The Dynamic Land Ecosystem Model (DLEM)

陆地生态系统动态模型(Dynamic Land Ecosystem Model, DLEM) 是针对当前生态 模型发展的缺陷与不足,依据生态系统基本原理构建和发展起来的一个多影响因子驱动、多元素耦合、在多重时空尺度上高度整合的开放式生态系统过程模型。它综合考虑植被动 态与生物地球化学过程,可以同时估算多种温室气体的日通量,并可根据用户需要从机理 上模拟时间跨度从天到年,空间范围从几米到几千米、从区域到全球的环境变化事件,以 及由此引发的生态系统响应及反馈过程。DLEM旨在定量模拟和分析自然因素和人类活动 双重驱动下陆地生态系统过程(结构和功能) 和格局的变化,以及陆地生态系统与人类系 统、气候系统之间的相互作用与反馈,为应对气候变化、科学地管理生态系统和实现人类 社会的可持续发展提供科学依据。

陆地生态系统大气系统多因子模型全球变化动态模型
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contributed at 2019-04-25

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Classification(s)

Earth System SubjectEarth Surface System Synthesis

Detailed Description

1 DLEM的模型结构及主要输入、输出变量

    DLEM 包括5 个核心模块:① 生物物理模块,②植物生理模块,③ 土壤生物地球化学模块,④ 植被动态模块,⑤ 土地利用及管理模块(图1)。生物物理模块模拟陆地系统内部及其与大气系统之间的能量、水分通量及交换过程,涉及微气候、冠层生理和土壤物理特性影响下的辐射平衡、能量分配、水分运移等过程;植物生理模块模拟植物物候、碳、氮同化、呼吸作用、同化物分配、周转等关键的植物生理过程;土壤生物地球化学模块模拟土壤层养分动态、微生物活性、凋落物和土壤有机物分解及与之伴随的氮素矿化、固持作用、硝化、反硝化、CH4产生、氧化等过程;植被动态模块模拟自然及人为干扰引起的植被结构变化,主要包括气候变化导致的植物地理再分布和干扰之后植被群落的恢复和演替;土地利用及管理模块模拟土地利用及土地覆被变化,包括耕地开垦、退耕和土地管理(灌溉、收获和施肥) 等过程及其对上述各模块的影响。DLEM强调对人为管理生态系统(例如农业生态系统、人工林和牧场等) 的模拟。管理措施(如灌溉、施肥、轮作和收获等) 的时空格局可作为输入数据而在模拟过程中得以充分考虑。除此之外,DLEM还可以模拟城市化过程,估算城市非渗水面以及人工草坪的管理等对碳、氮、水循环的影响。

    DLEM模型包含6 个碳氮储存库和5 个物理层结构。6 个库分别为植被库(VEG),凋落物库(LIT),土壤有机质库(SOM),微生物库,产物库(PRD) 及土壤有效氮库(AVN)。5个物理层包括:阳叶、阴叶、凋落物层、第一层土壤(0~50 cm) 和第二层土壤(50~150cm)。植被库划分为根、茎、叶三个组成部分。土壤有机质库又包含4 个亚库:极活跃、中度活跃、难分解库和可溶有机碳(DOC) 亚库。产物库依其周转速率可分为PRD1(周转期为1 年)、PRD10(周转期为10 年)、PRD100(周转期为100 年)三个子库。有效氮库包含NH4+、NO3-和可溶性有机氮。

    DLEM以栅格为基本模拟单元,对不同生态过程采用不同时间步长来模拟。一些基本的植物生理和土壤生物地球化学过程(如光合、植物呼吸、有机物分解、ET 和水分截留等) 的模拟时间步长为日;对有机物、氮素和水在河流系统中的运输过程的模拟以10~30分钟为时间步长;而对土地利用变化的影响过程则以年作为模拟步长,即土地利用的格局仅在年末发生变化。DLEM的输入数据主要包括:生态系统属性参数;地形、地貌与土壤特性;气候(包括平均气温、最高温、最低温、降水量、相对湿度、短波辐射);大气化学组成(如大气CO2浓度,地表O3浓度,大气氮沉降速率等);和土地利用变化与土地管理历史(如土地利用类型转化,土地管理) 等(图2)。模型的时间步长和空间分辨率可根据输入数据精度及具体研究问题做相应调整。

2 DLEM中的关键过程

2.1 碳循环过程

    DLEM对碳循环过程的描述主要包括光合作用、自养呼吸、光合产物分配、凋落、土壤有机物分解、甲烷产生与排放、以及自然和人类扰动引起的碳排放等。DLEM模型模拟前述6 个碳库之间及其与外界环境的碳交换,即碳通量。以下简要介绍DLEM模型对主要碳库和碳循环过程的处理及数学描述。

2.1.1 植被碳储量和碳通量

    DLEM 中,木本植物的植被碳库由六部分组成(储存器官、叶片、心材、边材、细根和粗根),草本植物的植被碳库则由五部分组成(储存器官、叶片、茎杆、细根和粗根)。植被碳库通过光合作用吸收碳,通过自养呼吸(包括维持呼吸和生长呼吸)、植物组织器官的凋落和各种扰动(如土地类型转换和火灾) 等过程释放碳。

    (1) 光合作用和总初级生产力(Gross Primary Productivity, GPP)

    叶片尺度光合作用的实现基于Bonan、Oleson et al.Collatz et al.和Sellers et al.的方法。模型中分别计算阳生叶和阴生叶的光合作用,然后计算冠层尺度的光合作用:

