鄧超楠

摘要：陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程中最活躍的碳庫是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型是研究碳循環(huán)的重要方法之一。簡要介紹了碳素在不同碳庫之間遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，闡述了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型的發(fā)展歷程以及國內(nèi)外主要的碳循環(huán)模型，并對未來農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型研究趨勢進(jìn)行了展望，以期為減少農(nóng)業(yè)面源污染、溫室氣體排放和研究全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田;生態(tài)系統(tǒng);碳循環(huán);模型

中圖分類號：S-1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中最活躍的碳庫是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳的凈排放量進(jìn)行研究，可以為研究全球的碳排放提供一定的科學(xué)依據(jù)[1]。研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的最主要手段是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型[2，3]。由于各碳庫之間和碳循環(huán)過程的碳通量和反饋機制存在一定的復(fù)雜性，而模型可以模擬大空間尺度和長時間的碳循環(huán)過程，所以碳循環(huán)模型是研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)最有效的手段[4，5]。

隨著人類社會科技的進(jìn)步，全球CO2的排放量也越來越大，隨之而來的氣候變化已經(jīng)逐漸影響到全球社會經(jīng)濟環(huán)境和自然系統(tǒng)[6-8]。碳循環(huán)尤其是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)開始備受關(guān)注[9-12]。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型在20世紀(jì)中期首先出現(xiàn)[13]，在此基礎(chǔ)上農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型陸續(xù)發(fā)展起來。全球耕地面積占陸地總面積的38.5%，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)既是重要的碳匯，也是重要的CO2排放源。有研究表明，農(nóng)業(yè)和林業(yè)利用的CO2占總排放量的24%[14]，同時農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)也是最活躍的碳庫[15]。因此，開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究，對增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的最新研究，分析了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要碳庫以及不同庫之間碳的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，概述了國內(nèi)外主要的碳循環(huán)模型，并對未來農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型研究方向進(jìn)行了展望。

1? 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機制

碳元素是生命有機體的關(guān)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(huán)境中循環(huán)。碳循環(huán)的平衡是生態(tài)系統(tǒng)健康的重要標(biāo)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(guān)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(tài)系統(tǒng)中最為重要的組成部分是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[16]，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫，其中土壤碳庫是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的核心組成部分，不僅能維持土壤質(zhì)量，對全球氣候也有著重要的調(diào)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(tài)存在，不僅活性低，而且對環(huán)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(jìn)行光合作用可以固定大量的CO2以維持生態(tài)系統(tǒng)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(huán)的主要過程之一。凈初級生產(chǎn)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，綠色農(nóng)作物通過光合作用將大氣中的CO2吸收并固定于機體內(nèi);作物生長期間內(nèi)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(zhì)的分解會向大氣轉(zhuǎn)移碳。碳素通過作物光合作用蓄積于植物體內(nèi)，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(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)[19]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是一個受土壤性質(zhì)、農(nóng)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(tài)系統(tǒng)各碳庫之間的碳交換，從而產(chǎn)生“碳匯”和“碳源”的連鎖效應(yīng)[20]。

2? 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型的發(fā)展過程

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型的發(fā)展可以分為基礎(chǔ)研發(fā)階段、開發(fā)階段和綜合應(yīng)用階段。20世紀(jì)60—70年代是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型的基礎(chǔ)研發(fā)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(dá)土壤、水等環(huán)境因子對碳循環(huán)的影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型開發(fā)階段主要在20世紀(jì)80年代，這個階段的模型綜合考慮了不同環(huán)境因子和人類活動，是由不同模型耦合構(gòu)成的系統(tǒng)模型，并且可以通過試驗進(jìn)行校正，但是不同模型的標(biāo)準(zhǔn)和假設(shè)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(jì)90年代以來農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型進(jìn)入綜合應(yīng)用階段，模型逐漸向完整的植物生長發(fā)育過程和多種作物方向發(fā)展，可以對環(huán)境的變化做出響應(yīng)，反映自然環(huán)境和人為因素與碳循環(huán)之間的關(guān)系。DSSAT[27]和APSIM[28]等是該階段的代表模型。

3? 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循模型在國內(nèi)外的研究進(jìn)展

3.1? 國外農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循模型應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國外主流的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(tài)，但在某些特殊地域極端土壤類型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，這些模型對碳庫演變趨勢分析存在較大的差異。在應(yīng)用實踐中，碳循環(huán)模型不斷完善，不同的子模型正在不斷被開發(fā)，Manure-DNDC就是以成熟的生態(tài)地球化學(xué)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(fā)研制的，可以模擬畜禽養(yǎng)殖中氮素的遷移[29]。

