CENTURY模型在陆地生态系统的综合应用

杨利英 张成福 王雨晴 杨宇娜 贺帅 丁奋谦 王志东

摘要：指出了气候变化对陆地生态系统的影响是探究全球变化的核心内容。国内外学者广泛应用CEN-TURY模型强大的参数化功能，深入研究了不同地区不同陆地生态系统生产力和土壤有机碳等的动态变化，分析了气候变化对陆地生态系统的影响机制以及预测了未来的发展趋势。为此，总结了CENTURY模型近年来在全球陆地生态系统中的应用，以期为将来研究陆地生态系统，并制定合理的管理措施提供科学的理论依据。

关键词：气候变化;陆地生态系统;CENTURY模型

中图分类号：$162 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0009-04

1引言

自20世纪中叶以来，大气中CO2浓度的增加导致地球表面平均温度的升高。全球变暖正在扰乱自然循环，并导致局部和全球气候的长期变化，致使海洋变暖、冰块融化和蒸发增加，海平面上升，极端天气事件如洪水、干旱、飓风等频发及其它潜在环境影响。

土壤有机碳（SOC）是陆地碳库的重要组成部分，也是深入研究陆地生态系统营养元素循环的核心内容。在人类活动和气候变化驱动力下评价生态系统的碳收支，并预测未来SOC储量的变化趋势以评估土壤资源显得尤为重要。植被的净初级生产力（NPP）是全球气候变化研究的一个重要方向，也是显示生态系统功能的重要指标，为生态系统的科学管理提供了高度综合、定量的信息。

我国因特殊的地理位置，受气候变化影响很大，是极端天气灾害频发的国家。过去20多年来，国内外研发了很多研究生态系统的模型，但大都具有很强的局限性。CENTURY模型可以用来模拟并预测陆地生态系统的生产力和土壤有机碳的动态变化，在不同地区的应用中均取得了良好的结果。

2CENTURY模型概述

2.1模型简介

CENTURY模型由科罗拉多州立大学和美国农业部联合开发，是目前全球应用比较广泛的模拟陆地生态系统生物地球化学循环的模型，可用于综合评估人类活动和气候变化对陆地生态系统的影响。CENTURY模型主要的子模型有：土壤有机质子模型，水分收支、淋溶和土壤温度子模型，植物生长子模型等。模型的主要輸入变量包括：①月平均最高、最低气温;②月降水量;③植物体木质素含量;④植物的氮、磷和硫含量;⑤土壤参数主要包括pH值、土壤质地、土层厚度、土壤容重和土壤养分等;⑥大气和土壤氮素输入;⑦初始土壤碳、氮、磷和硫含量。模型以月或日为运行单位。CENTURY模型的运行环境由输出程序和两个辅助程序组成（图1）。Filel00程序帮助用户创建和更新CENTURY主程序使用的12个参数文件。Eventl00程序用来创建作物属性、农田管理和模拟期间发生的干扰事件相关参数的文件。

2.2模型的建立和验证

CENTURY模型的运行过程为：第一步将收集到的气象数据转换成模型所需的气象文件*.WTH，再使用FILEl00程序设定12个参数化文件中的参数;第二步运行EVENT100程序，设定作物管理和干扰事件，生成相应的系统文件;第三步为使用月平均最低、最高气温、月平均降水量驱动CENTURY模型，使其达到稳定状态，然后以稳定状态运行的参数作为模型的初始条件得到模拟结果;最后运行LISTl00程序得到可读的模拟结果。

