基于物候参数化的改进VPRM模拟2002—2021年华北平原冬小麦碳汇时空格局

《Ecological Indicators》：Spatiotemporal patterns of winter wheat carbon sinks in the North China plain simulated by an improved VPRM with phenology-based parameterization during 2002–2021

　　

理解农业区域碳通量的时空动态对于保障粮食安全和实现碳中和至关重要。本研究通过整合更详细的生态系统呼吸遥感模型（Remote Sensing Model for Re，ReRSM）进行生态系统呼吸模拟，并通过精确的生育期划分实施基于物候的参数化方案，开发了一种改进的植被光合与呼吸模型（Vegetation Photosynthesis and Respiration Model，VPRM）。将该改进VPRM模型应用于模拟2002—2021年华北平原（North China Plain，NCP）冬小麦的净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity，NEP）。与NCP三个站点的通量观测对比验证表明，模型性能显著提升，与原始VPRM相比，R²从0.72提高到0.82，均方根误差（RMSE）从2.08 gC m^?2 d^?1降低到1.50 gC m^?2 d^?1。研究结果表明，在20年研究期内，NCP冬小麦生态系统持续发挥碳汇功能，多年平均NEP为每生长季438.97 ± 88.64 gC m^?2。在空间上，碳固定能力表现出显著的区域差异，东南部地区的碳汇强度强于北部和边缘地区。在时间上，NEP在整个研究期呈统计显著增加趋势，季节间年际变化范围为270.87～613.92 gC m^?2。这种碳固定增强似乎由气候变暖效应与大面积实施的高标准农田基础设施共同驱动。该研究为准确量化农田碳通量提供了稳健的方法框架，并为制定有针对性的农业管理策略以增强主要粮食产区碳汇提供了科学支撑。

在全球气候变化背景下，降水格局与温度状况的改变导致自然灾害频发，对农业生态系统构成严重威胁。作为全球最大发展中国家，中国需要养活全球约18.9%的人口，同时也是CO₂排放大国，因此推动农业系统与碳减排协同发展成为紧迫挑战。净生态系统交换（NEE）或净生态系统生产力（NEP）是生态系统碳循环的核心概念，与农业生产力密切相关。华北平原（NCP）是我国最主要的冬小麦产区，约75%的冬小麦种植面积集中于此。目前对NCP冬小麦系统碳循环的研究多依赖有限站点的涡度相关通量观测，但这类观测通常时长较短、空间代表性有限，难以充分反映碳通量的区域异质性和长期趋势。冬小麦生长季跨秋、冬、春至初夏，经历越冬、返青、快速生长、成熟等阶段，冠层结构、光合能力和生态系统呼吸过程均随生育期显著变化，因而需要发展能够刻画作物物候转变的区域尺度碳通量模拟方法。

已有VPRM模型在区域碳通量模拟中应用广泛，但存在三方面不足：将生态系统呼吸简化为温度的线性函数；将最大光能利用率λ作为常数；未充分考虑作物特异性物候过程及其对碳交换的调控。部分研究虽尝试针对作物进行改进，但多采用简化生长季定义或侧重站点尺度，尚缺乏显式考虑详细物候转变的区域尺度冬小麦碳收支评估。因此，研究人员将VPRM与更具生理机制的ReRSM呼吸模型耦合，结合遥感物候信息划分冬小麦生育期，实施分阶段参数化，以改进NCP冬小麦碳通量模拟。该研究基于固城、栾城、禹城三个通量站点的观测数据进行模型校准与验证，并利用馆陶、微山两个独立站点评估参数可迁移性，最终模拟了2002—2021年NCP冬小麦全生长季逐日NEE，并以NEP定量区域碳汇强度。该研究发表于《Ecological Indicators》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：利用Savitzky-Golay滤波和三次样条插值对增强型植被指数（EVI）时间序列进行平滑与逐日插值；基于EVI_SG曲线识别返青、快速生长、峰值、收获前衰退和播后出苗等5个关键物候点，将冬小麦生长季划分为播后至返青前、缓慢生长、快速生长和抽穗后四个阶段；将ReRSM呼吸模块引入VPRM，利用逐日昼夜地表温度（LST）驱动半日尺度呼吸模拟；按生育阶段对最大光能利用率λ、半饱和光合有效辐射PAR₀、呼吸参数等进行分阶段参数优化；采用最小二乘方法进行站点校准，使用独立观测进行验证；区域模拟中采用30 m冬小麦分布图作为参考网格，利用双线性插值完成多源遥感与气象数据空间统一，并以Theil-Sen斜率和Mann-Kendall检验分析NEP长期趋势。通量观测数据来自NCP三个开放站点，分别覆盖固城2020—2022年、栾城2013—2017年、禹城2003—2010年；独立验证站点馆陶和微山分别提供2005—2006年和2009—2010年数据；冬小麦空间分布数据来自Dong等（2024），高标准农田（WFF）累计面积数据来自Turup等（2024）。

