疏勒河源高寒草甸土壤温室气体观测模拟研究论文设计

　题

　目：疏勒河源高寒草甸土壤温室气体观测模拟研究

　目录 摘要 ............................................................................................................................... 2 Abstract .......................................................................................................................... 3 引言 ............................................................................................... 错误! 未定义书签。

　1 材料与方法 ............................................................................... 错误! 未定义书签。

　1.1 研究区概况....................................................................... 错误! 未定义书签。

　1.2 DNDC 模型简介 .............................................................. 错误! 未定义书签。

　1.3 气体样品的采集............................................................... 错误! 未定义书签。

　1.4 环境因子监测................................................................... 错误! 未定义书签。

　1.5 分析方法 .......................................................................... 错误! 未定义书签。

　1.6 模型参数设置................................................................... 错误! 未定义书签。

　2 结果与讨论 ................................................................................ 错误! 未定义书签。

　2.1 CO 2 通量变化特征 ........................................................... 错误! 未定义书签。

　2.2 模型验证........................................................................... 错误! 未定义书签。

　2.3 环境因子对 CO 2 通量的影响 .......................................... 错误! 未定义书签。

　3 总结与展望 ................................................................................ 错误! 未定义书签。

　3.1 结论................................................................................... 错误! 未定义书签。

　3.2 问题与展望....................................................................... 错误! 未定义书签。

　参考文献 ..................................................................................................................... 24 致 谢 ........................................................................................................................... 28

　疏勒河源高寒草甸土壤温室气体观测模拟研究 摘 摘 要：本研究以青藏高原东北部疏勒河上游多年冻土区的高寒草甸为研究区，利用反硝化-分解（DeNitrification-DeComposition，DNDC 模型），结合气象要素和土壤环境因子等数据，模拟了该区土壤温度和地表 CO 2 通量，将模拟值与实测值进行比较，并分析地表 CO 2 通量与其环境因子间的相关性。结果表明：模型能够较好地模拟研究区土壤温度和地表 CO 2 通量，模型模拟值与实地观测值的相关系数 R 2 分别为 0.9601 （n=365,P＜0.01）和 0.9783 （n=14,P＜0.01），均方根误差 RMSE 分别为 0.21 和 0.34；在整个观测期（2013 年）样地土壤表现为 CO 2 源，土壤 CO 2 通量的日变化范围为 23.79～481.00 mg• m −2 •h −1 ，年排放总量为 1479.24 g•m -2 ；CO 2 通量与气温（P＜0.01）、降水（P＜0.05）、太阳辐射（P＜0.01）、10cm 土壤温度（P＜0.01）、10cm 土壤含水量（P＜0.05）和 10cm 土壤盐分（P＜0.01）均显著相关。待模型进一步改进之后，方可优化其在该研究区的适应性。

　关键词：

　高寒草甸；温室气体；DNDC；CO 2 通量；环境因子

　Observation and Simulation of Greenhouse Gas in Alpine

　Meadow Soils at the Source of Shule River Abstract: In this study, the alpine meadows in the permafrost area in the upper reaches of the Shule River in the northeastern Qinghai-Tibet Plateau were used as the study area. DeNitrification-DeComposition (DNDC model) was used in combination with data such as meteorological elements and soil environmental factors to simulate this Soil temperature and surface CO 2

　flux, compare the simulated value with the measured value, and analyze the correlation between the soil CO 2

　flux and its environmental factors. The results show that the model can better simulate the soil temperature and surface CO 2

　flux in the study area. The correlation coefficients R 2

　between the simulated value and the field observation value are 0.9601 (n = 365, P <0.01) and 0.9783 (n = 14, P ＜ 0.01), the root mean square error RMSE is 0.21 and 0.34 respectively; in the whole observation period (2013), the soil in the sample area appeared as a CO 2

　source, and the daily variation range of the soil CO 2

　flux was 23.79 ～ 481.00 mg • m −2 • h

　−1 , the total annual emission is 1479.24 g • m -2 ; CO 2

　flux and temperature (P <0.01), precipitation (P <0.05), solar radiation (P <0.01), 10cm soil temperature (P <0.01), the water content of 10cm soil (P <0.05) and salinity of 10cm soil (P <0.01) were significantly correlated. Only after further improvement of the model can it optimize its adaptability in the study area. Keywords: Alpine meadow; Greenhouse gases; DNDC; CO 2

　flux; Environmental factors

　引言

　自上个世纪中叶以来，气候变化已经受到人们的广泛关注。据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次报告，1951-2012 年全球地表均温以每 10 年上升

