上海农业学报 111 追踪植物生长过程中碳、氮和水分在生态系统中的循环流动。 模型采用8种生理物候参数定义每种作物,即:作物最大产量、生物量在籽粒、茎叶和根间的配比、籽 粒、茎叶和根的碳/氮比值、作物生长积温、作物需水量、最佳生长温度、生物固氮系数以及维管结构。根据 北美和中国的观测结果,已在v9.5版本中定义了四种水稻类型(表1)。另外,为方便用户自定义作物新 品种,模型加入了作物创造器( Crop creator)模块,用户可根据所模拟作物实际情况定义各参数。 表1DNDC9.5中四种水稻参数{10 Table 1 Four rice crop parameters in DNDC 19.5 名称(kgc:m 籽粒川叶/ 籽粒川/茎 作物需水量 最佳生长生长固氮茎秆 茎/根比值 根碳氮比值[kg水·(kg干物质)“]温度/积温/℃系数通气度 20水稻 8238 0.410.270.270.05455/85/85 2000 24旱稻 0.45.240.24.073555/55/0 5555 20001.00 0 30深水稻 0.350.280.28.12940/4072 46雨养水稻8238 0.410.270.270.054558585 DNDC模型中大部分作物参数源于北美和中国实测值,其他地区使用时需对其进行检验和校正,以保证 模拟作物生长的准确性。为使模型能够应用于印度, Pathak等结合印度实际实测值修改优化了水稻参 数,分别将生长积温优化为2250°C,将生殖生长和营养生长阶段的每日生长速率常数修改为0.015和 0.04,修正后的模型能够较好的模拟水稻产量、总生物量及作物氮吸收,偏差分别为θ.2%、1.6%及1.6% 2.2温室气体排放 DNDC模型创建后最初用于美国农田生态系统,主要对旱地N2O排放情况进行模拟。经过优化改进 后,模型已经能够较好的应用于稻田生态系统碳氮动态的模拟,Li等{61利用改进后的模型对稻田生态 系统中的温室气体排放情况进行了模拟。改进后的模型吸收了 Wetland-DNDC模型中的两个重要方 程,改进了“厌氧气球”( Anaerobic conditions) 土壤中CO2、CH4和N2O的产生消耗来自于不同的氧化还原反应(分解作用、硝化/反硝化作用以及 甲烷产生),氧化还原电位(h)状态决定了反应是否可以发生。模型利用能斯特方程( Nernst equation)计 算系统中的Eh,并利用Eh判断哪种氧化还原反应可以发生,利用米氏方程( Michaelis-Menten equations) 定量了反应物底物浓度对反应速率的动力学影响,实现了对温室气体产生的氧化还原反应的热力学和动 力学的共轭计算(图1)。厌氧气球将土壤巸h和湿地中温室气体结合起来,通过土壤Eh值控制气球大 小。模型定义气球内部为相对还原的土壤微区,气球外部为相对氧化的土壤微区,并将反应底物(如 DOC、NH4、NO3和O2等)按比例分配至气球内外,分别发生还原或氧化反应。DNDC模型通过计算 主要氧化物Eh/mV 化学方程式 氧气(O,) i O,+C=cO, 硝酸根(NO3) rt NH4 亚硝酸根(NO,) NO NO 氧化氮(NO) 氧化三氮(No)NONO+→NO+N2 锰离子(Mn4) 铁离子(Fe3) Fe+e=Fe2 硫酸根(S042)9 SO.2++10H+8e 氢气(H2) H +C CH 注:模型在湿地中通过计算Eh和反应物底物浓度追踪CO2、CH4和N2O产生的过程;通过联立能斯特方程和米氏方程计算土壤Eh值和 主要电子受体浓度 图1DNDC模型中CO2、CH4和N2O产生过程 Fig 1 DNDC tracks CO,, CH, and N,O dynamics上 海 农 业 学 报 追踪植物生长过程中碳、氮和水分在生态系统中的循环流动。 模型采用 ８种生理?物候参数定义每种作物，即：作物最大产量、生物量在籽粒、茎叶和根间的配比、籽 粒、茎叶和根的碳?氮比值、作物生长积温、作物需水量、最佳生长温度、生物固氮系数以及维管结构。根据 北美和中国的观测结果，已在 ｖ９．５版本中定义了四种水稻类型（表 １）。