孫燕瓷,馬友鑫, 曹坤芳,沈金祥,張一平,梅岑岑,劉文俊

1 綜合保護(hù)中心,西雙版納熱帶植物園, 勐侖 666303 2 云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 昆明 650106 3 亞熱帶農(nóng)業(yè)資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西大學(xué)林學(xué)院, 南寧 530004 4 云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院, 昆明 652501 5 深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司, 深圳 518057

基于Biome-BGC模型的西雙版納橡膠林碳收支模擬

孫燕瓷2,馬友鑫1,*, 曹坤芳3,沈金祥4,張一平1,梅岑岑5,劉文俊1

1 綜合保護(hù)中心,西雙版納熱帶植物園, 勐侖 666303 2 云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 昆明 650106 3 亞熱帶農(nóng)業(yè)資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西大學(xué)林學(xué)院, 南寧 530004 4 云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院, 昆明 652501 5 深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司, 深圳 518057

以西雙版納橡膠適宜種植區(qū)(海拔550—600m)的橡膠林 (Heveabrasiliensis)為研究對(duì)象,應(yīng)用參數(shù)同化后的Biome-BGC模型模擬了1959—2012年橡膠林的碳循環(huán)。結(jié)果表明,(1)與渦度相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比,橡膠林年總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity,GPP)、年總呼吸(Total Respiration, Rt)的模擬精度分別為98.37%和90%。由于對(duì)年GPP的過(guò)低估計(jì)和對(duì)年Rt的過(guò)高估計(jì),年凈生態(tài)系統(tǒng)交換量(Net Ecosystem Exchange, NEE)的模擬值比實(shí)測(cè)值低157.35 g C m-2a-1。但若考慮干膠碳(139 g C m-2a-1),模擬值與實(shí)測(cè)值十分接近；(2)橡膠林在模擬進(jìn)行的前8年里因異養(yǎng)呼吸較高,以碳排放為主, NEE平均約357 g C m-2a-1；之后轉(zhuǎn)為以碳固定為主,NEE平均約-146 g C m-2a-1；(3)橡膠林在40年的更新周期中可固定碳1835 g C m-2,是一個(gè)弱的碳匯。但與熱帶雨林相同周期固碳6720 g C m-2相比,仍為碳源。以上結(jié)果為深入了解橡膠種植對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的影響提供了科學(xué)依據(jù),建議當(dāng)?shù)卣环矫嬉杏?jì)劃的對(duì)老膠林進(jìn)行更新,以維持當(dāng)前橡膠林生態(tài)系統(tǒng)中的碳平衡；另一方面要注重對(duì)熱帶雨林的保護(hù),從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

橡膠林；凈生態(tài)系統(tǒng)交換量；Biome-BGC模型；西雙版納

KeyWords: rubber plantation; net ecosystem exchange; Biome-BGC model; Xishuangbanna

自1975年以來(lái),大氣累積CO2濃度增加了40%,21世紀(jì)末期及以后全球氣候系統(tǒng)變暖與累積CO2排放密切相關(guān)[1]。在熱帶地區(qū),橡膠(Heveabrasiliensis)種植是影響區(qū)域碳循環(huán)的一個(gè)重要方面[2- 8],自《京都協(xié)議》簽訂生效以來(lái),一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放緊密相連,因此關(guān)于橡膠種植過(guò)程中碳收支的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的準(zhǔn)確評(píng)估,已成為全球變化研究的熱點(diǎn)之一。

生理生態(tài)過(guò)程模型由于考慮了植物的生理生態(tài)特性,多將土壤—植被—大氣連續(xù)體(SPAC)作為一個(gè)系統(tǒng),從植物的生理過(guò)程反映生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的物質(zhì)和能量流動(dòng)[9],因此被廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究中。比較典型的生理生態(tài)過(guò)程模型有Forest-BGC模型[10]、Biome-BGC模型[11]、CENTURY模型[12]、BGC-ES模型[13]等。其中Biome-BGC模型因用C++語(yǔ)言編寫(xiě),易于編譯和理解,且源代碼開(kāi)放,成為被廣泛使用的一種生理生態(tài)過(guò)程模型。該模型中設(shè)置了植物光合作用、呼吸作用、蒸騰作用及凋落物分解等主要生理生態(tài)過(guò)程的循環(huán)模式與計(jì)算方法[14],目前已被用于農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)[15]、人為干擾森林生態(tài)系統(tǒng)[16- 17]、濕地紅松生態(tài)系統(tǒng)[18]、草地生態(tài)系統(tǒng)[19]等的碳循環(huán)的模擬。利用Biome-BGC模型對(duì)熱帶人工經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的模擬尚不多見(jiàn)。

