基于Biome-BGC模型的西雙版納橡膠林碳收支模擬

孫燕瓷,馬友鑫, 曹坤芳,沈金祥,張一平,梅岑岑,劉文俊

1 綜合保護中心,西雙版納熱帶植物園, 勐侖 666303 2 云南經濟管理學院, 昆明 650106 3 亞熱帶農業資源保護與利用國家重點實驗室,廣西大學林學院, 南寧 530004 4 云南國土資源職業學院, 昆明 652501 5 深圳市深港產學研環保工程技術股份有限公司, 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 綜合保護中心,西雙版納熱帶植物園, 勐侖 666303 2 云南經濟管理學院, 昆明 650106 3 亞熱帶農業資源保護與利用國家重點實驗室,廣西大學林學院, 南寧 530004 4 云南國土資源職業學院, 昆明 652501 5 深圳市深港產學研環保工程技術股份有限公司, 深圳 518057

以西雙版納橡膠適宜種植區(海拔550—600m)的橡膠林 (Heveabrasiliensis)為研究對象,應用參數同化后的Biome-BGC模型模擬了1959—2012年橡膠林的碳循環。結果表明,(1)與渦度相關監測結果相比,橡膠林年總初級生產力(Gross Primary Productivity,GPP)、年總呼吸(Total Respiration, Rt)的模擬精度分別為98.37%和90%。由于對年GPP的過低估計和對年Rt的過高估計,年凈生態系統交換量(Net Ecosystem Exchange, NEE)的模擬值比實測值低157.35 g C m-2a-1。但若考慮干膠碳(139 g C m-2a-1),模擬值與實測值十分接近；(2)橡膠林在模擬進行的前8年里因異養呼吸較高,以碳排放為主, NEE平均約357 g C m-2a-1；之后轉為以碳固定為主,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。以上結果為深入了解橡膠種植對區域碳循環的影響提供了科學依據,建議當地政府一方面要有計劃的對老膠林進行更新,以維持當前橡膠林生態系統中的碳平衡；另一方面要注重對熱帶雨林的保護,從而實現區域經濟和生態環境保護的協調發展。

橡膠林；凈生態系統交換量；Biome-BGC模型；西雙版納

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

自1975年以來,大氣累積CO2濃度增加了40%,21世紀末期及以后全球氣候系統變暖與累積CO2排放密切相關[1]。在熱帶地區,橡膠(Heveabrasiliensis)種植是影響區域碳循環的一個重要方面[2- 8],自《京都協議》簽訂生效以來,一個國家或地區的社會經濟發展與碳排放緊密相連,因此關于橡膠種植過程中碳收支的動態變化及其對區域碳循環的準確評估,已成為全球變化研究的熱點之一。

生理生態過程模型由于考慮了植物的生理生態特性,多將土壤—植被—大氣連續體(SPAC)作為一個系統,從植物的生理過程反映生態系統與大氣之間的物質和能量流動[9],因此被廣泛用于生態系統碳循環的研究中。比較典型的生理生態過程模型有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++語言編寫,易于編譯和理解,且源代碼開放,成為被廣泛使用的一種生理生態過程模型。該模型中設置了植物光合作用、呼吸作用、蒸騰作用及凋落物分解等主要生理生態過程的循環模式與計算方法[14],目前已被用于農作物生態系統[15]、人為干擾森林生態系統[16- 17]、濕地紅松生態系統[18]、草地生態系統[19]等的碳循環的模擬。利用Biome-BGC模型對熱帶人工經濟林生態系統碳循環的模擬尚不多見。

西雙版納地處熱帶北緣,受經濟利益和人口快速增長的共同驅動,自20世紀50年代以來橡膠種植業(特別是民營橡膠)迅猛發展,橡膠種植面積已超過了該區總面積的20%[20],導致該區約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]利用渦度監測技術指出,西雙版納一片33年生的橡膠林表現為碳匯。但目前還沒有關于其它林齡(或發展階段)橡膠林的研究結果,而這方面的數據是當前有效應對全球氣候變化和國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[25]的橡膠林為研究對象,利用Biome-BGC模型模擬1959—2012年橡膠林的碳循環,著重分析40年中橡膠林碳收支的時間變化規律及凈生態系統交換量(Net Ecosystem Exchange, NEE),以期為研究其它海拔橡膠林的碳收支及綜合評價橡膠種植對區域碳循環的影響提供科學依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

