CENTURY模型在不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳動態(tài)預(yù)測研究進(jìn)展

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(1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大及最活躍的碳庫[1]，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲量約為1550 Gt，約占陸地總碳儲量(2500 Gt)的60%[2]。土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)庫的容量如此之大，使得其較小幅度的變化都會對全球碳循環(huán)產(chǎn)生巨大的影響[3-4]。土地利用方式的改變會引起土壤碳儲量發(fā)生變化[5]，自然生態(tài)系統(tǒng)退化和農(nóng)田開墾均會使SOC儲量下降[6-9]，如自然生態(tài)系統(tǒng)開墾為農(nóng)田會導(dǎo)致溫帶地區(qū)SOC減少60%，熱帶地區(qū) SOC減少75%以上[2]。通過植樹種草，實(shí)施保護(hù)性耕作，及其他有效遏制土壤退化的措施可以顯著提高SOC截存量[10-14]，因此在人類經(jīng)營管理和環(huán)境變化驅(qū)動力下評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的碳收支，并預(yù)測未來SOC儲量的變化趨勢顯得尤為重要。目前的研究方法主要包括野外定位試驗(yàn)和模型預(yù)測兩種類型，其中野外定位試驗(yàn)對SOC動態(tài)演變的監(jiān)測時(shí)空范圍十分有限，另外基于有限的試驗(yàn)站點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上難以連續(xù)，觀測研究并不能反映SOC長時(shí)間序列上的變化特征，進(jìn)而無法對其進(jìn)行有效分析、形成規(guī)律性的認(rèn)識[15]。模型可以基于詳實(shí)的參數(shù)資料模擬過去長時(shí)間序列的SOC動態(tài)變化并預(yù)測其未來變化趨勢，在全球氣候變化背景下，面對碳循環(huán)過程及各碳庫之間的碳通量和反饋機(jī)制的復(fù)雜性來定量預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)SOC的時(shí)空演替，因此，運(yùn)用模型進(jìn)行相關(guān)研究是切實(shí)可行的方法[16]。CENTURY模型是表征土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter, SOM)動態(tài)應(yīng)用比較廣泛的模型之一，多年有關(guān)CENTURY的研究充分證明該模型的實(shí)踐性和預(yù)測結(jié)果的合理性[17-24]，但目前關(guān)于CENTURY模型的運(yùn)行機(jī)理、存在問題及相關(guān)研究的分析總結(jié)相對較少，從而影響研究人員對該模型的認(rèn)知。因此，通過系統(tǒng)介紹CENTURY模型及相關(guān)研究進(jìn)展，旨在為不同研究者使用該模型時(shí)提供參考。

1 CENTURY模型

1.1 CENTURY模型概述

CENTURY模型最早是由美國科羅拉多州立大學(xué)的Parton等[25]建立，是包含植物-土壤營養(yǎng)循環(huán)的綜合模型。起初主要用于模擬草地生態(tài)系統(tǒng)的植物生產(chǎn)力，土壤有機(jī)質(zhì)動態(tài)變化，營養(yǎng)循環(huán)及土壤水分通量等，改進(jìn)之后廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、森林生態(tài)系統(tǒng)及亞熱帶稀樹草原的土壤有機(jī)質(zhì)長期變化及植物的生長[26-27]。該模型通過碳、氮、磷、硫的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性能的模擬[28-31]，著眼于氣候變化及人類干擾對各生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)力、碳和氮等物質(zhì)循環(huán)以及水循環(huán)的影響，主要由土壤碳循環(huán)、水分及土壤溫度、氮磷硫循環(huán)以及植物生產(chǎn)力幾個(gè)子模型組成，其中植物生產(chǎn)力子模型又包括草原/作物、森林及熱帶稀樹大草原3種形式。

