陆面过程模式中碳-氮循环参数化方案耦合研究

We propose to incorporate a comprehensive global scale terrestrial carbon-nitrogen (C-N) cycle scheme to a land surface model CoLM. The C-N coupled parameterization is based on the advances of three well evaluated Global Biogeochemical Models: LPJ-DyN, LM3V and CASA-CNP. Main features of the C-N cycle scheme including: 1. An energetic-cost biological nitrogen fixation parameterization, in which the nitrogen fixation rate and the associated carbon cost depends on plant production, plant demand of nitrogen as well as the presence of nitrogen fixers; 2.A dynamic C:N stochiometry in plant tissue: parameters of the photosynthetic and autotrophic respiration, as well as stomatal conductance are influenced by the plant tissue C:N ratio, so that canopy CO2, sensible and latent heat fluxes can be regulated by nitrogen availability simultaneously. The C-N parameterization can be used to further the understanding on terrestrial carbon and nitrogen dynamic processes and improve the carbon-climate simulations.

本项目拟结合当前三个陆地生态系统碳-氮循环参数化方案的优点，以通用陆面过程模式（CoLM）为基础，发展一套过程完备的碳-氮循环耦合方案。该方案的主要特点包括：基于固氮植物在不同植被类型中的密度系数、净初级生产力、对氮元素的需求等因素决定生态系统的固氮率和碳消耗量；采用动态的叶片碳-氮化学计量比调节光合作用最大羧化率和叶孔导度，协调一致地描述氮循环对植被冠层CO2通量、潜热通量、感热通量交换的影响，实现生物地球化学过程与生物物理过程在陆面过程模式中的有机耦合。该碳-氮循环耦合方案通过在陆面过程模式中引入氮循环，描述氮循环与碳循环的动态相互作用，对于完善当前地球系统模式的生物地球化学过程描述，改善陆地生态系统碳循环的模拟效果具有重要意义。

本项目的主要目的是在陆面过程模式中耦合碳－氮循环参数化方案，改进陆面过程模式模拟性能。为此，我们进行了一系列关于碳、氮循环数据整理与分析、模式参数化改进、模式性能评估等工作。通过本项目研究，我们基于通用陆面过程模式发展了一套过程较为完备、可用于地球系统模式研究的陆地生态系统碳、氮循环参数化方案，还有大量可以用来验证模式结果的资料（包括：植被和土壤的碳、氮库、各碳通量、土壤水、热通量等等），为该工作的后续研究提供数据保证。其次，我们使用一系列观测和代用资料对模式在站点和全球尺度上的模拟能力进行检验。最后，我们运用改进的模式对20世纪陆地碳循环的时空分布及其变化进行了模拟试验，从多个方面检验了陆面过程模式对陆地碳、氮循环时空分布变化的模拟能力。本项目在执行中，我们与国内外同行进行合作交流，多人次参加国外相关学术会议、并在国际知名的地学刊物上发表了多篇高质量的文章。