楊利英 張成福 王雨晴 楊宇娜 賀帥 丁奮謙 王志東

摘要：指出了氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響是探究全球變化的核心內(nèi)容。國內(nèi)外學者廣泛應用CEN-TURY模型強大的參數(shù)化功能，深入研究了不同地區(qū)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和土壤有機碳等的動態(tài)變化，分析了氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響機制以及預測了未來的發(fā)展趨勢。為此，總結了CENTURY模型近年來在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的應用，以期為將來研究陸地生態(tài)系統(tǒng)，并制定合理的管理措施提供科學的理論依據(jù)。

關鍵詞：氣候變化;陸地生態(tài)系統(tǒng);CENTURY模型

中圖分類號：$162 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0009-04

1引言

自20世紀中葉以來，大氣中CO2濃度的增加導致地球表面平均溫度的升高。全球變暖正在擾亂自然循環(huán)，并導致局部和全球氣候的長期變化，致使海洋變暖、冰塊融化和蒸發(fā)增加，海平面上升，極端天氣事件如洪水、干旱、颶風等頻發(fā)及其它潛在環(huán)境影響。

土壤有機碳（SOC）是陸地碳庫的重要組成部分，也是深入研究陸地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素循環(huán)的核心內(nèi)容。在人類活動和氣候變化驅動力下評價生態(tài)系統(tǒng)的碳收支，并預測未來SOC儲量的變化趨勢以評估土壤資源顯得尤為重要。植被的凈初級生產(chǎn)力（NPP）是全球氣候變化研究的一個重要方向，也是顯示生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標，為生態(tài)系統(tǒng)的科學管理提供了高度綜合、定量的信息。

我國因特殊的地理位置，受氣候變化影響很大，是極端天氣災害頻發(fā)的國家。過去20多年來，國內(nèi)外研發(fā)了很多研究生態(tài)系統(tǒng)的模型，但大都具有很強的局限性。CENTURY模型可以用來模擬并預測陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和土壤有機碳的動態(tài)變化，在不同地區(qū)的應用中均取得了良好的結果。

2CENTURY模型概述

2.1模型簡介

CENTURY模型由科羅拉多州立大學和美國農(nóng)業(yè)部聯(lián)合開發(fā)，是目前全球應用比較廣泛的模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學循環(huán)的模型，可用于綜合評估人類活動和氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響。CENTURY模型主要的子模型有：土壤有機質(zhì)子模型，水分收支、淋溶和土壤溫度子模型，植物生長子模型等。模型的主要輸入變量包括：①月平均最高、最低氣溫;②月降水量;③植物體木質(zhì)素含量;④植物的氮、磷和硫含量;⑤土壤參數(shù)主要包括pH值、土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤容重和土壤養(yǎng)分等;⑥大氣和土壤氮素輸入;⑦初始土壤碳、氮、磷和硫含量。模型以月或日為運行單位。CENTURY模型的運行環(huán)境由輸出程序和兩個輔助程序組成（圖1）。Filel00程序幫助用戶創(chuàng)建和更新CENTURY主程序使用的12個參數(shù)文件。Eventl00程序用來創(chuàng)建作物屬性、農(nóng)田管理和模擬期間發(fā)生的干擾事件相關參數(shù)的文件。

2.2模型的建立和驗證

CENTURY模型的運行過程為：第一步將收集到的氣象數(shù)據(jù)轉換成模型所需的氣象文件*.WTH，再使用FILEl00程序設定12個參數(shù)化文件中的參數(shù);第二步運行EVENT100程序，設定作物管理和干擾事件，生成相應的系統(tǒng)文件;第三步為使用月平均最低、最高氣溫、月平均降水量驅動CENTURY模型，使其達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后以穩(wěn)定狀態(tài)運行的參數(shù)作為模型的初始條件得到模擬結果;最后運行LISTl00程序得到可讀的模擬結果。