西雙版納地處熱帶北緣,受經(jīng)濟(jì)利益和人口快速增長(zhǎng)的共同驅(qū)動(dòng),自20世紀(jì)50年代以來(lái)橡膠種植業(yè)(特別是民營(yíng)橡膠)迅猛發(fā)展,橡膠種植面積已超過(guò)了該區(qū)總面積的20%[20],導(dǎo)致該區(qū)約139567hm2的熱帶雨林[21]和364116hm2的熱帶自然林[22]消失,極大地改變了區(qū)域的碳收支格局[3]。橡膠林的最佳固碳周期是40年[23],Song[24]利用渦度監(jiān)測(cè)技術(shù)指出,西雙版納一片33年生的橡膠林表現(xiàn)為碳匯。但目前還沒(méi)有關(guān)于其它林齡(或發(fā)展階段)橡膠林的研究結(jié)果,而這方面的數(shù)據(jù)是當(dāng)前有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化和國(guó)際氣候談判所迫切需要的。

本研究以西雙版納海拔550—600m橡膠適宜種植區(qū)[25]的橡膠林為研究對(duì)象,利用Biome-BGC模型模擬1959—2012年橡膠林的碳循環(huán),著重分析40年中橡膠林碳收支的時(shí)間變化規(guī)律及凈生態(tài)系統(tǒng)交換量(Net Ecosystem Exchange, NEE),以期為研究其它海拔橡膠林的碳收支及綜合評(píng)價(jià)橡膠種植對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

表1為5種參數(shù)化方案以及集合平均模擬的24 h、6 h和3 h累積降水的評(píng)估結(jié)果。對(duì)于24 h累積降水,距平相關(guān)系數(shù)和均方根誤差的值均變優(yōu)。相對(duì)于最優(yōu)的單方案結(jié)果,集成后的距平相關(guān)系數(shù)提高了2個(gè)百分點(diǎn),均方根誤差降低了0.2 mm。從TS評(píng)分的結(jié)果可以看出,集成后對(duì)于中雨和暴雨的TS評(píng)分值改進(jìn)較為明顯,優(yōu)于最優(yōu)的單方案,而小雨和大雨的TS值不如最優(yōu)的單方案,但也僅次之。該結(jié)論與陳茂欽等(2012)對(duì)江淮和華南兩次暴雨過(guò)程進(jìn)行多微物理方案的集成預(yù)報(bào)試驗(yàn)的結(jié)論相一致,均得出多方案集成后結(jié)果較為優(yōu)異且穩(wěn)定的結(jié)論。

西雙版納(21°08′—22°36′N(xiāo),99°56′—101°50′E)位于云南省南端,與緬甸、老撾接壤,擁有土地總面積19120 km2。屬熱帶北緣季風(fēng)氣候,年降雨量為1162.1mm,其中約85%的降雨集中在雨季(5—10月)；干季降水較少(11月至次年4月),但有霧,有霧日占70—80%,一般在22:30開(kāi)始起霧,直到第二天11:00才逐漸消散。年均溫為22.3℃,最熱月出現(xiàn)在5—6月25.8℃,最冷月為1月16.5℃,年均日照時(shí)數(shù)為2152.9h。主要植被類(lèi)型有熱帶季節(jié)雨林、熱帶山地雨林、熱帶季節(jié)性濕潤(rùn)林、熱帶季雨林和熱帶山地常綠闊葉林[26]。境內(nèi)地勢(shì)高差起伏較大,海拔475—2429 m,橡膠在各個(gè)海拔均有種植,目前已突破種植上限1200m[3,21],至2014年橡膠種植面積達(dá)35.29×104hm2[27]。

