CENTURY模型在土壤有機(jī)碳研究中的應(yīng)用

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(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 引 言

土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于動(dòng)物、植物、根系分泌物和微生物殘?bào)w，并處于一個(gè)不斷分解和形成的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，是生態(tài)系統(tǒng)在特定條件下的動(dòng)態(tài)平衡值。土壤有機(jī)碳貯量約為1 500 Pg[1]，是大氣碳庫(kù)的2倍，亦是陸地碳庫(kù)的主要組成部分。因此，土壤碳庫(kù)小幅度的變化就可能對(duì)大氣中碳的排放造成影響，從而加劇溫室效應(yīng)并且作用于全球氣候的變化，同時(shí)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的分布、組成、結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深刻的影響[2]。近些年，地球科學(xué)、資源與環(huán)境科學(xué)等不同學(xué)科的很多學(xué)者對(duì)我國(guó)陸地土壤有機(jī)碳庫(kù)進(jìn)行了探索，不同學(xué)者之間的研究結(jié)果還存在較大差異，這主要是由于數(shù)據(jù)的來(lái)源不同以及研究方法上的差別。進(jìn)一步系統(tǒng)、深入的研究土壤有機(jī)碳庫(kù)有其現(xiàn)實(shí)意義。此外，由于控制不同生態(tài)環(huán)境條件的土壤有機(jī)碳循環(huán)的因素不同，造成了土壤有機(jī)碳的空間變異性較高，特別是對(duì)于目前土壤有機(jī)碳下降十分突出的生態(tài)脆弱區(qū)，提供多尺度或多種詳細(xì)程度的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于農(nóng)業(yè)環(huán)境的改善有著非常重要的意義[3]。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中最活躍的物質(zhì)組成，其含量決定了土壤有機(jī)碳的含量。土壤有機(jī)質(zhì)也是土壤質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵屬性，有些學(xué)者建議將其作為土壤生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量的最重要的單一指示物[4-7]。土壤有機(jī)質(zhì)及其他土壤性質(zhì)的變化過(guò)程非常緩慢，長(zhǎng)期野外實(shí)驗(yàn)是檢測(cè)這類緩慢變化過(guò)程的理想手段。但是長(zhǎng)期野外實(shí)驗(yàn)的適用條件較為有限，在整個(gè)氣候范圍及眾多感興趣的條件下實(shí)施是不可能的，而且基于有限的實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)數(shù)目，獲得的實(shí)驗(yàn)資料分散零星，缺少大范圍規(guī)律性的認(rèn)識(shí)；另外實(shí)驗(yàn)資料的獲取不具備連續(xù)性，受時(shí)間上的制約和影響，借助土壤有機(jī)質(zhì)模型能夠克服這些問(wèn)題，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行較好的模擬預(yù)測(cè)，是定量實(shí)現(xiàn)土壤碳循環(huán)規(guī)律必不可少的手段，也是綜合不同因子及其相互作用的有力工具。土壤有機(jī)質(zhì)模型有4個(gè)驅(qū)動(dòng)條件，分別為氣象、土壤、土地利用和農(nóng)田管理，模型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生、分解和轉(zhuǎn)化等一系列過(guò)程進(jìn)行數(shù)字模擬，從而達(dá)到能夠預(yù)測(cè)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用CENTURY模型對(duì)多個(gè)地區(qū)的土壤有機(jī)碳進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，CENTURY模型模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有較好的吻合度，在土壤有機(jī)碳的研究上具有較好的適用性。

1 CENTURY模型概述

美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的Parton 等通過(guò)研究最早建立了CENTURY模型[8-9],該模型最初是被用在草地生態(tài)系統(tǒng)中的，主要模擬生態(tài)系統(tǒng)中的碳、氮、磷、硫等元素的長(zhǎng)期演變過(guò)程，在草地生態(tài)系統(tǒng)中模擬效果較好。許多學(xué)者已經(jīng)將其應(yīng)用于不同地區(qū)的眾多試驗(yàn)站點(diǎn)，驗(yàn)證了CENTURY模型在草地生態(tài)系統(tǒng)中的適用性[10-17]。它接納了土壤有機(jī)質(zhì)分為3個(gè)庫(kù)的理論，是應(yīng)用比較廣泛的表征土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)的模型，后對(duì)其加以改進(jìn)，應(yīng)用擴(kuò)展到森林、稀樹草原、農(nóng)業(yè)等生態(tài)系統(tǒng)中，已通過(guò)了很多學(xué)者的檢驗(yàn)。CENTURY模型應(yīng)用于不同的生態(tài)系統(tǒng)時(shí)需要輸入不同的參數(shù)，只要輸入有效的參數(shù)，CENTURY模型就能夠正常運(yùn)行。降雨量、溫度、土壤質(zhì)地和植物木質(zhì)素含量是影響土壤有機(jī)質(zhì)分解的4個(gè)重要變量，CENTURY模型將這4個(gè)重要變量作為確定一個(gè)地點(diǎn)的特征值，從而使該模型能夠應(yīng)用于不同環(huán)境條件下。

