水田土壤有机碳演变模拟的尺度效应研究

利用动态模型来预测土壤有机碳演变现已成为全球变化研究的热点。但目前对于使用不同制图尺度土壤数据库对有机碳模型模拟精度的影响还不清楚；在模型未来气候变化情景分析方面，也并没有考虑不同制图尺度土壤数据库所造成的模拟结果差异，这有可能导致制定的管理措施并不符合当地的实际情况。因此，本研究以著名的国外DNDC模型和我国Agro-C模型为例，选择基本上为水稻土的太湖流域作为研究区，模拟该地区1:1400万、1:400万、1:100万、1:50万、1:20万和1:5万6种尺度下1982-2000年的有机碳演变和2002-2020年IPCC规定的多种气候变化情景分析，并分别用2000年1000多个实测点数据和目前区域尺度最详细的1:5万土壤数据库模拟值进行验证，尝试从区域角度验证并评价模型适宜性，以便为我国水田土壤有机碳演变和情景分析中选择适宜的模拟尺度以及不同尺度模拟结果的高精度转换提供理论依据。

目前对于不同制图尺度土壤数据库对有机碳模拟的影响不清楚，导致模拟结果有很大的不确定性。因此，本研究以DNDC 模型和230多万hm2太湖地区水稻土为例，探讨了制图尺度对有机碳模拟的影响和各制图尺度下模型的适宜性。结果表明：在数据最详细的1:5万尺度下太湖地区水稻土1982~2000年固定土壤有机碳1.48 Tg；但在1:20万、1:50万、1:100万、1:400万和1:1400万尺度下分别亏损有机碳：0.78 Tg、2.86 Tg、2.33 Tg、0.44 Tg和7.86 Tg。从1000多个实测点有机碳模型区域验证和最佳适宜模拟尺度来看，1:20万、1:50万和1:400万3个尺度下相对误差都≤±5%，达到了模拟结果很准确的标准，1:5万和1:100万尺度下也达到了模拟结果可行的标准；而1:1400万尺度的模拟值和实测值的相对误差为20.0%，模拟结果不可靠；综合考虑工作量和模拟精度的前提下1982-2000年动态演变的最佳模拟尺度是1:50万。从不同情境分析来看，1:20万是大多数情境分析处理下最适宜的模拟尺度，但在免耕情景下最适宜的模拟尺度为1:50万，氮肥、氮沉降和CO2浓度处理情景下为1:20万和1:400万，有机肥增加3倍、秸秆还田50%和90%情景下尺度效应不明显；各情景分析处理受制图尺度影响大小排序为：秸秆还田10%＞温度升高4℃＞施用氮肥0.5倍＞温度升高2℃＞降雨增加20%＞氮沉降增加0.5倍＞烤田2次＞不烤田＞常规管理＞氮沉降增加1.0倍＞氮沉降增加2.0倍＞CO2正常增加＞CO2增加0.5倍＞CO2增加1.0倍＞降雨减少20%＞CO2增加2.0倍＞免耕＞施用氮肥1.5倍＞有机肥增加2倍＞有机肥增加1倍＞不施氮肥＞有机肥增加3倍＞秸秆还田50%＞秸秆还田90%。在土壤图“图斑”单元法下《中国土种志》、《省级土种志》、《地级市土种志》和《县级土种志》4种土壤数据源的适宜模拟尺度分别为：1:20万、1:20万、1:400万、1:20万或1:50万；而在DNDC模型常用的“县级”单元法下《中国土种志》、《省级土种志》、《地级市土种志》和《县级土种志》4种土壤数据源的适宜模拟尺度分别为：1:20万、1:20万、1:400万、1:400万。研究结果可为我国水田土壤有机碳模拟中选择适宜的模拟尺度和不同尺度模拟结果的高精度转换提供参考依据。