CENTURY模型在陸地生態(tài)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用

楊利英 張成福 王雨晴 楊宇娜 賀帥 丁奮謙 王志東

摘要：指出了氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響是探究全球變化的核心內(nèi)容。國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用CEN-TURY模型強(qiáng)大的參數(shù)化功能，深入研究了不同地區(qū)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳等的動(dòng)態(tài)變化，分析了氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制以及預(yù)測(cè)了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。為此，總結(jié)了CENTURY模型近年來(lái)在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期為將來(lái)研究陸地生態(tài)系統(tǒng)，并制定合理的管理措施提供科學(xué)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氣候變化;陸地生態(tài)系統(tǒng);CENTURY模型

中圖分類(lèi)號(hào)：$162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）16-0009-04

1引言

自20世紀(jì)中葉以來(lái)，大氣中CO2濃度的增加導(dǎo)致地球表面平均溫度的升高。全球變暖正在擾亂自然循環(huán)，并導(dǎo)致局部和全球氣候的長(zhǎng)期變化，致使海洋變暖、冰塊融化和蒸發(fā)增加，海平面上升，極端天氣事件如洪水、干旱、颶風(fēng)等頻發(fā)及其它潛在環(huán)境影響。

土壤有機(jī)碳（SOC）是陸地碳庫(kù)的重要組成部分，也是深入研究陸地生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)的核心內(nèi)容。在人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化驅(qū)動(dòng)力下評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的碳收支，并預(yù)測(cè)未來(lái)SOC儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)以評(píng)估土壤資源顯得尤為重要。植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）是全球氣候變化研究的一個(gè)重要方向，也是顯示生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)，為生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理提供了高度綜合、定量的信息。

我國(guó)因特殊的地理位置，受氣候變化影響很大，是極端天氣災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家。過(guò)去20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了很多研究生態(tài)系統(tǒng)的模型，但大都具有很強(qiáng)的局限性。CENTURY模型可以用來(lái)模擬并預(yù)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，在不同地區(qū)的應(yīng)用中均取得了良好的結(jié)果。

2CENTURY模型概述

2.1模型簡(jiǎn)介

CENTURY模型由科羅拉多州立大學(xué)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是目前全球應(yīng)用比較廣泛的模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的模型，可用于綜合評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響。CENTURY模型主要的子模型有：土壤有機(jī)質(zhì)子模型，水分收支、淋溶和土壤溫度子模型，植物生長(zhǎng)子模型等。模型的主要輸入變量包括：①月平均最高、最低氣溫;②月降水量;③植物體木質(zhì)素含量;④植物的氮、磷和硫含量;⑤土壤參數(shù)主要包括pH值、土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤容重和土壤養(yǎng)分等;⑥大氣和土壤氮素輸入;⑦初始土壤碳、氮、磷和硫含量。模型以月或日為運(yùn)行單位。CENTURY模型的運(yùn)行環(huán)境由輸出程序和兩個(gè)輔助程序組成（圖1）。Filel00程序幫助用戶創(chuàng)建和更新CENTURY主程序使用的12個(gè)參數(shù)文件。Eventl00程序用來(lái)創(chuàng)建作物屬性、農(nóng)田管理和模擬期間發(fā)生的干擾事件相關(guān)參數(shù)的文件。

2.2模型的建立和驗(yàn)證

CENTURY模型的運(yùn)行過(guò)程為：第一步將收集到的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模型所需的氣象文件*.WTH，再使用FILEl00程序設(shè)定12個(gè)參數(shù)化文件中的參數(shù);第二步運(yùn)行EVENT100程序，設(shè)定作物管理和干擾事件，生成相應(yīng)的系統(tǒng)文件;第三步為使用月平均最低、最高氣溫、月平均降水量驅(qū)動(dòng)CENTURY模型，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后以穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行的參數(shù)作為模型的初始條件得到模擬結(jié)果;最后運(yùn)行LISTl00程序得到可讀的模擬結(jié)果。