1.2 研究方法

1.2.1 Biome-BGC模型描述

Biome-BGC模型是從第一代的Forest-BGC模型發(fā)展而來(lái)的,與Forest-BGC模型只適于針葉林生態(tài)系統(tǒng)碳氮水循環(huán)的模擬相比,Biome-BGC模型更具有普適性,可模擬常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、C3草本植物、C4草本植物和灌木林共7種植被類(lèi)型的碳、氮、水的循環(huán)過(guò)程與交互影響。Biome-BGC模型用C語(yǔ)言編寫(xiě),可從美國(guó)蒙拿大大學(xué)森林學(xué)院陸地動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬團(tuán)隊(duì)(Numerical Terradynamic Simulation Group, NTSG)的網(wǎng)站下載Biome-BGC4.2版。模型的設(shè)計(jì)遵循物質(zhì)與能量守恒定律,即進(jìn)入系統(tǒng)的物質(zhì)和能量等于留在系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量加上離開(kāi)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量[28],具體模擬原理參見(jiàn)White[14]。

1.2.2 Biome-BGC模型參數(shù)

Biome-BGC模型的輸入?yún)?shù)包括樣區(qū)參數(shù)、以日為步長(zhǎng)的氣象資料和生態(tài)生理常數(shù)。本研究中橡膠林的樣區(qū)參數(shù)如緯度、海拔、反照率均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站,其他參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)(表1)；1980—2012年的日氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站申請(qǐng)獲得,1980年以前的從國(guó)家氣象信息中心下載。日氣象數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法為,先將潤(rùn)年第366天的數(shù)據(jù)刪除[14],再用線(xiàn)性?xún)?nèi)插法對(duì)缺失值進(jìn)行插補(bǔ)后,調(diào)入MT-CLIM程序生成Biome-BGC所需要的文件；經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),生理生態(tài)參數(shù)用系統(tǒng)自帶的參數(shù)模擬效果最佳(表1)。

表1 橡膠林的Biome-BGC模型樣區(qū)參數(shù)和生理生態(tài)參數(shù)

DIM：Dimensionless; LAI: leaf area index;*數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)研究站；Data came from Xishuangbanna Station for Tropical Rainforest Ecosystem Studies;**數(shù)據(jù)來(lái)源于White[14]

1.2.3 Biome-BGC模型同化

Biome-BGC模型的模擬分兩步實(shí)現(xiàn),第一步是獲得模擬的初始狀態(tài),第二步是正式運(yùn)行模擬程序。初始狀態(tài)的獲得有兩種途徑,一是直接輸入長(zhǎng)期定點(diǎn)觀(guān)察數(shù)據(jù)最初的觀(guān)測(cè)值,二是運(yùn)行模型自帶的Spin-up程序。在Spin-up過(guò)程中,將模擬起點(diǎn)時(shí)的碳氮存量設(shè)為極低的值(葉片的碳存量為0.001 kg C/m2,其它庫(kù)的碳氮存量均為0 kg C/m2),反復(fù)模擬數(shù)千年,直到連續(xù)兩年土壤碳含量的差異小于0.0005 kg C/m2,默認(rèn)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[28],Spin-up過(guò)程結(jié)束[35]?？紤]到橡膠種植前對(duì)已有植被的清除性砍伐和燒山,若用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)各個(gè)庫(kù)中的碳氮存量,會(huì)對(duì)橡膠林的固碳過(guò)程造成錯(cuò)誤的估計(jì)。因此,參考Thornton等的方法[36],將莖的1%和粗根移入粗死木質(zhì)殘?bào)w庫(kù),隨后的燒山使粗死木質(zhì)殘?bào)w庫(kù)損失50%,葉片、地上凋落物和細(xì)根全部被燒掉,橡膠種植使葉片存有10 g C/m2。氮肥是橡膠林生態(tài)系統(tǒng)中氮素的來(lái)源之一,平均每年約3.846 g N/m2[34]。