CENTURY模型的驗證方法有線性回歸分析法、誤差平方根值法及平均絕對百分比誤差法，綜合利用這

3種方法可以準確評價CENTURY模型的適用性。

3CENTURY模型在陸地生態(tài)系統(tǒng)的綜合應用

3.1CENTURY模型在陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳研究中的應用

自20世紀90年代開始，CENTURY模型被廣泛應用于世界各地不同的陸地生態(tài)系統(tǒng)中，均得到了很好的模擬效果。Kirschbaum等利用CENTUYR模型進行了一系列森林凋落物分解和森林土壤氮礦化模擬試驗。研究表明，CENTUYR模型可以成功地模擬各種類型凋落物的分解和養(yǎng)分的礦化過程。Hong等基于CENTURY模型研究了不同的采伐方式對中國北方森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳通量的影響。結果表明，NPP隨著收獲強度的增加或砍伐周期的縮短而降低，禁伐可以使森林生物量、凋落物和土壤碳儲量顯著提高，中國北方森林較加拿大、美國和俄羅斯的生產(chǎn)力和生物量高。Alvarez利用CENTURY模型對阿根廷潘培安地區(qū)SOC進行了估算，將模型預測值與觀測值的差異視為種植對于土壤有機質(zhì)的影響結果。結果發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤碳損失是由于農(nóng)業(yè)種植造成的。Chiti等利用CENTURY模型對地中海和高山森林地區(qū)土壤有機碳狀況和趨勢進行模擬，結果發(fā)現(xiàn)在土地管理沒有發(fā)生變化情況下，由于大氣二氧化碳的施肥效應和生長季延長，兩個地區(qū)土壤碳儲量都會增加。研究表明CEN-TURY模型可以作為估計未來SOC變化的有效工具。Dimass使用CENTUYR模型評估了9個農(nóng)作物管理情景對法國6個典型的長期定位試驗站SOC儲量的影響。研究結果表明，與其它因素相比，農(nóng)作物管理對CENTURY模型預測結果的影響最大。Foe-reid等使用CENTURY模型準確地模擬了丹麥南部Askov農(nóng)場氣候長期變化條件下裸露休耕地SOC含量和土壤肥力，并將其應用于北歐農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理中。

CENTURY模型在我國的應用是從20世紀90年代中期開始的，分別模擬和預測我國東北、華北、西北等地生態(tài)系統(tǒng)SOC的循環(huán)過程以及未來的變化趨勢，均得到了很好的效果。高魯鵬等利用CENTURY模型對東北地區(qū)典型區(qū)域黑土SOC及其組分的動態(tài)演變進行了模擬與預測，定量分析了不同的耕作方式對SOC的長期影響，為科學管理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。許文強等利用CENTURY模型對西北干旱區(qū)人工綠洲開發(fā)前后以及不同的農(nóng)業(yè)耕作方式對O～20cm的土壤有機碳的動態(tài)影響。研究結果表明，西北干旱人工綠洲的土壤呈現(xiàn)“碳匯”增加的趨勢，尤其在實施了保護性耕作方式下，碳匯作用更加明顯。研究成果為制定干旱綠洲的保護措施提供了理論支撐。Gong等利用CENTURY模型研究了華北平原長期有機肥和無機肥的施用對冬小麥和夏玉米種植體系土壤有機碳組分的影響，以期獲得最佳施肥管理措施。胡興才等利用CENTURY模型對青海民和縣和三雷鎮(zhèn)大棚和露天兩種種植設施的番茄生長進行了模擬，分析了采取不同設施下番茄生長的差異，探明了2種設施對番茄生育期地上生物量的影響機制。

3.2CENTURY模型在陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究中的應用

自20世紀90年代，世界各國學者先后將CENTU-RY模型應用于草原、農(nóng)田、森林以及稀樹草原生態(tài)系統(tǒng)進行生產(chǎn)力的模擬驗證和預測，以評估氣候變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。Parton等利用世界各地具有代表性的草原的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，對CETURY模型進行了驗證，均取得了很好的模擬效果。Vallis等為了研究不同氮肥施用方式對SOC水平和甜菜生產(chǎn)力的長期影響，在昆士蘭北部赫伯特河地區(qū)的兩種土壤上進行了模擬并取得了很好的模擬效果。Mangan等利用CENTURY模型探討了干旱、植物功能類型、火災、放牧以及土壤侵蝕對半干旱氣候環(huán)境下內(nèi)布拉斯加州沙丘植被與沙丘穩(wěn)定性的影響。結果表明，火災和放牧對植被影響不大，但與輕度干旱相結合，會導致生物量下降。如果一種植物功能類型主導生態(tài)系統(tǒng)，則總生物量增加。Peng等利用CENTURY模型研究了加拿大中部的北方森林過渡帶NPP對氣候變化的響應，探討了CO2、施肥和火燒對NPP變化的長期影響，發(fā)現(xiàn)湯普森（馬尼托巴）地區(qū)和薩斯喀徹溫省南部地區(qū)NPP的觀測值與模擬值一致。模擬結果表明，氣候變化將導致加拿大北方森林NPP增加。

