土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建
森林生态系统碳氮循环功能耦合研究综述
生态 学报 ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 7碳氮循环功能耦合研究综述
项文化, 黄志宏, 闫文德, 田大伦, 雷丕锋
( 中南林业科技大学生态研究室, 长沙 410004)
摘要: 在大气 CO2 浓度升高和氮沉降增加等全球变化背景 下, 森 林生态 系统减 缓 CO2 浓度升 高的作 用及其 对全球 变化的 响应 和反馈存在诸多不确定性。森林生态系统碳氮循环相互作用及功能耦 合规律的研 究是揭示这 些不确定 性的基础, 也是反 映森 林生态系统生物产量与养分之间作用规 律, 涉及林 地持 久生 产力( sustainability of long- term site productivity) 的生态 学机 理问题。 森林生态系统碳氮循环的耦合作用表现在林冠层光合作用的碳固定过 程, 森 林植物组 织呼吸、土壤凋落 物与土壤 有机质分解、 地下部分根系周转与呼吸等碳释放过程, 这些 过程存在反馈机理和非线性作用, 最终决定森林生态 系统的碳平衡。着重在生态 系统尺度上, 综述了碳氮循环耦合作用研究的 一些进展与存在的问题, 对今后研究方向进行了展望 。 关键词: 森林生态系统; 碳循环; 氮循环; 非线性作用; 功能耦合 文章编号: 1000-0933( 2006) 07-2365-08 中图分类号: S7181 55 文献标识码: A
生态系统碳 氮获 取能 力对生 物有 机体 生物 量维 持和 构建 十分 重要[ 11] 。 生态 化学 计量 学 ( ecological stoichiometry) 原理表明, 有机体中碳氮维持一定的比例关系[1, 12] 。氮是生物化学反应酶、细胞复制和大分子蛋 白质的重要组成元素, 有机物质的形成需要一定数量的氮, 植物吸收同化碳、氮的过程密切相关[ 13] 。但不同 有机体的碳氮比( CPN) 因其氮含量不同而异, 如植物组织主要由纤维素和木质素组成, 其 CPN 较高, 在 200~ 1000 之间; 土壤有机质是由死微生物体、无机氮和活的有机分子构成, 其 CPN 较低。CPN 可以用作反映植物养 分利用效率的指标, 控制植物碳生产( carbon production) 与养分吸收、植物向土壤归还有机物质与养分过程[ 12] , 对生态系统中碳氮利用、贮存和转移起着决定作用[ 1] 。因此, 森林生态系统中碳循环与氮循环紧密相连, 表现 出相互耦合作用[ 14, 15] 。
全球气候变化对土壤碳循环的影响
--戴健鹏
全球碳循环
全球碳循环
全球碳循环模式示意图
自然界碳循环的基本过程如下：大气中的二氧化 碳（CO2）被陆地和海洋中的植物吸收,然后通过 生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的 形式返回大气中。
土壤碳与气候变化
大气二氧化碳浓度的增加导致全球变暖，同时，气候变化在两 个方面影响土壤碳蓄积过程：一是温度，降水变化影响植物生产速 率和凋落速率。二是气候变化影响微生物活性，从而改变土壤有机 碳的分解速率。
5土壤碳循环与人类圈
a.土壤碳循环研究是确定陆地生态系统对全球变化响应时间、 方式及规模的有效方法 ,是认识农、林生态系统生产潜力的重 要手段。 b.人类活动引起的碳循环紊乱导致大气中CO2浓度的日趋升高, 也引起了世界各国对潜在的全球变暖的关注,也许更严重的是 引起我们对全球变暖和CO2从陆地碳库特别是土壤中进一步释 放出来之间的可能的正反馈效应的担忧。 c.日益加强的土地利用加速了土壤的碳呼吸,动植物残体和有机 质分解增强, 土壤贮存的碳大幅度减少, 通过水土、 大气输出 而成为重要的碳源。