Biome-BGC模型首先進(jìn)行物候計(jì)算。模型中規(guī)定,在北半球1月至7月為生長(zhǎng)期,11月至次年1月初為落葉期。在完全落葉期內(nèi),系統(tǒng)的總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)為零[37]。盡管橡膠林在西雙版納出現(xiàn)1—2月集中落葉的現(xiàn)象,但落葉和長(zhǎng)新葉幾乎同時(shí)發(fā)生,尤其在海拔550—600m的區(qū)域,橡膠林的日GPP和最低葉面積指數(shù)并未出現(xiàn)為零的情況[24,38]。綜合考慮,將橡膠林視為一種常綠闊葉林進(jìn)行模擬更為合理。同時(shí)考慮霧水的影響,霧水對(duì)降水的貢獻(xiàn)為全年降水的1.1%[39]。

1.2.4 模型檢驗(yàn)參數(shù)

本研究模擬了西雙版納海拔550—600m的橡膠林1959—2012年的碳循環(huán)。模型檢驗(yàn)參數(shù)為同一區(qū)域內(nèi)33年生橡膠林的渦度相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),觀(guān)測(cè)鐵塔裝在中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站內(nèi)單一橡膠林人工群落(21°56′N(xiāo),101°15′E,海拔580 m)中[24],觀(guān)測(cè)時(shí)間為2010年7月—2011年6月。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 16.0,模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性采用線(xiàn)性回歸分析,差異顯著性水平設(shè)為а=0.05。用SigmaPlot 12.5軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型檢驗(yàn)

用Biome-BGC模型模擬了西雙版納1959—2012年橡膠林的碳循環(huán),并從模擬結(jié)果中提取了與驗(yàn)證參數(shù)相對(duì)應(yīng)林齡橡膠林的GPP、總呼吸(Rt)和NEE,然后參照Hidy[19]的方法,從提取年份至2011年逐年求平均,以消除氣象數(shù)據(jù)年際間波動(dòng)的影響。與原模型相比,同化后的Biome-BGC模型對(duì)橡膠林碳循環(huán)的模擬效果相對(duì)較好。日GPP模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)由0.58提高到0.66(表2),誤差源于對(duì)干季中期至雨季初期(1月中旬至次年5月)的模擬結(jié)果偏低,對(duì)雨季末期(9—10月)的模擬偏低(圖1)；模型同化后對(duì)日Rt的模擬效果最好,模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性達(dá)0.92(表2),模擬值比實(shí)測(cè)值稍高(圖1)；受GPP模擬值偏低和Rt模擬值偏高的共同影響,模型同化后對(duì)日NEE(NEE為負(fù)值表示碳吸收,NEE為正值表示碳釋放)的模擬效果相對(duì)較差,模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性?xún)H0.39,模擬值低于實(shí)測(cè)值(表2,圖1)。從年積累量來(lái)看(表3),模型同化后年GPP的相對(duì)誤差由-21.76%降低至-1.62%,模擬值比實(shí)測(cè)值低41.61 g C m-2a-1,總體精度為98.37%；年Rt的相對(duì)誤差由-11.74%降低到9.04%,模擬值比實(shí)測(cè)值高205.82 g C m-2a-1,整體精度約90%；年NEE模擬值比實(shí)測(cè)值低157.35 g C m-2a-1,相對(duì)誤差為63.7%,這可能與Biome-BGC模型未能模擬干膠產(chǎn)量有關(guān)。33a林齡橡膠林的干膠碳儲(chǔ)量為139 g C m-2a-1[40],因此若考慮干膠固碳量,模型同化后的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值十分接近。表明同化后的Biome-BGC模型可用于西雙版納橡膠林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的模擬。

表2 橡膠林日GPP、Rt、NEE實(shí)測(cè)值與模擬值的相關(guān)性分析

Y：模擬值,simulated valued；X：實(shí)測(cè)值,measured valued

表3 橡膠林年GPP、Rt、NEE實(shí)測(cè)值與模擬值的誤差分析

MV：實(shí)測(cè)值,measured value；SV：模擬值,simulated value；RD: 相對(duì)差異,relative difference；RE：相對(duì)誤差；relative error