表1為5種參數化方案以及集合平均模擬的24 h、6 h和3 h累積降水的評估結果。對于24 h累積降水,距平相關系數和均方根誤差的值均變優。相對于最優的單方案結果,集成后的距平相關系數提高了2個百分點,均方根誤差降低了0.2 mm。從TS評分的結果可以看出,集成后對于中雨和暴雨的TS評分值改進較為明顯,優于最優的單方案,而小雨和大雨的TS值不如最優的單方案,但也僅次之。該結論與陳茂欽等(2012)對江淮和華南兩次暴雨過程進行多微物理方案的集成預報試驗的結論相一致,均得出多方案集成后結果較為優異且穩定的結論。

西雙版納(21°08′—22°36′N,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℃,最熱月出現在5—6月25.8℃,最冷月為1月16.5℃,年均日照時數為2152.9h。主要植被類型有熱帶季節雨林、熱帶山地雨林、熱帶季節性濕潤林、熱帶季雨林和熱帶山地常綠闊葉林[26]。境內地勢高差起伏較大,海拔475—2429 m,橡膠在各個海拔均有種植,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模型發展而來的,與Forest-BGC模型只適于針葉林生態系統碳氮水循環的模擬相比,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種植被類型的碳、氮、水的循環過程與交互影響。Biome-BGC模型用C語言編寫,可從美國蒙拿大大學森林學院陸地動態數值模擬團隊(Numerical Terradynamic Simulation Group, NTSG)的網站下載Biome-BGC4.2版。模型的設計遵循物質與能量守恒定律,即進入系統的物質和能量等于留在系統中的物質和能量加上離開系統的物質和能量[28],具體模擬原理參見White[14]。

1.2.2 Biome-BGC模型參數

Biome-BGC模型的輸入參數包括樣區參數、以日為步長的氣象資料和生態生理常數。本研究中橡膠林的樣區參數如緯度、海拔、反照率均來自中國科學院西雙版納熱帶森林生態系統研究站,其他參數來自文獻(表1)；1980—2012年的日氣象數據從中國科學院西雙版納熱帶森林生態系統研究站申請獲得,1980年以前的從國家氣象信息中心下載。日氣象數據的預處理方法為,先將潤年第366天的數據刪除[14],再用線性內插法對缺失值進行插補后,調入MT-CLIM程序生成Biome-BGC所需要的文件；經過多次試驗,生理生態參數用系統自帶的參數模擬效果最佳(表1)。

表1 橡膠林的Biome-BGC模型樣區參數和生理生態參數

DIM：Dimensionless; LAI: leaf area index;*數據來源于中國科學院西雙版納熱帶雨林生態系統研究站；Data came from Xishuangbanna Station for Tropical Rainforest Ecosystem Studies;**數據來源于White[14]

1.2.3 Biome-BGC模型同化

Biome-BGC模型的模擬分兩步實現,第一步是獲得模擬的初始狀態,第二步是正式運行模擬程序。初始狀態的獲得有兩種途徑,一是直接輸入長期定點觀察數據最初的觀測值,二是運行模型自帶的Spin-up程序。在Spin-up過程中,將模擬起點時的碳氮存量設為極低的值(葉片的碳存量為0.001 kg C/m2,其它庫的碳氮存量均為0 kg C/m2),反復模擬數千年,直到連續兩年土壤碳含量的差異小于0.0005 kg C/m2,默認系統達到穩定狀態[28],Spin-up過程結束[35]?？紤]到橡膠種植前對已有植被的清除性砍伐和燒山,若用達到穩定狀態時各個庫中的碳氮存量,會對橡膠林的固碳過程造成錯誤的估計。因此,參考Thornton等的方法[36],將莖的1%和粗根移入粗死木質殘體庫,隨后的燒山使粗死木質殘體庫損失50%,葉片、地上凋落物和細根全部被燒掉,橡膠種植使葉片存有10 g C/m2。氮肥是橡膠林生態系統中氮素的來源之一,平均每年約3.846 g N/m2[34]。

Biome-BGC模型首先進行物候計算。模型中規定,在北半球1月至7月為生長期,11月至次年1月初為落葉期。在完全落葉期內,系統的總初級生產力(GPP)為零[37]。盡管橡膠林在西雙版納出現1—2月集中落葉的現象,但落葉和長新葉幾乎同時發生,尤其在海拔550—600m的區域,橡膠林的日GPP和最低葉面積指數并未出現為零的情況[24,38]。綜合考慮,將橡膠林視為一種常綠闊葉林進行模擬更為合理。同時考慮霧水的影響,霧水對降水的貢獻為全年降水的1.1%[39]。

