實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得很好，可以認(rèn)為模型較好地模擬了實(shí)際的生物地球化學(xué)過(guò)程；反之，則認(rèn)為該模型對(duì)機(jī)理過(guò)程的模擬存在偏差甚至是模擬有誤。DNDC模型在過(guò)去的數(shù)年中被美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和澳大利亞等多國(guó)科學(xué)家用野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較驗(yàn)證,表明該模型具有較高的可信度[36～40]。為了保證模型模擬結(jié)果的可靠性，本研究利用中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所提供的研究樣地地表CO2通量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，采取RMSE（均方根誤差）和R2（決定系數(shù)）量化模型精度，其公式如下：RMSE=R其中：Oi為第i個(gè)觀測(cè)值；Pi為第i個(gè)模擬值；O2.2.1土壤溫度土壤溫度作為影響植物生長(zhǎng)和土壤碳氮循環(huán)過(guò)程主要的環(huán)境因子，對(duì)該草地生態(tài)系統(tǒng)各元素的轉(zhuǎn)化和循環(huán)具有決定性作用。因此，模型模擬土壤溫度動(dòng)態(tài)變化的精度越高，說(shuō)明模型越適用于模擬植物生長(zhǎng)和土壤碳氮循環(huán)過(guò)程。DNDC模型能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)驗(yàn)樣地2013年10cm土壤溫度的變化（圖6），根據(jù)10cm土壤溫度模擬值與實(shí)測(cè)值的線性回歸分析可知，二者相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.9601（n=365，P<0.01），均方根誤差RMSE達(dá)到了0.21，表明10cm土壤溫度模擬值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。圖6SLP2樣地10cm土壤溫度模擬值與實(shí)測(cè)值Fig.6Simulatedandmeasuredvaluesofsoiltemperatureat10cminSLP2plot2.2.2CO2通量模擬驗(yàn)證DNDC模型在日尺度上可以較好的模擬捕捉到土壤生態(tài)系統(tǒng)總呼吸通量的峰值與低谷（圖7）。根據(jù)對(duì)2013年SLP2樣地地表CO2通量的模擬結(jié)果來(lái)看，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證點(diǎn)的14組觀測(cè)值與模擬值發(fā)現(xiàn)，DNDC模型能較好的模擬該樣地地表CO2通量，通過(guò)作地表CO2通量的模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的線性回歸分析可得，二者相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.9783（n=14，P<0.01），均方根誤差RMSE為0.34。總體來(lái)數(shù)，2013年地表CO2通量的實(shí)地觀測(cè)值均略高于模型模擬值，說(shuō)明該模型無(wú)法完全模擬該生態(tài)系統(tǒng)碳的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，但凡是過(guò)程模擬模型，都無(wú)法達(dá)到完全符合實(shí)際情景的生物地球化學(xué)模擬過(guò)程。圖7SLP2樣地地表CO2通量模擬值與實(shí)測(cè)值比較及驗(yàn)證Figure7ComparisonandverificationofsimulatedandmeasuredCO2fluxonthesurfaceofSLP2plot2.2.3模型參數(shù)化模型參數(shù)化是進(jìn)行模擬的一個(gè)關(guān)鍵部分，在DNDC模型中,主要通過(guò)以下的步驟進(jìn)行參數(shù)化：首先，需要將實(shí)地測(cè)量的氣候、土壤、管理措施等參數(shù)輸入到模型界面中。其次，待模型運(yùn)行之后將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)驗(yàn)證兩者誤差較大時(shí)，我們會(huì)對(duì)模型進(jìn)行校正過(guò)程。模型校正包括補(bǔ)充模型缺失模塊和修改模型缺省參數(shù)兩部分，但因前者實(shí)行起來(lái)難度較大，所以，模型校正一般情況下是通過(guò)修改模型缺省參數(shù)，即修改模型界面中輸入的參數(shù)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化的，但修改參數(shù)的時(shí)候，并非肆意改動(dòng)其數(shù)值，而是圍繞實(shí)地觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行微觀調(diào)整。