CENTURY模型對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的模擬是通過其內(nèi)部土壤水分和溫度子模型、植物生產(chǎn)力子模型及SOM子模型的耦合來實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，土壤水分和溫度子模型可以實(shí)現(xiàn)水分在生態(tài)系統(tǒng)中的平衡分配并模擬出土壤有效持水量和溫度，該水熱條件影響有機(jī)質(zhì)分解率并結(jié)合SOM子模型計(jì)算不同SOM庫中N、 P、 S礦化及分配率。SOM子模型將計(jì)算結(jié)果輸入植物生產(chǎn)力子模型，此時(shí)植物的生長狀況由土壤養(yǎng)分(N、 P、 S)含量及水熱條件來決定。植物生長季結(jié)束后，植物殘?bào)w根據(jù)不同水熱條件的影響被分配到不同的SOM庫，主要包括活性庫(active SOM)、緩慢庫(slow SOM)和惰性庫(passive SOM)，然后再次進(jìn)入有機(jī)質(zhì)子模型計(jì)算階段，此時(shí)CENTURY模型完成一個(gè)生長季的物質(zhì)循環(huán)計(jì)算并進(jìn)入下一輪生長季的計(jì)算過程。在這3大子模型耦合過程中，還考慮了灌溉、放牧、火燒、施肥、耕作、收獲、空氣CO2濃度變化等因素。

圖1 土壤水分和溫度子模型、植物生產(chǎn)力子模型及SOM子模型耦合示意圖[32]Fig.1 Soil moisture and temperature sub-model, plant productivity sub-model and SOM sub-model coupling diagram

1.2 CENTURY子模型描述

1.2.1土壤水分和溫度子模型 土壤水分和溫度子模型以年為周期在模擬開始之前，首先計(jì)算出不同土層(1～4各層厚度為15 cm, 5層以下厚度為30 cm)之前年份的水分結(jié)余，同時(shí)在灌溉和降水條件下，需除去水分流失部分(地表徑流、植被冠層截留和裸土蒸發(fā))，將剩余水分輸入表層土壤(0～15 cm)。然后CENTURY模型根據(jù)各土層田間持水量計(jì)算對應(yīng)土層的土壤飽和水勢，達(dá)到土壤飽和水勢后，剩余水分將滲入下一層土壤中，以此類推，當(dāng)最底層土壤達(dá)到飽和水勢后，剩余水分將匯入地下水，在整個(gè)水分滲透過程中伴隨著礦物質(zhì)營養(yǎng)的轉(zhuǎn)移。

1.2.2植物生產(chǎn)力子模型 模型首先根據(jù)水熱條件參數(shù)估算植物每月的潛在生物量并計(jì)算營養(yǎng)物質(zhì)(N、P、S)需求量，然后將該需求量與土壤可用營養(yǎng)物質(zhì)含量進(jìn)行比較，若需求量小于土壤可用營養(yǎng)物質(zhì)含量，植物生長將達(dá)到潛在生物量，反之植物生長會受到營養(yǎng)物質(zhì)脅迫導(dǎo)致生物量減小。在植物生長模擬過程中,通過對根部碳含量的動態(tài)分配,植物體被分為地上和地下兩部分，同時(shí)，植物死亡殘?bào)w將選擇性的被分配至各物質(zhì)等級庫[32]。

1.2.3SOM子模型機(jī)理描述 植物殘?bào)w分解后向土壤釋放的養(yǎng)分是植物維持自身生長所需養(yǎng)分的主要來源之一[33]，植物殘?bào)w中的木質(zhì)素難以被微生物降解[34]，如圖2所示，進(jìn)入土壤的植物凋落物按照其木質(zhì)素含量采用多分室建模，理論劃分為結(jié)構(gòu)庫(STRUCT.)和代謝庫(METAB.)，結(jié)構(gòu)庫主要包括植物殘?bào)w中木質(zhì)素含量較高的植物組織(如枝條，死亡主根)，其包含了全部的植物木質(zhì)素；代謝庫主要包括易于分解的植物殘?bào)w(如葉片，毛細(xì)根等)。最終植物殘?bào)w在結(jié)構(gòu)庫與代謝庫之間的分配是由N含量與木質(zhì)素的比值決定的，輸入結(jié)構(gòu)庫的植物殘?bào)w比例隨著木質(zhì)素與N含量的比值增大而增大[23]。SOM根據(jù)不同的潛在分解速率將其分為活性庫、緩慢庫、惰性庫[26]，其中，活性庫主要由活的微生物及它的代謝產(chǎn)物組成，周轉(zhuǎn)時(shí)間從數(shù)月到數(shù)年不等，土壤質(zhì)地影響了活性SOM的周轉(zhuǎn)速率(沙土較快)及活性SOM向緩慢SOM轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定速率(粘土較高)；緩慢SOM包括不易分解的土壤有機(jī)物質(zhì)(來自結(jié)構(gòu)庫)和土壤固定的微生物產(chǎn)物(來自活性庫以及表層微生物庫)，周轉(zhuǎn)時(shí)間受氣候條件的影響而有所差異，為20～50年；惰性SOM是土壤中極難分解的部分，周轉(zhuǎn)時(shí)間為400～2000年。微生物呼吸作用產(chǎn)生的CO2被認(rèn)為可以調(diào)節(jié)SOM和植物殘?bào)w的分解速率，活性庫的有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)物以CO2的形式散失，隨著土壤砂粒含量增高而變大。分解產(chǎn)物根據(jù)其最大分解速率的大小進(jìn)入表層微生物庫或3大有機(jī)質(zhì)庫之一。土壤水分和土壤溫度的倍增作用降低了潛在的分解速率，同時(shí)潛在分解速率可能由于耕作的影響而增大。植物體中的木質(zhì)素未經(jīng)過土壤表層微生物庫和活性庫，而是直接輸入緩慢庫中。

