農田生態系統碳循環模型研究概述

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　　摘要：陸地生態系統的碳循環過程中最活躍的碳庫是農田生態系統。農田生態系統碳循環模型是研究碳循環的重要方法之一。簡要介紹了碳素在不同碳庫之間遷移轉化的規律，闡述了農田生態系統碳循環模型的發展歷程以及國內外主要的碳循環模型，并對未來農田生態系統碳循環模型研究趨勢進行了展望，以期為減少農業面源污染、溫室氣體排放和研究全球氣候變化提供科學依據。
　　關鍵詞：農田;生態系統;碳循環;模型
　　中圖分類號：S-1         文獻標識碼：A
　　文章編號：0439-8114（2019）09-0009-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.002           開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：
　　Abstract： The most active carbon pool in terrestrial ecosystems carbon cycle is the farmland ecosystem. The carbon cycle model of farmland ecosystem is one of the important methods to study carbon cycle. The law of migration and transformation of carbon between different carbon pools briefly were introduced， the development process of the carbon cycle model of farmland ecosystem was explained， the main carbon cycle modes at home and abroad were reviewed， the research trend of carbon cycle model of farmland ecosystem in the future is prospected. This will provide a scientific basis for reducing agricultural source pollution， greenhouse gas emissions， and studying global climate change.
　　Key words： farmland; ecosystem; carbon cycle; model
　　陸地生態系統碳循環過程中最活躍的碳庫是農田生態系統，對農田生態系統中碳的凈排放量進行研究，可以為研究全球的碳排放提供一定的科學依據[1]。研究陸地生態系統碳循環的最主要手段是農田生態系統碳循環模型[2，3]。由于各碳庫之間和碳循環過程的碳通量和反饋機制存在一定的復雜性，而模型可以模擬大空間尺度和長時間的碳循環過程，所以碳循環模型是研究農田生態系統碳循環最有效的手段[4，5]。
　　隨著人類社會科技的進步，全球CO2的排放量也越來越大，隨之而來的氣候變化已經逐漸影響到全球社會經濟環境和自然系統[6-8]。碳循環尤其是陸地生態系統碳循環開始備受關注[9-12]。陸地生態系統碳循環模型在20世紀中期首先出現[13]，在此基礎上農田生態系統碳循環模型陸續發展起來。全球耕地面積占陸地總面積的38.5%，農田生態系統是陸地生態系統重要的組成部分。農田生態系統既是重要的碳匯，也是重要的CO2排放源。有研究表明，農業和林業利用的CO2占總排放量的24%[14]，同時農田生態系統也是最活躍的碳庫[15]。因此，開展農田生態系統碳循環研究，對增強農田生態系統的固碳減排功能和研究全球氣候變化有重要意義。
　　本研究基于農田生態系統碳循環的最新研究，分析了農田生態系統碳循環的主要碳庫以及不同庫之間碳的遷移轉化規律，概述了國內外主要的碳循環模型，并對未來農田生態系統碳循環模型研究方向進行了展望。
　　1  農田生態系統碳循環機制