CENTURY模型的验证方法有线性回归分析法、误差平方根值法及平均绝对百分比误差法，综合利用这

3种方法可以准确评价CENTURY模型的适用性。

3CENTURY模型在陆地生态系统的综合应用

3.1CENTURY模型在陆地生态系统土壤有机碳研究中的应用

自20世纪90年代开始，CENTURY模型被广泛应用于世界各地不同的陆地生态系统中，均得到了很好的模拟效果。Kirschbaum等利用CENTUYR模型进行了一系列森林凋落物分解和森林土壤氮矿化模拟试验。研究表明，CENTUYR模型可以成功地模拟各种类型凋落物的分解和养分的矿化过程。Hong等基于CENTURY模型研究了不同的采伐方式对中国北方森林生态系统碳储量和碳通量的影响。结果表明，NPP随着收获强度的增加或砍伐周期的缩短而降低，禁伐可以使森林生物量、凋落物和土壤碳储量显著提高，中国北方森林较加拿大、美国和俄罗斯的生产力和生物量高。Alvarez利用CENTURY模型对阿根廷潘培安地区SOC进行了估算，将模型预测值与观测值的差异视为种植对于土壤有机质的影响结果。结果发现，该地区土壤碳损失是由于农业种植造成的。Chiti等利用CENTURY模型对地中海和高山森林地区土壤有机碳状况和趋势进行模拟，结果发现在土地管理没有发生变化情况下，由于大气二氧化碳的施肥效应和生长季延长，两个地区土壤碳储量都会增加。研究表明CEN-TURY模型可以作为估计未来SOC变化的有效工具。Dimass使用CENTUYR模型评估了9个农作物管理情景对法国6个典型的长期定位试验站SOC储量的影响。研究结果表明，与其它因素相比，农作物管理对CENTURY模型预测结果的影响最大。Foe-reid等使用CENTURY模型准确地模拟了丹麦南部Askov农场气候长期变化条件下裸露休耕地SOC含量和土壤肥力，并将其应用于北欧农田生态系统管理中。

CENTURY模型在我国的应用是从20世纪90年代中期开始的，分别模拟和预测我国东北、华北、西北等地生态系统SOC的循环过程以及未来的变化趋势，均得到了很好的效果。高鲁鹏等利用CENTURY模型对东北地区典型区域黑土SOC及其组分的动态演变进行了模拟与预测，定量分析了不同的耕作方式对SOC的长期影响，为科学管理农田生态系统提供了理论依据。许文强等利用CENTURY模型对西北干旱区人工绿洲开发前后以及不同的农业耕作方式对O～20cm的土壤有机碳的动态影响。研究结果表明，西北干旱人工绿洲的土壤呈现“碳汇”增加的趋势，尤其在实施了保护性耕作方式下，碳汇作用更加明显。研究成果为制定干旱绿洲的保护措施提供了理论支撑。Gong等利用CENTURY模型研究了华北平原长期有机肥和无机肥的施用对冬小麦和夏玉米种植体系土壤有机碳组分的影响，以期获得最佳施肥管理措施。胡兴才等利用CENTURY模型对青海民和县和三雷镇大棚和露天两种种植设施的番茄生长进行了模拟，分析了采取不同设施下番茄生长的差异，探明了2种设施对番茄生育期地上生物量的影响机制。

3.2CENTURY模型在陆地生态系统生产力研究中的应用

自20世纪90年代，世界各国学者先后将CENTU-RY模型应用于草原、农田、森林以及稀树草原生态系统进行生产力的模拟验证和预测，以评估气候变化和人类活动对生态系统生产力的影响。Parton等利用世界各地具有代表性的草原的连续观测数据，对CETURY模型进行了验证，均取得了很好的模拟效果。Vallis等为了研究不同氮肥施用方式对SOC水平和甜菜生产力的长期影响，在昆士兰北部赫伯特河地区的两种土壤上进行了模拟并取得了很好的模拟效果。Mangan等利用CENTURY模型探讨了干旱、植物功能类型、火灾、放牧以及土壤侵蚀对半干旱气候环境下内布拉斯加州沙丘植被与沙丘稳定性的影响。结果表明，火灾和放牧对植被影响不大，但与轻度干旱相结合，会导致生物量下降。如果一种植物功能类型主导生态系统，则总生物量增加。Peng等利用CENTURY模型研究了加拿大中部的北方森林过渡带NPP对气候变化的响应，探讨了CO2、施肥和火烧对NPP变化的长期影响，发现汤普森（马尼托巴）地区和萨斯喀彻温省南部地区NPP的观测值与模拟值一致。模拟结果表明，气候变化将导致加拿大北方森林NPP增加。