圖2 SOM循環(huán)流程圖[35]Fig.2 SOM cycle flow chart

1.3 CENTURY模型運(yùn)行

CENTURY模型以月或年為時(shí)間步長，可在基于Access數(shù)據(jù)庫的窗口模式和DOS提示符下運(yùn)行。最常用的DOS版本包括3個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行程序：file100、event100和list100，file100可調(diào)用或者修改12個(gè)輸入文件的參數(shù)，輸入文件分別為站點(diǎn)信息(site.100)、氣象數(shù)據(jù)(.wth)、植被參數(shù)(crop.100)、耕作(cult.100)、施肥(fert.100)、火燒(fire.100)、放牧(graz.100)、收獲(harv.100)、灌溉(irri.100)和有機(jī)質(zhì)添加(omad.100)，主要輸入?yún)?shù)包括月最高、最低氣溫(℃)、月降水量(cm)、土壤質(zhì)地(砂粒、粉粒、黏粒含量)、土壤含水量、土壤萎蔫系數(shù)、pH、作物最高和最適生長溫度(℃)等[25,27]；event100確定模擬事件的起止時(shí)間，并安排事件發(fā)生的先后順序生成相應(yīng)的管理文件(.sch)，模型運(yùn)行成功之后生成二進(jìn)制(.bin)文件，最后用list100將二進(jìn)制的輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為可讀的十六進(jìn)制文件。