1.2.4 模型檢驗參數

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。模型檢驗參數為同一區域內33年生橡膠林的渦度相關監測數據,觀測鐵塔裝在中國科學院西雙版納熱帶森林生態系統研究站內單一橡膠林人工群落(21°56′N,101°15′E,海拔580 m)中[24],觀測時間為2010年7月—2011年6月。

1.2.5 數據處理與分析

統計分析用SPSS 16.0,模擬值與實測值的相關性采用線性回歸分析,差異顯著性水平設為а=0.05。用SigmaPlot 12.5軟件制作圖表。

2 結果與分析

2.1 模型檢驗

用Biome-BGC模型模擬了西雙版納1959—2012年橡膠林的碳循環,并從模擬結果中提取了與驗證參數相對應林齡橡膠林的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,以消除氣象數據年際間波動的影響。與原模型相比,同化后的Biome-BGC模型對橡膠林碳循環的模擬效果相對較好。日GPP模擬值與實測值的相關系數由0.58提高到0.66(表2),誤差源于對干季中期至雨季初期(1月中旬至次年5月)的模擬結果偏低,對雨季末期(9—10月)的模擬偏低(圖1)；模型同化后對日Rt的模擬效果最好,模擬值與實測值的相關性達0.92(表2),模擬值比實測值稍高(圖1)；受GPP模擬值偏低和Rt模擬值偏高的共同影響,模型同化后對日NEE(NEE為負值表示碳吸收,NEE為正值表示碳釋放)的模擬效果相對較差,模擬值與實測值的相關性僅0.39,模擬值低于實測值(表2,圖1)。從年積累量來看(表3),模型同化后年GPP的相對誤差由-21.76%降低至-1.62%,模擬值比實測值低41.61 g C m-2a-1,總體精度為98.37%；年Rt的相對誤差由-11.74%降低到9.04%,模擬值比實測值高205.82 g C m-2a-1,整體精度約90%；年NEE模擬值比實測值低157.35 g C m-2a-1,相對誤差為63.7%,這可能與Biome-BGC模型未能模擬干膠產量有關。33a林齡橡膠林的干膠碳儲量為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果與實測值十分接近。表明同化后的Biome-BGC模型可用于西雙版納橡膠林生態系統碳循環的模擬。

表2 橡膠林日GPP、Rt、NEE實測值與模擬值的相關性分析

Y：模擬值,simulated valued；X：實測值,measured valued

表3 橡膠林年GPP、Rt、NEE實測值與模擬值的誤差分析

MV：實測值,measured value；SV：模擬值,simulated value；RD: 相對差異,relative difference；RE：相對誤差；relative error

圖1 Biome-BGC同化后模擬的橡膠林日GPP(a)、Rt(b)和NEE(c)與實測值比較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 霧水對橡膠林碳循環模擬的影響

氣孔是植物水氣傳輸的重要門戶,它與植物的光合作用、呼吸作用等重要生理生態過程密切相關。在Biome-BGC模型中,植物可利用水分的多少直接影響氣孔導度。在西雙版納地區,橡膠林中有長達188d的霧日,霧日橡膠林冠層對霧水的截留量占全年降水量的1.1%,極大的彌補了干季降雨量的不足[39]。為了摸清霧水對橡膠林碳循環的影響,本研究模擬了降水中不加入霧水和加入霧水兩種情況。結果表明,在降水中加入霧水后,GPP和Rt同時增加,NEE沒有明顯的變化(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,表明霧水對橡膠林碳收支的模擬具有促進作用,在后續分析中均使用降水中加入霧水的模擬結果。

圖2 霧水對橡膠林年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,橡膠林自養呼吸隨模擬年限的增加而逐漸增加,在模擬進行5a時自養呼吸即由最初的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。異養呼吸的變化規律與自養呼吸正好相反,在模擬的前4a里較高,平均約1 276 g C m-2a-1。4a后異養呼吸迅速降低并在第10年左右達到穩定狀態,平均約496 g C m-2a-1,為前4a的2/5。橡膠林總呼吸隨時間的變化與自養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、異養呼吸(Rh)、自養呼吸(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,之后達到穩定狀態,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在模擬進行的前8年里平均357 g C m-2a-1,且絕大多數年份大于0,表明該時期橡膠林以碳排放為主(共釋放碳2855 g C/m2)；8年以后除極少數年份外,NEE均小于0,平均約-146g C m-2a-1,表現為碳匯。由前面的分析可知,年NEE模擬值比觀測值低63.7%,若將年NEE模擬值增加63.7%,橡膠林仍然是在模擬進行8a左右才由碳源轉為碳匯(圖4)。由此我們可以初步判斷,橡膠種植的前8a里為碳源,8a以后由碳源轉為碳匯。若以40a為橡膠林的最佳固碳周期[23],在適宜種植區橡膠林一生中可固定碳1835 g C/m2,表現為碳匯。