APSIM模型由隸屬澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組織（APARU）開發(fā)，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(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各主要組分運轉(zhuǎn)[30]，分析不同耕作制度下，農(nóng)田土壤中H2O、C、N和P的動態(tài)變化及相互間的影響機制。從而為不同年份的動態(tài)決策和氣候應(yīng)變管理提供可靠依據(jù)[31]。

DNDC模型是目前應(yīng)用最廣泛的有機碳模型之一，由美國New Hampshire大學(xué)開發(fā)，也是以日為時間步長，模擬現(xiàn)實環(huán)境條件下作物生長和土壤化學(xué)變化的關(guān)系、不同環(huán)境因子變化的條件下溫室氣體的排放情況以及農(nóng)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(xué)Parton研發(fā)，是目前最全面的生態(tài)系統(tǒng)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(nóng)田、草地和森林等不同土壤植物生態(tài)系統(tǒng)中C、N、P和S的動態(tài)變化規(guī)律。模擬時間尺度可以以年為單位甚至達(dá)到上千年[33]。

RothC模型由英國洛桑實驗室Jenkinson研發(fā)，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，所需參數(shù)比較容易獲得?？梢阅M旱地、黑土和潮土區(qū)等耕地土壤的SOC動態(tài)變化情況[34]。

EPIC模型由美國農(nóng)業(yè)部下屬的草地、土壤和水分研究所與美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)黑土地研究中心所共同開發(fā)，是用于分析作物生產(chǎn)力和水土流失的綜合應(yīng)用模型。其含有養(yǎng)分循環(huán)、水文、土壤侵蝕、土壤溫度和作物生長5個模塊，可以較準(zhǔn)確地模擬不同作物長勢、產(chǎn)量、潛在產(chǎn)量和土壤水分動態(tài)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(nóng)業(yè)優(yōu)化布局和氣候變化[35]。

DAISY模型是一維模型，由丹麥皇家農(nóng)業(yè)大學(xué)Hansen等研發(fā)，其包含作物農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理、氮平衡、溶質(zhì)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(shù)據(jù)和耕作管理措施模擬氮的動態(tài)變化、CO2呼吸量、作物生長、有機質(zhì)平衡和水熱平衡[36]。

3.2? 中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循模型應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代開始，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型在中國進(jìn)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(nóng)業(yè)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(chǎn)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(tài)，包括平衡和預(yù)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(yù)測模式在平衡模式的基礎(chǔ)上通過投入的有機碳量進(jìn)行模擬預(yù)測[38]。EPPML模型模擬土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的碳循環(huán)和水循環(huán)，包括4個子模塊分別為能量傳輸、生理調(diào)節(jié)、水循環(huán)和碳循環(huán)，可以輸出碳循環(huán)和水循環(huán)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(xué)循環(huán)耦合的機理，特別適用于研究草原生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化的關(guān)系[40]。EALCO模型以常規(guī)氣象數(shù)據(jù)（比濕、風(fēng)速、降水、空氣溫度、大氣壓、入射長波、短波輻射等）作為驅(qū)動變量，模擬大氣之間水、熱和碳通量與生態(tài)系統(tǒng)下墊面交換的過程，主要用于分析林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳通量和季節(jié)性氣候變化與碳通量之間的關(guān)系[41]。SMPT-SB模型是基于氣孔行為的氣孔導(dǎo)度-光合-蒸騰耦合模型，用于模擬林區(qū)冠層尺度光合速率和蒸騰速率，研究光合-蒸騰耦合關(guān)系[42]。目前國內(nèi)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型以靜態(tài)模型為主，動態(tài)模型多是根據(jù)國外主流模型改進(jìn)的。這些碳循環(huán)模型有較多的經(jīng)驗性參數(shù)，且具有顯著的地域性和局限性。

4? 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究展望

隨著遙感技術(shù)的突飛猛進(jìn)，研發(fā)人員不斷深入了解碳循環(huán)過程、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型也在不斷地完善和發(fā)展。但這些碳循環(huán)模型仍然存在準(zhǔn)確度不夠、參數(shù)復(fù)雜、不同模型評價標(biāo)準(zhǔn)不一致、環(huán)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(jìn)行研究，以期為減少農(nóng)業(yè)面源污染、溫室氣體排放和研究全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù)，為政府制定相關(guān)政策提供數(shù)據(jù)參考。

1）完善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型。加強對物質(zhì)循環(huán)的認(rèn)識，認(rèn)清農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)過程的機理，深入了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。

2）應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)。利用GIS、GPS和RS等現(xiàn)代技術(shù)準(zhǔn)確監(jiān)測和分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，得到詳細(xì)精確的模型參數(shù)。

3）耦合不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型。建立以整個生態(tài)系統(tǒng)為研究對象的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)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(fā)展史，（電話）18053164563（電子信箱）2661229194@qq.com。