2 CENTURY模型在不同生態(tài)系統(tǒng)中SOC動態(tài)預(yù)測的應(yīng)用

2.1 CENTURY模型在草地生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用

模型研發(fā)者在模型應(yīng)用之初基于俄羅斯Kursk地區(qū)的草甸草原開展了校準(zhǔn)和驗(yàn)證試驗(yàn)，起初由于Parton等[36]忽視了植物物種隨著時(shí)間的推移而發(fā)生的變化，導(dǎo)致生物量預(yù)測結(jié)果較差(R2=0.45)。為了解決這一問題，Gilmanov等[37]通過修改7個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，模型改進(jìn)之后植物生物量預(yù)測能力得到提高(R2=0.67)。這也是CENTURY模型發(fā)展至今仍存在的“Fix.100”文件的由來，在CENTURY 4.0版本之后，這些參數(shù)均被并入Site文件中。此外，該模型的模擬精度會受SOC測定方法的影響，Mikhailova等[38]在Kursk以天然草地的SOC實(shí)測值作為連續(xù)50年休耕地的SOC初始值，模擬草地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田之后SOC的動態(tài)變化過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干式燃燒法測定的SOC比重鉻酸鉀氧化法的測定值更加接近模擬值，模擬草地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田時(shí)土壤容重需要同步進(jìn)行更改才能提高模擬精度。由此可見，20世紀(jì)80～90年代，外國學(xué)者在草地試驗(yàn)點(diǎn)開展的模擬研究主要是為了完善和驗(yàn)證模型，這也為CENTURY模型的應(yīng)用推廣建立了夯實(shí)的基礎(chǔ)。模型改進(jìn)之后草地生態(tài)系統(tǒng)SOC的模擬精度得到了較大改善，Parton等[26]在北美大草原模擬了不同氣溫對SOM的影響，發(fā)現(xiàn)模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測土壤碳、氮含量，但對于質(zhì)地較細(xì)的土壤碳、氮含量預(yù)測會偏高10%～15%。Bandaranayake等[39]模擬天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦郀柗蚱讲萜褐螅鸪醣憩F(xiàn)為碳源，之后呈碳匯，并預(yù)測30年后土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳截存量為23～32 mg C·hm-2，模型對樣點(diǎn)位置和土壤質(zhì)地影響較為敏感。CENTURY模型對于特殊的土壤和植物殘?bào)w模擬效果并不理想，F(xiàn)oereid等[40]在蘇格蘭模擬長時(shí)間序列上4種不同放牧方式的草地土壤碳、氮含量存在明顯差異，根據(jù)12年的土壤碳、氮連續(xù)觀測數(shù)據(jù)與模擬值相差較大，歸結(jié)原因應(yīng)該是當(dāng)?shù)赝寥乐泻写罅课捶纸獾挠袡C(jī)質(zhì)，以及分解緩慢的凋落物。Gijsman等[41]在哥倫比亞農(nóng)田系統(tǒng)和疏林草地生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)用CENTURY模型模擬SOM時(shí)，發(fā)現(xiàn)模型的SOM理論不適用于當(dāng)?shù)氐闹参餁報(bào)w分解，模型對高度風(fēng)化的低磷土壤的適用性較低，模型參數(shù)化時(shí)可能需要使用與原始版本不同的磷組份含量，可見，除受SOC測定方法的影響外，土壤質(zhì)地和土壤養(yǎng)分亦是影響CENTURY模型在草地生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

CENTURY模型是基于點(diǎn)尺度模擬的生物地球化學(xué)模型，單點(diǎn)模擬形式顯然難以滿足較大區(qū)域尺度的研究需求[42-45]。我國關(guān)于CENTURY在草地生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用起步較晚，此時(shí)經(jīng)過完善后的模型理論和技術(shù)的應(yīng)用相對更加成熟，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合多種方法取得了不錯(cuò)的模擬效果。研究者通常依據(jù)《地理信息元數(shù)據(jù)》的標(biāo)準(zhǔn)來定義CENTURY模型參數(shù)的元數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進(jìn)行柵格化處理，把CENTURY模型與ArcGIS耦合，這是區(qū)域尺度模擬的新思路[42]。郭靈輝等[43]運(yùn)用了這種模型空間化的方法，通過編譯程序逐個(gè)格點(diǎn)調(diào)用CENTURY模型主程序?qū)?nèi)蒙古草地1981-2010年的植被凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP)進(jìn)行模擬并分析其對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)降水是1981-2010年草地NPP下降的主要因素，在此研究基礎(chǔ)上，2011-2050年內(nèi)蒙古草地NPP的模擬結(jié)果表明未來氣溫是影響草地生產(chǎn)力的主導(dǎo)因素，這與之前(1981-2010年)研究結(jié)果不同，主要原因是3種草原NPP對降水敏感程度依次為：典型草原>荒漠草原>草甸草原，荒漠草原NPP受溫度影響最大，而不同時(shí)間段內(nèi)草原面積也會發(fā)生變化[44]。李秋月[45]將CENTURY模型空間化之后模擬1961-2010年土壤表層(0～20 cm)SOC動態(tài)變化，模擬值與觀測值的線性回歸決定系數(shù)R2達(dá)到0.89，可見經(jīng)過本地化后的CENTURY模型可以用于內(nèi)蒙古地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的模擬研究和空間化，模擬結(jié)果具有一定的穩(wěn)定性?；趦?nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)觀測站點(diǎn)對CENTURY模型適應(yīng)性進(jìn)行評價(jià)的研究頗多，陳辰等[46]用內(nèi)蒙古4種主要草地類型(草甸草原、典型草原、荒漠草原及草原化荒漠)試驗(yàn)站點(diǎn)的生物量觀測數(shù)據(jù)，對CENTURY模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，結(jié)果表明CENTURY模型在荒漠草原的適應(yīng)性最高(R2=0.65)。張存厚等[47]在四子王旗生態(tài)氣象觀測站的研究結(jié)果表明CENTURY模型能夠成功模擬荒漠草原的季節(jié)動態(tài)和年際變化，生長季內(nèi)每月地上生物量模擬值與觀測值之間具有較好的相關(guān)性(R2=0.66)。莫志鴻等[48]以50年(1961-2010年)的氣象資料數(shù)據(jù)作為CENTURY模型的輸入?yún)?shù)，模擬了4種主要的草原生態(tài)系統(tǒng)(溫性草原、溫性草甸草原、溫性荒漠、高寒草甸)的地上凈初級生產(chǎn)力(above net primary productivity,ANPP)，不同草原生態(tài)系統(tǒng)ANPP模擬值與實(shí)測值的線性回歸系數(shù)依次為：溫性荒漠 (0.44)>溫性草甸草原 (0.41)>高寒草甸 (0.39)>溫性草原 (0.32)。肖向明等[49]利用CENTURY模型模擬了錫林河流域大針茅(Stipagrandis)草原和羊草(Leymuschinensis)草原10年(1980-1989年)的SOC變化特征，在羊草樣地0～20 cm 土層，SOC密度模擬值 (4691～4758 g·m-2) 比觀測值 (5405～5683 g·m-2) 低13%～18%。CENTURY模型在內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)基于點(diǎn)尺度和區(qū)域尺度的適應(yīng)性較高，可以模擬多種草原類型NPP和SOC的動態(tài)變化過程。針對青藏高原地區(qū)高寒草甸土壤模擬研究不足的情況，李東[50]在海北研究站驗(yàn)證了CO2通量觀測數(shù)據(jù)與模擬值的相關(guān)性顯著(R2=0.89，P<0.01)，在這基礎(chǔ)上分析了1960-2005年氣候波動對高寒草甸SOC動態(tài)變化的影響，并模擬了45年后不同放牧強(qiáng)度的SOC含量變化特征。綜上，CENTURY模型在不同草地生態(tài)系統(tǒng)的模擬精度差異較大，在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性較高。