CENTURY模型的驗(yàn)證方法有線性回歸分析法、誤差平方根值法及平均絕對(duì)百分比誤差法，綜合利用這

3種方法可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)CENTURY模型的適用性。

3CENTURY模型在陸地生態(tài)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用

3.1CENTURY模型在陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳研究中的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，CENTURY模型被廣泛應(yīng)用于世界各地不同的陸地生態(tài)系統(tǒng)中，均得到了很好的模擬效果。Kirschbaum等利用CENTUYR模型進(jìn)行了一系列森林凋落物分解和森林土壤氮礦化模擬試驗(yàn)。研究表明，CENTUYR模型可以成功地模擬各種類(lèi)型凋落物的分解和養(yǎng)分的礦化過(guò)程。Hong等基于CENTURY模型研究了不同的采伐方式對(duì)中國(guó)北方森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳通量的影響。結(jié)果表明，NPP隨著收獲強(qiáng)度的增加或砍伐周期的縮短而降低，禁伐可以使森林生物量、凋落物和土壤碳儲(chǔ)量顯著提高，中國(guó)北方森林較加拿大、美國(guó)和俄羅斯的生產(chǎn)力和生物量高。Alvarez利用CENTURY模型對(duì)阿根廷潘培安地區(qū)SOC進(jìn)行了估算，將模型預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值的差異視為種植對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)的影響結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤碳損失是由于農(nóng)業(yè)種植造成的。Chiti等利用CENTURY模型對(duì)地中海和高山森林地區(qū)土壤有機(jī)碳狀況和趨勢(shì)進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在土地管理沒(méi)有發(fā)生變化情況下，由于大氣二氧化碳的施肥效應(yīng)和生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，兩個(gè)地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量都會(huì)增加。研究表明CEN-TURY模型可以作為估計(jì)未來(lái)SOC變化的有效工具。Dimass使用CENTUYR模型評(píng)估了9個(gè)農(nóng)作物管理情景對(duì)法國(guó)6個(gè)典型的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站SOC儲(chǔ)量的影響。研究結(jié)果表明，與其它因素相比，農(nóng)作物管理對(duì)CENTURY模型預(yù)測(cè)結(jié)果的影響最大。Foe-reid等使用CENTURY模型準(zhǔn)確地模擬了丹麥南部Askov農(nóng)場(chǎng)氣候長(zhǎng)期變化條件下裸露休耕地SOC含量和土壤肥力，并將其應(yīng)用于北歐農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理中。

CENTURY模型在我國(guó)的應(yīng)用是從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始的，分別模擬和預(yù)測(cè)我國(guó)東北、華北、西北等地生態(tài)系統(tǒng)SOC的循環(huán)過(guò)程以及未來(lái)的變化趨勢(shì)，均得到了很好的效果。高魯鵬等利用CENTURY模型對(duì)東北地區(qū)典型區(qū)域黑土SOC及其組分的動(dòng)態(tài)演變進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)，定量分析了不同的耕作方式對(duì)SOC的長(zhǎng)期影響，為科學(xué)管理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。許文強(qiáng)等利用CENTURY模型對(duì)西北干旱區(qū)人工綠洲開(kāi)發(fā)前后以及不同的農(nóng)業(yè)耕作方式對(duì)O～20cm的土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)影響。研究結(jié)果表明，西北干旱人工綠洲的土壤呈現(xiàn)“碳匯”增加的趨勢(shì)，尤其在實(shí)施了保護(hù)性耕作方式下，碳匯作用更加明顯。研究成果為制定干旱綠洲的保護(hù)措施提供了理論支撐。Gong等利用CENTURY模型研究了華北平原長(zhǎng)期有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥的施用對(duì)冬小麥和夏玉米種植體系土壤有機(jī)碳組分的影響，以期獲得最佳施肥管理措施。胡興才等利用CENTURY模型對(duì)青海民和縣和三雷鎮(zhèn)大棚和露天兩種種植設(shè)施的番茄生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬，分析了采取不同設(shè)施下番茄生長(zhǎng)的差異，探明了2種設(shè)施對(duì)番茄生育期地上生物量的影響機(jī)制。

3.2CENTURY模型在陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究中的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代，世界各國(guó)學(xué)者先后將CENTU-RY模型應(yīng)用于草原、農(nóng)田、森林以及稀樹(shù)草原生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)力的模擬驗(yàn)證和預(yù)測(cè)，以評(píng)估氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。Parton等利用世界各地具有代表性的草原的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)CETURY模型進(jìn)行了驗(yàn)證，均取得了很好的模擬效果。Vallis等為了研究不同氮肥施用方式對(duì)SOC水平和甜菜生產(chǎn)力的長(zhǎng)期影響，在昆士蘭北部赫伯特河地區(qū)的兩種土壤上進(jìn)行了模擬并取得了很好的模擬效果。Mangan等利用CENTURY模型探討了干旱、植物功能類(lèi)型、火災(zāi)、放牧以及土壤侵蝕對(duì)半干旱氣候環(huán)境下內(nèi)布拉斯加州沙丘植被與沙丘穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，火災(zāi)和放牧對(duì)植被影響不大，但與輕度干旱相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致生物量下降。如果一種植物功能類(lèi)型主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)，則總生物量增加。Peng等利用CENTURY模型研究了加拿大中部的北方森林過(guò)渡帶NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)，探討了CO2、施肥和火燒對(duì)NPP變化的長(zhǎng)期影響，發(fā)現(xiàn)湯普森（馬尼托巴）地區(qū)和薩斯喀徹溫省南部地區(qū)NPP的觀測(cè)值與模擬值一致。模擬結(jié)果表明，氣候變化將導(dǎo)致加拿大北方森林NPP增加。