　0.12 ℃ 的速率升高 [1] 。在这一背景下，大气中温室气体浓度升高成为该现象的主导因素。CO 2

　是最主要的温室气体，与 CO 2

　相比，CH 4

　和 N 2 O 排放的绝对量很小，但是它们在吸收红外辐射后会导致全球变暖能力的增强。在百年尺度上，单位质量的氧化亚氮（N 2 O）和甲烷（CH 4 ）的全球增温潜势（GWP）分别是 CO 2的 34 倍和 298 倍 [2] ，因此对全球变暖这一环境问题有着重要贡献。故而，诸多科研者开始致力于温室气体排放的研究。为了能够定量描述土壤温室气体排放量对于自然环境要素变化所做出的响应，越来越多的人开始借助数学模型，对其展开深入的研究学习。随着陆地生态系统模型的多角度研究, 运用模型工具对土壤主要养分元素和生物量进行模拟与刻画是目前较为有效的方法, 目前已有 10 多个相关模型发表,较成熟的有 DNDC [3] 、 Century [4] 、 Biome-BGC [5] 、RothC [6]和 NCSOIL [7] 等。生态系统模型均可成熟应用于土壤长期定位实验观测数据的模拟, 而这些模型中, DNDC(Denitrification-Decomposition)模型是一种基于地球圈层内或各圈层间的循环过程，即生物地球化学过程。其以模拟辐射、温度、湿度、pH、Eh 以及浓度梯度等为主的环境因子来反映气候、土壤、植被和人类活动 4 种基本的生态驱动力 [8] ，具有多层次，高精度及较好的可行性。随着社会需求的发展甚至改变，它的功能模块亦在不断的推广与验证。自 1992 年被首次发表以来，先是利用该模型来模拟农业土壤温室气体 N 2 O 的排放 [9] ，追踪 N 2 O 的整个循环过程，随着模型的不断完善和发展，其模块功能日渐涉及广泛。为了适应不同的生态系统、区域尺度和研究问题，经过二十多年的发展，DNDC 模型结构不断完善、相关参数得到优化、功能不断扩展。在模拟温室气体模块中，其模拟对象由原来的 N 2 O 增加到 CO 2 和 CH 4 ，且能支持多种生态系统类型的模拟，如农田、森林、草地、湿地和养殖系统等 [10-14] 。

　陆地生态系统碳循环是全球碳收支的主体部分，亦作为全球碳循环的重要组成部分存在着。研究陆地生态系统碳循环机制及对全球变化的响应，是预测大气 CO 2 含量及气候变化的重要基础。全球每年由土壤释放的 CO 2 量等于或超过全球陆地生态系统的净初级生产力 [15] ，对全球变暖的贡献率达 60% 以上 [16-17] 。本研究以青藏高原东北部疏勒河上游多年冻土区的高寒草甸 SLP2 样地为研究区，利用静态箱－气相色谱法对 2013 年地表 CO 2 通量进行观测模拟，分析地表 CO 2 通量的日（昼夜）和季节变化特征，观测数据与 DNDC 模型模拟数据的拟合度及

　其环境因子，以期对DNDC模型在该研究区的适应性做出精准的评价提供参考。

　1 材料与方法

　1.1 研究区概况 试验样地位于青藏高原东北缘祁连山中西段疏勒河上游多年冻土区综合观测场（SLP2；98°16′14″E，38°21′17″N，海拔 4014m），如图 1 所示。该区域气候干冷，多风；据 SLP2 样地气象站 2013 年数据资料显示年均气温和降水量约分别为－6.0℃和 477.0mm，年均空气相对湿度为 48.1%，太阳辐射为 204.5 W•m -2 ，年均风速为 3.9 m•s -1 （图 3）。样地 0～50cm 不同层次土壤颗粒机械组成平均为砂粒 42.4%、粉粒 40.0%、粘粒 17.6%。植被类型为中度退化高寒草甸，覆盖度约 42.0%，代表性植物为柔软紫菀（Aster flaccidus）、波伐早熟禾（Poa poophagorum）、高山嵩草（Kobresia pygmaea）、矮生嵩草（Kobresia humilis）、沙生风毛菊（Saussurea arenaria）、西伯利亚蓼（Polyygomum sibiricum）等 [18] ，物种丰富度指数（R）为 11.0±1.0，Shannon-Wiener 指数（H´）为 2.29±0.10。土壤类型为简育干润均腐土。