2.2 CENTURY模型在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用

CENTURY模型在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬的初始地面景觀多數(shù)為天然草地，以天然草地所在位置的土壤屬性數(shù)據(jù)作為站點(diǎn)信息的輸入值，用現(xiàn)有的氣象累年月均值驅(qū)動模型運(yùn)行千年達(dá)到有機(jī)質(zhì)平衡狀態(tài)，以天然草地平衡狀態(tài)下的SOC作為農(nóng)田模擬的SOC初始值，模擬單作、間作、休耕等不同農(nóng)業(yè)管理模式下SOC變化特征， Parton等[25]用CENTURY模型模擬了小麥(Triticumaestivum)連作農(nóng)業(yè)管理模式下，土壤碳、氮含量的模擬值與實(shí)測值相差不到5%，另外1931-1986年的實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)均表明采用秋收之后火燒麥茬不利于土壤有機(jī)碳的積累；土壤有機(jī)碳變化與地上碳輸入存在線性關(guān)系，當(dāng)?shù)厣咸驾斎肓繛?00 g C·m-2·yr-1時(shí)，土壤有機(jī)碳含量可以保持穩(wěn)定。Oelbermann等[51]模擬了間作(玉米和大豆)和單作(玉米或大豆)農(nóng)業(yè)管理模式下SOC動態(tài)特征，模擬值與實(shí)測值之間的R2大小依次為：1∶2谷類和豆類間作(0.97)>2∶3谷類和豆類間作(0.89)>大豆(Glycinemax)單作 (0.69)>玉米(Zeamays)單作(0.68)，CENTURY模型在間作農(nóng)業(yè)模式下模擬SOC的精度更高。Leite等[52]模擬了淋溶土在不同耕作模式下SOC的變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有在免耕條件下SOC儲量有恢復(fù)的趨勢，而且不同碳庫的模擬值與實(shí)測值之間的回歸系數(shù)各異，在總碳庫、活性庫、緩慢庫和惰性庫的回歸系數(shù)依次為0.91, 0.64, 0.48和0.90，該模型可以較好地模擬淋溶土的總碳庫和惰性庫的SOC變化。Musinguzi等[53]基于兩個(gè)研究站Kenya(1976-1996年的玉米和大豆間作農(nóng)業(yè))，Kiboga-Uganda(1980-2010年玉米)的SOC數(shù)據(jù)驗(yàn)證CENTURY模型的精確性(R2均大于0.90)，并成功預(yù)測了單作玉米持續(xù)耕作不施肥時(shí)2010-2060年SOC每年減少849 kg C·hm-2·yr-1。Gupta等[54]在喜馬拉雅山中部選取了6個(gè)典型的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)站點(diǎn)，2011年的SOC實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬值之間的相關(guān)系數(shù)為0.95，在此基礎(chǔ)上預(yù)測2011-2099年間不同氣候模式下各站點(diǎn)SOC儲量的變化特征存在明顯差異。Tornquist等[23]用CENTURY模型模擬巴西南部農(nóng)田1993-2050年SOC的動態(tài)變化，1990年前植被覆蓋的原始景觀為亞熱帶森林和天然草地，土壤質(zhì)地較細(xì)的林地SOC模擬值與實(shí)測值相吻合，而原始景觀為草地的SOC模擬精度不夠，在1993-2050年間亞熱帶森林開墾為農(nóng)田之后SOC儲量下降了44%～50%，天然草地變?yōu)檗r(nóng)田之后SOC儲量下降了20%～27%。

