在科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和研究所等项目持续支持下,基于多尺度多过程土壤-植被-大气系统物质和能量传输的机理认识,莫兴国研究小组自主建立了植被界面分布式生态水文动力学模型(简称VIP模型), 开发了模型可视化输入和输出图形界面。自2009年在所网被报道以来,VIP模型研究又获得新的进展。
1. 生态系统关键参数化方案的更新、不确定性分析和区域化 对生态水文过程系统的认识深入和不确定性分析推动模型发展,参数的区域化是生态水文模型能否成功用于区域的基础。王昆等(2010a)对VIP模型的一些参数化方案进行了更新,包括基于相对生育期的根深动态、根系分布密度和比叶面积季节变化的表达,使模型能从机理上更合理地描述作物同化物分配及土壤水分运动。王昆等(2010b)应用 GLUE方法,发现最大光合速率Vcmax、饱和含水量、田间持水量参数是模型的敏感参数。 Hu 和 Mo (2011; 2012)详细研究了VIP模型中的描述光合作用的重要参数——Vcmax的区域化。通过在VIP模型中同化遥感植被指数序列和区域统计产量数据,获得了Vcmax参数值的空间格局,依此显著提高了华北平原作物产量和耗水量的模拟预测精度。该新方法与常用的叶面积指数直接驱动法相比,模拟得到的产量更可靠。
2. VIP模型验证和评估 模型的验证效果是检验模型能否获得广泛应用的关键。Mo等(2012a)采用华北平原小麦玉米连作系统连续三年的生物、土壤水分和涡度相关资料对VIP模型进行了全面验证和评估。结果显示模型能较满意地模拟作物生物量演化、生理过程和土壤水分。模拟的每30分钟二氧化碳、水分和能量通量与涡度相关观测相吻合。日尺度的净辐射、潜热(ET)和净生态系统生产力(NEP)的均方根误差分别为1.0 MJm-2day-1、 1.8 MJm-2day-1 和2.6 gCm-2day-1。预测的年NEP的三年的偏差分别是18、9 和 -29%。根据参数分析,模型预测的ET和NEP不确定性分别为16.5% 和 35.6%。程迁和莫兴国(2010)根据内蒙古典型羊草草原观测数据,验证了VIP模型碳通量和生物量的模拟。
3. 气候生态水文要素的空间变异格局和时间变化趋势。较高空间分辨率和较长时间序列气候生态水文要素的获取对生态水文预报、精细化农业和水土资源管理等至关重要。Mo和Qiu等(2011)融合欧洲遥感SCAT卫星的反演数据、VIP模型模拟数据和实测数据等多种数据源,获得了白洋淀流域的根层土壤含水量的时空分布。Mo和Meng(2011)采用VIP 模型模拟了南方西苕溪流域的径流的时空格局,并开展了趋势预测,发现该流域过去50年蒸散、降水和径流增加,但只有蒸散的趋势显著。Huang 等(2011)采用VIP模型分解了内蒙古草原生长期的土壤蒸发和植被蒸腾,发现植被蒸腾约占总蒸散的33-74%,植被呼吸对降水的响应高峰相应于蒸散对降水的高峰要延迟1到2天。程迁和莫兴国(2010)模拟分析了1958-2007年该生态系统碳循环特征及其与环境因子的相关关系,揭示了羊草草原生态系统总初级生产力(GPP )、净初级生产力(NPP )和生态系统呼吸(Re )在1958-1973年间下降, 1973-1993年间增长, 1993年后又出现下降的趋势。Liu 和Zhang等(2011)在提出了一个表征人工绿洲面积的新指标之后,采用VIP模型模拟了阿克苏流域的蒸散的时空格局,进而建立了一个估算绿洲耗水的新方法,依此得到阿克苏流域的绿洲耗水量。
4. 气候变化对华北平原作物产量的影响。小组采用VIP模型对气候变化对华北平原作物产量的影响进行了详细研究(Mo等2009a;Liu 等2010)。针对华北平原冬小麦-夏玉米作物轮作系统,采用南北比较、多站比较和分布式模拟,揭示了华北平原作物产量对包括气温、降雨和大气二氧化碳肥效的气候变化情景的响应。发现,扣除化肥等农业管理技术进步措施的影响,华北平原过去50年产量逐年增高仍与较适宜的温度、降水和CO2浓度等气候条件相关。通过对未来的模拟,得到如下认识:第一,若温度增加,特别是夜间温度增加,总体上将导致华北平原作物减产,作物生长季缩短是导致减产的主要因素之一。第二,大气CO2肥效、灌溉、降水增加将减缓甚至扭转升温给作物产量带来的负效应。第三,上述减缓和扭转将带来小麦增产,玉米的减产幅度减小。作为C4作物的玉米对CO2肥效的反应不及作为C3作物的小麦强烈,是导致这种差异的主要原因。据此,小麦可能更可能从气候变化中获益。第四,华北平原北部的减产效应小于南部。