CENTURY模型包括3個(gè)子模型，即植物產(chǎn)量子模型、土壤水分和溫度子模型和土壤有機(jī)質(zhì)子模型。其中，在土壤有機(jī)質(zhì)子模型中，輸入土壤的植物凋落物依據(jù)其木質(zhì)素含量采用多分室建模理論將分為兩個(gè)庫(kù)，結(jié)構(gòu)庫(kù)和代謝庫(kù)。植物殘?bào)w中的木質(zhì)素全部進(jìn)入結(jié)構(gòu)庫(kù)，且植物殘?bào)w中N含量與木質(zhì)素的比值決定了植物殘?bào)w在代謝庫(kù)和結(jié)構(gòu)庫(kù)之間的分配。隨著N含量與木質(zhì)素的比值降低，進(jìn)入結(jié)構(gòu)庫(kù)中的植物殘?bào)w比例即增大[18]。CENTURY模型土壤有機(jī)質(zhì)子模型的3個(gè)組分庫(kù)分別為活性庫(kù)、慢性庫(kù)、惰性庫(kù)[19]，其中，活性土壤有機(jī)質(zhì)(active SOM)主要由活的微生物以及它的代謝產(chǎn)物組成，周轉(zhuǎn)時(shí)間大概為1 a-5 a，時(shí)間較短；慢性土壤有機(jī)質(zhì) (slow SOM)包括難分解的土壤有機(jī)物質(zhì)和土壤固定的微生物產(chǎn)物，周轉(zhuǎn)時(shí)間受氣候條件的影響而有所差異，比活性土壤有機(jī)質(zhì)要長(zhǎng)，為20 a-40 a；惰性土壤有機(jī)質(zhì) (passive SOM)是土壤中極難分解的部分，性質(zhì)非常穩(wěn)定，周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)200 a-1 500 a，甚至長(zhǎng)達(dá)幾千年[20]。土壤管理方式的改變極易引起活性庫(kù)和慢性庫(kù)的變化，但是惰性庫(kù)則變化不明顯，因此活性庫(kù)和慢性庫(kù)被用作早期的土壤有機(jī)質(zhì)增加或者減少的“指示燈”[21]。

目前CENTURY模型版本有窗口操作和DOS提示符兩個(gè)模式，模型主要以月或者年為時(shí)間步長(zhǎng)運(yùn)行，土壤有機(jī)碳輸出結(jié)果為gC·m-2。相對(duì)于其他土壤有機(jī)質(zhì)模型，CENTURY模型的適用性更強(qiáng)，能夠用于不同的環(huán)境條件下，而且CENTURY模型除土壤有機(jī)碳子模型外，還包含很多子模型例如植物生產(chǎn)子模型、N、S、P素子模型等，所以應(yīng)用范圍較廣，但是其運(yùn)行機(jī)理比較復(fù)雜，并且CENTURY模型缺少一些重要的歷史數(shù)據(jù)，雖然也作出了一些合理的推斷，一些參數(shù)需要通過(guò)其他因子計(jì)算而得，但一些不確定的影響是無(wú)法估計(jì)的，因此CENTURY模型在應(yīng)用上最大的不足就是由一些不確定因素造成的模擬結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

2 CENTURY模型在國(guó)內(nèi)外土壤有機(jī)碳研究中的應(yīng)用

2.1 CENTURY模型的運(yùn)行

2.1.1數(shù)據(jù)獲取。CENTURY模型需要獲取兩方面的數(shù)據(jù)，即模型運(yùn)行所需參數(shù)的獲取和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的獲取。主要輸入?yún)?shù)包括：月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月降雨量、作物木質(zhì)素含量、作物氮磷硫等元素含量、土壤質(zhì)地、土壤的氮輸入以及初始土壤碳、氮、磷、硫的含量。CENTURY模型所需的氣象數(shù)據(jù)一般來(lái)自于國(guó)家氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心及各地方氣象局站點(diǎn)數(shù)據(jù)。土壤質(zhì)地、土壤密度和土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)來(lái)自于土壤資源和土壤資源調(diào)查成果及一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每一個(gè)氣象觀測(cè)站的耕作、施肥(有機(jī)肥和化肥)、作物、收獲等參數(shù)均參照研究地點(diǎn)的土地志和第2次土壤普查資料，其他相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自于文獻(xiàn)調(diào)研及歷史資料。