式中:GPP为没有臭氧影响和氮限制的理想冠层光合作用速率(g C·m-2·day-1);Asun (g C· m-2·day-1) 和Asha (g C·m-2·day-1) 分别为阳生叶和阴生叶的叶片尺度上的光合速率;GPP' (gC·m-2·day-1) 为考虑了环境因子限制的光合作用速率。

    DLEM 对C3 植物光合作用的模拟是基于Farquhar et al. (1980) 和Collatz et al.(1991)的方法,对C4 植物光合作用的模拟则是采用Collatz et al. (1992)和Dougherty et al (1994)的方法。同时,模型中还考虑了臭氧在叶片水平上对光合作用的影响。在冠层尺度,除了叶片的氮浓度以外,还考虑了GPP对植物总氮浓度和土壤氮有效性的响应。

    (2) 臭氧对GPP 的影响(f(zone))

    DLEM中臭氧的作用主要体现在其对GPP 的影响上。在Ollinge et al. (1997)、Martin et al. (2001)和Felzer et al. (2004)等研究的基础上,参考一些野外观测和实验研究,我们在DLEM中加入了臭氧对GPP的直接和对气孔导度的间接影响。在Ollinger et al. (1997)的研究中,对臭氧影响的模拟是在整个生长季上来实现的,在DLEM中,我们对其做了进一步改进,以适应DLEM以日为时间步长的模拟。描述整个生长季或逐月O3对GPP影响的公式如下:

式中:F(O3) 为O3对GPP的季节或逐月影响; αO3 是植物对臭氧的敏感性系数;gs为生长季或每月的平均气孔导度;AOT40 为每小时臭氧浓度高于40 ppb 的累积量。

    在DLEM中,我们对上式进行了修改,将时间步长从生长季或月改为日。

式中:i 为落叶物种叶片生长的天数,常绿物种该值设为365; 根据Reich (1987)和Felzer (2004)的方案估算;模型中,分别计算阳叶和阴叶中臭氧对GPP的影响。

    (3) 氮对GPP的影响(f(Nav))

    GPP不仅受叶氮浓度的控制,同时也受到用以形成干物质的有效氮的影响。

f(Nav) = min(Nav/Nrequire, 1)

式中:Nav为植物用以形成生物量的有效氮量,Nrequire为满足GPP在各器官中分配所需要的氮素总量。

    (4) 维持呼吸(Rm) DLEM中,将呼吸分为生长呼吸(Growth Respiration) 和维持呼吸(Maintenance Respiration) 两部分。我们应用Ryan (1991)和Lloyd & Taylor (1994)的方法将维持呼吸的估算和器官氮含量联系起来并基于温度和不同生长季进行适当调整。

    (5) 生长呼吸(Rg) 生长呼吸是用于植物器官生长发育的能量消耗。基于以往的各项研究, DLEM假设GPP的25%被用于日生长呼吸。

    (6) 凋落过程引起的植被碳损失植被的凋落物是叶、枝干、细根、粗根等器官的周转过程,受温度、土壤水分、土壤有效氮和其他环境因子的控制。在DLEM中,对每种生态系统类型的茎和根设定不同的周转率(对木本植物来说,边材经过周转过程变为心木)。对落叶植被来说,叶片发生和凋落受物候的控制;DLEM中,物候是通过MODIS 叶面积产品数据而得到的;对常绿植被来说,叶片的周转速率是由叶片的平均寿命估算得到:

式中:ti为不同器官i (叶、细跟、粗根和边材等) 的日周转速率,CVEGi为器官i的碳含量(g C·m-2)。植被的凋落物依据于不同生态系统类型按比例分配至不同的凋落库。

    (7) 植被死亡引起的碳通量

    木本植物的死亡是生态系统损失碳并释放到大气中以及碳从植被碳库转入凋落库的过程。在DLEM中通过植被林龄和大小来模拟木本植物死亡:

 

式中:r'mort是成熟林的平均年死亡率(量);CMAXveg是理论上植被碳储量的最大值;age 是林龄;agem是平均成熟年龄;Cveg是单位面积植被总的碳储量。

    (8) 扰动引起的植被碳损失

    土地利用变化和收获是人类活动引起陆地生态系统碳损失的主要途径。DLEM通过相应的参数化方法直接模拟由这两个过程引起的碳损失,土地利用变化以年为单位,农作物的收获则主要通过物候来控制。主要的参数和过程与TEM(Terrestrial Ecosystem Model)和MBL_TCM (Terrestrial Carbon Model)的处理类似。

    在DLEM中,主要模拟4 种土地利用变化及管理过程,即由自然生态系统到农田的转变、农田弃耕向自然植被演替、土地利用管理(如收获、施肥和灌溉等) 和城市化过程。在自然植被向农田的转换过程中,一部分植被碳和氮释放到大气中,剩余部分根据不同的周转时间将转入其它碳库,如凋落物库和各种产品库等。

2.1.2 凋落物碳储量及碳通量

    对森林和灌丛生态系统来说,凋落物库包括粗死木质残体(LITCWD)、地上部分的高活性凋落物(LITag, v)、地上部分中等活性凋落物、地上部分惰性凋落物、地下部分高活性凋落物、地下部分中等活性凋落物和地下部分惰性凋落物七个部分。凋落物库的来源包括叶片和根的凋落、植物个体死亡、生物量收获过程中的残余和土地利用变化等。凋落物碳库可转化为其它土壤有机质(SOM) 并通过分解向大气释放CO2