这是因为光合作用更易在CO2反应更充分的条件下发生,大气CO2的“施肥”效应对增温的抵消作用在干旱的华北北部强于湿润的南部。因此,南部的水资源虽然较北部丰富,但在气候变化情景下,南部农业产量应对气候变化未必有绝对优势。基于此,南水北调对充分发挥北部粮食生产潜力的作用具有重要的意义。第五,在IPCC气候变化A1和B2两种情景下,华北平原冬小麦产量将增加, 最大增幅为19%,发生在A2情景的2070s年代。夏玉米产量将下降,最大减幅为15%,发生在A2情景的2090s年代。这些结论已被世界银行“黄淮海农业对气候变化的响应和适应计划行动”采纳,为制定农业的气候变化适应措施、保障国家粮食和水资源安全提供了科学依据。
5. 生态水文过程对气候变化和环境变化的响应机制及调控适应VIP模型因其基于多尺度多过程土壤-植被-大气系统物质和能量传输的机理认识,有助于理解生态水文过程对气候变化和环境变化的响应机制并提出调控适应措施。Mo等(2009b)采用VIP模型模拟了黄土高原的水文过程对气候变化的响应。发现径流对气候变化响应敏感,相应于降雨变化10%,温度增加1°C的气候变化情景,径流的变化范围为11-25%,显示径流对降雨的变化有放大作用,而温度增加对径流具有消减作用。Mo 等(2009a)采用VIP模型模拟了华北平原的耗水和水分利用效率,发现假设作物品种特性一致,从1951-2006年,冬小麦生长季内的蒸散量没有明显增强趋势,但是夏玉米的蒸散量随时间有明显下降趋势。从1950s到2000s 夏玉米的蒸散量减少了30 mm。Mo 等 (2012b)通过WRF大气模式生成气候本底,根据6个GCM模型获得2050年IPCC SERS B2a和A2a的气候变化情景,采用VIP模型研究了华北平原作物耗水对气候变化的响应。发现作物对热量的需求保持不变,整个空间上小麦生长期的耗水的变幅在B2a情景下为-7%到0,A2a情景下的变幅为-8到2%。玉米生长期的耗水的变幅在B2a情景下为-10%到8%,A2a情景下的变幅为-8到8%。然而,若作物生长周期基本保持不变,作物的耗水将大大增加(Mo 等2009a)。因此,为保障粮食安全,稳定作物产量,作物生育期会维持或延长,从而增加了农业水资源安全的风险。
VIP模型研究文章已被广泛引用,迄今被SCI文章引用次数约380次。研究成果正在以咨询报告、培训班、国内和国际合作等形式应用于社会,为媒体关注。
相应的研究论文:
1) Mo, Xingguo(莫兴国), Suxia Liu(刘苏峡), Zhonghui Lin(林忠辉), Jun Li(李俊), 2012a. Evaluation of an ecosystemmodel for a wheat–maizedouble cropping system over the North China Plain. Environmental Modelling and Software, 32: 61-73. (SCI, impact factor=3.114)
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3) Hu Shi(胡实), Mo Xingguo(莫兴国). 2012. Prediction of crop productivity and evapotranspiration with two photosynthetic parameter regionalization methods,Journal of Agricultural Sciences,accepted (SCI, impact factor=2.041).
4) Hu Shi(胡实), Mo Xingguo(莫兴国), 2011. Interpreting spatial heterogeneity of crop yield with a process model and remote sensing. Ecological Modelling, Volume 222, Issue 14, 24 July 2011, Pages 2530-2541 (SCI, Impact factor=2.326)
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18) “我所自主开发的生态水文动力学模式(VIP模式)研究进展” http://www.igsnrr.ac.cn/xwzx/kydt/200901/t20090120_1813900.html