CENTURY模型在土壤有机碳研究中的应用

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(吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118)

0 引 言

土壤有机碳主要来源于动物、植物、根系分泌物和微生物残体，并处于一个不断分解和形成的动态变化过程中，是生态系统在特定条件下的动态平衡值。土壤有机碳贮量约为1 500 Pg[1]，是大气碳库的2倍，亦是陆地碳库的主要组成部分。因此，土壤碳库小幅度的变化就可能对大气中碳的排放造成影响，从而加剧温室效应并且作用于全球气候的变化，同时对陆地生态系统的分布、组成、结构和功能产生深刻的影响[2]。近些年，地球科学、资源与环境科学等不同学科的很多学者对我国陆地土壤有机碳库进行了探索，不同学者之间的研究结果还存在较大差异，这主要是由于数据的来源不同以及研究方法上的差别。进一步系统、深入的研究土壤有机碳库有其现实意义。此外，由于控制不同生态环境条件的土壤有机碳循环的因素不同，造成了土壤有机碳的空间变异性较高，特别是对于目前土壤有机碳下降十分突出的生态脆弱区，提供多尺度或多种详细程度的土壤有机碳数据库对于农业环境的改善有着非常重要的意义[3]。

土壤有机质是土壤中最活跃的物质组成，其含量决定了土壤有机碳的含量。土壤有机质也是土壤质量的一个关键属性，有些学者建议将其作为土壤生产力和土壤质量的最重要的单一指示物[4-7]。土壤有机质及其他土壤性质的变化过程非常缓慢，长期野外实验是检测这类缓慢变化过程的理想手段。但是长期野外实验的适用条件较为有限，在整个气候范围及众多感兴趣的条件下实施是不可能的，而且基于有限的实验站点数目，获得的实验资料分散零星，缺少大范围规律性的认识；另外实验资料的获取不具备连续性，受时间上的制约和影响，借助土壤有机质模型能够克服这些问题，对土壤有机质进行较好的模拟预测，是定量实现土壤碳循环规律必不可少的手段，也是综合不同因子及其相互作用的有力工具。土壤有机质模型有4个驱动条件，分别为气象、土壤、土地利用和农田管理，模型对土壤有机质的产生、分解和转化等一系列过程进行数字模拟，从而达到能够预测土壤有机碳的动态变化。目前，国内外学者应用CENTURY模型对多个地区的土壤有机碳进行研究，研究结果表明，CENTURY模型模拟的结果与实测值具有较好的吻合度，在土壤有机碳的研究上具有较好的适用性。

1 CENTURY模型概述

美国科罗拉多州立大学的Parton 等通过研究最早建立了CENTURY模型[8-9],该模型最初是被用在草地生态系统中的，主要模拟生态系统中的碳、氮、磷、硫等元素的长期演变过程，在草地生态系统中模拟效果较好。许多学者已经将其应用于不同地区的众多试验站点，验证了CENTURY模型在草地生态系统中的适用性[10-17]。它接纳了土壤有机质分为3个库的理论，是应用比较广泛的表征土壤有机质动态的模型，后对其加以改进，应用扩展到森林、稀树草原、农业等生态系统中，已通过了很多学者的检验。CENTURY模型应用于不同的生态系统时需要输入不同的参数，只要输入有效的参数，CENTURY模型就能够正常运行。降雨量、温度、土壤质地和植物木质素含量是影响土壤有机质分解的4个重要变量，CENTURY模型将这4个重要变量作为确定一个地点的特征值，从而使该模型能够应用于不同环境条件下。

CENTURY模型包括3个子模型，即植物产量子模型、土壤水分和温度子模型和土壤有机质子模型。其中，在土壤有机质子模型中，输入土壤的植物凋落物依据其木质素含量采用多分室建模理论将分为两个库，结构库和代谢库。植物残体中的木质素全部进入结构库，且植物残体中N含量与木质素的比值决定了植物残体在代谢库和结构库之间的分配。随着N含量与木质素的比值降低，进入结构库中的植物残体比例即增大[18]。CENTURY模型土壤有机质子模型的3个组分库分别为活性库、慢性库、惰性库[19]，其中，活性土壤有机质(active SOM)主要由活的微生物以及它的代谢产物组成，周转时间大概为1 a-5 a，时间较短；慢性土壤有机质 (slow SOM)包括难分解的土壤有机物质和土壤固定的微生物产物，周转时间受气候条件的影响而有所差异，比活性土壤有机质要长，为20 a-40 a；惰性土壤有机质 (passive SOM)是土壤中极难分解的部分，性质非常稳定，周转时间长达200 a-1 500 a，甚至长达几千年[20]。土壤管理方式的改变极易引起活性库和慢性库的变化，但是惰性库则变化不明显，因此活性库和慢性库被用作早期的土壤有机质增加或者减少的“指示灯”[21]。