　　碳元素是生命有機體的關鍵成分，它以無機化合物（CO2和碳酸鹽）及有機化合物的形式在環境中循環。碳循環的平衡是生態系統健康的重要標志。陸地碳庫、海洋碳庫、大氣碳庫和巖石圈中的碳組成了全球碳庫，與人類生活最為密切相關的是陸地碳庫，其是所有碳庫中受人類活動影響最大的碳庫。陸地生態系統中最為重要的組成部分是農田生態系統[16]，農田生態系統具有固碳周期短、強度大、積蓄量大等特點。土壤碳庫和植被碳庫是農田生態系統的主要碳庫，其中土壤碳庫是農田生態系統碳循環的核心組成部分，不僅能維持土壤質量，對全球氣候也有著重要的調控作用。土壤碳庫包括有機和無機兩大碳庫，無機碳主要以碳酸鹽形態存在，不僅活性低，而且對環境不敏感，所以對土壤碳庫的研究主要集中在有機碳庫上[17]。植被碳庫一般指植物體，包括植株地上和地下的活根。植物體在日光下會進行光合作用可以固定大量的CO2以維持生態系統的碳平衡。所以植物碳庫是較為活躍的碳庫，其與大氣碳庫間的交換也是碳循環的主要過程之一。凈初級生產力（Net primary productivity，NPP）評估表明，全球植被的碳儲量大約為550～950 Pg[18]。
　　在農田生態系統中，綠色農作物通過光合作用將大氣中的CO2吸收并固定于機體內;作物生長期間內其花、葉、果實等凋落物以及收獲后的秸稈根茬部分作為有機碳源輸入土壤，另外作物的根系也會釋放有機物作為有機碳源輸入土壤。土壤獲得碳源的另一個途徑是人為施加的有機肥和化肥。同時，作物的呼吸作用和土壤中有機質的分解會向大氣轉移碳。碳素通過作物光合作用蓄積于植物體內，通過食物鏈向動物及人類方向流動，然后以糞便排泄物以及遺體等形式重新進入生態系統[19]。 　　農田生態系統碳循環是一個受土壤性質、農田管理、氣候、種植情況等多因素影響的過程。任一因子的變化都會影響生態系統各碳庫之間的碳交換，從而產生“碳匯”和“碳源”的連鎖效應[20]。
　　2  農田生態系統碳循環模型的發展過程
　　農田生態系統碳循環模型的發展可以分為基礎研發階段、開發階段和綜合應用階段。20世紀60—70年代是農田生態系統碳循環模型的基礎研發階段，其主要代表模型有OBM（Osnabriick Biosphere Model）[21]、ELCROS[22]，CERES[23]，SOYGROW[24]等模型，該階段的模型較為簡單地描述了作物生長，難以直接表達土壤、水等環境因子對碳循環的影響。農田生態系統碳循環模型開發階段主要在20世紀80年代，這個階段的模型綜合考慮了不同環境因子和人類活動，是由不同模型耦合構成的系統模型，并且可以通過試驗進行校正，但是不同模型的標準和假設會有不同，模擬效果存在差異。該階段的模型代表有SUCROS[25]和WOFOST[26]（World Food Studies）等。20世紀90年代以來農田生態系統碳循環模型進入綜合應用階段，模型逐漸向完整的植物生長發育過程和多種作物方向發展，可以對環境的變化做出響應，反映自然環境和人為因素與碳循環之間的關系。DSSAT[27]和APSIM[28]等是該階段的代表模型。
　　3  農田生態系統碳循模型在國內外的研究進展
　　3.1  國外農田生態系統碳循模型應用現狀
　　目前，國外主流的農田生態系統碳循模型有APSIM、DNDC、CENTURY、RothC、EPIC和DAISY等。這些模型可以模擬特定氣候條件下的土壤類型碳動態，但在某些特殊地域極端土壤類型的農田生態系統中，這些模型對碳庫演變趨勢分析存在較大的差異。在應用實踐中，碳循環模型不斷完善，不同的子模型正在不斷被開發，Manure-DNDC就是以成熟的生態地球化學模型DNDC為研究主體的子模型，是在DNDC模型上加入新的子模塊開發研制的，可以模擬畜禽養殖中氮素的遷移[29]。
　　APSIM模型由隸屬澳大利亞聯邦科工組織和昆士蘭州政府的農業生產系統組織（APARU）開發，其以日為時間步長，可以模擬不同氣候帶和多種土壤條件下農業系統中各主要組分運轉[30]，分析不同耕作制度下，農田土壤中H2O、C、N和P的動態變化及相互間的影響機制。從而為不同年份的動態決策和氣候應變管理提供可靠依據[31]。
　　DNDC模型是目前應用最廣泛的有機碳模型之一，由美國New Hampshire大學開發，也是以日為時間步長，模擬現實環境條件下作物生長和土壤化學變化的關系、不同環境因子變化的條件下溫室氣體的排放情況以及農田土壤水分運動的狀況[32]。
