mini综述 | 水文-生物地球化学模型研究综述

陆地生态系统在地球生态系统中起着重要的作用，它与流域水循环过程相互作用、相互影响。一方面，生态系统需要一定的水分条件作为支撑，水文循环系统的变化会使生态系统发生演替；另一方面，不同植被条件下的产汇流过程不同，生态系统的变化又反过来影响水文循环过程的演变，并影响水资源的数量与构成。目前，生态系统模型和流域水文模型都得到了广泛的开发应用，加强二者的耦合可以更好地研究陆地生态系统与流域水循环的相互作用。现有的主流水文-生物地球化学模型，大多是集总式或基于水文响应单元（HRU）的半分布式水文模型与生物地球化学过程进行静态或动态耦合，主要包括：

（1）在流域水文模型中耦合进生物地球化学过程，以SWAT为例：

SWAT-N模型：将具有物理机制的生物地球化学模型（DNDC）和CropSyst模型中的N模块耦合到SWAT中，替代原来基于EPIC模型的N循环过程，构建了SWAT-N模型，模拟了德国小流域氮输出负荷。

Pohlert T, Huisman J A, Breuer L, et al. Integration of a detailed biogeochemical model into SWAT for improved nitrogen predictions—Model development, sensitivity, and GLUE analysis[J]. Ecological Modelling, 2007, 203(3-4): 215-228.

SWAT-C模型：整合了CENTURY模型中的土壤有机质（SOM）模块，目的是使SWAT模型能够模拟农业生态系统的温室气体（GHG）排放。在SWAT-C中，土壤碳氮循环是耦合的，主要通过矿化、固定化、硝化和反硝化过程来控制。在美国中西部的六个地点对模型进行测试，结果表明，SWAT-C能够很好地模拟空间分布站点的多年平均NEE和ET，并在每个站点的日尺度上捕获这两个变量的大部分时间变化。

Zhang X, Izaurralde R C, Arnold J G, et al. Modifying the Soil and Water Assessment Tool to simulate cropland carbon flux: Model development and initial evaluation[J]. Science of The Total Environment, 2013, 463-464: 810-822.

SWAT-GHG模型：通过改进SWAT模型中的硝化反硝化过程模块，将碳氮循环与土壤温度、含水量及pH值耦合来模拟预测农业土壤N ₂ O排放。

Wagena M B, Bock E M, Sommerlot A R, et al. Development of a nitrous oxide routine for the SWAT model to assess greenhouse gas emissions from agroecosystems[J]. Environmental Modelling & Software, 2017, 89: 131-143.

SWAT-N ₂ O模型：通过将Daycent模型中的硝化、反硝化及N ₂ O产生模块与SWAT模型进行耦合，对三种农业系统的土壤N ₂ O排放进行模拟。其N ₂ O排放模块同样是基于过程的机理模型。

Yang Q, Zhang X, Abraha M, et al. Enhancing the soil and water assessment tool model for simulating N2O emissions of three agricultural systems[J]. Ecosystem Health and Sustainability, 2017, 3(2): e01259.

SWAT-N ₂ O coupler tools：通过对文献、在线数据库等数据采集，获取大量有关气候、土壤理化性质及相应N ₂ O排放量数据建立土壤N ₂ O排放数据库，在此基础上运用逐步回归分析方法构建土壤N ₂ O排放评估模型；通过将基于过程的陆地水文生态模型(SWAT)与经验统计方程耦合，即以SWAT模型输出的土壤环境模拟参数(土温、土壤 含水量、土壤含氮量等)作为经验统计模型的输入数据，来模拟具有较高时空分辨率的土壤N ₂ O排放。

Gao X, Ouyang W, Hao Z, et al. SWAT-N2O coupler: An integration tool for soil N2O emission modeling[J]. Environmental Modelling and Software, 2019, 115: 86-97.

（2）改进生物地球化学模型以增强水文过程：

将SCS径流曲线和MUSLE土壤流失方程引入DNDC模型，实现流域尺度地表径流、土壤侵蚀、氮流失的模拟。

Deng J, Zhu B, Zhou Z, et al. Modeling nitrogen loadings from agricultural soils in southwest China with modified DNDC[J]. Journal of Geophysical Research, 2011.

（3）通过外部耦合器连接流域水文模型和生物地球化学模型：

开发了SWAT-DayCent耦合器，将SWAT模型的HRU输出设置为DayCent模型的输入，直接驱动DayCent模型，实现了SWAT模型和DayCent模型的同步模拟。

Wu Y, Liu S, Qiu L, et al. SWAT-DayCent coupler: An integration tool for simultaneous hydro-biogeochemical modeling using SWAT and DayCent[J]. Environmental Modelling & Software, 2016, 86: 81-90.

通过外部耦合器实现分布式流域水文模型CMF与一维生物地球化学模型LandscapeDNDC的全耦合。

Haas E, Klatt S, Fröhlich A, et al. 2013. LandscapeDNDC: A process model for simulation of biosphere–atmosphere–hydrosphere exchange processes at site and regional scale [J]. Landscape Ecology, 28(4): 615−636.

（4）水文-生物地球化学模型的双向紧密耦合

将生物地球化学模型DNDC复杂碳氮循环等核心动力学过程(如反硝化、硝化、分解和发酵过程)耦合到流域生源要素管理模型(CNMM)的分布式水文模块DHSVM框架内,实现基于水文过程和碳氮循环机理模拟流域水碳氮循环。

郑循华, 李思琪, 张伟, 等. 2024. 陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展[J]. 大气科学, 48(1): 92−107.

将PAWS（Process-based Adaptive Watershed Simulator）模型与CLM模型（Community Land Model）耦合分析不同土地利用/植被覆盖以及地下水对蒸散发及净初级生产力的影响。

SHEN C，NIU J，PHANIKUMAR M S. Evaluating controls on coupled hydrologic and vegetation dynamics in a humid continental climate watershed using a subsurface-land surface processes model [J]. Water Resources Research，2013，49（5）：2552-2572.

将分布式时变增益水文模型（Distributed Time Variant Gain Model，DTVGM）与生物地球化学循环模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach Carbon Nitrogen Phosphorous，CASACNP）进行双向紧密耦合，构建DTVGM-CASACNP模型，由流域水循环模块、能量平衡模块、光合作用模块、碳氮磷生物地球化学循环模块等4大部分组成。

Zeng S, Xia J, Chen X, et al. Integrated land-surface hydrological and biogeochemical processes in simulating water, energy and carbon fluxes over two different ecosystems[J]. Journal of Hydrology, 2020, 582: 124390.

流域生物地球化学循环与水文耦合过程既是陆地—水生生态系统的最为重要的物质循环过程，又是能量传输和养分循环的载体。对生态水文过程的充分研究了解是分析气候变化及人类活动对流域自然环境、社会经济影响的基础。就近年的模型发展趋势而言，水文模型从集总式、半分布式到分布式，生态系统模型从静态植被到动态植被，刻画的过程从经验统计、植被生长过程到能量交换、光热辐射过程，二者的耦合方式也由松散耦合向双向紧密耦合发展，均体现了不断深入、还原度逐渐提升的模拟趋势。但是，相对于统计经验模型而言，基于过程机理的模型需要收集或实际测定被研究地点或区域的长时间序列的大量参数，双向耦合的三维模型如何兼顾模拟的精细化程度、可操作性和模拟效率，可能是需要进一步思考和解决的问题。

张宇涵 | 供稿

   林永强 | 编辑

      陈磊 | 审核