圖1 Biome-BGC同化后模擬的橡膠林日GPP(a)、Rt(b)和NEE(c)與實(shí)測(cè)值比較Fig.1 Comparison of simulated daily GPP (a), Rt (b) and NEE (c) in rubber plantation using the assimilated Biome-BGC model with the observed values

2.2 霧水對(duì)橡膠林碳循環(huán)模擬的影響

氣孔是植物水氣傳輸?shù)闹匾T(mén)戶(hù),它與植物的光合作用、呼吸作用等重要生理生態(tài)過(guò)程密切相關(guān)。在Biome-BGC模型中,植物可利用水分的多少直接影響氣孔導(dǎo)度。在西雙版納地區(qū),橡膠林中有長(zhǎng)達(dá)188d的霧日,霧日橡膠林冠層對(duì)霧水的截留量占全年降水量的1.1%,極大的彌補(bǔ)了干季降雨量的不足[39]。為了摸清霧水對(duì)橡膠林碳循環(huán)的影響,本研究模擬了降水中不加入霧水和加入霧水兩種情況。結(jié)果表明,在降水中加入霧水后,GPP和Rt同時(shí)增加,NEE沒(méi)有明顯的變化(圖2)。但在降水中加入霧水后,NEE異常值大為減少,NEE在1969年以后即保持以碳吸收為主,表明霧水對(duì)橡膠林碳收支的模擬具有促進(jìn)作用,在后續(xù)分析中均使用降水中加入霧水的模擬結(jié)果。

圖2 霧水對(duì)橡膠林年GPP、Rt和NEE的影響分析Fig.2 The effects of fog on annual GPP,Rt and NEE in rubber plantation

2.3 橡膠林碳收支的模擬

從圖3可以看出,橡膠林自養(yǎng)呼吸隨模擬年限的增加而逐漸增加,在模擬進(jìn)行5a時(shí)自養(yǎng)呼吸即由最初的32 g C m-2a-1增加到2 108 g C m-2a-1,之后維持在2 100—2 600 g C m-2a-1之間。異養(yǎng)呼吸的變化規(guī)律與自養(yǎng)呼吸正好相反,在模擬的前4a里較高,平均約1 276 g C m-2a-1。4a后異養(yǎng)呼吸迅速降低并在第10年左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),平均約496 g C m-2a-1,為前4a的2/5。橡膠林總呼吸隨時(shí)間的變化與自養(yǎng)呼吸的變化基本一致,前4a由1959年的1 492 g C m-2a-1迅速增加到1962年的2 374 g C m-2a-1, 4a后總呼吸保持在2 776 g C m-2a-1左右。

圖3 1959—2012年橡膠林年Rt、異養(yǎng)呼吸(Rh)、自養(yǎng)呼吸(Ra)的模擬Fig.3 Simulation of annual Rt, heterotrophic respiration (Rh), autotrophic respiration (Ra) in rubber plantations during 1959—2012

橡膠林年GPP和年NPP均在模擬第3—4年快速增加,之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),分別保持在-266—-970 g C m-2a-1和-2413—-3226 g C m-2a-1之間(圖4)。年NEE在模擬進(jìn)行的前8年里平均357 g C m-2a-1,且絕大多數(shù)年份大于0,表明該時(shí)期橡膠林以碳排放為主(共釋放碳2855 g C/m2)；8年以后除極少數(shù)年份外,NEE均小于0,平均約-146g C m-2a-1,表現(xiàn)為碳匯。由前面的分析可知,年NEE模擬值比觀(guān)測(cè)值低63.7%,若將年NEE模擬值增加63.7%,橡膠林仍然是在模擬進(jìn)行8a左右才由碳源轉(zhuǎn)為碳匯(圖4)。由此我們可以初步判斷,橡膠種植的前8a里為碳源,8a以后由碳源轉(zhuǎn)為碳匯。若以40a為橡膠林的最佳固碳周期[23],在適宜種植區(qū)橡膠林一生中可固定碳1835 g C/m2,表現(xiàn)為碳匯。