2.1.2模型參數(shù)化。要正常運(yùn)行模型，首先必須對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)初始化，假設(shè)土壤有機(jī)碳的積累處于自然狀態(tài)，即不受人為因素的干擾，只受環(huán)境因素的影響(如氣候、土壤等)，且從最初狀態(tài)零開始積累，并最終達(dá)到或接近一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是平衡的狀態(tài)。

利用獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)運(yùn)行模型，運(yùn)行上千年后達(dá)到一個(gè)均衡狀態(tài)，即生態(tài)系統(tǒng)碳的蓄積和排放量達(dá)到平衡時(shí)的狀態(tài)，然后以均衡態(tài)模擬得到的結(jié)果作為一個(gè)初始條件，模擬實(shí)際氣候條件下的生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)，因此不必設(shè)定站點(diǎn)信息文件中的有機(jī)質(zhì)初始值參數(shù)。輸出變量為土壤有機(jī)碳各組分庫(kù)的碳含量及總碳庫(kù)含量。

2.1.3模型檢驗(yàn)與分析。通過(guò)將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，最終確定CENTURY模型在該地區(qū)的適用性。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行回歸分析后，若二者具有較好的吻合度，則CENTURY模型可以較好的模擬所研究地區(qū)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)。

2.2 CENTURY模型在國(guó)外土壤有機(jī)碳研究中的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代,美國(guó)、歐洲、澳洲等國(guó)學(xué)者先后將Century模型應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[19]。巴西的Leite[20]等運(yùn)用CENTURY模型模擬免耕及不同耕作方式下強(qiáng)淋溶土中的土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)特征，結(jié)果表明，土壤僅在免耕條件下土壤有機(jī)碳含量會(huì)有增加的趨勢(shì)，并且在酸性熱帶土壤中利用CENTURY模型模擬得到的慢性庫(kù)和惰性庫(kù)結(jié)果值與實(shí)際測(cè)量值一致，但活性庫(kù)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值有很大出入。Mikhailova等[10]在俄羅斯庫(kù)爾斯克市的一個(gè)休耕了50 a的地塊中做了研究，通過(guò)對(duì)這個(gè)地塊中土壤有機(jī)碳含量的實(shí)測(cè)值與長(zhǎng)期休耕模式CENTURY模型模擬的結(jié)果值進(jìn)行比較，模擬結(jié)果較好。Kelly等[9]通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，CENTURY模型在草地生態(tài)系統(tǒng)和作物生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用最成功，模擬效果最好；CENTURY模型在生態(tài)系統(tǒng)研究中是一個(gè)非常實(shí)用的工具，尤其適用于有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)方面的研究。Bortolon等[21]通過(guò)調(diào)整和驗(yàn)證CENTURY模型來(lái)估計(jì)巴西南部圣安娜地區(qū)受農(nóng)業(yè)利用和土壤管理影響的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化特征，從模擬結(jié)果得出土地利用和土壤管理的變化明顯導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化，為今后進(jìn)一步更好的進(jìn)行土地管理打下基礎(chǔ)。Fuentes等[22]在地中海半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用CENTURY模型對(duì)0～30 cm土層厚度在不同的耕作制度下的土壤有機(jī)碳進(jìn)行模擬，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.85，擬合度較好，證明CENTURY模型在該地區(qū)的適用性?；谠撃Ｐ脱芯苛斯芾泶胧?duì)該地區(qū)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響，結(jié)果表明減少耕作強(qiáng)度和強(qiáng)化耕作制度都是半干旱地中海條件下增加土壤有機(jī)碳固定的有效途徑。

