本發(fā)明屬于生態(tài)學(xué)與農(nóng)學(xué)研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于apsim模型集成深度因子的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法。

背景技術(shù)：

1、土壤有機(jī)碳作為土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，是土壤肥力形成、糧食生產(chǎn)和土壤健康的基礎(chǔ)。明晰全剖面土壤有機(jī)碳動態(tài)對提高作物產(chǎn)量、穩(wěn)定水肥分配及應(yīng)對氣候變化具有重要意義。農(nóng)田土壤具有很大的固碳潛力，可以通過適當(dāng)?shù)墓芾泶胧崿F(xiàn)固碳減排。傳統(tǒng)的田間試驗方法很難系統(tǒng)地研究氣候-作物-土壤-管理的相互作用?；跈C(jī)制機(jī)理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型集成了氣候-作物-土壤-管理相互作用的主要機(jī)制，已被廣泛應(yīng)用于預(yù)測各種氣候和土壤條件下的土壤有機(jī)碳動態(tài)及其對農(nóng)業(yè)管理實踐的響應(yīng)。然而，目前大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型只能較好地模擬農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳的動態(tài)，這限制了對農(nóng)田全剖面土壤固碳減排潛力的準(zhǔn)確評估。

2、大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型基于不同碳庫分解的難易程度進(jìn)行建模，分解速率主要受土壤溫度和濕度的影響。然而物理化學(xué)保護(hù)和微生物功能和活性沿土壤垂直梯度的變化同樣調(diào)控土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。因此，全剖面土壤有機(jī)碳的模擬必須考慮土壤深度的影響，這就需要對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型進(jìn)行機(jī)制機(jī)理上的改進(jìn)并將其有效應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型模擬農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳動態(tài)的不足，并提供一種能夠更加準(zhǔn)確、合理地模擬農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳動態(tài)的方法，具體提供一種基于apsim模型集成深度因子的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法。

2、本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供一種基于apsim模型集成深度因子的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，具體如下：

4、s1：基于apsim模型中土壤有機(jī)碳分解受溫度和濕度調(diào)控的動力學(xué)方程，添加土壤有機(jī)碳分解的深度調(diào)控因子，構(gòu)建土壤有機(jī)碳分解受溫度、濕度和深度調(diào)控的新動力學(xué)方程，并將其集成到apsim模型，得到集成深度因子的apsim模型，即新apsim模型；

5、s2：獲取農(nóng)田長期定位試驗數(shù)據(jù)，包括土壤剖面分層土壤有機(jī)碳含量、氣象數(shù)據(jù)、土壤理化特性數(shù)據(jù)及農(nóng)業(yè)管理措施數(shù)據(jù)，并用于新apsim模型的初始化；

6、s3：優(yōu)化作物相關(guān)參數(shù)和土壤有機(jī)碳分解相關(guān)參數(shù)，得到校準(zhǔn)后的新apsim模型；

7、s4：設(shè)置不同農(nóng)業(yè)管理措施和氣候變化情景組合，應(yīng)用校準(zhǔn)后的新apsim模型模擬各情景組合下的作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳儲量。

8、作為優(yōu)選，步驟s1中所述新動力學(xué)方程為：

9、ki＝kmax·fi,t·fi,m·fi,d

10、式中：

11、i——土壤分層后的第i層土壤；

12、ki——第i層土壤有機(jī)碳實際分解速率；

13、kmax——土壤有機(jī)碳最大分解速率；

14、fi,t——調(diào)控第i層有機(jī)碳分解的土壤溫度因子；

15、fi,m——調(diào)控第i層有機(jī)碳分解的土壤濕度因子；

16、fi,d——調(diào)控第i層有機(jī)碳分解的土壤深度因子。

17、進(jìn)一步的，所述調(diào)控第i層有機(jī)碳分解的土壤深度因子fi,d的計算公式如下：

18、

19、式中：

20、diup——第i層土壤頂部深度；

21、dibottom——第i層土壤底部深度；

22、α——土壤有機(jī)碳分解響應(yīng)深度變化的深度響應(yīng)系數(shù)。

23、作為優(yōu)選，步驟s2中所述氣象數(shù)據(jù)通過長期氣象站點(diǎn)獲取，包括日值溫度、降水和太陽輻射；所述土壤理化特性數(shù)據(jù)通過土壤采樣獲取，包括ph和土壤容重；所述農(nóng)業(yè)管理措施數(shù)據(jù)通過田間調(diào)查獲取，包括作物產(chǎn)量、作物播期、施肥方式、灌溉方式、耕作深度和秸稈還田量。