國內(nèi)關(guān)于CENTURY模型最初的應(yīng)用區(qū)域集中在我國東北地區(qū)，土壤類型主要為黑土。東北地區(qū)是我國重要的產(chǎn)量基地，國內(nèi)學(xué)者在東北地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)用CENTURY模型開展了大量研究，高魯鵬等[55]模擬了自然狀態(tài)下黑土0～20 cm的SOC密度經(jīng)過5000年的累積最后穩(wěn)定在7.9～11.7 kg·m-2之間，SOM緩慢庫和惰性庫是影響SOC積累過程的決定性因素，這與Oelbermann等[51]的研究結(jié)果一致。方華軍等[56]在典型黑土漫崗坡耕地利用CENTURY模擬侵蝕區(qū)開墾后SOC以及各組分隨時(shí)間的變化，結(jié)果表明土壤侵蝕明顯降低惰性有機(jī)碳含量，其貢獻(xiàn)率隨侵蝕速率的增加而增大，另外，在不考慮泥沙富集作用時(shí)SOC的模擬值與實(shí)測值的R2為0.83，在調(diào)整泥沙侵蝕參數(shù)之后模擬值與實(shí)測值的R2增加為0.91，在考慮泥沙富集作用后CENTURY模型模擬值與實(shí)測值更加接近。高崇升等[57]對4種農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下黑土農(nóng)田的SOC變化進(jìn)行了比較與預(yù)測，CENTURY模型預(yù)測結(jié)果表明2006-2105年移耕農(nóng)業(yè)模式下SOC下降最快(0.063 g·kg-1·yr-1)，有機(jī)和無機(jī)農(nóng)業(yè)結(jié)合模式使SOC下降趨勢得到控制，基本處于平衡狀態(tài)，有機(jī)和無機(jī)農(nóng)業(yè)結(jié)合模式SOC 模擬精度最高。不同農(nóng)業(yè)管理模式是影響SOC模擬精度的主要因素，間作農(nóng)業(yè)模式下模擬SOC的精度較高。此外，為提高SOC模擬精度，在土壤侵蝕區(qū)應(yīng)用CENTURY模型時(shí)需考慮泥沙富集作用。