目前CENTURY模型版本有窗口操作和DOS提示符两个模式，模型主要以月或者年为时间步长运行，土壤有机碳输出结果为gC·m-2。相对于其他土壤有机质模型，CENTURY模型的适用性更强，能够用于不同的环境条件下，而且CENTURY模型除土壤有机碳子模型外，还包含很多子模型例如植物生产子模型、N、S、P素子模型等，所以应用范围较广，但是其运行机理比较复杂，并且CENTURY模型缺少一些重要的历史数据，虽然也作出了一些合理的推断，一些参数需要通过其他因子计算而得，但一些不确定的影响是无法估计的，因此CENTURY模型在应用上最大的不足就是由一些不确定因素造成的模拟结果的不准确性。

2 CENTURY模型在国内外土壤有机碳研究中的应用

2.1 CENTURY模型的运行

2.1.1数据获取。CENTURY模型需要获取两方面的数据，即模型运行所需参数的获取和验证数据的获取。主要输入参数包括：月平均最高气温、月平均最低气温、月降雨量、作物木质素含量、作物氮磷硫等元素含量、土壤质地、土壤的氮输入以及初始土壤碳、氮、磷、硫的含量。CENTURY模型所需的气象数据一般来自于国家气象局数据中心及各地方气象局站点数据。土壤质地、土壤密度和土壤有机质含量数据来自于土壤资源和土壤资源调查成果及一些实验数据。每一个气象观测站的耕作、施肥(有机肥和化肥)、作物、收获等参数均参照研究地点的土地志和第2次土壤普查资料，其他相关数据来自于文献调研及历史资料。

2.1.2模型参数化。要正常运行模型，首先必须对模型进行参数初始化，假设土壤有机碳的积累处于自然状态，即不受人为因素的干扰，只受环境因素的影响(如气候、土壤等)，且从最初状态零开始积累，并最终达到或接近一个相对稳定的状态，也就是平衡的状态。

利用获取的数据参数运行模型，运行上千年后达到一个均衡状态，即生态系统碳的蓄积和排放量达到平衡时的状态，然后以均衡态模拟得到的结果作为一个初始条件，模拟实际气候条件下的生态系统碳动态，因此不必设定站点信息文件中的有机质初始值参数。输出变量为土壤有机碳各组分库的碳含量及总碳库含量。

2.1.3模型检验与分析。通过将模拟结果与实测数据进行比较分析，最终确定CENTURY模型在该地区的适用性。模拟结果与实测值进行回归分析后，若二者具有较好的吻合度，则CENTURY模型可以较好的模拟所研究地区土壤有机碳的动态。

2.2 CENTURY模型在国外土壤有机碳研究中的应用

自20世纪90年代,美国、欧洲、澳洲等国学者先后将Century模型应用于农业或林业生态系统[19]。巴西的Leite[20]等运用CENTURY模型模拟免耕及不同耕作方式下强淋溶土中的土壤有机质动态特征，结果表明，土壤仅在免耕条件下土壤有机碳含量会有增加的趋势，并且在酸性热带土壤中利用CENTURY模型模拟得到的慢性库和惰性库结果值与实际测量值一致，但活性库模拟结果与实测值有很大出入。Mikhailova等[10]在俄罗斯库尔斯克市的一个休耕了50 a的地块中做了研究，通过对这个地块中土壤有机碳含量的实测值与长期休耕模式CENTURY模型模拟的结果值进行比较，模拟结果较好。Kelly等[9]通过长时间的模拟实验，结果表明，CENTURY模型在草地生态系统和作物生态系统中应用最成功，模拟效果最好；CENTURY模型在生态系统研究中是一个非常实用的工具，尤其适用于有关生态系统土壤有机质动态方面的研究。Bortolon等[21]通过调整和验证CENTURY模型来估计巴西南部圣安娜地区受农业利用和土壤管理影响的土壤有机碳动态变化特征，从模拟结果得出土地利用和土壤管理的变化明显导致了土壤有机碳储量的变化，为今后进一步更好的进行土地管理打下基础。Fuentes等[22]在地中海半干旱农业生态系统中应用CENTURY模型对0～30 cm土层厚度在不同的耕作制度下的土壤有机碳进行模拟，模拟数据和实测数据的相关系数为0.85，拟合度较好，证明CENTURY模型在该地区的适用性。基于该模型研究了管理措施对该地区土壤有机碳动态的影响，结果表明减少耕作强度和强化耕作制度都是半干旱地中海条件下增加土壤有机碳固定的有效途径。

