《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之三十三

编者按  为给全国煦丰碳中和组织各级工委，国内985、211、双一流等高校，全球碳排放权、碳汇交易机构提供全球范围内的碳汇形成分类和碳汇计算评估方法学专业理论知识和具体实践办法，全国煦丰碳中和知识产权组织和《碳同化碳中和组合物光合溶剂、其制备方法及其应用》发明专利发明团队编著了中共中央国务院新质生产力杰出代表/煦丰碳中和技术培训系列教材之九《碳汇形成分类与计算评估方法学概论总目录》。本教材总目录共分37章172节570分节。今天发布的是：

《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之三十三

第33章

陆地生态系统模型及在

碳汇计算评估中的作用

陆地生态系统模型，它把我们之前讨论的多个模型类型（特别是经验统计模型和过程模型）串联了起来。陆地生态系统模型是碳汇科学中最核心、最综合的机理模拟工具。

下面将详细解析，并特别对比它与我们已讨论的其他模型（经验统计、过程模型、IAMs、清单模型）的关系。

第01节  什么是陆地生态系统模型

一、核心定义

陆地生态系统模型是一种基于物理、化学和生物学原理的计算机模型，用于模拟陆地生态系统（森林、草地、农田、湿地等）中碳、氮、水、能量等元素和通量的动态循环过程。

你可以把它理解为一个虚拟的生态系统实验室。它不依赖直接测量（如样地调查），而是通过数学方程来模拟：

（一）植物如何通过光合作用吸收CO₂（GPP）。

（二）植物和土壤如何通过呼吸作用释放CO₂（Ra,Rh）。

（三）碳如何在植物体（叶、茎、根）、凋落物、土壤有机质之间转移和储存。

（四）气候（温度、降水、辐射）、CO₂浓度、养分（氮、磷）如何影响这些过程。

二、关键特点

（一）机理驱动

模拟的是生态系统内部的因果关系，而非统计相关关系。

（二）动态模拟

可以模拟碳汇随时间（日、月、年、百年）的连续变化。

（三）多过程耦合

同时模拟碳、氮、水循环，以及它们之间的相互作用（如水分胁迫会限制光合作用）。

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三、典型代表

（一）全球尺度

ORCHIDEE（法国）、JULES（英国）、CABLE（澳大利亚）、LPJ-GUESS/LPJmL（瑞典/德国）、CLM（美国）。

（二）区域/景观尺度

BIOME-BGC、CENTURY（主要用于土壤碳）、RHESSys（流域尺度）。

第02节  在碳汇计算

评估中的地位：科学闭环的核心引擎

陆地生态系统模型在碳汇评估中处于不可替代的核心科学地位。

一、连接“小尺度”与“大尺度”的桥梁

它利用小尺度的机理知识（如光合作用酶动力学、土壤微生物分解模型）来模拟大尺度（全球、大陆）的碳汇动态。没有它，我们无法解释为什么全球碳汇会随着气候变化而波动。

二、未来预测的唯一科学工具

经验统计模型无法预测未来，清单模型只统计已发生的。只有陆地生态系统模型可以在未来气候情景（如RCP 8.5）下，预测碳汇会如何响应（例如，亚马孙雨林是否会碳汇变为碳源）。

三、连接“过程模型”与“集成评估模型”的关键

它是集成评估模型（IAMs）中碳循环模块的核心。IAMs使用陆地生态系统模型的简化版本或参数化方案来计算土地利用变化和气候变化对碳汇的影响。

第03节  在碳汇计算评估中的作用

一、定量理解碳汇的“驱动因素”

它能分离出不同因子（如大气CO₂施肥效应、气候变化、氮沉降、土地利用变化）对碳汇变化的相对贡献。例如，模型可以告诉你：“过去20年，这片森林碳汇增加了30%，其中20%来自CO₂施肥，10%来自气候变暖延长了生长季。”

二、模拟碳汇对气候变化的反馈

这是最致命、最前沿的作用。模型能模拟正反馈（如土壤升温释放出更多的CO₂，进一步加剧变暖）和负反馈（如CO₂施肥促进植物生长，吸收更多CO₂）。这些反馈是评估气候临界点的关键。

三、支持全球碳预算评估

每年由全球碳项目（Global Carbon Project）发布的全球碳预算，其陆地碳汇的不确定性主要来自不同陆地生态系统模型（如ORCHIDEE、LPJ-GUESS）的模拟结果。

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四、为政策制定提供“如果……会怎样”的推演

例如，模拟“大规模植树造林”对全球陆地碳汇的贡献，以及其可能带来的水、养分和生物多样性权衡。

第04节  在碳汇计算评估中的意义

一、从“是什么”到“为什么”的根本跨越

与经验统计模型（回答“现在是什么”）不同，它从根本上回答了“为什么”——即生态系统的内在机理，使得科学认知从现象描述上升到因果解释。

二、连接地球系统的关键纽带

陆地生态系统模型是地球系统模型（ESM）的重要组成部分，它将碳循环与气候系统紧密耦合，是理解地球系统变化、预测未来气候的关键工具。

三、为“碳中和”路径提供科学边界

通过模拟不同情景下的碳汇潜力，它回答了“在自然生态条件下，我们最多能依靠自然碳汇吸收多少碳？”为人工减排和负排放技术的需求提供科学依据。

四、发现未知的“临界点”和“风险”

它能暴露一些潜在风险，如“亚马逊雨林在高温干旱下会从碳汇变为碳源，且可能导致全球碳循环的突变”。这种预警是其他模型无法提供的。

第05节  它与其他模型的关系

为了让你更清晰地理解，这里用一个表格总结陆地生态系统模型与我们已经讨论过的三类模型的关系：

一、模型类型/核心问题/与陆地生态系统模型的关系

（一）经验统计模型

现在这片区域的碳储量是多少？依赖关系：陆地生态系统模型的模拟结果（如NPP、碳储量）需要经验统计模型基于样地数据的结果进行校准和验证。

（二）清单与计算模型

实际发生的碳汇量是多少？如何核算？补充关系：清单模型提供已发生的总量（年报），而陆地生态系统模型提供过程机制和未来预测。两者结合，才能解释清单为何变化。

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（三）集成评估模型（IAMs）

未来需要多少碳汇？成本多少？包含/简化关系：IAMs内部嵌入了陆地生态系统模型的简化版本（如碳循环模块），用于计算土地利用和气候变化对碳汇的影响，但其参数化和变量是基于陆地生态系统模型结果。

（四）陆地生态系统模型

为什么碳汇在变化？未来会如何？核心科学工具：它在四个模型中处于科学核心位置，为其他模型提供机理基础和未来情景预测。

二、一句话总结

陆地生态系统模型是碳汇科学领域的“理论物理学家”，它不满足于描述现象（样地调查），也不定义规则（清单模型），而是致力于理解生态系统这台精密机器内部每一颗螺丝钉如何运转。

它是我们预测未来、理解风险、制定科学碳管理策略的终极科学引擎。