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1、利用一室模型研究天津滨海新区土壤碳密度变化李姝娟 郝翠摘要：本文主要是分析天津滨海新区近几年土壤碳密度的逐年变化情况，依据滨海新区气象局提供的多年平均气候资料，采用一室模型，即用修正的Miami模型估算天津滨海湿地的植被净初级生产力，然后通过平衡开放体系中的关系得出土壤碳降解的速率，最后计算出土壤碳密度值，其结果旨在为充分利用滨海新区气候资源，合理布局土地利用类型，实现滨海新区基于低碳理念的可持续发展提供依据。关键词：一室模型 Miami模型 净初级生产力 碳密度SOC的储量是进入土壤的植物残体量及其在微生物作用下分解损失量两者之间平衡的结果,其库容量的大小受多种因素影响。研究SOC的影响因素
2、,能够增加对SOC的调控能力,充分利用其有利因素,控制其不利因素,从而为土地可持续利用提供科学依据（张金波,宋长春,杨文燕.三江平原沼泽湿地开垦对表土有机碳组分的影响J.土壤学报,2005,42(5):857-859.）。气候因子作为环境因子的组成部分,在土壤有机碳的输入与分解过程中起主要作用(水分和温度的作用)（周莉,李保国,周广胜.土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展J.地球科学进展,2005,20(1):99-105.）。降雨量通过影响土壤的固、液、气比例而影响SOC的分解。全球碳循环目前已成为气候变化和区域可持续发展研究的核心问题之一1（1区域土壤有机碳密度及碳储量计算方法探讨.土壤通
3、报，2005，36（6）：836-839）。陆地生态系统表面存在一个碳储量巨大的土壤圈，陆地土壤有机碳储量大约是大气碳库的2倍，其较小幅度的变化都会引起全球气候较大的变化2-3( 2LarsK, AnetteN, MartinH, et a.l Preliminary estimates of contemporary soil organic carbon stocks in Denmark using multiple datasets and four scaling-up methods J. Agriculture Ecosystems and Environment, 2003,
4、96: 19-28.3MikhailB. Climate catastrophesJ. Global and Planetary Change),1999, 20: 281-288.）。近年来关于土壤有机碳变化研究的模型很多，经典模型有CENTURY、Roth-C、EPIC、DNDC等，整体上说，这些模型需要的数据量很大，而且需要借助于较好的计算机平台，所以用在区域尺度及宏观上的比较研究都不适合。本文利用一室模型，Daniel A. Sims等人利用基于遥感数据的Temperature and Greenness (TG) 模型预测美国北部生态系统的植被净初级生产力【3】。M. Herbst等
5、人利用SOILCO2和RothC模型相结合预测了土壤的异养呼吸。【4】，通过分析滨海新区土壤碳密度与该区气候条件及土地利用等的关系，为滨海新区基于低碳理念的可持续发展提供借签意义。1.研究区概况滨海新区位于华北平原北部、海河流域下游，天津市中心城区的东侧，濒临渤海，北与河北省丰南县为邻，南与河北省黄骅市相接。地理座标位于北纬3840至3900，东经11720至11800。滨海新区包括塘沽区、汉沽区、大港区三个行政区和天津经济技术开发区、天津港保税区、天津港区以及东丽区、津南区的部分区域，陆域面积2270平方公里，海域面积3000平方公里，海岸线153公里。滨海新区气候属于暖温带半湿润大陆性季风
6、气候。由于濒临渤海，受季风环流的影响很大，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风，春秋季多西南风。冬季长，春秋短，春季干旱多风，夏季高温高湿雨水多，秋季冷暖适宜，冬季寒冷少雪，四季变化明显。年平均气温12.6，年均温差30.7，无霜期206天；年平均降水量为604.3mm，主要集中在夏季，约占全年降水量的76；年蒸发量为17501840mm，是年降水量的3倍；年日照时数为2898.8小时，平均日照百分率为64.7%，年太阳能辐射量539kJ/cm2，是全市太阳能辐射量最丰富的地区。滨海新区陆地面积2270平方公里，地形开阔平坦，适于建设。从土地利用角度分为农用地、建设用地和未利用土地三类，2004年三
7、类土地分别占总面积的32.04%、53.36%、14.60%。农用地包括耕地、园地、林地、牧草地和水面；建设用地包括居民点及工况用地、交通用地和水利设施用地；未利用土地包括苇地、滩涂、荒草地、盐碱地、沼泽地、沙地、裸土地、田坎以及其他形式的未利用土地。2.数据和方法2.1数据来源 查阅天津市2003年到2009年统计年鉴，获得天津滨海新区每年的年平均降水量和每年的平均温度，见表1.表1天津滨海新区多年平均温度和平均降水量年份年平均气温（）年平均降水量（mm）199312407.7199813.5673.0199913.2333.0200012.9487.5200112.9403.6200213