24、作為優(yōu)選，步驟s3中所述作物相關(guān)參數(shù)包括光合作用效率、籽粒大小和籽粒數(shù)量；所述土壤有機(jī)碳分解相關(guān)參數(shù)包括微生物碳利用效率、有機(jī)碳最大分解速率和深度響應(yīng)系數(shù)。

25、作為優(yōu)選，步驟s3中所述作物相關(guān)參數(shù)和土壤有機(jī)碳分解相關(guān)參數(shù)基于貝葉斯或馬爾科夫鏈蒙特卡洛算法優(yōu)化。

26、作為優(yōu)選，步驟s4中所述農(nóng)業(yè)管理措施包括未來作物播期、施肥方式、灌溉方式、耕作深度和秸稈還田量。

27、作為優(yōu)選，步驟s4中所述氣候變化情景從全球氣候模型gcms和共享經(jīng)濟(jì)路徑排放情景ssp中選擇。

28、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下有益效果：

29、本發(fā)明創(chuàng)新的改進(jìn)了現(xiàn)有的apsim模型，得到集成深度因子的apsim模型。該模型能夠在不同的氣候、土壤條件和多樣的管理措施下，更加準(zhǔn)確、合理地模擬農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳動態(tài)，評估在不同農(nóng)業(yè)管理措施和未來氣候情景下農(nóng)田全剖面土壤的固碳潛力，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用將為雙碳目標(biāo)下探索農(nóng)田固碳增產(chǎn)的管理方案提供科學(xué)技術(shù)支撐。

技術(shù)特征：

1.一種基于apsim模型集成深度因子的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，具體如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，步驟s1中所述新動力學(xué)方程為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，所述調(diào)控第i層有機(jī)碳分解的土壤深度因子fi,d的計算公式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，步驟s2中所述氣象數(shù)據(jù)通過長期氣象站點(diǎn)獲取，包括日值溫度、降水和太陽輻射；所述土壤理化特性數(shù)據(jù)通過土壤采樣獲取，包括ph和土壤容重；所述農(nóng)業(yè)管理措施數(shù)據(jù)通過田間調(diào)查獲取，包括作物產(chǎn)量、作物播期、施肥方式、灌溉方式、耕作深度和秸稈還田量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，步驟s3中所述作物相關(guān)參數(shù)包括光合作用效率、籽粒大小和籽粒數(shù)量；所述土壤有機(jī)碳分解相關(guān)參數(shù)包括微生物碳利用效率、有機(jī)碳最大分解速率和深度響應(yīng)系數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，步驟s3中所述作物相關(guān)參數(shù)和土壤有機(jī)碳分解相關(guān)參數(shù)基于貝葉斯或馬爾科夫鏈蒙特卡洛算法優(yōu)化。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，步驟s4中所述農(nóng)業(yè)管理措施包括未來作物播期、施肥方式、灌溉方式、耕作深度和秸稈還田量。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，其特征在于，步驟s4中所述氣候變化情景從全球氣候模型gcms和共享經(jīng)濟(jì)路徑排放情景ssp中選擇。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于APSIM模型集成深度因子的農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳模擬方法，屬于生態(tài)學(xué)與農(nóng)學(xué)研究領(lǐng)域。該方法如下：1)將APSIM模型中的土壤有機(jī)碳分解動力學(xué)方程改進(jìn)為受溫度、濕度和深度調(diào)控的新動力學(xué)方程，得到集成深度因子的APSIM模型，即新APSIM模型；2)獲取農(nóng)田長期定位試驗數(shù)據(jù)，包括土壤剖面分層土壤有機(jī)碳含量、氣象、土壤理化特性及農(nóng)業(yè)管理措施等數(shù)據(jù)，并用于新APSIM模型的初始化；3)優(yōu)化作物相關(guān)參數(shù)和土壤有機(jī)碳分解相關(guān)參數(shù)，得到校準(zhǔn)后的新APSIM模型；4)設(shè)置不同農(nóng)業(yè)管理措施和氣候變化情景組合，應(yīng)用校準(zhǔn)后的新APSIM模型模擬各情景組合下的作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳儲量。該方法能更準(zhǔn)確、合理地預(yù)測農(nóng)田全剖面土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化。

技術(shù)研發(fā)人員：羅忠奎,周杭欣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30