6土壤碳循环在全球碳循环中的地位和意义 a.土壤有机碳储量大。研究者估算陆地土壤碳储量约为12002500Pg，是大气碳库2倍，陆地生物量2-3倍。 b.土壤碳库活跃度大。有学者研究认为土壤有机碳库变化 0.1%将导致大气圈二氧化碳浓度1mg/L（毫克/升）的变化， 全球土壤有机碳10%转化为二氧化碳，其数量将超过30年来 人类二氧化碳总量排放。 c.土壤固碳潜力大。研究表明，土壤存在巨大碳容量和天然 固碳作用是减缓碳释放可选择的最为经济有效途径之一。可 以说，土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最大碳汇，也是 温室气体的主要碳源。
由于土壤有机碳贮量的巨大库
【2024版】农田土壤管理ppt课件
2、土层深厚、土肥泥活
15-20厘米以上，养分齐全，有机质丰富，团粒结构好
3、坡地梯田，等高耕作
25度以下，5度以上
4、抗御灾害，旱涝保收
5、环境保护，生态平衡
不流失，无病源物、有害因子
6、园田绿化，高产稳产
防风林，吨粮田，多作高产稳产
人类活动的双重性：
提高地力，良性循环； 破坏地力，恶性循环。
养地的途径
养地手段主要包括两条途径：一是增加肥力 因素，主要靠农田培肥、农田灌溉来实现； 二是改善肥力条件，主要由土壤耕作来完成。 两者关系紧密相连不可偏废。
三、 农田土壤培肥
（一）土壤肥力
土壤肥力是土壤的属性，也是区别于自然界其 他任何物质的本质特征。
1．潜力评价
潜力评价是通过建立气候一土壤一作物间相互作用的数学模 型，来研究一定条件下的土地生产潜力，大体上包括3个方面：
（1）以气候因素为主的评价：
（2）以土壤为主的评价：主要通过诸肥力因素的相关分析， 利用土壤生产力指数模型、土壤潜力率、土壤养分生产潜力 等方法研究在一定气候背景下的土壤生产潜力。
2.氮循环
氮循环主要是在大气、水体、生物和土壤之间进行， 大气中的氮进入土壤和植物有以下几种方法：①人工固 氮。人类通过工业手段，将大气中的氮合成氨或铵盐， 即合成氮肥，供植物利用；②非生物固氮。如雷雨天气 的闪电现象而产生的电离作用，能将大气中的氮氧化成 硝酸盐，随降雨过程进入土壤，以及火山喷发出的岩浆 所固定的氮，植物吸收这些进入土壤的氮；③植物固氮 。寄生的豆科植物和其他少数高等植物根部的根瘤固氮 菌具有固定大气中的氮的能力。
温室效应的影响 直接结果是温度增加，全球温室效应使得 南北极冰山融解、海平面上升。极端气候 将增加（干旱、暴雨等）。 但是，温室效应也并非全是坏事。因为最 寒冷的高纬度地区增温最大，因而农业区 将向极地大幅度推进。CO2增加也有利于 植物光合作用而直接提高有机物产量。
农业工程概论 第七章 农业的环境保护和农村能源(152页)
自净能力——在自然情况下，受污染的环境经物理、化学过程及在生物的参与下，不断消除污染物，恢复环境原来状态的能力。※ 如：毒气在大气中稀释、扩散，会被植物吸收；灌溉污水中的大部分悬浮物和某些污染物，通过土壤的吸附作用和土壤微生物的降解，可以消除等。※ 但某些重金属（镉、汞、砷、铅、氟等）和有机氯农药等，通过生物链为人、畜食用后，不易代射分解，在体内积累，逐渐浓缩而富集，是浓度可增大到原来的几万～几十万倍。
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2.5.2生物质燃气的净化
生物质燃气净化技术
湿式过滤
干湿结合过滤
干式过滤
裂解过滤
热裂解
催化裂解
电裂解
木炭焦油+空气→CO
水洗：喷淋、水旋分离器等
水喷淋→离心分离→吸附剂吸附
高温旋风分离除尘→热交换器冷却→吸附过滤
500℃焦油+催化剂→燃气旋风除尘→电晕放电→多孔床浓缩过46滤
2、6 生物质气的应用及相应技术
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原理：温度<400℃时，纤维素首先热解为左旋葡萄糖（一种液体焦油状物质），经二次热解产生气体及液体燃料。(见P186 图7-3、P187 图7- 4)
纯热解反应器