隨著CENTURY模型在我國應(yīng)用和發(fā)展不斷成熟，部分學(xué)者用CENTURY模型結(jié)合GIS和其他模型在不同地區(qū)開展了研究，模擬的尺度由局地至省域，甚至全國的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。Wang等[58]用1∶500萬土壤數(shù)據(jù)庫與CENTURY模型耦合的方法估算了安徽省干旱農(nóng)田SOC密度從18.77 mg C·hm-2(1980年)增加到23.99 mg C·hm-2(2008年)，年平均碳截存速率為0.18 mg C·hm-2·yr-1。鄧祥征等[59]用CGELUC模型模擬的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)田管理數(shù)據(jù)作為CENTURY模型的輸入?yún)?shù)，結(jié)合土地動態(tài)模擬系統(tǒng)(DLS)模擬的2012與2020年全國柵格尺度的耕地分布數(shù)據(jù)，分析得出1988-2000年我國大部分農(nóng)田SOC儲量呈增加趨勢，總增加量為3.3×108t，2000-2012年我國農(nóng)田SOC儲量共減少1.5×109t，2012-2020年減少趨勢變緩。許文強(qiáng)等[60]將CENTURY模型應(yīng)用于干旱區(qū)典型的三工河流域下部的人工綠洲，SOC模擬值與實(shí)測值的擬合關(guān)系較好(R2=0.87)，滿足模擬精度要求，荒漠灌木林地被開墾為人工綠洲后的50年，土壤有機(jī)總碳呈先增后減的趨勢，土壤有機(jī)碳高于原始狀態(tài)的值，總體呈“碳匯”趨勢。

整體來看，CENTURY模型在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的模擬取得了較好的效果，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供建設(shè)性的建議。但也存在個(gè)別地區(qū)模擬精度不夠的問題，究其原因主要是由于過多的人為干預(yù)(耕作、施肥、灌溉等)增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)情景模擬過程的不可控性，如果不能掌握詳細(xì)的農(nóng)田歷史管理制度和方式，就不能準(zhǔn)確控制模擬進(jìn)程，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的模擬結(jié)果無疑會產(chǎn)生較大偏差。

2.3 CENTURY模型在森林生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用

森林生態(tài)系統(tǒng)包括以木本植物為主的全部有機(jī)體和周圍的非生物部分[61]，復(fù)雜的生態(tài)結(jié)構(gòu)制約了很多模型在森林生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用，而CENTURY模型根據(jù)碳和營養(yǎng)元素含量將樹木細(xì)化為葉、細(xì)根、細(xì)枝、木材、粗根，且為幼林和成熟林提供了不同的碳分配機(jī)制，這也同樣適用于落葉林和常綠林。CENTURY模型在森林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用相對較晚，Cep 等[19]用CENTURY模型在巴西亞馬遜地區(qū)的模擬結(jié)果表明微生物生物量碳與實(shí)測值的模擬精度 (r=0.78) 高于土壤總碳的模擬精度 (r=0.66)。熱帶雨林轉(zhuǎn)化為草原初期土壤碳儲量呈下降趨勢，此后緩慢上升并超過熱帶雨林土壤初始碳儲量[62]。為了使模型輸出結(jié)果與已有的研究結(jié)果相匹配，Muf等[29]對CENTURY有機(jī)質(zhì)模型進(jìn)行了必要的修改，模擬了森林凋落物的分解及土壤氮礦化過程，并闡明了初始木質(zhì)素和氮含量對凋落物分解的影響，模型也能成功模擬天然、灌溉、施肥3種不同管理模式下森林土壤凈氮礦化作用。Kelly等[63]研究指出利用CENTURY模擬森林生態(tài)系統(tǒng)的枯枝落葉層的SOM時(shí)存在結(jié)構(gòu)缺陷，這導(dǎo)致CENTURY模型在森林生態(tài)系統(tǒng)的模擬效果不及農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)的模擬效果。