2.3 CENTURY模型在国内土壤有机碳研究中的应用

在我国，自20世纪90年代中期起就有学者运用CENTURY模型进行土壤有机碳的研究。同国外学者一样，我国学者最初也是把CENTURY模型应用在草原生态系统中。肖向明等[13]利用CENTURY模型对内蒙古锡林河流域典型草原初级生产力和有机质的动态进行模拟，模拟结果表明，研究区域的生物量季节动态和年际变化同野外实测值显著地吻合。高鲁鹏等[23]把CENTURY模型在东北黑土上进行尝试，对自然状态下的厚层黑土有机碳动态进行了模拟，结果表明，在自然状态下,黑土有机碳库经过长时间积累，趋向于稳定状态，模型模拟结果与已发表的实测结果比较接近。CENTURY模型是用来预测土壤有机碳趋势的重要模型，高崇升等运用该模型对不同农业经营模式下的黑土农田土壤有机碳变化进行了比较与预测，结果表明：CENTURY模型可以预测黑土农田土壤有机碳的演变，在移耕农业模式、有机农业模式、石油农业模式中，黑土土壤有机碳含量呈下降趋势，但在有机-无机结合农业模式中，下降趋势得到控制，土壤有机碳含量趋于平衡状态，为黑土区农业的发展提供进一步的指导作用[24]。许文强等以干旱区典型的三工河流域下部的人工绿洲为例,基于CENTURY模型,研究人工绿洲开发前后及农业管理模式变化对表层土壤有机碳库(0～20 cm)的影响，结果表明，研究区表层土壤有机碳总体呈“碳汇”趋势，尤其在研究区实施了免耕、秸秆粉碎还田、科学测土配方施肥等保护性耕作措施后，土壤固碳效应明显，完全不同于一些热带森林、中国北部温带半干旱草原及非洲Savanna半干旱稀树草原开垦为耕地后土壤有机碳大量损失的结论[25]。这些研究结果表明，CENTURY模型对我国不同地区的不同生态系统有较好的模拟效果。

3 CENTURY模型在土壤有机碳研究中的问题与展望

① CENTURY模型的运行需要大量的数据参数，有些参数的获取较为困难，并且长时间序列上观测资料的缺乏，势必对模拟结果的准确性造成影响。这就需要查找历史档案或者根据当地的居民提供相关的信息，并且必要时部分数据参数需要进行合理的推算，才能取得合适的参数，保证模型的顺利运行。

② 随着遥感、GIS等技术的发展，遥感技术能够提供大量的实时的地表动态信息，GIS技术具有强大的空间分析及二次开发等功能，将CENTURY模型与遥感、GIS技术进行耦合势必成为今后的一个发展趋势，为土壤有机碳研究提供更好的保障。在GIS数据库多种信息的支持下，将多分辨率、多时相的遥感数据集成，实现对陆地碳循环实时的动态监测[26]。

③ 目前国内外学者利用CENTURY模型对土壤有机碳做了大量的研究，但是多集中在小比例尺大范围的研究，中小尺度地域单元内的研究较少，由于大范围研究上所使用的数据并不是很具体，很精确，并不能一概代表许多小区域的数据，因此对具体区域的土壤有机碳研究并不具有代表性。区域性的数据有其特殊性，应该加强CENTURY模型在中小尺度范围内的应用，为土壤的管理提供决策依据。CENTURY模型的模拟结果可以用来进行土地评估，而且可以据此制定提高作物产量和土壤质量的政策。据此得出CENTURY模型有着广泛的应用前景，在土壤有机碳研究中应用会更加广泛和深入。

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