基于Biome-BGC模型的西双版纳橡胶林碳收支模拟

2017-10-13孙燕瓷马友鑫曹坤芳沈金祥张一平梅岑岑刘文俊

生态学报 2017年17期

孙燕瓷,马友鑫, 曹坤芳,沈金祥,张一平,梅岑岑,刘文俊

1 综合保护中心,西双版纳热带植物园, 勐仑 666303 2 云南经济管理学院, 昆明 650106 3 亚热带农业资源保护与利用国家重点实验室,广西大学林学院, 南宁 530004 4 云南国土资源职业学院, 昆明 652501 5 深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司, 深圳 518057

孙燕瓷2,马友鑫1,*, 曹坤芳3,沈金祥4,张一平1,梅岑岑5,刘文俊1

以西双版纳橡胶适宜种植区(海拔550—600m)的橡胶林 (Heveabrasiliensis)为研究对象,应用参数同化后的Biome-BGC模型模拟了1959—2012年橡胶林的碳循环。结果表明,(1)与涡度相关监测结果相比,橡胶林年总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)、年总呼吸(Total Respiration, Rt)的模拟精度分别为98.37%和90%。由于对年GPP的过低估计和对年Rt的过高估计,年净生态系统交换量(Net Ecosystem Exchange, NEE)的模拟值比实测值低157.35 g C m-2a-1。但若考虑干胶碳(139 g C m-2a-1),模拟值与实测值十分接近；(2)橡胶林在模拟进行的前8年里因异养呼吸较高,以碳排放为主, NEE平均约357 g C m-2a-1；之后转为以碳固定为主,NEE平均约-146 g C m-2a-1；(3)橡胶林在40年的更新周期中可固定碳1835 g C m-2,是一个弱的碳汇。但与热带雨林相同周期固碳6720 g C m-2相比,仍为碳源。以上结果为深入了解橡胶种植对区域碳循环的影响提供了科学依据,建议当地政府一方面要有计划的对老胶林进行更新,以维持当前橡胶林生态系统中的碳平衡；另一方面要注重对热带雨林的保护,从而实现区域经济和生态环境保护的协调发展。

橡胶林；净生态系统交换量；Biome-BGC模型；西双版纳

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

自1975年以来,大气累积CO2浓度增加了40%,21世纪末期及以后全球气候系统变暖与累积CO2排放密切相关[1]。在热带地区,橡胶(Heveabrasiliensis)种植是影响区域碳循环的一个重要方面[2- 8],自《京都协议》签订生效以来,一个国家或地区的社会经济发展与碳排放紧密相连,因此关于橡胶种植过程中碳收支的动态变化及其对区域碳循环的准确评估,已成为全球变化研究的热点之一。

生理生态过程模型由于考虑了植物的生理生态特性,多将土壤—植被—大气连续体(SPAC)作为一个系统,从植物的生理过程反映生态系统与大气之间的物质和能量流动[9],因此被广泛用于生态系统碳循环的研究中。比较典型的生理生态过程模型有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++语言编写,易于编译和理解,且源代码开放,成为被广泛使用的一种生理生态过程模型。该模型中设置了植物光合作用、呼吸作用、蒸腾作用及凋落物分解等主要生理生态过程的循环模式与计算方法[14],目前已被用于农作物生态系统[15]、人为干扰森林生态系统[16- 17]、湿地红松生态系统[18]、草地生态系统[19]等的碳循环的模拟。利用Biome-BGC模型对热带人工经济林生态系统碳循环的模拟尚不多见。

西双版纳地处热带北缘,受经济利益和人口快速增长的共同驱动,自20世纪50年代以来橡胶种植业(特别是民营橡胶)迅猛发展,橡胶种植面积已超过了该区总面积的20%[20],导致该区约139567hm2的热带雨林[21]和364116hm2的热带自然林[22]消失,极大地改变了区域的碳收支格局[3]。橡胶林的最佳固碳周期是40年[23],Song[24]利用涡度监测技术指出,西双版纳一片33年生的橡胶林表现为碳汇。但目前还没有关于其它林龄(或发展阶段)橡胶林的研究结果,而这方面的数据是当前有效应对全球气候变化和国际气候谈判所迫切需要的。

