基于土壤微生物碳-氮循环的陆地生态系统模型耦合及其应用研究

Carbon and nitrogen cycle in terrestrial soil is an important part of global change research. The interaction between terrestrial carbon and nitrogen cycles has been incorporated into more and more land surface models, however, the scheme of C-N coupling differs greatly among models. It is necessary to consider the soil carbon-nitrogen cycle process with microbial action in the model in the future development of terrestrial ecosystem models. The soil microbial module of terrestrial ecosystem model only contains carbon cycle process, and is imperfect and uncertainty. In this study, the soil microbial decomposition model (MEND), which added nitrogen cycle process, was coupled with the terrestrial ecosystem model to improve the soil biogeochemical cycle of terrestrial ecosystem model. The Ziwuling secondary forest soil in the Loess Plateau will be studied based on the combination of field observation, laboratory analysis and ecological system model simulation. And to construct a complete framework for soil microorganism ecosystem carbon and nitrogen cycling model, and finally improve the soil biogeochemical cycle simulation precision of land ecosystem model in regional scale. This study has important significance for soil and water conservation in Loess Plateau, and to reduce the uncertainty of soil carbon sources and sinks estimates. It also provides a theoretical basis for improving the land ecosystem model and soil microorganism model in our country.

陆地土壤碳氮循环是全球变化研究中的重要组成部分。碳氮循环的交互作用已经被整合进了越来越多的陆地生态系统模型，但是模型之间的碳-氮耦合方案差距很大。在未来的陆地生态系统模型开发过程中，有必要在模型中考虑微生物作用下的土壤碳-氮循环过程。针对目前陆地生态系统模型土壤微生物模块仅包含碳循环过程的不完善及不确定性，本研究以添加了氮循环过程的土壤微生物分解模型（MEND）与陆地生态系统模型进行耦合，完善陆地生态系统模型土壤生物地球化学循环。本研究以黄土高原子午岭次生林为研究对象，基于野外定点观测、室内分析和生态系统模型模拟相结合的方法，构建完整的土壤生态系统微生物碳氮循环过程模型框架，最终在区域尺度上达到提高陆地生态系统模型土壤生物地球化学循环模块模拟精度的目的。本研究对黄土高原水土保持、减少土壤碳源汇储量估计的不确定性具有重要意义。并且为促进我国陆地生态系统模型、土壤微生物模型研发等提供理论依据。

由于目前各个地球系统模式的碳氮循环交互作用由于模型之间的碳-氮耦合方案差距较大，导致全球土壤有机碳模拟结果存在较大差异。本研究力求在生态系统模型开发过程中完善微生物作用下的土壤碳-氮循环过程，解决目前陆地生态系统模型土壤微生物模块仅包含碳循环过程的问题并减少模型预测的不确定性。本研究将添加了氮循环过程的土壤微生物分解模型（MEND）与陆地生态系统模型进行耦合，进一步完善陆地生态系统模型中土壤生物地球化学循环模块。在此基础上将黄土高原子午岭次生林选定为研究对象，进行野外定点观测和室内实验分析的数据校准后用生态系统模型进行模拟，在区域尺度上提高了土壤生态系统微生物碳氮循环过程模型的精度，对于减少模型预测的不确定性以及完善土壤微生物模型研发具有重要实践意义。本研究对黄土高原土壤质量评估，土壤生态系统恢复，以及预测土壤碳源汇储量变化具有重要意义。同时本研究完善的建模框架的进一步发展和应用可以为我国陆地生态系统模型、土壤微生物模型研发等提供理论依据，以实现更准确的预测，使生态学家能够在经验观察之外解决生态系统层面的问题。