CENTURY模型在國(guó)內(nèi)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)力的研究也比較多，其目的是研究氣候變化背景下各生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)不同管理措施的響應(yīng)。CENTURY模型已應(yīng)用于青藏高原、內(nèi)蒙古草原、東北黑土區(qū)以及大興安嶺等地，均取得了很好的模擬效果。肖向明使用CENTURY模型分析并預(yù)測(cè)了氣候變化條件下內(nèi)蒙古錫林河流域草原的生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。耿元波等利用CENTURY模型模擬了氣候變化對(duì)高寒草甸草原的影響，取得了很好的效果。張存厚等利用內(nèi)蒙古草原的代表站點(diǎn)草地生產(chǎn)力長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)CENTURY模型進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，分析了降水、氣溫、CO2等氣象要素和放牧對(duì)內(nèi)蒙古草原的影響機(jī)制，并重建了內(nèi)蒙古草原公元1～2000年的生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)變化，綜合、定量的評(píng)價(jià)了氣候變化對(duì)內(nèi)蒙古草原地上凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。蔣延玲等利用CENTURY模型對(duì)我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，評(píng)估了氣候變化和火燒管理對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，為制定合理的森林管理措施提供了科學(xué)的理論依。綜上可知，CENTURY模型在我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)具有很好的適用性。

3.3CENTURY模型與其他技術(shù)在陸地生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展，將生態(tài)系統(tǒng)模型與遙感、GIS技術(shù)結(jié)合正成為一個(gè)全新的研究趨勢(shì)。為了提高草原管理水平，研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的影響，F(xiàn)eng等將CENTUYE模型與MODIS反演數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了一個(gè)對(duì)內(nèi)蒙古中部錫林郭勒草原放牧強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的框架，研究表明該方法能夠?qū)Ψ拍粱顒?dòng)對(duì)草原的影響進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)。陳四清綜合運(yùn)用遙感、GIS技術(shù)和CENTURY模型動(dòng)態(tài)模擬了錫林河流域草原碳循環(huán)過(guò)程并繪制了模擬圖，形象地展示了土地利用變化、人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)碳循環(huán)和碳匯功能的影響，使人們更加清楚并全面了解草地對(duì)全球碳循環(huán)的重要性。Bortolon等利用CENTURY模型和GIS對(duì)巴西南部大區(qū)域尺度下的碳排放和碳固定進(jìn)行了研究。針對(duì)不同種植制度、土地耕作方式和植被類(lèi)型，他們根據(jù)采樣區(qū)域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)CENTURY模型進(jìn)行了校正和檢驗(yàn)。結(jié)果表明，CENTURY模型可以準(zhǔn)確估計(jì)土地利用變化和土壤管理對(duì)SOC的演變及大氣二氧化碳平衡的影響。李明明將CENTURY模型與GPS、GIS等技術(shù)結(jié)合使用，模擬并預(yù)測(cè)了黃土高原典型小流域不同土地利用方式下SOC和有機(jī)氮的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素。

4CENTURY模型存在的問(wèn)題與展望

CENTURY模型參數(shù)多，要求大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在模擬一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)研究站點(diǎn)的地理信息和氣象、土壤等記錄數(shù)據(jù)對(duì)模型的許多參數(shù)進(jìn)行校正，以保證模型的精度。建議CENTURY模型加入一個(gè)全球地理和氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，使模型可方便地模擬全球各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)氣候變化條件下的NPP、碳循環(huán)和土壤碳儲(chǔ)量。另外，針對(duì)不同的生態(tài)系統(tǒng)和氣候條件，CENTURY模型可對(duì)每個(gè)參數(shù)提供一個(gè)有效的取值范圍，這樣可以有效縮短用戶校正參數(shù)的過(guò)程，提高CENTURY模型使用便利性以及準(zhǔn)確性，為陸地生態(tài)系統(tǒng)的模擬提供更好的保障。

CENTURY模型普遍用于單個(gè)點(diǎn)位的模擬。由于參數(shù)僅針對(duì)局地化的特點(diǎn)，導(dǎo)致模型應(yīng)用于大區(qū)域時(shí)引起誤差較大，不能滿足用戶研究大區(qū)域尺度的要求。將CENTURY模型與遙感和GIS相結(jié)合，利用其二次開(kāi)發(fā)和多源數(shù)據(jù)處理的功能，為模型在大區(qū)域尺度的高精度模擬提供保障。

CENTURY模型的輸出模式需要進(jìn)一步改進(jìn)。當(dāng)前以月時(shí)間步長(zhǎng)運(yùn)行的CENTURY模型其模擬值的輸出選項(xiàng)中只有以月、半年或年為時(shí)間單位的輸出格式。當(dāng)用戶僅研究季度或整個(gè)生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化時(shí)，截取所需月份模擬值的工作量大，因此對(duì)輸出模式需要進(jìn)一步改進(jìn)。

CENTURY模型不僅應(yīng)用范圍廣，而且模擬精度高。模型模擬并預(yù)測(cè)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于草原、森林和農(nóng)田等多種生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳循環(huán)和碳儲(chǔ)量取得了一系列卓有成效的研究成果。通過(guò)CENTURY模型與3s技術(shù)相結(jié)合，使模型能夠精確評(píng)估變化條件對(duì)于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響，為制定合理的陸地生態(tài)系統(tǒng)管理措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。