最后，待模型在研究區(qū)得到較好的驗(yàn)證結(jié)果時(shí)，方可對(duì)該地的碳氮遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程以及溫室氣體的排放進(jìn)行模擬。本研究該模型需要調(diào)整的參數(shù)如表4所示，在此，對(duì)土壤質(zhì)地和土壤表層（0-5cm）有機(jī)碳含量?jī)蓚€(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以作示范作用，比較調(diào)參前后地表CO2通量的模擬結(jié)果，以此為例望更好的解釋模型調(diào)參這一重要過(guò)程，如圖8圖9所示，表4DNDC模型需調(diào)整參數(shù)Table4DNDCmodelneedstoadjustparameters因子項(xiàng)目氣候參數(shù)大氣CO2濃度、日最高溫和最低溫土壤參數(shù)容重、質(zhì)地、粘粒含量、pH及初始SOC含量圖8土壤質(zhì)地調(diào)參前后的模擬結(jié)果比較Figure8Comparisonofsimulationresultsbeforeandafteradjustingsoiltexture圖9土壤表層（0-5cm）有機(jī)碳含量調(diào)參前后模擬結(jié)果比較Figure9Comparisonofsimulationresultsbeforeandafteradjustmentoforganiccarboncontentinsoilsurfacelayer(0-5cm)2.2.4模擬精度評(píng)價(jià)模型的模擬結(jié)果存在不確定性，不確定性可能是輸入?yún)?shù)的不準(zhǔn)確造成的，也可能是模型的科學(xué)結(jié)構(gòu)不完善造成的。模型科學(xué)結(jié)構(gòu)的不完善，可通過(guò)比較不同模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)。即使對(duì)一個(gè)模型經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證，模擬結(jié)果仍會(huì)出現(xiàn)不確定性，這在一定程度上與輸入信息的不完善有關(guān)。所以，在使用模型中，這種不確定性是不可避免的，但我們會(huì)盡可能使模擬結(jié)果有說(shuō)服力。本研究中，土壤溫度和地表CO2通量因測(cè)量原理及方式的差異，二者的模型模擬值與實(shí)地觀測(cè)值的擬合度也存在差異。顯然，單就相關(guān)系數(shù)（R2）來(lái)說(shuō)，地表CO2通量（R2=0.9783）實(shí)測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于土壤溫度（R2=0.9601），；就均方根誤差（RMSE）而言，土壤溫度實(shí)測(cè)值與模擬值的均方根誤差（RMSE=0.21）小于地表CO2通量（RMSE=0.34）。相關(guān)系數(shù)越接近于1，實(shí)測(cè)值與模擬值的擬合度越好；均方根誤差越小，擬合度越好。但又因土壤溫度有一整年，即365個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可與相對(duì)應(yīng)的模型模擬結(jié)果作線性回歸分析，而地表CO2通量只有14個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可做線性回歸分析，所以單就其中一個(gè)來(lái)討論模型的模擬情況，無(wú)法準(zhǔn)確的評(píng)定模型對(duì)于目標(biāo)物的模擬精度。但因本研究主要以地表CO2通量的模擬為主，而對(duì)于土壤溫度模擬的目的在于起驗(yàn)證模型模擬的可行性。因土壤溫度的驗(yàn)證性較好，所以就DNDC模型對(duì)于地表CO2通量的模擬結(jié)果來(lái)看，其與實(shí)地測(cè)量結(jié)果有較好的一致性。2.3環(huán)境因子對(duì)CO2通量的影響本研究主要分析討論氣象要素中的氣溫、降水量、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射和10cm處土壤溫濕鹽對(duì)地表CO2通量的影響。氣象要素在文中均有展示（圖3），土壤溫濕鹽如圖10所示，圖10SLP2樣地2013年土壤溫濕鹽Figure10Soiltemperature,humidityandsalinityofSLP2plotin2013SLP2樣地整個(gè)觀測(cè)期地表CO2通量與氣象要素和10cm處土壤溫濕鹽的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表5。CO2通量與氣溫、降水量、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射和10cm處土壤溫濕鹽均顯著相關(guān)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示：第一，樣地地表CO2通量與氣溫（P＜0.01）和10cm土壤溫度（P＜0.01）顯著正相關(guān)，表明氣溫和土壤溫度是影響土壤CO2通量的關(guān)鍵因子。在達(dá)到微生物的最適溫度之前，土壤溫度升高對(duì)土壤微生物和酶活性以及土壤中有機(jī)質(zhì)分解都有促進(jìn)作用，因此，土壤CO2排放速率會(huì)隨著溫度的升高而增加，使得土壤CO2排放量增加[41]。