基于過(guò)程模型的土壤異養(yǎng)呼吸對(duì)氣候情景響應(yīng)的研究.pdf

1、土壤異養(yǎng)呼吸(RH)是全球碳循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。地球系統(tǒng)模型(ESMs)是預(yù)測(cè)這種關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)全球變化響應(yīng)不可或缺的工具，而土壤溫度和土壤微生物生理作用是影響ESMs模型模擬土壤異養(yǎng)呼吸的兩個(gè)重要因子，盡管已經(jīng)利用ESMs開(kāi)展了大量土壤溫度對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸影響方面的研究，然而，多數(shù)研究沒(méi)有考慮土壤微生物生理作用對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸的影響，更沒(méi)有考慮這種影響對(duì)氣候情景的響應(yīng)。
　　鑒于目前研究的不足，本文利用美國(guó)渦度通量觀測(cè)數(shù)據(jù)校正土壤溫度模

2、型(STM)，用校正后的STM模型模擬了1948年至2008年，10cm、20cm和50cm三個(gè)土壤層次的土壤溫度時(shí)空變化特征。然后，修改了陸地生態(tài)系統(tǒng)模型(TEM)中以Q10為基礎(chǔ)的土壤呼吸模塊，修改后的模塊融合了阿倫尼烏斯方程、米式動(dòng)力學(xué)方程以及土壤微生物生理作用過(guò)程。最后，結(jié)合校正后的STM模型所提供的土壤溫度數(shù)據(jù)，應(yīng)用TEM模型和修改后的TEM模型(MIC-TEM)分別模擬了美國(guó)大陸森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候情景（RCP2.6與8.5）

3、的響應(yīng)。主要結(jié)果如下:
　　(1)校正后的STM模型可以很好的擬合美國(guó)大陸自然生態(tài)系統(tǒng)土壤溫度變化趨勢(shì)，可以利用校正后的STM模型模擬美國(guó)大陸自然生態(tài)系統(tǒng)土壤溫度時(shí)空變化特征。模擬結(jié)果表明:從1948年到2008年，10cm土層土壤溫度升高0.2℃，20cm土層土壤溫度升高0.3℃，50cm土層土壤溫度升高1.2℃。最低年均土壤溫度區(qū)域分布在美國(guó)大陸西南部科羅拉多州以及懷俄明、愛(ài)荷華和蒙大拿州三州的交界處;最高年均土壤溫度區(qū)域分布

4、在美國(guó)大陸南部沿海地區(qū)的德克薩斯州、佛羅里達(dá)州以及加利福尼亞州。在61年的模擬時(shí)間內(nèi)，美國(guó)西南部地區(qū)德克薩斯州、俄克拉荷馬州以及阿肯色州夏天土壤年均溫度呈現(xiàn)變冷趨勢(shì);美國(guó)西部地區(qū)加利福尼亞州夏天年均土壤溫度呈現(xiàn)變暖趨勢(shì);美國(guó)中南地區(qū)密西西比州、阿拉巴馬州和喬治亞州冬天年均土壤溫度呈現(xiàn)變冷趨勢(shì);西北地區(qū)蒙大拿州、北達(dá)科他州和南達(dá)科他州冬天年均土壤溫度呈現(xiàn)變暖趨勢(shì)。
　　在自然生態(tài)系統(tǒng)中，最高年均土壤溫度是灌叢生態(tài)系統(tǒng);最低年均土壤溫

5、度是落葉林生態(tài)系統(tǒng)。在灌叢和草地生態(tài)系統(tǒng)中，50cm土層年均土壤溫度高于10cm和20cm土層年均土壤溫度;在稀樹(shù)草原生態(tài)系統(tǒng)中，10cm土層年均土壤溫度比20cm和50cm土層年均土壤溫度高1.5℃;在落葉林生態(tài)系統(tǒng)中，10cm、20cm和50cm土層年均土壤溫度變化趨勢(shì)平緩。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，常綠林生態(tài)系統(tǒng)年均土壤溫度均值高于落葉林生態(tài)系統(tǒng)年均土壤溫度。
　　(2)MIC-TEM模型中，可溶性基質(zhì)的大小控制著RH的變化。校正后

6、的MIC-TEM模型有能力模擬美國(guó)大陸森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的動(dòng)態(tài)變化。與同一時(shí)期、同一地區(qū)的其它研究結(jié)果對(duì)比表明:MIC-TEM模型模擬的美國(guó)大陸森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化范圍合理，精度可靠。
　　在RCP2.6氣候情景中，TEM模型模擬的總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)和凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)在91年的模擬時(shí)間內(nèi)起初緩慢增長(zhǎng)，在2090s后急速降低;凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)起初有著相似的趨勢(shì)，但在2090s后NEP緩慢降低。MIC-TEM模型

7、模擬的GPP，NPP不斷增長(zhǎng)，而NEP表現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì)。RCP8.5氣候情景中:MIC-TEM模型和TEM模型模擬的GPP，NPP和NEP表現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
　　兩種氣候情景，MIC-TEM模型模擬的RH對(duì)氣候變化的響應(yīng)不同于TEM模型模擬的RH。MIC-TEM模型中，模擬的RH在91年的模擬時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生較大變化，而TEM模型模擬的RH有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。MIC-TEM模型中，RH季節(jié)性變化是由可溶性碳庫(kù)控制，而不是土壤溫度。MIC-

8、TEM模型可以捕捉和模擬RH與土壤微生物量的季節(jié)性變化。由此表明，MIC-TEM模型模擬碳通量變化能力優(yōu)于TEM模型的模擬能力。
　　MIC-TEM和TEM模型模擬的碳通量和碳庫(kù)數(shù)量上存在不同。比如，RCP8.5氣候情景中，MIC-TEM模型模擬的GPP、NPP和NEP分別比TEM模型模擬的結(jié)果高0.98，0.42和0.34PgCyr-1。MIC-TEM模型模擬RH比TEM模型模擬結(jié)果高0.07PgCyr-1，而RCP2.6氣候情