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△ 温度、加热速度和停留时间——决定产出物的成分和产气量（其中焦油物质的分解是关键）。例如：当T=500～600℃、停留0.1秒时，—— 液体和凝结物最多；当T=700℃、 停留较长时， —— CH4、C2H6、C2H2产量最高；如果停留更长时间，—— 则可进一步形成CO、H2.。通常热解产物中含有：
§2 农村能源
一、农村能源系统
可利用能源
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二、非商品性能源及节能技术
13
生物质能源（Biomass energy）、太阳能、地热、风能、小水力等又称为可再生能源（Renewable energy）——可在自然条件下恢复。
中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制
项目名称：中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制首席科学家：于贵瑞中国科学院地理科学与资源研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容(一) 拟解决的科学问题本研究的核心科学目标是：分析生态系统碳、氮、水通量的年际变异及其相互平衡关系；揭示典型森林和草地生态系统碳氮水耦合循环对环境变化的区域响应机制；研发新一代基于多尺度-多源数据融合的陆地生态系统碳氮水循环耦合模型；综合评价我国及东亚地区陆地生态系统碳收支的时空格局及其对未来气候变化和人类活动的响应。
本研究工作的核心任务是：评估我国陆地生态系统碳源/汇强度、空间格局及变化趋势，阐明我国主要生态系统碳氮水循环关键过程对温度升高、降水变化和氮沉降增加的区域响应机制，为国家的温室气体管理提供科学依据。
为实现上述的目标和核心任务，必需解决以下两个关键科学问题，发展一套关键方法论体系，它们的逻辑关系如图1所示。
集成研究：中国区域生态系统碳源汇的时空格局与温室气体管理图1. 本研究所关注的核心科学问题与方法论体系的逻辑关系1. 生态系统碳-氮-水通量组分的相互平衡关系及其影响机制陆地生态系统碳、氮、水循环包含诸多复杂过程，它们不仅在土壤、植被、大气界面之间存在着错综复杂的相互作用关系，而且碳、氮、水循环之间具有相互制约的耦合关系，由此可以推断生态系统碳氮水通量组分之间存在着可计量的相互平衡关系。
因此，研究生态系统碳氮水通量组分生态化学计量平衡关系及其环境影响机制是揭示碳氮水通量的季节和年际变异规律、阐明陆地生态系统增汇潜力、降低全球碳平衡预测的不确定性必须解决的科学问题，是本研究项目的难点与挑战。
2. 生态系统碳-氮-水耦合循环过程对全球变化的响应和适应人类活动导致的大气氮沉降增加、温度/降水的空间格局和时间分配的改变，正在严重影响生态系统碳、氮、水循环过程以及各种通量组分间平衡关系和陆地生态系统碳源/汇强度。
DNDC模型使用手册
nitrate denitrifier
nitrite denitrifier
N2O denitrifier
DOC NO3-
DOC nitrifiers
NO3-
N2O
NO
Nitrification
NH4+
NH3 NH3
clayNH4+
soil Eh
CH4 production
CH4
aerenchyma
labile
humads resistant
Decomposition
passive humus
soil environmental Temperature factors
Moisture
pH
Eh
Substrates: NH4+, NO3-, DOC
NO
NO2-
N2OBiblioteka N2Denitrification
ecological drivers
Climate
The DNDC Model
Soil
Vegetation
Human activity
annual average temp.
LAI-regulated albedo
potential evapotrans.
evap. trans.