通過(guò)對(duì)呼吸作用(Ra和Rh)和固碳作用(GPP、NPP)的綜合分析發(fā)現(xiàn),橡膠林在模擬初期之所以表現(xiàn)為碳源,主要是由較高的異養(yǎng)呼吸和較弱的固碳能力(GPP、NPP均較低)引起。

圖4 1959—2012年橡膠林年NEE、GPP和NPP的模擬Fig.4 Simulation of annual NEE, GPP and NPP in rubber plantations during 1959—2012

3 討論

本研究根據(jù)橡膠種植的實(shí)際情況,考慮了橡膠種植對(duì)已有植被的清除性砍伐和燒山行為、施肥等因素,對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)同化,同化后的Biome-BGC對(duì)橡膠林碳收支的模擬效果獲得了較大的改善。對(duì)年GPP的模擬精度由78.34%提高到98.37%,模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性為0.66。從GPP的日變化來(lái)看,對(duì)日GPP的模擬值在干季中期至雨季初期(1月中旬至次年5月)偏低,在雨季末期(9—10月)偏高。這可能與橡膠林自身的水分利用策略有關(guān),即橡膠林在干季轉(zhuǎn)向深層土壤吸收[41- 42]。在雨季,橡膠林主要利用表層0—30 cm土壤中的水分,對(duì)70 cm以下土層中的水分利用極少[43]；而在干季后期,因70 cm以上土層的水分被大量消耗,橡膠林向深層土壤吸水深度可達(dá)2米以下[41]。同時(shí),雨季來(lái)臨第一次降雨過(guò)后,橡膠樹(shù)就能迅速的吸收表層土壤中的水分,使得橡膠林能在干季生長(zhǎng)發(fā)芽。但在Biome-BGC模型中,一方面植物有效吸水根系深度固定為一層；另一方面氣孔是植物-土壤-大氣系統(tǒng)中水氣交換的唯一門(mén)戶(hù),土壤水勢(shì)直接影響氣孔導(dǎo)度。因此,當(dāng)根系吸水深度被固定為1米時(shí),在雨季模型極可能高估了橡膠林對(duì)深層土壤水的利用率,從而對(duì)GPP造成高估；在干季則相反,模型中低估了深層土壤中可利用水分的量并限制了光合作用的進(jìn)行,對(duì)GPP的模擬偏低。此外,在土壤含水量較低的情況下,模型中土壤水勢(shì)對(duì)水分的響應(yīng)是突變型的,而實(shí)際上土壤水的滲透有一定的過(guò)程,即滯后性。Hidy等[19]利用Biome-BGC模型模擬草地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支時(shí),也發(fā)現(xiàn)了這一問(wèn)題,對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn),并取得了較好的模擬效果,但Hidy等人并未將改進(jìn)后的源代碼公開(kāi),今后的工作中我們將會(huì)在這方面做出更多的努力。

模型同化后對(duì)Rt的模擬效果較好,模擬值與渦度相關(guān)監(jiān)測(cè)值的相關(guān)性達(dá)0.91,總體模擬精度為91%。但由于對(duì)GPP的模擬結(jié)果偏低和對(duì)Rt的模擬結(jié)果偏高,導(dǎo)致模型對(duì)NEE的模擬誤差較大,模擬值比實(shí)測(cè)值低157.35 g C m-2a-1,相對(duì)誤差為63.7%。NEE模擬值偏低可能源于模型未能模擬干膠產(chǎn)量,若考慮干膠產(chǎn)量(33年生橡膠林約139 g C m-2a-1)[40]的影響, NEE模擬值與實(shí)測(cè)值十分接近,表明同化后的模型可以用來(lái)進(jìn)行橡膠林碳收支的模擬。

水分是影響B(tài)iome-BGC模型模擬結(jié)果的一個(gè)重要方面,鑒于西雙版納具有長(zhǎng)達(dá)188 d的霧日和霧水對(duì)降水的貢獻(xiàn)[39],在模擬橡膠林的碳循環(huán)時(shí)還考慮了霧水的作用。分析發(fā)現(xiàn),雖然霧水對(duì)NEE沒(méi)有明顯的影響,但卻有效減少了NEE年際間的異常值,使橡膠林在模擬8a后即表現(xiàn)為相對(duì)穩(wěn)定的碳匯。表明霧水對(duì)橡膠林碳循環(huán)的模擬具有一定的促進(jìn)作用,但不是主要影響因子。