CENTURY模型在国内不同陆地生态系统中生产力的研究也比较多，其目的是研究气候变化背景下各生态系统对人类不同管理措施的响应。CENTURY模型已应用于青藏高原、内蒙古草原、东北黑土区以及大兴安岭等地，均取得了很好的模拟效果。肖向明使用CENTURY模型分析并预测了气候变化条件下内蒙古锡林河流域草原的生产力动态演变过程。耿元波等利用CENTURY模型模拟了气候变化对高寒草甸草原的影响，取得了很好的效果。张存厚等利用内蒙古草原的代表站点草地生产力长期观测数据对CENTURY模型進行了模拟验证，分析了降水、气温、CO2等气象要素和放牧对内蒙古草原的影响机制，并重建了内蒙古草原公元1～2000年的生产力动态变化，综合、定量的评价了气候变化对内蒙古草原地上净初级生产力的影响。蒋延玲等利用CENTURY模型对我国森林生态系统生产力进行了模拟验证，评估了气候变化和火烧管理对森林生态系统的影响，为制定合理的森林管理措施提供了科学的理论依。综上可知，CENTURY模型在我国陆地生态系统具有很好的适用性。

3.3CENTURY模型与其他技术在陆地生态系统的应用

随着科技的发展，将生态系统模型与遥感、GIS技术结合正成为一个全新的研究趋势。为了提高草原管理水平，研究人类活动对草原生态系统的影响，Feng等将CENTUYE模型与MODIS反演数据相结合，提出了一个对内蒙古中部锡林郭勒草原放牧强度监测的框架，研究表明该方法能够对放牧活动对草原的影响进行大范围的监测。陈四清综合运用遥感、GIS技术和CENTURY模型动态模拟了锡林河流域草原碳循环过程并绘制了模拟图，形象地展示了土地利用变化、人类活动和气候变化对碳循环和碳汇功能的影响，使人们更加清楚并全面了解草地对全球碳循环的重要性。Bortolon等利用CENTURY模型和GIS对巴西南部大区域尺度下的碳排放和碳固定进行了研究。针对不同种植制度、土地耕作方式和植被类型，他们根据采样区域的实测数据对CENTURY模型进行了校正和检验。结果表明，CENTURY模型可以准确估计土地利用变化和土壤管理对SOC的演变及大气二氧化碳平衡的影响。李明明将CENTURY模型与GPS、GIS等技术结合使用，模拟并预测了黄土高原典型小流域不同土地利用方式下SOC和有机氮的动态变化及其影响因素。

4CENTURY模型存在的问题与展望

CENTURY模型参数多，要求大量实测数据。在模拟一个生态系统时，需要根据研究站点的地理信息和气象、土壤等记录数据对模型的许多参数进行校正，以保证模型的精度。建议CENTURY模型加入一个全球地理和气象数据库，使模型可方便地模拟全球各类生态系统气候变化条件下的NPP、碳循环和土壤碳储量。另外，针对不同的生态系统和气候条件，CENTURY模型可对每个参数提供一个有效的取值范围，这样可以有效缩短用户校正参数的过程，提高CENTURY模型使用便利性以及准确性，为陆地生态系统的模拟提供更好的保障。

CENTURY模型普遍用于单个点位的模拟。由于参数仅针对局地化的特点，导致模型应用于大区域时引起误差较大，不能满足用户研究大区域尺度的要求。将CENTURY模型与遥感和GIS相结合，利用其二次开发和多源数据处理的功能，为模型在大区域尺度的高精度模拟提供保障。

CENTURY模型的输出模式需要进一步改进。当前以月时间步长运行的CENTURY模型其模拟值的输出选项中只有以月、半年或年为时间单位的输出格式。当用户仅研究季度或整个生长季生态系统的动态变化时，截取所需月份模拟值的工作量大，因此对输出模式需要进一步改进。

CENTURY模型不仅应用范围广，而且模拟精度高。模型模拟并预测气候变化和人类活动对于草原、森林和农田等多种生态系统生产力、碳循环和碳储量取得了一系列卓有成效的研究成果。通过CENTURY模型与3s技术相结合，使模型能够精确评估变化条件对于区域生态系统的影响，为制定合理的陆地生态系统管理措施提供基础数据。