soil temp profile
Plant growth
grain stems roots
effect of temperature and moisture on decomposition
CO2 NH4+ DOC
litter
very labile labile resistant
作物生长模型的研究进展
作物生长模型的研究进展徐苏（塔里木大学信息工程学院，新疆阿拉尔843300）摘要作物模型是指通过数学方程把植物生长过程在计算机上表达出来，其可以帮助科学家概化和联系复杂的作物生长现象、理解耕作系统的过程、预测产量、预报气候变化对作物的影响，以及优化、利用、管理土地和水资源，是农业研究的强有力工具。
但在实际模拟应用中作物模型仍存在一些不足，如作物模型参数获取与校准难、受气候变化影响严重、模型结构和模型输入存在较大的不确定性等。
该文简要地对作物模型的发展历程进行了综述，总结了作物模型研究方面的不足，并对作物模型未来的发展方向进行了展望，为今后的模型研究和应用提供参考。
关键词作物模型；模型分类；单一模型；综合模型中图分类号S126文献标识码A文章编号1007-7731（2023）04-0026-07作物生长模拟模型（Crop Growth Simulation Model）简称作物模型。
最早定义作物模型的是Edwards D，其在Guide to Mathematical Modeling中提到，作物模型是用数学公式表达作物的生长过程[1]；Sinclair TR 认为作物模型是利用计算机对作物动态模拟的一种技术，使其成为教学、研究、管理和政府决策应用中的重要工具[2]；国内学者也从不同的角度对其下了定义，戚昌瀚认为作物模型是建立植物生长发育与环境间的动态关系，并通过计算机模拟对产量差异进行解释[3]。
不同学者对作物模型的定义尽管不尽相同，但其实质是一样的，即如何通过数学方程把植物生长的过程表达出来。
作物模型能很好地解释作物生长发育的动态过程，强调作物生理生态等功能的表达，为复杂的现象建立联系。
作物模型与环境科学、生态学、水利学、科学、植物科学等紧密联系，并对气候变化进行预测，根据气候变化的影响对作物产量进行预测，为农户生产决策提供依据，为作物生产提供有力保障，促进农业高产、优质、平稳的可持续发展。
作物模型的产生，使科研工作者对作物的研究不再受时间、地点的限制。
碳汇生态系统过程建模法orchidee
碳汇生态系统过程建模法orchidee一、概述碳汇生态系统过程建模法（ORCHIDEE）是一种用于模拟陆地生态系统碳循环的模型。
它能够模拟植被生长、碳固定、呼吸等过程，以及土壤有机碳的分解和排放。
该模型广泛用于研究全球气候变化背景下，陆地生态系统的碳动态及其对环境因素的响应。
二、模型特点1. 生态系统过程集成：ORCHIDEE模型集成了植被生长、光合作用、呼吸、凋落物分解等多个生态过程，能够全面模拟陆地生态系统的碳循环。
2. 参数化灵活：模型参数可以根据不同生态系统类型和环境条件进行调整，提高了模型的应用范围和适应性。
3. 动态模拟：ORCHIDEE模型能够模拟时间尺度上的碳动态变化，包括季节变化和年际变化。
4. 空间尺度扩展：模型可以应用于不同空间尺度，从小范围的区域到全球尺度。
三、应用领域1. 气候变化研究：ORCHIDEE模型被广泛应用于研究气候变化对陆地生态系统碳循环的影响，包括温度、降水等环境因子的变化。
2. 土地利用变化：模型可以模拟不同土地利用方式下，生态系统的碳动态变化，如森林砍伐、土地转耕等。
3. 碳源汇估算：通过模型模拟，可以估算不同地区或生态系统类型的碳源汇功能，为全球碳预算和碳减排提供科学依据。
4. 政策模拟：ORCHIDEE模型可以用于评估不同气候政策或土地管理措施对碳循环的影响，为政策制定提供科学依据。
四、未来发展随着气候变化和生态系统的复杂性不断增加，未来ORCHIDEE模型的发展将更加注重以下几点：1. 生态系统多功能性：将更多的生态过程纳入模型中，如氮循环、水循环等，以更全面地模拟生态系统的多功能性。
2. 高分辨率模拟：利用高分辨率数据和先进的计算技术，提高模型的空间分辨率和时间频率，以更准确地模拟局部区域的碳动态变化。
3. 人工智能与机器学习：将人工智能和机器学习技术应用于模型参数化、数据融合等方面，提高模型的自适应性和准确性。
4. 跨学科整合：加强与其他学科领域的合作与交流，如地理学、社会学等，以更全面地理解陆地生态系统碳循环及其与人类活动的相互作用。
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土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建梁浩;胡克林;李保国;刘海涛【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2014(000)024【摘要】The quantitative description of soil water flow, carbon (C) and nitrogen (N) cycles, and crop growth processes at soil-plant-atmosphere continuum system is important for improving water and N use efficiencies and decision-making of crop production and environmental protection in the North China Plain (NCP). The objective of this study was to develop a water and N management model for intensive cropping systems and agricultural management practices in NCP. Based on the previous research findings, a coupled model (Soil Water Heat Carbon and Nitrogen Simulation, WHCNS) model was established. The model included 5 main modules:soil water, soil heat, soil C, soil N, and crop growth. The Penman-Montheith method from the Food and Agriculture Organization of the United Nation was used to calculate the reference crop evapotranspiration. The method for simulating soil water movement and heat transfer was directly introduced from the HYDRUS1D and RZWQM models. The PS123 model from the Netherlands was used to simulate crop growth. The simulation of C and N cycles was done by the Daisy model from Denmark. The model ran on a daily time step and was driven by the meteorological and crop biological variables, and agricultural management practices. Thesoil water infiltration and redistribution processes were described by Green-Ampt and Richard’s equations, respectively. Soil