由NEE的變化規(guī)律可知,橡膠林在模擬的前8a因異養(yǎng)呼吸過(guò)高以碳排放為主,表現(xiàn)為碳源；8a后異養(yǎng)呼吸逐漸降低,至第9年達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),平均為500 g C m-2a-1,橡膠林由碳源轉(zhuǎn)為相對(duì)穩(wěn)定的碳匯。這一結(jié)果與Amiro等[44]對(duì)受干擾的林齡系列的研究結(jié)論基本相符,其主要結(jié)論有：1)在演替初期由于光合作用弱于呼吸作用,生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳源；2)從干擾期開(kāi)始至干擾后10a左右,生態(tài)系統(tǒng)即可恢復(fù)為碳匯,之后碳匯維持不變；3)干擾系列由碳源到碳匯的轉(zhuǎn)變是由異養(yǎng)呼吸與光合作用的相對(duì)變化引起。這進(jìn)一步證明同化后的Biome-BGC模型適宜于橡膠林碳收支的模擬。若以40a更新周期計(jì)算,在橡膠適宜種植區(qū)橡膠林一生中可固定碳1 835 g C/m2,是一個(gè)弱的碳匯。但與西雙版納熱帶雨林相同周期固碳6 720 g C/m2相比[45],建立于熱帶雨林上的橡膠林在整個(gè)生命周期中都表現(xiàn)為碳源。

4 結(jié)論

在橡膠適宜種植區(qū),橡膠林在種植初期的前8a里以碳排放為主,主要由異養(yǎng)呼吸過(guò)高引起,8年以后轉(zhuǎn)為相對(duì)穩(wěn)定的碳匯；若以40a為橡膠林的最佳固碳周期,橡膠林一生中可固定碳1835 g C/m2,是一個(gè)弱的碳匯。但與熱帶雨林相比,極可能在整個(gè)生命周期中都表現(xiàn)為碳匯。因此在橡膠種植過(guò)程中,一是要對(duì)老膠林進(jìn)行有計(jì)劃的更新,務(wù)必考慮橡膠林的林齡結(jié)構(gòu),盡量避免盲目更新破壞橡膠林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有的碳平衡；二是必須重視對(duì)熱帶雨林的保護(hù),不宜再破壞熱帶雨林建立新的橡膠林。從而最大限度的降低橡膠種植對(duì)區(qū)域性碳收支的影響,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站,及中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園唐建維研究員、沙麗清研究員、范澤鑫副研究員、宋清海副研究員和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的遞超普等對(duì)本工作所給予的大力支持。

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SimulationofcarbonbudgetinrubberplantationsinXishuangbannabasedontheBiome-BGCmodel

SUN Yanci2, MA Youxin1,*, CAO Kunfang3, SHEN Jinxiang4, ZHANG Yiping1, MEI Cencen5, LIU Wenjun1

1KeyLaboratoryofTropicalForestEcology,XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Menglun666303,China2YunnanCollegeofBusinessManagement,Kunming650106,China3StateKeyLaboratoryforConservationandUtilizationofSubtropicalAgro-bioresources,andCollegeofForestry,GuangxiUniversity,Nanning530004,China4DepartmentofDigitalLandandLandManagement,YunnanLandandResourcesVocationalCollege,Kunming652501,China5Shenzhen-HongkongInstitutionofIndustry,Education&ResearchEnvironmentalTechniqueCenter,Shenzhen518057,China

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDA05050206)

2016- 06- 08; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 22

10.5846/stxb201606081104

*通訊作者Corresponding author.E-mail: may@xtbg.ac.cn

孫燕瓷,馬友鑫, 曹坤芳,沈金祥,張一平,梅岑岑,劉文俊.基于Biome-BGC模型的西雙版納橡膠林碳收支模擬.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(17):5732- 5741.

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