　图 图 1 研究区地理 位置 Figure 1 Location of the study area 1.2 DNDC 模型简介 DNDC（DeNitrification-DeComposition）模型是美国新罕布什尔大学发展起来的，中心是模拟农业生态系统中碳和氮的生物地球化学循环，时间步长以日为单位，是目前国际上最为成功的模拟生物地球化学循环的模型之一 [19-23] 。模型由两大部分构成：第一部分包括土壤气候、植物生长和有机质分解三个子模型，第二部分包括硝化作用、反硝化作用和发酵作用三个子模型（如图 2 所示）。第一部分的作用是利用生态系统宏观结构的各种生态驱动因子，即模型输入的参数：气候、土壤、植被以及人类管理措施，来模拟生态系统内部的环境营力（温度、湿度、pH、Eh 和相关反应物浓度梯度）。生物地球化学场便是由这些生态系统内部的环境营力组成的一个目标生态系统的多维力场。第二部分的作用是模拟环境营力对微生物活动的影响，并计算植物-土壤系统中主要温室气体（CO 2 、CH 4和 N 2 O）以及 N 2 、NO、NH 3 的排放。运行模型时，需输入数据包括气候数据（气温、降水和太阳辐射）、土壤性质（容重、质地、粘粒含量、酸碱度以及初始 SOC含量）、土地利用（农作物种类和轮作）和农田管理（翻耕、施肥、灌溉、秸秆还田比例等）。该模型是对土壤碳、氮循环机制进行全面描述的过程模型 ，适用于点位和区域尺度的各种气候带的农业生态系统 [25] 。目前,世界上已经有很多国家的科学家使用 DNDC 模型进行应用研究，如对美国爱荷华州马斯凯丁县的玉米生长过程的模拟 [26] 、美国夏威夷的甘蔗的生长模拟 [27] 、中国东北辽宁的玉米产量进行模拟和分析 [28] 、英国帝国大学和农业研究所利用 DNDC 模型对英国种植的杨树进行了 7 年的模拟研究 [29] 。2000 年结束的亚太地区全球变化国际研讨会上，DNDC 模型被指定为在亚太地区进行推广的首选生物地球化学模型 [30] 。

　 图 图 2 DNDC 模型结构图 [24]

　Figure 2 DNDC model structure diagram [24]

　1.3 气体样品的采集 SLP2 样地内随机选取 3 个样方，将样方内的植物用剪刀齐地剪除，然后用静态箱法采集 CO 2 地表气体样品。采样箱（0.4m×0.4m ×0.4m）用不锈钢材料焊接制成，箱外罩有 3cm 厚保温板，箱内安装有小风扇和空气温湿度计；箱底基座（0.4m×0.4m×0.1m）由不锈钢片焊制而成，呈四面体，上端有凹槽，采集气体样品时，将采样箱倒扣入基座凹槽中并注水密封 [31] 。高寒草甸土壤 CO 2 地表通量日变化观测时间均为：2013 年 4 月 28 日、5 月 4 日、6 月 28 日、8 月 1 日、9 月 29 日、10 月 5 日和 12 月 31 日。从当日 0:00 至 21:00，每 3h 观测一次，每次观测地表气体时用100 mL注射器采集3个气体样品（在30min内每间隔15min采集 1 次气体样品）。

　1.4 环境因子监测 本研究选取的环境因子为气象要素中的空气温度、降水、风速、太阳总辐射和 10cm 土壤温湿盐。试验样地所在的综合观测场内布设有测定气象和土壤温湿盐的全自动监测系统。气象要素中的空气温度测定采用 HMP155A 型温湿度传感

　器（Vaisala），太阳辐射的测定利用 CS300 型传感器（Campbell），风速的测定利用 034B 型风速风向仪（MetOne）。10 cm 深度处土壤温度、含水量和盐分（简称温湿盐）的测定利用 Hydra-Probe II 型土壤传感器（Stevens），每 10min记录一次数据（连续监测）。

　1.5 分析方法 气体样品 CO 2 的浓度分析使用仪器为安捷伦 7890A 温室气体分析系统，载气为高纯 N 2 （30ml/min），色谱柱为 Hayesep Q（80-100 目），工作温...

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