8、.1337.6200312.7624.5200413.4618.3200513.0475.9200613.2423.9200713.6581.82.2研究方法Tharnthwaite Memorial模型考虑了蒸散因子,而迈阿密模型则考虑了气温和降水因子,这两种方法基本反映了该区影响牧草生长发育的关键因子为降水量、气温和蒸散的特点。综上分析,本文选用迈阿密模型和Tharnthwaite Memorial模型结合修正后的迈阿密模型（Lieth,1975）结合经验公式将土壤有机碳限制在一室模型中，研究温度和湿度对土壤有机碳降解的影响。 dC/dt=A-RC （1）(1) 式中，C：室内土壤有机碳的
9、量；A：有机碳年平均输入量； R：比率系数（每年土壤有机碳降解的比例）在一室平衡体系中，初级生产力（NPP）应该等于土壤年平均的土壤异养呼吸量，那么 R=NPP/C （2）2.2.1净初级生产力的估算修正的迈阿密模型见式（3） NPP=min(NPPt,NPPp) （3）其中： NPPt=0.0691875Tb,Tb8 （4） NPPp=1.35(1-exp(-0.000664P) （5）上式中，NPP：净初级生产力（KgC/m2a） Tb:年平均生物温度（） P：年平均降水量（mm）2.2.2土壤降解比例系数的估算由经验公式知：PETr=PET/P=58.93Tb/P （6） PETr为水气
10、蒸发量PET与降水量P的比值根据经验已知，当PETr=0.8时，土壤降解率R达到最大值，当PETr0.8时，土壤干燥， Rd=0.0476PETr-0.3305所以湿度对R的综合影响公式为Rwd=min(Rw,Rd) 根据经验已知，当年平均气温MAT为36 时，土壤降解率R达最大值，温度对R的影响公式为 F=0.6323exp(0.0512MAT)所以： R=0.6323exp(0.0512MAT)min(Rw,Rd)得出NPP和R值，利用公式（2）就能求出土壤碳密度。3.结果和分析Boone等Boone RD, Nadelhoffer KJ, Canary JD,et al. Roots e
11、xerta strong influence on the temperature sensitivity of soil respiration.Nature 1998,396:570572.认为,土壤呼吸的温度敏感性在相当大的程度上决定着全球气候变暖对从土壤到大气的CO2净释放的影响程度。根据上述研究方法，由多年平均气温、降水量、蒸散量确定了滨海琴曲植被净初级生产力及呼吸速率，最终得出了每年的碳密度的数值，结果见表2。 表2 天津滨海新区多年碳密度结果年份NNP（ KgC/m2a）R（1/a）C（kg/m2）19930.3201720.066744.7970919980.4865050.0
12、6357.66149919990.2678040.078313.41979320000.373320.067485.53230620010.3173640.071824.41888120020.2711040.077363.50444720030.4582450.061227.4856520040.4545660.064817.01382520050.365770.068545.3368520060.331190.072314.5800120070.43260.067146.4437 3.1滨海新区土壤碳密度变化结果分析据表2可以得出滨海新区1993-2007年间几个时间段的土壤碳密度变化趋势
13、图，见图1。由结果可知，滨海新区1998年的碳密度达到了最大值7.661499kg/m2，但仍然远远低于全国平均有机碳密度9.60kg/m2(Yu D S, Shi X Z, Sun W X, et.al. Estimation of China soil organic carbon storage and density based on 1:1 000 000 soil database. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(12): 2279-2283. )，同时也低于全国其他自然湿地的平均土壤有机碳水平(Lin F, Li D Y
14、, Pan G X, Xu X W, et.al. Soil carbon density and its change to arable land of Wanjiang natural wetland. Wetland science, 2008, 6(2): 192-197).。 根据表1可知，1998年滨海新区的降雨量是最大的，达到673.0mm，降雨量对土壤有机碳是有积极意义的，因为14C更新周期与降雨量和降雨日数成线性关系，土壤碳密度会随着降雨量的增加而增加（12 PARSHOTAMA,SAGGAR S,SEARLEPL, eta.l Carbon residence tmi esobtained