另外，为方便用户自定义作物新 品种，模型加入了作物创造器（Ｃｒｏｐｃｒｅａｔｏｒ）模块，用户可根据所模拟作物实际情况定义各参数。 表 １ ＤＮＤＣｖ９．５中四种水稻参数［１０］ Ｔａｂｌｅ１ ＦｏｕｒｒｉｃｅｃｒｏｐｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎＤＮＤＣｖ９．５ 名称 最大生物量 ?（ｋｇＣ·ｈｍ－２） 籽粒?叶? 茎?根比值 籽粒?叶?茎? 根碳?氮比值 作物需水量 ?［ｋｇ水·（ｋｇ干物质）－１］ 最佳生长 温度?℃ 生长 积温?℃ 固氮 系数 茎秆 通气度 ２０水稻 ８２３８ ０．４１?０．２７?０．２７?０．０５ ４５?８５?８５?８５ ５０８ ２５ ２０００ １．０５ １ ２４旱稻 ４４４４ ０．４５?０．２４?０．２４?０．０７ ３５?５５?５５?４０ ４００ ２５ ２０００ １．００ ０ ３０深水稻 ３４２９ ０．３５?０．２８?０．２８?０．１ ２９?４０?４０?７２ ４５５ ２５ ２０００ １．００ １ ４６雨养水稻 ８２３８ ０．４１?０．２７?０．２７?０．０５ ４５?８５?８５?８５ ５０８ ２５ ２０００ １．０５ １ ＤＮＤＣ模型中大部分作物参数源于北美和中国实测值，其他地区使用时需对其进行检验和校正，以保证 模拟作物生长的准确性。为使模型能够应用于印度，Ｐａｔｈａｋ等［１５］ 结合印度实际实测值修改优化了水稻参 数，分别将生长积温优化为 ２２５０°Ｃ，将生殖生长和营养生长阶段的每日生长速率常数修改为 ０．０１５和 ００４４，修正后的模型能够较好的模拟水稻产量、总生物量及作物氮吸收，偏差分别为 ０．２％、１．６％及 １．６％。 ２．２ 温室气体排放 ＤＮＤＣ模型创建后最初用于美国农田生态系统，主要对旱地 Ｎ２Ｏ排放情况进行模拟。经过优化改进 后，模型已经能够较好的应用于稻田生态系统碳氮动态的模拟，Ｌｉ等［１２，１６］ 利用改进后的模型对稻田生态 系统中的温室气体排放情况进行了模拟。改进后的模型吸收了 ＷｅｔｌａｎｄＤＮＤＣ模型［１７］ 中的两个重要方 程，改进了“厌氧气球”（Ａｎａｅｒｏｂｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）。 !"#$% !"# $ %&'() $&'() *+, #*+"-, -./+!"# $, 0-./+!"- $, 1#$2+!", 1#$32+!-", 456+./01, 756+23#1, 8./+4"0 -1, 9*+5-, $#+, $6+, , 6,, -,, +,, "-1787"- !" !-" !50 1 !"# $ !"- $ !-" !- ./011-38./-1 23#113823-1 4"0 -116,519385-4105-" 7"- 750 5-17 750 注：模型在湿地中通过计算 Ｅｈ和反应物底物浓度追踪 ＣＯ２、ＣＨ４和 Ｎ２Ｏ产生的过程；通过联立能斯特方程和米氏方程计算土壤 Ｅｈ值和 主要电子受体浓度［１２］ 图 １ ＤＮＤＣ模型中 ＣＯ２、ＣＨ４和 Ｎ２Ｏ产生过程 Ｆｉｇ．１ ＤＮＤＣｔｒａｃｋｓＣＯ２，ＣＨ４ａｎｄＮ２Ｏｄｙｎａｍｉｃｓ 土壤中 ＣＯ２、ＣＨ４和 Ｎ２Ｏ的产生消耗来自于不同的氧化还原反应（分解作用、硝化?反硝化作用以及 甲烷产生），氧化还原电位（Ｅｈ）状态决定了反应是否可以发生。模型利用能斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔｅｑｕａｔｉｏｎ）计 算系统中的 Ｅｈ，并利用 Ｅｈ判断哪种氧化还原反应可以发生，利用米氏方程（ＭｉｃｈａｅｌｉｓＭｅｎｔｅｎｅｑｕａｔｉｏｎｓ） 定量了反应物底物浓度对反应速率的动力学影响，实现了对温室气体产生的氧化还原反应的热力学和动 力学的共轭计算（图 １）。厌氧气球将土壤 Ｅｈ和湿地中温室气体结合起来，通过土壤 Ｅｈ值控制气球大 小。模型定义气球内部为相对还原的土壤微区，气球外部为相对氧化的土壤微区，并将反应底物（如 ＤＯＣ、ＮＨ４ ＋、ＮＯ３ －和 Ｏ２等）按比例分配至气球内外，分别发生还原或氧化反应。ＤＮＤＣ模型通过计算 １１１