N transport simulation was based on the modified convection-dispersion equation. The source-sink term of N transformation and transport included mineralization of soil organic N, immobilization in biomass, urea hydrolysis, ammonia volatilization, nitrification, denitrification, and crop uptake. The compensatory absorption mechanism was introduced in crop water and N uptake. The organic matter pools were divided into 3 active and 3 stabile C pools. The improved version of the PS123 model was applied to simulate crop development stage, dry matter production and allocation, and crop yield. The crop yield under water and N stress was calculated based on the simulation of potential and actual crop water and N uptake. Then the field applicability of the WHCNS model was tested using the two-year field observed data of winter wheat a nd summer maize system at Tai’an experimental site in Shandong province. The statistical indices (root mean square error, modeling efficiency, and agreement index) all indicated that the simulated values of crop yield, leaf area index, soil water content, and nitrate concentration in the soil profile all agreed reasonably well with the observed values, especially for crop yields with the root mean square error ranges from 205.5 to 318.8 kg/hm2, the correlation coefficient of 0.90, and modeling efficiency values larger than 0.75 and concordance index larger than 0.9. We concluded that the WHCNS model could be used to simulate water movement and the fate of N as well as crop growth in high intensive cropping system in North China.%定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律，对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。
该文在总结前人研究成果的基础上，引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块；借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论，并在其基础上进行了修改与完善，构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS （soil water heat carbon and nitrogen simulation）。
该模型以天为步长，考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。
土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。
土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述，源汇项中考虑碳氮循环的各个过程（有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等），在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。
有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。
利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟，通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。
最后应用华北地区（山东泰安）冬小麦-夏玉米轮作体系2a的田间观测数据对该模型进行了校验。
结果表明，剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好，模拟误差均在合理范围之内，特别是对产量的模拟较好，均方根误差为206～319 kg/hm2，相关系数为0.90，模型效率值均大于0.75，一致性指数值均大于0.9。
WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程，表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。
【总页数】13页(P54-66)【作者】梁浩;胡克林;李保国;刘海涛【作者单位】中国农业大学资源与环境学院，农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193;中国农业大学资源与环境学院，农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193;中国农业大学资源与环境学院，农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193;中国农业大学资源与环境学院，农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193【正文语种】中文【中图分类】S152【相关文献】1.冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅰ:模型 [J], 丛振涛;雷志栋;胡和平;杨诗秀2.冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅱ:模型验证与应用 [J], 丛振涛;雷志栋;胡和平;杨诗秀3.土壤水氮动态及作物生长耦合EPIC-Nitrogen2D模型 [J], 朱焱;刘琨;王丽影;史良胜;杨金忠4.秸秆还田与氮肥运筹对土壤水碳氮耦合及作物产量的影响 [J], 高日平;赵沛义;韩云飞;刘小月;杜二小;高宇;任永峰;李焕春;张鹏5.苜蓿草地与苜蓿-作物轮作系统土壤微生物量与土壤轻组碳氮研究 [J], 王晓凌;李凤民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。