周黨衛(wèi)等[42]和王俊峰等[43]對(duì)青藏高原高寒草甸的研究也表明，5cm土壤溫度是影響CO2排放的關(guān)鍵因子之一。第二，樣地土壤CO2通量與地表10cm土壤含水量（P＜0.05）顯著相關(guān)，這是因?yàn)橥寥篮靠梢酝ㄟ^(guò)土壤通氣狀況和擴(kuò)散路徑來(lái)影響CO2的排放速率[31]。第三，樣地土壤CO2通量與降水（P＜0.05）和太陽(yáng)輻射（P＜0.01）顯著相關(guān)。第四，樣地土壤CO2通量與風(fēng)速這一環(huán)境因子的相關(guān)性不顯著（P＞0.05）。表5SLP2樣地地表CO2通量日變化與環(huán)境因子相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析Table5StatisticalanalysisofthecorrelationbetweendailyCO2fluxandenvironmentalfactorsinSLP2plots環(huán)境因子CO2通量（mg?m?2?h?1）氣溫/℃0.759**降水/mm0.635*太陽(yáng)輻射/W?m-20.773**風(fēng)速/m?s-1-0.07410cm土壤溫度/℃0.803**10cm土壤含水量/%0.578*10cm土壤鹽度/mg?L-10.729**注：*表示相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)，**表示相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)2.3.1小結(jié)本研究選取的環(huán)境因子有氣象要素中的氣溫、降水、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速以及10cm土壤溫濕鹽。地表CO2通量與氣象要素和10cm處土壤溫濕鹽的相關(guān)性分析結(jié)果顯示（表5），在觀測(cè)期內(nèi)，地表CO2通量與氣象要素中的氣溫、降水、太陽(yáng)輻射和10cm處土壤溫濕鹽呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與風(fēng)速無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。本研究只分析了常見(jiàn)的環(huán)境因子對(duì)地表CO2通量的影響,也有研究表明[31]，表層土壤凍融交替作用可提高地表CO2的排放速率，土壤凍融交替作用也是寒冷區(qū)一大特有的象征性過(guò)程，后期研究將包括其對(duì)于地表CO2通量的驅(qū)動(dòng)機(jī)理這一方面的展開(kāi)。3總結(jié)與展望3.1結(jié)論1.整個(gè)觀測(cè)期SLP2樣地土壤表現(xiàn)為CO2源。2.地表CO2通量的日變化表現(xiàn)為“倒N”型趨勢(shì)，季節(jié)變化表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，且日變化范圍為23.79～481.00mg?m?2?h?1，年排放總量為1479.24g?m-2。3.土壤溫度和地表CO2通量的實(shí)地觀測(cè)值與模型模擬值具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9601（n=365,P＜0.01）和0.9783（n=14,P＜0.01），均方根誤差RMSE分別為0.21和0.23。4.地表CO2通量與氣溫（P＜0.01）、降水量（P＜0.05）、太陽(yáng)輻射（P＜0.01）、10cm土壤溫度（P＜0.01）、10cm土壤含水量（P＜0.05）和10cm土壤鹽分（P＜0.01）均顯著相關(guān)，與風(fēng)速（P＞0.05）無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。3.2問(wèn)題與展望本研究基于國(guó)際上廣泛應(yīng)用的生物地球化學(xué)過(guò)程模型（DNDC模型），結(jié)合氣象、土壤和管理措施等數(shù)據(jù)模擬了疏勒河源高寒草甸SLP2樣地2013年土壤地表CO2通量，并將模擬值與觀測(cè)值進(jìn)行比較。文章主力集中在DNDC模型應(yīng)用于該場(chǎng)地的可行性分析，但仍存在以下問(wèn)題：1.模擬結(jié)果的不準(zhǔn)確。由于高原高寒缺氧及低溫大風(fēng)等自然條件的限制，觀測(cè)次數(shù)偏少，即只在SLP2樣地一年中對(duì)溫室氣體進(jìn)行了7次日變化觀測(cè)，數(shù)據(jù)重復(fù)性較低。同時(shí)由于時(shí)間關(guān)系，本研究目前僅對(duì)高寒草甸土壤溫室氣體一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析討論，模型只能通過(guò)校正更加符合實(shí)際的情景，并不能達(dá)到完全擬合的程度。2.模型校正的困難。DNDC模型需要輸入的參數(shù)較多，并且受土壤和氣候因素影響較大，如何準(zhǔn)確找到校正的參數(shù)是其面臨的一大問(wèn)題。本研究通過(guò)對(duì)關(guān)鍵環(huán)境因子的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，將模擬出來(lái)的土壤氣候、地表溫室氣體通量等眾多模擬結(jié)果與實(shí)地測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以至于達(dá)到盡可能最優(yōu)的擬合度，進(jìn)而進(jìn)行后續(xù)的研究討論。