通過對呼吸作用(Ra和Rh)和固碳作用(GPP、NPP)的綜合分析發現,橡膠林在模擬初期之所以表現為碳源,主要是由較高的異養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

本研究根據橡膠種植的實際情況,考慮了橡膠種植對已有植被的清除性砍伐和燒山行為、施肥等因素,對模型進行了參數同化,同化后的Biome-BGC對橡膠林碳收支的模擬效果獲得了較大的改善。對年GPP的模擬精度由78.34%提高到98.37%,模擬值與實測值的相關性為0.66。從GPP的日變化來看,對日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,即橡膠林在干季轉向深層土壤吸收[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2米以下[41]。同時,雨季來臨第一次降雨過后,橡膠樹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發芽。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-大氣系統中水氣交換的唯一門戶,土壤水勢直接影響氣孔導度。因此,當根系吸水深度被固定為1米時,在雨季模型極可能高估了橡膠林對深層土壤水的利用率,從而對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行,對GPP的模擬偏低。此外,在土壤含水量較低的情況下,模型中土壤水勢對水分的響應是突變型的,而實際上土壤水的滲透有一定的過程,即滯后性。Hidy等[19]利用Biome-BGC模型模擬草地生態系統的碳收支時,也發現了這一問題,對模型進行了改進,并取得了較好的模擬效果,但Hidy等人并未將改進后的源代碼公開,今后的工作中我們將會在這方面做出更多的努力。

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

水分是影響Biome-BGC模型模擬結果的一個重要方面,鑒于西雙版納具有長達188 d的霧日和霧水對降水的貢獻[39],在模擬橡膠林的碳循環時還考慮了霧水的作用。分析發現,雖然霧水對NEE沒有明顯的影響,但卻有效減少了NEE年際間的異常值,使橡膠林在模擬8a后即表現為相對穩定的碳匯。表明霧水對橡膠林碳循環的模擬具有一定的促進作用,但不是主要影響因子。

由NEE的變化規律可知,橡膠林在模擬的前8a因異養呼吸過高以碳排放為主,表現為碳源；8a后異養呼吸逐漸降低,至第9年達到相對穩定的狀態,平均為500 g C m-2a-1,橡膠林由碳源轉為相對穩定的碳匯。這一結果與Amiro等[44]對受干擾的林齡系列的研究結論基本相符,其主要結論有：1)在演替初期由于光合作用弱于呼吸作用,生態系統表現為碳源；2)從干擾期開始至干擾后10a左右,生態系統即可恢復為碳匯,之后碳匯維持不變；3)干擾系列由碳源到碳匯的轉變是由異養呼吸與光合作用的相對變化引起。這進一步證明同化后的Biome-BGC模型適宜于橡膠林碳收支的模擬。若以40a更新周期計算,在橡膠適宜種植區橡膠林一生中可固定碳1 835 g C/m2,是一個弱的碳匯。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生命周期中都表現為碳源。

4 結論

在橡膠適宜種植區,橡膠林在種植初期的前8a里以碳排放為主,主要由異養呼吸過高引起,8年以后轉為相對穩定的碳匯；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,是一個弱的碳匯。但與熱帶雨林相比,極可能在整個生命周期中都表現為碳匯。因此在橡膠種植過程中,一是要對老膠林進行有計劃的更新,務必考慮橡膠林的林齡結構,盡量避免盲目更新破壞橡膠林生態系統現有的碳平衡；二是必須重視對熱帶雨林的保護,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區域性碳收支的影響,實現經濟和生態環境保護的協調發展。

致謝：感謝中國科學院西雙版納熱帶森林生態系統研究站,及中國科學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科學院南京土壤研究所的遞超普等對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

中國科學院戰略性先導科技專項(XDA05050206)

2016- 06- 08; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 22

10.5846/stxb201606081104

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

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