秦岭典型森林小流域溶解性有机碳通量及模拟研究

The global carbon cycle and its underlying mechanisms of biogeosciences are addressed by scientists of global climate change and earth sciences. Dissolved organic carbon(DOC), which can be transported by soil water and rivers as riverine DOC and finally reaches the ocean, plays an important role in carbon cycling of terrestrial and ocean ecosystems. Forest soils is one of main sources of riverine DOC. In this research program, we plan to perform an observation of DOC fluxes and related environmental factors in two forested watersheds of coniferous evergreen forest and broadleaf deciduous forest ecosystems in Qinling Mountains, aiming at illustrating of characteristics DOC fluxes of and its underlying mechanisms. Additionally, TRIPLEX-DOC, a new process-based model, is adopted to simulate and validate the observed DOC dynamics in forested watersheds based on combined experimental results in field and laboratory. The critical process of simulation of DOC dynamics and sensitive parameters for TRIPLEX-DOC were also discussed.The study will improve the current understanding of characteristics and factors controlling DOC export from forest ecosystems, and provide a scientific basis for exploring the key process of forest carbon cycling and the coupling mechanisms underlying carbon cycling in land-ocean continuum in future.

全球碳循环及其生物地球化学过程是地球科学和全球气候变化关注的热点问题之一。溶解性有机碳(DOC)是陆地生态系统有机碳库的活跃组分，随土壤水分迁移进入河流水体后以水平运输方式进入海洋，对全球碳循环过程具有重要的影响。森林土壤是水体DOC的重要来源之一。本项目以秦岭典型森林小流域为研究对象，重点对两个集水区(植被分别为常绿针叶林和落叶阔叶林)的DOC通量及其驱动因素进行观测，阐明秦岭典型森林小流域DOC通量的变化特征及驱动机制。基于野外观测和室内辅助实验，采用新一代生态机理模型TRIPLEX-DOC对观测结果进行模拟和验证，探究森林小流域DOC输出通量模拟的关键过程和敏感参数。本项目的实施可提高对森林生态系统DOC通量特征及驱动机制的认识，为进一步认识目前中国森林生态系统碳循环的关键过程和未来陆-海碳循环的耦合机制提供科学依据。

溶解性有机碳(DOC)的水平迁移是链接陆地生态系统和水体生态系统碳循环过程的枢纽。模拟DOC和土壤有机碳(SOC)变化是地球科学和全球气候变化关注的热点问题之一。森林生态系统作为陆地生态系统碳循环的重要成分，其溶解性DOC输出通量和动态特征还缺乏研究，尤其对于中国流域尺度DOC输出通量的模拟还处于空白状态。.本项目通过对秦岭典型森林小流域落叶松和锐齿栎树DOC通量进行观测，并利用野外观测数据和室内实验数据对新一代生态机理模型TRIPLEX-DOC进行改进。在此基础上利用TRIPLEX-DOC模拟了北江小流域DOC输出通量。本项目主要研究要点如下：.1. 通过2年的野外观测实验，发现水热条件是驱动秦岭地区森林土壤DOC浓度变化的主要因素。在相同气候条件下，植被类型对于DOC通量影响显著，落叶松DOC通量显著大于锐齿栎树DOC通量。.2. 森林土壤DOC浓度变化主要受SOC含量控制。对全球造林后土壤SOC变化进行分析，发现温度对SOC积累具有负效应，而土壤氮、磷、硫和它们之间的化学元素计量比显著影响SOC积累。寒带地区造林地SOC积累的相对速率最低，固氮类植物则显著提高土壤SOC积累速率。.3.对新一代生态机理模型TRIPLEX-DOC的SOC模块和DOC吸附模块进行改进。利用改进后的模型TRIPLEX-DOC针对中国5种典型森林（长白山针阔混交林、鼎湖山针阔常绿混交林、重庆杉木人工林、台湾宜兰地区杉木人工林和鸳鸯湖扁柏和）有机层和矿质层DOC浓度进行验证。结果表明，改进后的模型TRIPLEX-DOC对森林土壤不同层次DOC浓度的动态变化具有良好的模拟效果，尤其对于DOC输出通量的动态变化具有高度模拟效率(R2=0.97)。.4. 选取珠江流域内北江小流域为区域尺度的验证对象，结果表明不同植被类型下DOC输出通量差异很大，其中以针叶类树种输出DOC通量最大。北江小流域DOC淋失通量的模拟结果为1.66×103 kg C/hm2, 接近实际观测结果1.70×103 kg C/hm2。本研究改进了新一代过程机理模型TRIPLEX-DOC，实现了对流域尺度DOC输出通量进行成功模拟，加深了森林小流域不同林分DOC浓度和输出通量特征的认识。本研究改进的机理模型TRIPLEX-DOC可以作为进一步深入研究陆-海碳循环耦合机制的一种途径。