本研究以西双版纳海拔550—600m橡胶适宜种植区[25]的橡胶林为研究对象,利用Biome-BGC模型模拟1959—2012年橡胶林的碳循环,着重分析40年中橡胶林碳收支的时间变化规律及净生态系统交换量(Net Ecosystem Exchange, NEE),以期为研究其它海拔橡胶林的碳收支及综合评价橡胶种植对区域碳循环的影响提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

表1为5种参数化方案以及集合平均模拟的24 h、6 h和3 h累积降水的评估结果。对于24 h累积降水,距平相关系数和均方根误差的值均变优。相对于最优的单方案结果,集成后的距平相关系数提高了2个百分点,均方根误差降低了0.2 mm。从TS评分的结果可以看出,集成后对于中雨和暴雨的TS评分值改进较为明显,优于最优的单方案,而小雨和大雨的TS值不如最优的单方案,但也仅次之。该结论与陈茂钦等(2012)对江淮和华南两次暴雨过程进行多微物理方案的集成预报试验的结论相一致,均得出多方案集成后结果较为优异且稳定的结论。

西双版纳(21°08′—22°36′N,99°56′—101°50′E)位于云南省南端,与缅甸、老挝接壤,拥有土地总面积19120 km2。属热带北缘季风气候,年降雨量为1162.1mm,其中约85%的降雨集中在雨季(5—10月)；干季降水较少(11月至次年4月),但有雾,有雾日占70—80%,一般在22:30开始起雾,直到第二天11:00才逐渐消散。年均温为22.3℃,最热月出现在5—6月25.8℃,最冷月为1月16.5℃,年均日照时数为2152.9h。主要植被类型有热带季节雨林、热带山地雨林、热带季节性湿润林、热带季雨林和热带山地常绿阔叶林[26]。境内地势高差起伏较大,海拔475—2429 m,橡胶在各个海拔均有种植,目前已突破种植上限1200m[3,21],至2014年橡胶种植面积达35.29×104hm2[27]。

1.2 研究方法

1.2.1 Biome-BGC模型描述

Biome-BGC模型是从第一代的Forest-BGC模型发展而来的,与Forest-BGC模型只适于针叶林生态系统碳氮水循环的模拟相比,Biome-BGC模型更具有普适性,可模拟常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、C3草本植物、C4草本植物和灌木林共7种植被类型的碳、氮、水的循环过程与交互影响。Biome-BGC模型用C语言编写,可从美国蒙拿大大学森林学院陆地动态数值模拟团队(Numerical Terradynamic Simulation Group, NTSG)的网站下载Biome-BGC4.2版。模型的设计遵循物质与能量守恒定律,即进入系统的物质和能量等于留在系统中的物质和能量加上离开系统的物质和能量[28],具体模拟原理参见White[14]。

1.2.2 Biome-BGC模型参数

Biome-BGC模型的输入参数包括样区参数、以日为步长的气象资料和生态生理常数。本研究中橡胶林的样区参数如纬度、海拔、反照率均来自中国科学院西双版纳热带森林生态系统研究站,其他参数来自文献(表1)；1980—2012年的日气象数据从中国科学院西双版纳热带森林生态系统研究站申请获得,1980年以前的从国家气象信息中心下载。日气象数据的预处理方法为,先将润年第366天的数据删除[14],再用线性内插法对缺失值进行插补后,调入MT-CLIM程序生成Biome-BGC所需要的文件；经过多次试验,生理生态参数用系统自带的参数模拟效果最佳(表1)。

表1 橡胶林的Biome-BGC模型样区参数和生理生态参数

DIM：Dimensionless; LAI: leaf area index;*数据来源于中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站；Data came from Xishuangbanna Station for Tropical Rainforest Ecosystem Studies;**数据来源于White[14]

1.2.3 Biome-BGC模型同化

Biome-BGC模型的模拟分两步实现,第一步是获得模拟的初始状态,第二步是正式运行模拟程序。初始状态的获得有两种途径,一是直接输入长期定点观察数据最初的观测值,二是运行模型自带的Spin-up程序。在Spin-up过程中,将模拟起点时的碳氮存量设为极低的值(叶片的碳存量为0.001 kg C/m2,其它库的碳氮存量均为0 kg C/m2),反复模拟数千年,直到连续两年土壤碳含量的差异小于0.0005 kg C/m2,默认系统达到稳定状态[28],Spin-up过程结束[35]。考虑到橡胶种植前对已有植被的清除性砍伐和烧山,若用达到稳定状态时各个库中的碳氮存量,会对橡胶林的固碳过程造成错误的估计。因此,参考Thornton等的方法[36],将茎的1%和粗根移入粗死木质残体库,随后的烧山使粗死木质残体库损失50%,叶片、地上凋落物和细根全部被烧掉,橡胶种植使叶片存有10 g C/m2。氮肥是橡胶林生态系统中氮素的来源之一,平均每年约3.846 g N/m2[34]。

