评估复杂地形流域中碳和养分动态的空间分布模式

《Water Resources Research》：Assessing Spatial Patterns of Carbon and Nutrient Dynamics in Catchments of Complex Topography

地形对水土循环及碳氮循环的影响机制与分布式模型研究。

　　在自然界中，地形对生态系统中水和能量的分布具有决定性作用，而这些因素又是植被和土壤碳与养分动态变化的主要驱动因子。尽管人们普遍认识到地形在调节这些过程中的重要性，但在高度异质性的地形环境中，量化和预测碳与养分的时空分布仍然是一个具有挑战性的课题。传统上，许多模型方法是相互分离的，未能同时考虑生态水文和生物地球化学过程之间的相互作用，也缺乏描述地形、水文与能量平衡及土壤生物地球化学动态之间联系的充分框架。为了解决这一问题，本研究开发了一个新的分布式模型——T&C-BG-2D，它将Tethys-Chloris（T&C）模型与土壤生物地球化学模块T&C-BG相结合，进一步扩展了其对地形驱动的碳和养分横向运输过程的模拟能力。该模型在两个实验流域——英国威尔士的Hafren流域和瑞士前阿尔卑斯地区的Erlenbach流域——中得到了验证，成功再现了这些流域中碳和养分的浓度和动态变化，模拟结果与观测值之间的相对差异在-4%至-0.3%之间，对氨的模拟误差则在1%至20%之间。

地形特征对碳和养分分布的影响是显著的，尤其是在高度异质的地形环境中。例如，在美国爱达荷州的一个半干旱流域中，测量结果表明，土壤有机碳（SOC）的94%变化可以由坡向和坡度曲率解释，其中北坡的SOC浓度约为南坡的三倍。在中国西南部的一个亚热带喀斯特森林中，土壤氮素添加实验发现，硝化和厌氧硝酸盐还原为铵的速率在坡地显著高于谷地，这与SOC、总溶解氮和pH值的空间分布有关。在祁连山脉的一个研究区域，地形因素如海拔和坡向，对SOC的空间变化的解释力高达88%。这些研究结果表明，地形在塑造水、碳和养分动态中具有关键作用，而这一作用无法在忽略空间相互作用和地形效应的样地尺度模拟中得到体现。

本研究提出了一种新的方法，结合了样地尺度的碳和养分通量追踪方法与随机森林算法，以实现对土壤碳和养分初始状态的空间化初始化。这一方法首先在每个样地单元中进行1D的模拟，直到达到稳态，然后将这些稳态的碳和养分池分配给具有相同植被和土壤类型的区域。随后，对这些区域进行2D模拟，追踪部分单元的横向通量，并利用这些数据训练随机森林模型，以重建整个流域的土壤碳和养分分布。这种方法在一定程度上克服了由于缺乏空间化数据和计算成本过高带来的挑战，使得模型能够更有效地捕捉地形对碳和养分分布的影响。

在Hafren流域和Erlenbach流域的验证中，T&C-BG-2D模型在模拟流域出口处的水文和水化学数据方面表现出良好的性能。在Hafren流域，模型能够较好地再现高频率和低频率的DOC（溶解有机碳）和DON（溶解有机氮）浓度变化，其相关系数分别为0.73和0.64，而相对差异分别为-0.03和-0.003。对于Erlenbach流域，模型对DOC和硝酸盐的模拟结果与观测值的相对差异分别为-4%和23%。此外，通过功率谱分析，研究还发现模型在再现化学成分的时间序列持久性方面具有良好的表现，尽管在某些极端气候条件下，如2016-2017年冬季的异常低温和无雪情况，模型对DOC浓度的模拟出现了一些偏差。这些结果表明，模型在某些极端条件下可能低估了碳的溶解性或土壤冻融过程的速率。

在Erlenbach流域，对土壤生物地球化学变量与地形特征之间的敏感性分析表明，海拔是影响碳和养分分布的最主要因素，解释了超过80%的观测空间变化。其次是地形湿润指数（TWI），其贡献约为12.6%。坡向和曲率的影响相对较小，分别贡献了2.9%和2.1%。这种敏感性模式揭示了地形在调控碳和养分动态中的核心作用，也强调了在异质性景观中，不能忽视地形对生态系统过程的复杂影响。同时，研究也指出，土壤生物地球化学过程与地形特征之间的关系可能因区域和生态系统类型的不同而有所差异，因此未来的研究应更加关注不同地形条件下的敏感性模式，以更全面地理解这些过程的动态变化。

模型的开发与应用为生态水文和生物地球化学研究提供了新的工具。通过引入横向运输模块，T&C-BG-2D模型能够更真实地再现碳和养分的动态变化，并揭示地形对这些过程的调控机制。这种模型的引入不仅有助于深入理解生态系统的内部反馈机制，还能够支持对区域和全球尺度上碳和养分循环的预测。此外，该模型为制定监测策略和传感器布局提供了科学依据，有助于提高对碳和养分流动的监测精度。

在模型的局限性方面，研究指出当前模型尚未充分考虑优先流现象、土壤结构对水文和生物地球化学过程的影响，以及土壤和地形的动态变化。这些因素在调控水文和生物地球化学通量中具有重要作用，特别是在极端气候条件下，如降水模式变化、全球变暖和侵蚀加剧等。因此，未来的研究应进一步完善模型，以更精确地模拟优先流、土壤结构变化和地形动态对碳和养分分布的影响。此外，模型还需要考虑土壤中垂直方向上的碳和养分分布，以及生物地球化学反应的动态过程，以更全面地捕捉土壤和生态系统之间的相互作用。

总体而言，T&C-BG-2D模型为研究地形在碳和养分循环中的作用提供了一个新的视角，它能够整合生态水文与生物地球化学过程，捕捉不同地形特征对土壤碳和养分分布的影响。通过这一模型，我们可以更深入地理解碳和养分在异质性景观中的空间变化规律，为未来的生态模型开发、环境监测和管理策略制定提供理论支持。此外，该模型的开发也为研究气候变化对碳和养分循环的影响提供了重要的工具，有助于评估未来可能发生的生态系统变化，并制定相应的应对措施。