　　CENTURY模型由美國科羅拉多州立大學Parton研發，是目前最全面的生態系統模型之一。通過該模型可以把土壤有機碳庫分為惰性碳庫、慢性碳庫和活性碳庫，模擬農田、草地和森林等不同土壤植物生態系統中C、N、P和S的動態變化規律。模擬時間尺度可以以年為單位甚至達到上千年[33]。
　　RothC模型由英國洛桑實驗室Jenkinson研發，其特點是結構簡單，所需參數比較容易獲得?？梢阅M旱地、黑土和潮土區等耕地土壤的SOC動態變化情況[34]。
　　EPIC模型由美國農業部下屬的草地、土壤和水分研究所與美國德克薩斯農工大學黑土地研究中心所共同開發，是用于分析作物生產力和水土流失的綜合應用模型。其含有養分循環、水文、土壤侵蝕、土壤溫度和作物生長5個模塊，可以較準確地模擬不同作物長勢、產量、潛在產量和土壤水分動態變化，估算水土保持措施和田間管理的影響，還可評價分析農業優化布局和氣候變化[35]。
　　DAISY模型是一維模型，由丹麥皇家農業大學Hansen等研發，其包含作物農業生態系統管理、氮平衡、溶質平衡、土壤熱平衡、土壤水平衡5個相互作用的子模塊，通過對氣象數據和耕作管理措施模擬氮的動態變化、CO2呼吸量、作物生長、有機質平衡和水熱平衡[36]。
　　3.2  中國農田生態系統碳循模型應用現狀
　　20世紀80年代開始，農田生態系統碳循環模型在中國進入研究熱潮。較為常見的模型有Agro-C、SCNC、EPPML、AVIM、EALCO、SMPT-SB等。Agro-C模型可以模擬中國農業土壤有機碳的年均增加量以及密度增加速率，其包括Crop-C和Soil-C兩個子模型。Crop-C子模型可以模擬作物凈初級生產力，Soil-C子模型用來評估碳庫變化[37]。SCNC模型可以用來模擬不同管理措施條件下旱地和水田中土壤有機碳的動態，包括平衡和預測兩個模式。平衡模式模擬土壤有機碳平衡時土壤有機碳各組分含量;預測模式在平衡模式的基礎上通過投入的有機碳量進行模擬預測[38]。EPPML模型模擬土壤-植物-大氣系統中的碳循環和水循環，包括4個子模塊分別為能量傳輸、生理調節、水循環和碳循環，可以輸出碳循環和水循環變量的空間分布圖[39]。AVIM模型利用大氣-植被相互作用研究地表面物理過程與生物地球化學循環耦合的機理，特別適用于研究草原生態系統和氣候變化的關系[40]。EALCO模型以常規氣象數據（比濕、風速、降水、空氣溫度、大氣壓、入射長波、短波輻射等）作為驅動變量，模擬大氣之間水、熱和碳通量與生態系統下墊面交換的過程，主要用于分析林業生態系統碳通量和季節性氣候變化與碳通量之間的關系[41]。SMPT-SB模型是基于氣孔行為的氣孔導度-光合-蒸騰耦合模型，用于模擬林區冠層尺度光合速率和蒸騰速率，研究光合-蒸騰耦合關系[42]。目前國內的農田生態系統碳循環模型以靜態模型為主，動態模型多是根據國外主流模型改進的。這些碳循環模型有較多的經驗性參數，且具有顯著的地域性和局限性。 　　4  農田生態系統碳循環的研究展望
　　隨著遙感技術的突飛猛進，研發人員不斷深入了解碳循環過程、農田生態系統結構，農田生態系統碳循環模型也在不斷地完善和發展。但這些碳循環模型仍然存在準確度不夠、參數復雜、不同模型評價標準不一致、環境因素分析不全面等問題。為解決上述問題可以考慮從以下幾方面進行研究，以期為減少農業面源污染、溫室氣體排放和研究全球氣候變化提供科學依據，為政府制定相關政策提供數據參考。
　　1）完善農田生態系統碳循環模型。加強對物質循環的認識，認清農田生態系統中碳循環過程的機理，深入了解農田生態系統碳循環。
　　2）應用先進的監測技術。利用GIS、GPS和RS等現代技術準確監測和分析農田生態系統，得到詳細精確的模型參數。
　　3）耦合不同農田生態系統碳循環模型。建立以整個生態系統為研究對象的農田生態系統碳循環模型。
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　　收稿日期：2018-09-14
　　作者簡介：鄧超楠（1992-），女，河南駐馬店人，在讀碩士研究生，研究方向為馬克思主義發展史，（電話）18053164563（電子信箱）2661229194@qq.com。
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