DNDC模型使用手册

DNDC模型使用手册（9.3版本）新罕布什尔大学地球海洋与空间研究所2010年1月15日致谢我们感谢美国国家科学基金会(NSF)、美国航天与空间总署(NASA)、美国农业部(USDA)、环境保护署(EPA)、国家海洋与大气总署(NOAA)及国家大气研究中心(NCAR/UCAR)自1989年以来为发展DNDC模型所提供的持续支持。世界许多国家的科研人员为该模型的发展做出了贡献，他们或为模型验证提供数据，还为模型添加新的功能。这些研究者包括李长生（ChangshengLi美国）、斯苐夫·富罗京（SteveFrolking美国）、罗伯特·哈里斯（RobertHarriss美国）、里查德·泰瑞（RichardTerry美国）、麦克·凯雷（MichaelKeller美国）、帕提克·葛瑞尔（PatrickCrill美国）、安姬·卫紫（AntjeWeitz德国）、泰德·派克（TedPeck美国）、卫理·温岚德（WayneWendland美国）、大卫·金克森（DavidJenkinson英国）、王英平（YingpingWang澳大利亚）、庄亚辉（YahuiZhuang中国）、戴昭华（ZhaohuaDai中国）、罗尔·布兰特（RoelPlant荷兰）、周叶（YeZhou中国）、张宇（YuZhang中国）、林清华（QinghuaLin中国）、王晓科（XiaokeWang中国）、富罗里安·史坦格（FlorianStange德国）、克劳斯·布特巴赫-巴尔（KlausButterbach-Bahl德国）、汉斯·帕潘（HansPapen德国）、索菲亚·泽克美斯特-波坦斯顿（SophieZechmeister-Boltenstern奥地利）、郑循华（XunhuaZheng中国）、孙建中（JianzhongSun中国）、秦晓光（XiaoguangQin中国）、斯蒂夫·佳伟斯（SteveJarvis英国）、布朗尼·斯依德（BronwynSyed英国）、劳娜·布朗（LornaBrown英国）、雷·德斯佳丁（RayDesjardins加拿大）、沃特·斯密思（WardSmith加拿大）、布莱安·格兰特（BrianGrant加拿大）、罗·萨斯（RonSass美国）、黄燿（YaoHuang中国）、蔡祖聪（ZucongCai中国）、康国鼎（GuodingKang中国）、佳瑞亚·波佳瓦特（JariyaBoonjawat泰国）、鹤田治雄（HaruoTsuruta日本)、泽本卓治（TakujiSawamoto日本)、小林和彦（KazuhikoKobayashi日本)、邱建军（JianjunQiu中国）、拉福·柯斯（RalfKiese德国）、卡尔·特伦蒂（CarlTrettin美国）葛荪（SunGe美国）、徐成一（Cheng-IHsieh台湾）、雷纳德·莱姆克（Reynald.Lemke加拿大）、瑟雷德·萨喀（SurinderSaggar新西兰）、罗波·安德欧（RobbieAndrow新西兰）、阿温·缪斯（ArvinMosier美国）、卡罗斯·爱得阿多（CarlosEduardo巴西）、程根伟（GenweiCheng中国）、卡里·明科恩（CariMinkkinen芬兰）、雷诺·华兹曼（ReinerWassmann德国）、雷·斯玛喀甘（NuiSmakgahn泰国）、旭日（XuRi中国）、罗达·兰亭（RhodaLantin菲律宾）、罗伯特·雷（RobertRees英国）、中川阳子（YokoNakagawa日本)、丽达·法拉芭莎赞德（NedaFarahbakhshazad美国）、威廉·萨拉斯（WilliamSalas美国）、斯蒂夫·波斯（SteveBoles美国）、麓多门（TamonFumoto日本)、玛格达·克斯喀（MagdaKesik德国）、唐娜·基尔特拉普（DonnaGiltrap新西兰）、纳拉辛哈·萨帕里（NarasinhaShurpali芬兰）、赫曼舒·帕德克（HimanshuPathak印度）、加格蒂斯·巴布依日帕蒂（JagadeeshBabuYeluripati印度）、达安·巴赫德特（DaanBaheydt比利时）、斯蒂文·斯罗特尔（StevenSleutel比利时）、八木一行（KazuyukiYagi日本)、丹·杰伊斯（DanJaynes美国）、坦娜·泰娜斯（DanaDinners美国）、丹尼斯·麦克劳林（DennisMclaughlin美国）、克里斯蒂娜·托里特（ChristinaTonitto美国）、卡尔斯蒂·托普（KairstyTopp英国）、劳拉·克蒂娜斯（LauraCardenas英国）、泰德·迈克尔（ToddMitchell美国）、张凡（FanZhang中国）、周再兴（ZaixingZhou中国）、邓佳（JiaDeng中国）、朱波（BoZhu中国）、王立刚（LigangWang中国）、富兰克·密莱尔（FrankMitloehner美国）、乔基·木拉毛特(JojiMuramoto美国)、朱丽叶·库芭托瓦（Juliyakurbatova俄国）、安德烈·瓦尔金（AndrejVarlegin俄国）、娜塔丽娅·芭克娜（NatalyaBuchkina俄国）、陈德立（DeliChen澳大利亚）、李勇（YongLi澳大利亚）、鲁伊斯·巴登（LouiseBarton澳大利亚）、坦妮拉·克拉奇（DanielaKracher德国）、托德·富罗京（TodFrolking美国）、友瑞娜·可瓦克（YurinaKwack日本）。我们感谢美国环境保护协会(EnvironmentalDefenseFoundation)为DNDC模型使用手册（9.3版本）的更新与中文本的翻译提供了财政方面的支持；“新英格兰中国文化中心”的吕瑞兰女士精心翻译了此手册，我们在此谨表谢意。目录一．DNDC简述1.导引2.DNDC模型概述二．DNDC的PC微软窗口版本1.模型综述2.硬件要求3.模型安装4.点位和区域的模拟三．模型操作1.