CENTURY模型在國內(nèi)的應(yīng)用大多旨在探尋合理的森林管理措施，不同學(xué)者先后在大興安嶺運(yùn)用CENTURY模型展開研究，方東明等[64]以大興安嶺地區(qū)的興安落葉松(Larixgmelinii)森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，基于4個(gè)火燒強(qiáng)度(輕微、低、中和高強(qiáng)度)，模擬不同火燒強(qiáng)度對土壤碳收支的影響，結(jié)果表明，SOC密度的模擬值 (8203.78 g·m-2) 與實(shí)測值 (8244.23 g·m-2)較為接近，火燒后土壤碳庫呈先升后降再逐漸恢復(fù)的變化趨勢，而林分生物碳庫則先降后升，較低強(qiáng)度的火燒對落葉森林的更新起到正向的促進(jìn)作用，對林分碳匯功能影響不大，而高強(qiáng)度的火燒會對林分和土壤碳庫造成巨大損失，也不利于森林恢復(fù)。林永標(biāo)等[65]利用CENTURY模型模擬了3種人工林生態(tài)系統(tǒng)1985-2100年的C、N累積動態(tài)及其分配格局變化，發(fā)現(xiàn)該模型可以成功模擬森林生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境因子變化的響應(yīng)。蔣延玲等[66]通過比較生物量和土壤碳的模擬值與實(shí)測值證明，CENTURY模型能夠準(zhǔn)確地模擬興安落葉松森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程，溫度是大興安嶺地區(qū)森林生長的主要限制因子。黃忠良[62]根據(jù)廣東省針對馬尾松林的4種管理措施，運(yùn)用CENTURY模型對130年各階段的SOM、N含量以及生產(chǎn)力進(jìn)行了模擬預(yù)測，結(jié)果表明不同的管理措施對馬尾松(Pinusmassoniana)森林生產(chǎn)力的影響很大，過多地去生物量使得生產(chǎn)力下降更加明顯，說明砍伐林下層植物對森林生產(chǎn)力的可持續(xù)發(fā)展不利。

3 存在問題及展望

總體而言，CENTURY模型在草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的模擬效果要優(yōu)于森林生態(tài)系統(tǒng)，但也存在個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)模擬精度不夠的問題。就研究區(qū)域而言，CENTURY模型在我國草地、農(nóng)田、森林生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用分別集中在內(nèi)蒙古地區(qū)、東北黑土區(qū)、大興安嶺，單一的模擬區(qū)域限制了CENTURY模型在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展，今后的研究可以考慮將該模型拓展到更大的典型研究區(qū)域。

在草地生態(tài)系統(tǒng)，SOC的模擬精度會受測定方法、土壤質(zhì)地和土壤養(yǎng)分的影響。CENTURY模型是基于點(diǎn)尺度的模型，模擬的實(shí)現(xiàn)是建立在模擬區(qū)域范圍內(nèi)的物種具有“均一性”這一假設(shè)成立的基礎(chǔ)上，而自然界很少有單一物種組成的生態(tài)系統(tǒng)，這就限制了CENTURY模型在區(qū)域尺度上的應(yīng)用；模型運(yùn)行時(shí)需要用戶手動控制每個(gè)點(diǎn)位的模擬進(jìn)程，這種模式顯然不能滿足較大區(qū)域尺度的研究需求，GIS具有強(qiáng)大的空間分析及二次開發(fā)功能的技術(shù)優(yōu)勢，可運(yùn)用GIS技術(shù)將模型輸入?yún)?shù)柵格化，在每個(gè)格點(diǎn)調(diào)用CENTURY模型運(yùn)行程序，可見，CENTURY模型結(jié)合GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)模擬向區(qū)域模擬的轉(zhuǎn)變。

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，不同農(nóng)業(yè)管理模式是影響SOC模擬精度的主要因素，運(yùn)用模型模擬土地利用情景過程需要輸入大量的參數(shù)，相關(guān)研究大多采用試驗(yàn)站長期觀測數(shù)據(jù)，但有限的觀測數(shù)據(jù)會影響模擬結(jié)果的精確性，尤其在空間異質(zhì)性較大的研究區(qū)域。為提高SOC模擬精度，需要通過走訪調(diào)查，查閱資料數(shù)據(jù)，確定長時(shí)間序列上的土地利用歷史和施肥、耕作、收獲等人為管理方式，且在土壤侵蝕區(qū)應(yīng)用CENTURY模型時(shí)需考慮泥沙富集作用。

運(yùn)用CENTURY模型預(yù)測草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)SOM動態(tài)，植被生產(chǎn)力變化特征引入了情景預(yù)測分析，通過土地利用模型、氣候預(yù)測模型與CENTURY模型的耦合進(jìn)行了更加合理地預(yù)測，在森林生態(tài)系統(tǒng)的模擬預(yù)測可以借鑒這一方法，從而為制定合理適宜的森林管理方式提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。