3.模型模塊的缺乏。不能忽略積雪的保溫作用，即要對(duì)土壤表層溫度進(jìn)行較精確的模擬。因?qū)嶋H觀測(cè)場(chǎng)處于寒冷地區(qū)，在一年的部分時(shí)間里有冰雪存在，所以對(duì)于積雪對(duì)土壤地表溫度的影響不容小覷。并且模型校正包括補(bǔ)充模型缺失模塊和修改模型缺省參數(shù)兩部分，由于模型代碼的不公性，增加模型的模擬模塊存在一定難度，因此，DNDC模型的校正主要集中在對(duì)模型缺省參數(shù)的修改上，所以使得積雪模塊這一部分的缺失只能通過(guò)調(diào)整已知參數(shù)盡可能彌補(bǔ)這一不足之處。在后續(xù)研究中，會(huì)持續(xù)提高模型在研究區(qū)的適用程度，主要通過(guò)以下方面展開(kāi)：1.為加強(qiáng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用2013年前后兩年，即2012年和2014年的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，尤其加強(qiáng)模型調(diào)參這一塊的運(yùn)行工作；2.除土壤溫度這一驗(yàn)證因子之外，還會(huì)開(kāi)展降水量等因子的模擬精度評(píng)價(jià)；3.從模擬一種溫室氣體增加到多種溫室氣體，以期達(dá)到預(yù)測(cè)未來(lái)土壤溫室氣體的排放。參考文獻(xiàn)[1]StockerTF,QinDH,PlattnerG-K,etal.Climatechange2013:thephysicalsciencebasis:contributionofworkinggroupItothefifthassessmentreportoftheintergovernmentalpanelonclimatechange[M].NewYork:CambridgeUniversityPress,2013.[2]劉惠,趙平,王躍思,等.華南丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)稻田二氧化碳排放及其影響因素.生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(5):471-476.[3]夏文建,周衛(wèi),梁國(guó)慶,等.稻麥輪作農(nóng)田氮素循環(huán)的dndc模型分析[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2012(1):77-88.[4]高崇升,楊國(guó)亭,王建國(guó),等.Century模型在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用及其參數(shù)確定[J].土壤與作物,2006,22(1):50–52.[5]韓其飛,羅格平,李超凡,等.基于biome-bgc模型的天山北坡森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)模擬[J].干旱區(qū)研究,2014,31(3):375–382.[6]王金洲.RothC模型模擬我國(guó)典型旱地土壤的有機(jī)碳動(dòng)態(tài)及平衡點(diǎn)[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2011.[7]Noirot-cossonPE,DhaouadiK,EtievantV,etal.Parameterizationofthencsoilmodeltosimulatecandnshort-termmineralizationofexogenousorganicmatterindifferentsoils[J].SoilBiology&Biochemistry,2017,104:128–140.[8]李長(zhǎng)生.生物地球化學(xué)的概念與方法──dndc模型的發(fā)展[J].第四紀(jì)研究,2001,21(2):89–99.[9]UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency.InventoryofUSgreenhousegasemissionsandsinks,1990-1994[M].Washington,D.C.:OfficeofPolicy,Planning,andEvaluation,UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency,1995.[10]SaggarS,AndrewRM,TateKR,etal.Modellingnitrousoxideemissionsfromdairy-grazedpastures[J].NutrientCyclinginAgroecosystems,2004,68:243-255.[11]LiC,TrettinC,GeS,etal.Modellingcarbonandnitrogenbiogeochemistryinforestecosystems[J].3rdInternationalNitrogenConference，2005893-898.[12lNeufeldtH.SchaeferM,AngenendtE,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