Biome-BGC模型首先进行物候计算。模型中规定,在北半球1月至7月为生长期,11月至次年1月初为落叶期。在完全落叶期内,系统的总初级生产力(GPP)为零[37]。尽管橡胶林在西双版纳出现1—2月集中落叶的现象,但落叶和长新叶几乎同时发生,尤其在海拔550—600m的区域,橡胶林的日GPP和最低叶面积指数并未出现为零的情况[24,38]。综合考虑,将橡胶林视为一种常绿阔叶林进行模拟更为合理。同时考虑雾水的影响,雾水对降水的贡献为全年降水的1.1%[39]。

1.2.4 模型检验参数

本研究模拟了西双版纳海拔550—600m的橡胶林1959—2012年的碳循环。模型检验参数为同一区域内33年生橡胶林的涡度相关监测数据,观测铁塔装在中国科学院西双版纳热带森林生态系统研究站内单一橡胶林人工群落(21°56′N,101°15′E,海拔580 m)中[24],观测时间为2010年7月—2011年6月。

1.2.5 数据处理与分析

统计分析用SPSS 16.0,模拟值与实测值的相关性采用线性回归分析,差异显著性水平设为а=0.05。用SigmaPlot 12.5软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 模型检验

用Biome-BGC模型模拟了西双版纳1959—2012年橡胶林的碳循环,并从模拟结果中提取了与验证参数相对应林龄橡胶林的GPP、总呼吸(Rt)和NEE,然后参照Hidy[19]的方法,从提取年份至2011年逐年求平均,以消除气象数据年际间波动的影响。与原模型相比,同化后的Biome-BGC模型对橡胶林碳循环的模拟效果相对较好。日GPP模拟值与实测值的相关系数由0.58提高到0.66(表2),误差源于对干季中期至雨季初期(1月中旬至次年5月)的模拟结果偏低,对雨季末期(9—10月)的模拟偏低(图1)；模型同化后对日Rt的模拟效果最好,模拟值与实测值的相关性达0.92(表2),模拟值比实测值稍高(图1)；受GPP模拟值偏低和Rt模拟值偏高的共同影响,模型同化后对日NEE(NEE为负值表示碳吸收,NEE为正值表示碳释放)的模拟效果相对较差,模拟值与实测值的相关性仅0.39,模拟值低于实测值(表2,图1)。从年积累量来看(表3),模型同化后年GPP的相对误差由-21.76%降低至-1.62%,模拟值比实测值低41.61 g C m-2a-1,总体精度为98.37%；年Rt的相对误差由-11.74%降低到9.04%,模拟值比实测值高205.82 g C m-2a-1,整体精度约90%；年NEE模拟值比实测值低157.35 g C m-2a-1,相对误差为63.7%,这可能与Biome-BGC模型未能模拟干胶产量有关。33a林龄橡胶林的干胶碳储量为139 g C m-2a-1[40],因此若考虑干胶固碳量,模型同化后的模拟结果与实测值十分接近。表明同化后的Biome-BGC模型可用于西双版纳橡胶林生态系统碳循环的模拟。

表2 橡胶林日GPP、Rt、NEE实测值与模拟值的相关性分析

Y：模拟值,simulated valued；X：实测值,measured valued

表3 橡胶林年GPP、Rt、NEE实测值与模拟值的误差分析

MV：实测值,measured value；SV：模拟值,simulated value；RD: 相对差异,relative difference；RE：相对误差；relative error

图1 Biome-BGC同化后模拟的橡胶林日GPP(a)、Rt(b)和NEE(c)与实测值比较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 雾水对橡胶林碳循环模拟的影响