CENTURY模型在國內(nèi)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)力的研究也比較多，其目的是研究氣候變化背景下各生態(tài)系統(tǒng)對人類不同管理措施的響應。CENTURY模型已應用于青藏高原、內(nèi)蒙古草原、東北黑土區(qū)以及大興安嶺等地，均取得了很好的模擬效果。肖向明使用CENTURY模型分析并預測了氣候變化條件下內(nèi)蒙古錫林河流域草原的生產(chǎn)力動態(tài)演變過程。耿元波等利用CENTURY模型模擬了氣候變化對高寒草甸草原的影響，取得了很好的效果。張存厚等利用內(nèi)蒙古草原的代表站點草地生產(chǎn)力長期觀測數(shù)據(jù)對CENTURY模型進行了模擬驗證，分析了降水、氣溫、CO2等氣象要素和放牧對內(nèi)蒙古草原的影響機制，并重建了內(nèi)蒙古草原公元1～2000年的生產(chǎn)力動態(tài)變化，綜合、定量的評價了氣候變化對內(nèi)蒙古草原地上凈初級生產(chǎn)力的影響。蔣延玲等利用CENTURY模型對我國森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力進行了模擬驗證，評估了氣候變化和火燒管理對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，為制定合理的森林管理措施提供了科學的理論依。綜上可知，CENTURY模型在我國陸地生態(tài)系統(tǒng)具有很好的適用性。

3.3CENTURY模型與其他技術在陸地生態(tài)系統(tǒng)的應用

隨著科技的發(fā)展，將生態(tài)系統(tǒng)模型與遙感、GIS技術結合正成為一個全新的研究趨勢。為了提高草原管理水平，研究人類活動對草原生態(tài)系統(tǒng)的影響，F(xiàn)eng等將CENTUYE模型與MODIS反演數(shù)據(jù)相結合，提出了一個對內(nèi)蒙古中部錫林郭勒草原放牧強度監(jiān)測的框架，研究表明該方法能夠對放牧活動對草原的影響進行大范圍的監(jiān)測。陳四清綜合運用遙感、GIS技術和CENTURY模型動態(tài)模擬了錫林河流域草原碳循環(huán)過程并繪制了模擬圖，形象地展示了土地利用變化、人類活動和氣候變化對碳循環(huán)和碳匯功能的影響，使人們更加清楚并全面了解草地對全球碳循環(huán)的重要性。Bortolon等利用CENTURY模型和GIS對巴西南部大區(qū)域尺度下的碳排放和碳固定進行了研究。針對不同種植制度、土地耕作方式和植被類型，他們根據(jù)采樣區(qū)域的實測數(shù)據(jù)對CENTURY模型進行了校正和檢驗。結果表明，CENTURY模型可以準確估計土地利用變化和土壤管理對SOC的演變及大氣二氧化碳平衡的影響。李明明將CENTURY模型與GPS、GIS等技術結合使用，模擬并預測了黃土高原典型小流域不同土地利用方式下SOC和有機氮的動態(tài)變化及其影響因素。

4CENTURY模型存在的問題與展望

CENTURY模型參數(shù)多，要求大量實測數(shù)據(jù)。在模擬一個生態(tài)系統(tǒng)時，需要根據(jù)研究站點的地理信息和氣象、土壤等記錄數(shù)據(jù)對模型的許多參數(shù)進行校正，以保證模型的精度。建議CENTURY模型加入一個全球地理和氣象數(shù)據(jù)庫，使模型可方便地模擬全球各類生態(tài)系統(tǒng)氣候變化條件下的NPP、碳循環(huán)和土壤碳儲量。另外，針對不同的生態(tài)系統(tǒng)和氣候條件，CENTURY模型可對每個參數(shù)提供一個有效的取值范圍，這樣可以有效縮短用戶校正參數(shù)的過程，提高CENTURY模型使用便利性以及準確性，為陸地生態(tài)系統(tǒng)的模擬提供更好的保障。

CENTURY模型普遍用于單個點位的模擬。由于參數(shù)僅針對局地化的特點，導致模型應用于大區(qū)域時引起誤差較大，不能滿足用戶研究大區(qū)域尺度的要求。將CENTURY模型與遙感和GIS相結合，利用其二次開發(fā)和多源數(shù)據(jù)處理的功能，為模型在大區(qū)域尺度的高精度模擬提供保障。

CENTURY模型的輸出模式需要進一步改進。當前以月時間步長運行的CENTURY模型其模擬值的輸出選項中只有以月、半年或年為時間單位的輸出格式。當用戶僅研究季度或整個生長季生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化時，截取所需月份模擬值的工作量大，因此對輸出模式需要進一步改進。

CENTURY模型不僅應用范圍廣，而且模擬精度高。模型模擬并預測氣候變化和人類活動對于草原、森林和農(nóng)田等多種生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳循環(huán)和碳儲量取得了一系列卓有成效的研究成果。通過CENTURY模型與3s技術相結合，使模型能夠精確評估變化條件對于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響，為制定合理的陸地生態(tài)系統(tǒng)管理措施提供基礎數(shù)據(jù)。