点位模式1.1输入参数第1页：气候第2页：土壤第3页：农田管理第4页：农作物第5页：耕耘第6页：化肥施用第7页：有机肥料施用第8页：旱田灌溉第9页：水田淹灌第10页：塑膜技术第11页：放牧和割草1.2．保存输入参数1.3．点位尺度模拟1.4．快速查看模拟结果1.5．批量模拟2.区域模式2.1．地理信息系统数据库2.2．气象数据库2.3.作物和土壤数据库2.4．区域模拟的初始化2.4．实施区域模拟四．模拟结果数据1.点位模拟结果2.区域模拟结果五．不确定性分析六．实例分析1.美国爱荷华州的玉米生长2.美国夏威夷的甘蔗生长3.英国洛桑实验站冬小麦土壤有机碳150年动态4.法国阿罗农田氧化亚氮排放5.美国德克萨斯州水稻田甲烷排放:七．相关文章目录一．DNDC简述1.导引DNDC模型是一个描述农业生态系统中碳和氮生物地球化学过程的计算机模拟模型。本手册告诉使用者怎样用DNDC模型来模拟农业生态系统的农作物产量、土壤固碳作用、硝酸盐淋失以及碳和氮多种气体的排放。本手册第一部分简要介绍与DNDC有关的科学背景知识；第二部分介绍如何安装模型；第三介绍如何分别在点位和区域尺度上输入参数及进行模拟；第四部分介绍模拟结果的内容；第五部分介绍如何对DNDC模拟的结果进行不确定性分析；第六部分提供了五个点位尺度的实例研究，具体展示如何一步步地输入模型模拟所需的输入参数；第七部分提供了迄今已发表的与DNDC相关的部分文章的目录，这些文章提供了更多的有关DNDC的科学背景及应用情况。2.DNDC模型概述DNDC是Denitrification-Decomposition（即“反硝化-分解作用”）的缩写。反硝化和有机质分解是导致氮和碳从土壤丢失而转移入大气的主要生物地球化学过程。DNDC模型是农业生态系统中一系列控制碳和氮迁移转化的生物化学及地球化学反应机制的计算机模拟表达。DNDC由两大部分组成。第一部分包括土壤气候、农作物生长和土壤有机质分解三个子模型，利用生态驱动因子（即气候、土壤、植被以及人类活动）来模拟土壤环境条件（即土壤温度、水分、酸碱度、氧化还原电位以及相关化学底物浓度梯度）。第二部分包括硝化作用、反硝化作用以及发酵作用三个子模型，模拟土壤环境条件对微生物活动的影响，计算植物-土壤系统中二氧化碳（CO2），甲烷(CH4)，氨(NH3)，氧化亚氮(N2O)，一氧化氮(NO)以及氮气（N2）的排放。DNDC中所采用的函数来自物理学、化学和生物学的经典法则或实验室研究所产生的经验方程。DNDC是一座架在基本生态驱动因子和碳氮生物地球化学循环之间的桥梁（图1）。TheDNDCModelecologicaldriversClimateSoilVegetationHumanactivityecologicaldriversClimateSoilVegetationHumanactivitysoilenvironmentalfactorsTemperatureMoisturepHSubstrates:NH4+,NO3-,DOCEhDenitrificationNitrificationFermentationDecompositionPlantgrowthSoilclimateNH4+NH4+clay-NH4+NH3NH3DOCDOCnitrifiersnitrifiersNO3-NO3-N2ON2ONONONH3NH3DOCDOCNO3-NO3-NONON2ON2ON2N2NO2-NO2-nitratedenitrifiernitratedenitrifiernitritedenitrifiernitritedenitrifierN2OdenitrifierN2OdenitrifierCH4CH4CH4productionCH4productionCH4oxidationCH4oxidationCH4transportCH4transportsoilEhsoilEhaerenchymaDOCDOCsoiltempprofilesoiltempprofilesoilmoistprofilesoilmoistprofilesoilEhprofilesoilEhprofileO2diffusionO2diffusionO2useO2useverticalwaterflowverylabilelabileresistantlitterlabileresistantlabileresistantmicrobeshumadspassivehumusCO2CO2DOCDOCNH4+NH4+rootsrootsstemsstemsgraingrainN-demandN-demandN-uptakeN-uptakewaterdemandwaterdemandwateruptakewaterstresswaterstressdailygrowthdailygrowthrootrespirationrootrespirationpotentialevapotrans.LAI-regulatedalbedoevap.evap.trans.trans.effectoftemperatureandmoistureondecompositionannualaveragetemp.图1.DNDC模型的结构在DNDC模型中，土壤碳存在于四个主要碳库中：即植物凋落物、微生物、活性腐殖质和惰性腐殖质。上述每一碳库又包含两到三个亚库。每一亚库有一特定分解速率；每个亚库中有机碳（SOC）的分解速度是由该库的库容、土壤温度和湿度、土壤粘土含量及土壤可给态氮量所决定。当在一个库中的土壤SOC发生分解时,被分解的SOC的一部分以二氧化碳的形式从土壤丢失而进入大气,另一部分转移入该土壤其他碳库。在此过程中，溶解态的有机碳（DOC）会产生出来，这部分碳或被土壤微生物再利用，或随水淋失。SOC总是与有机氮（SON）共存；当SOC分解时,SON或转化到另一有机物库,或被矿化为铵离子(NH４＋)。游离态铵与吸附在粘土表面的可交换铵之间保持动态化学平衡