气孔是植物水气传输的重要门户,它与植物的光合作用、呼吸作用等重要生理生态过程密切相关。在Biome-BGC模型中,植物可利用水分的多少直接影响气孔导度。在西双版纳地区,橡胶林中有长达188d的雾日,雾日橡胶林冠层对雾水的截留量占全年降水量的1.1%,极大的弥补了干季降雨量的不足[39]。为了摸清雾水对橡胶林碳循环的影响,本研究模拟了降水中不加入雾水和加入雾水两种情况。结果表明,在降水中加入雾水后,GPP和Rt同时增加,NEE没有明显的变化(图2)。但在降水中加入雾水后,NEE异常值大为减少,NEE在1969年以后即保持以碳吸收为主,表明雾水对橡胶林碳收支的模拟具有促进作用,在后续分析中均使用降水中加入雾水的模拟结果。

图2 雾水对橡胶林年GPP、Rt和NEE的影响分析Fig.2 The effects of fog on annual GPP,Rt and NEE in rubber plantation

2.3 橡胶林碳收支的模拟

从图3可以看出,橡胶林自养呼吸随模拟年限的增加而逐渐增加,在模拟进行5a时自养呼吸即由最初的32 g C m-2a-1增加到2 108 g C m-2a-1,之后维持在2 100—2 600 g C m-2a-1之间。异养呼吸的变化规律与自养呼吸正好相反,在模拟的前4a里较高,平均约1 276 g C m-2a-1。4a后异养呼吸迅速降低并在第10年左右达到稳定状态,平均约496 g C m-2a-1,为前4a的2/5。橡胶林总呼吸随时间的变化与自养呼吸的变化基本一致,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后总呼吸保持在2 776 g C m-2a-1左右。

图3 1959—2012年橡胶林年Rt、异养呼吸(Rh)、自养呼吸(Ra)的模拟Fig.3 Simulation of annual Rt, heterotrophic respiration (Rh), autotrophic respiration (Ra) in rubber plantations during 1959—2012

橡胶林年GPP和年NPP均在模拟第3—4年快速增加,之后达到稳定状态,分别保持在-266—-970 g C m-2a-1和-2413—-3226 g C m-2a-1之间(图4)。年NEE在模拟进行的前8年里平均357 g C m-2a-1,且绝大多数年份大于0,表明该时期橡胶林以碳排放为主(共释放碳2855 g C/m2)；8年以后除极少数年份外,NEE均小于0,平均约-146g C m-2a-1,表现为碳汇。由前面的分析可知,年NEE模拟值比观测值低63.7%,若将年NEE模拟值增加63.7%,橡胶林仍然是在模拟进行8a左右才由碳源转为碳汇(图4)。由此我们可以初步判断,橡胶种植的前8a里为碳源,8a以后由碳源转为碳汇。若以40a为橡胶林的最佳固碳周期[23],在适宜种植区橡胶林一生中可固定碳1835 g C/m2,表现为碳汇。

通过对呼吸作用(Ra和Rh)和固碳作用(GPP、NPP)的综合分析发现,橡胶林在模拟初期之所以表现为碳源,主要是由较高的异养呼吸和较弱的固碳能力(GPP、NPP均较低)引起。

图4 1959—2012年橡胶林年NEE、GPP和NPP的模拟Fig.4 Simulation of annual NEE, GPP and NPP in rubber plantations during 1959—2012

3 讨论

本研究根据橡胶种植的实际情况,考虑了橡胶种植对已有植被的清除性砍伐和烧山行为、施肥等因素,对模型进行了参数同化,同化后的Biome-BGC对橡胶林碳收支的模拟效果获得了较大的改善。对年GPP的模拟精度由78.34%提高到98.37%,模拟值与实测值的相关性为0.66。从GPP的日变化来看,对日GPP的模拟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。这可能与橡胶林自身的水分利用策略有关,即橡胶林在干季转向深层土壤吸收[41- 42]。在雨季,橡胶林主要利用表层0—30 cm土壤中的水分,对70 cm以下土层中的水分利用极少[43]；而在干季后期,因70 cm以上土层的水分被大量消耗,橡胶林向深层土壤吸水深度可达2米以下[41]。同时,雨季来临第一次降雨过后,橡胶树就能迅速的吸收表层土壤中的水分,使得橡胶林能在干季生长发芽。但在Biome-BGC模型中,一方面植物有效吸水根系深度固定为一层；另一方面气孔是植物-土壤-大气系统中水气交换的唯一门户,土壤水势直接影响气孔导度。因此,当根系吸水深度被固定为1米时,在雨季模型极可能高估了橡胶林对深层土壤水的利用率,从而对GPP造成高估；在干季则相反,模型中低估了深层土壤中可利用水分的量并限制了光合作用的进行,对GPP的模拟偏低。此外,在土壤含水量较低的情况下,模型中土壤水势对水分的响应是突变型的,而实际上土壤水的渗透有一定的过程,即滞后性。Hidy等[19]利用Biome-BGC模型模拟草地生态系统的碳收支时,也发现了这一问题,对模型进行了改进,并取得了较好的模拟效果,但Hidy等人并未将改进后的源代码公开,今后的工作中我们将会在这方面做出更多的努力。