研究结果方面，在3.1站点和区域尺度生育期划分的时空格局中，研究人员发现三个站点的EVI_SG曲线每年呈现三个特征峰值，分别对应冬小麦生长趋近最大速率、夏玉米生长季和冬小麦分蘖期；5个关键物候点的识别结果较为稳定，标准差为2.73～11.05天；四个生育阶段平均长度分别为107、23、36和35天。区域尺度上，返青日期（关键点a）多年均值为第49天，峰值日期（关键点c）多年均值为第109天，且两者均呈现明显的南北梯度，纬度越高物候期越晚。

在3.2改进VPRM的站点尺度验证中，与原始VPRM相比，改进模型在三个站点均表现更优。总体来看，将三个站点数据合并后，R²提高0.10，RMSE降低0.576 gC m^?2 d^?1；其中固城站点改进最为显著，R²从0.40升至0.84，RMSE从2.844降至1.416 gC m^?2 d^?1。分生育阶段看，原始模型在快速生长和抽穗后阶段显著高估NEE，而改进模型能够同步捕捉碳汇增强引起的NEE下降趋势，偏差分别仅为0.516和0.648 gC m^?2 d^?1。

在3.3华北平原冬小麦NEE时空动态中，区域平均日NEE呈现明显季节模式，分蘖后NEE降低，越冬期相对稳定，返青后快速下降，至峰值生长时达到最低值?10.97 gC m^?2 d^?1，此后随成熟收获逐渐回升。2002—2021年生长季平均NEE总体呈下降趋势，多季平均为?2.32 gC m^?2 d^?1，表明冬小麦生态系统碳汇能力逐步增强。20年间NCP冬小麦生长季NEP范围为270.87～613.92 gC m^?2 season^?1，多年均值438.97 ± 88.64 gC m^?2 season^?1，区域始终表现为碳汇。空间上，碳汇较强区域主要分布在平原东南部，北部和边缘地区碳汇较弱；2002—2011年、2012—2021年和2002—2021年三个时段中，NEP呈增加趋势的面积比例分别为50.33%、46.01%和56.68%，其中2002—2021年显著增加区域主要集中在平原中部。

讨论部分，研究人员指出，ReRSM引入后对呼吸模拟的改进主要源于其能够更复杂地刻画温度、水分、底物供给等多因素对生态系统呼吸的调控，优于原始VPRM的线性温度函数；分阶段参数化则考虑了λ随生长阶段的动态变化，并通过返青期南北梯度与温度分布的一致性验证了物候划分的合理性。改进模型在关键碳汇增强阶段优势明显，但在返青前和缓慢生长阶段仍存在系统性高估，可能与该阶段冠层覆盖低、土壤背景和田间管理影响较大有关。区域NEP估算结果与已有站点观测和区域研究在量级上基本一致，长期增加趋势与气候变暖、CO₂肥效及高标准农田（WFF）建设等潜在因素有关，但这些关联属于相关性证据而非因果归因。研究同时指出输入数据分辨率、参数空间可迁移性、通量足迹与模型像元不匹配以及仅评估冬小麦生长季碳收支等局限性，未来应整合更高分辨率输入数据、全年通量观测和过程模型情景模拟，以更全面评估农田碳汇动态。

研究结论部分翻译为：本研究表明，将ReRSM模型与基于物候的参数化方案引入VPRM，显著提高了NCP冬小麦逐日NEE模拟精度。站点验证显示，改进VPRM明显优于原始模型，R²从0.72提高到0.82，RMSE从2.08 gC m^?2 d^?1降低到1.50 gC m^?2 d^?1，且改进效果在冬小麦主要碳吸收阶段最为显著。2002—2021年时空分析表明，NCP冬小麦生态系统持续发挥碳汇功能，多年平均NEP为438.97 ± 88.64 gC m^?2 season^?1（范围270.87～613.92 gC m^?2 season^?1），并在20年间呈显著增加趋势。碳汇能力增强在NCP广泛存在，东南部地区较北部和边缘区域增强更为明显。该碳汇增强可能与气候变暖效应及高标准农田建设的广泛实施有关，后者提高了作物对环境胁迫的抵御能力。上述结果表明，纳入作物物候信息并改进生态系统呼吸表征对于提升区域尺度农业碳动态评估具有重要意义；对冬小麦碳汇变异的深入认识也为NCP可持续农田管理以及气候变化下基于自然的区域碳减排策略提供了科学依据。