2.3 CENTURY模型在國(guó)內(nèi)土壤有機(jī)碳研究中的應(yīng)用

在我國(guó)，自20世紀(jì)90年代中期起就有學(xué)者運(yùn)用CENTURY模型進(jìn)行土壤有機(jī)碳的研究。同國(guó)外學(xué)者一樣，我國(guó)學(xué)者最初也是把CENTURY模型應(yīng)用在草原生態(tài)系統(tǒng)中。肖向明等[13]利用CENTURY模型對(duì)內(nèi)蒙古錫林河流域典型草原初級(jí)生產(chǎn)力和有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明，研究區(qū)域的生物量季節(jié)動(dòng)態(tài)和年際變化同野外實(shí)測(cè)值顯著地吻合。高魯鵬等[23]把CENTURY模型在東北黑土上進(jìn)行嘗試，對(duì)自然狀態(tài)下的厚層黑土有機(jī)碳動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，在自然狀態(tài)下,黑土有機(jī)碳庫(kù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積累，趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，模型模擬結(jié)果與已發(fā)表的實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近。CENTURY模型是用來(lái)預(yù)測(cè)土壤有機(jī)碳趨勢(shì)的重要模型，高崇升等運(yùn)用該模型對(duì)不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式下的黑土農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化進(jìn)行了比較與預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：CENTURY模型可以預(yù)測(cè)黑土農(nóng)田土壤有機(jī)碳的演變，在移耕農(nóng)業(yè)模式、有機(jī)農(nóng)業(yè)模式、石油農(nóng)業(yè)模式中，黑土土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，但在有機(jī)-無(wú)機(jī)結(jié)合農(nóng)業(yè)模式中，下降趨勢(shì)得到控制，土壤有機(jī)碳含量趨于平衡狀態(tài)，為黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供進(jìn)一步的指導(dǎo)作用[24]。許文強(qiáng)等以干旱區(qū)典型的三工河流域下部的人工綠洲為例,基于CENTURY模型,研究人工綠洲開發(fā)前后及農(nóng)業(yè)管理模式變化對(duì)表層土壤有機(jī)碳庫(kù)(0～20 cm)的影響，結(jié)果表明，研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳總體呈“碳匯”趨勢(shì)，尤其在研究區(qū)實(shí)施了免耕、秸稈粉碎還田、科學(xué)測(cè)土配方施肥等保護(hù)性耕作措施后，土壤固碳效應(yīng)明顯，完全不同于一些熱帶森林、中國(guó)北部溫帶半干旱草原及非洲Savanna半干旱稀樹草原開墾為耕地后土壤有機(jī)碳大量損失的結(jié)論[25]。這些研究結(jié)果表明，CENTURY模型對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的不同生態(tài)系統(tǒng)有較好的模擬效果。

3 CENTURY模型在土壤有機(jī)碳研究中的問(wèn)題與展望

① CENTURY模型的運(yùn)行需要大量的數(shù)據(jù)參數(shù)，有些參數(shù)的獲取較為困難，并且長(zhǎng)時(shí)間序列上觀測(cè)資料的缺乏，勢(shì)必對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。這就需要查找歷史檔案或者根據(jù)當(dāng)?shù)氐木用裉峁┫嚓P(guān)的信息，并且必要時(shí)部分?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)需要進(jìn)行合理的推算，才能取得合適的參數(shù)，保證模型的順利運(yùn)行。

② 隨著遙感、GIS等技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)能夠提供大量的實(shí)時(shí)的地表動(dòng)態(tài)信息，GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的空間分析及二次開發(fā)等功能，將CENTURY模型與遙感、GIS技術(shù)進(jìn)行耦合勢(shì)必成為今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，為土壤有機(jī)碳研究提供更好的保障。在GIS數(shù)據(jù)庫(kù)多種信息的支持下，將多分辨率、多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地碳循環(huán)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[26]。

③ 目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用CENTURY模型對(duì)土壤有機(jī)碳做了大量的研究，但是多集中在小比例尺大范圍的研究，中小尺度地域單元內(nèi)的研究較少，由于大范圍研究上所使用的數(shù)據(jù)并不是很具體，很精確，并不能一概代表許多小區(qū)域的數(shù)據(jù)，因此對(duì)具體區(qū)域的土壤有機(jī)碳研究并不具有代表性。區(qū)域性的數(shù)據(jù)有其特殊性，應(yīng)該加強(qiáng)CENTURY模型在中小尺度范圍內(nèi)的應(yīng)用，為土壤的管理提供決策依據(jù)。CENTURY模型的模擬結(jié)果可以用來(lái)進(jìn)行土地評(píng)估，而且可以據(jù)此制定提高作物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量的政策。據(jù)此得出CENTURY模型有著廣泛的應(yīng)用前景，在土壤有機(jī)碳研究中應(yīng)用會(huì)更加廣泛和深入。

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