模型同化后对Rt的模拟效果较好,模拟值与涡度相关监测值的相关性达0.91,总体模拟精度为91%。但由于对GPP的模拟结果偏低和对Rt的模拟结果偏高,导致模型对NEE的模拟误差较大,模拟值比实测值低157.35 g C m-2a-1,相对误差为63.7%。NEE模拟值偏低可能源于模型未能模拟干胶产量,若考虑干胶产量(33年生橡胶林约139 g C m-2a-1)[40]的影响, NEE模拟值与实测值十分接近,表明同化后的模型可以用来进行橡胶林碳收支的模拟。

水分是影响Biome-BGC模型模拟结果的一个重要方面,鉴于西双版纳具有长达188 d的雾日和雾水对降水的贡献[39],在模拟橡胶林的碳循环时还考虑了雾水的作用。分析发现,虽然雾水对NEE没有明显的影响,但却有效减少了NEE年际间的异常值,使橡胶林在模拟8a后即表现为相对稳定的碳汇。表明雾水对橡胶林碳循环的模拟具有一定的促进作用,但不是主要影响因子。

由NEE的变化规律可知,橡胶林在模拟的前8a因异养呼吸过高以碳排放为主,表现为碳源；8a后异养呼吸逐渐降低,至第9年达到相对稳定的状态,平均为500 g C m-2a-1,橡胶林由碳源转为相对稳定的碳汇。这一结果与Amiro等[44]对受干扰的林龄系列的研究结论基本相符,其主要结论有：1)在演替初期由于光合作用弱于呼吸作用,生态系统表现为碳源；2)从干扰期开始至干扰后10a左右,生态系统即可恢复为碳汇,之后碳汇维持不变；3)干扰系列由碳源到碳汇的转变是由异养呼吸与光合作用的相对变化引起。这进一步证明同化后的Biome-BGC模型适宜于橡胶林碳收支的模拟。若以40a更新周期计算,在橡胶适宜种植区橡胶林一生中可固定碳1 835 g C/m2,是一个弱的碳汇。但与西双版纳热带雨林相同周期固碳6 720 g C/m2相比[45],建立于热带雨林上的橡胶林在整个生命周期中都表现为碳源。

4 结论

在橡胶适宜种植区,橡胶林在种植初期的前8a里以碳排放为主,主要由异养呼吸过高引起,8年以后转为相对稳定的碳汇；若以40a为橡胶林的最佳固碳周期,橡胶林一生中可固定碳1835 g C/m2,是一个弱的碳汇。但与热带雨林相比,极可能在整个生命周期中都表现为碳汇。因此在橡胶种植过程中,一是要对老胶林进行有计划的更新,务必考虑橡胶林的林龄结构,尽量避免盲目更新破坏橡胶林生态系统现有的碳平衡；二是必须重视对热带雨林的保护,不宜再破坏热带雨林建立新的橡胶林。从而最大限度的降低橡胶种植对区域性碳收支的影响,实现经济和生态环境保护的协调发展。

致谢：感谢中国科学院西双版纳热带森林生态系统研究站,及中国科学院西双版纳热带植物园唐建维研究员、沙丽清研究员、范泽鑫副研究员、宋清海副研究员和中国科学院南京土壤研究所的递超普等对本工作所给予的大力支持。

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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

中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050206)

2016- 06- 08; < class="emphasis_bold">网络出版日期

日期:2017- 04- 22

10.5846/stxb201606081104

*通讯作者Corresponding author.E-mail: may@xtbg.ac.cn

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