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生态学模拟模型是定量研究植物与环境关系的基本手段,是目前生态学研究中的热点问题之一。生态系统模型向上尺度转换过程中的植物功能类群划分与合并问题一直以来是生态系统模型研究中的一个难点,尽管好多经典的模型也涉及到类群合并,但大都采取回避或者很简化的方法来完成此部分工作。这些模型一般采用某种方法来合并植物类群,如将多种植物根据生活型或生长型划分成少数几个功能类群来进行模拟,并没有测试不同的植物类群合并方法模拟的不同效果。
如何划分植物功能型或合并植物类群,才能在模型中更加准确地预测系统整体行为,是生态系统模拟中基础但又十分重要的问题。这个问题的有效解决,可以为大尺度的景观动态模拟提供更加坚实的理论基础。近年来,随着信息技术和机理模型的深入发展,生态学者对模型精度的要求越来越高,使得生态系统模型向上尺度转换过程中的类群合并问题变得十分必要且日趋迫切。
本文以内蒙古自治区太仆寺旗典型草原为例,构建了内蒙古典型草原生态系统模拟模型。模型包括气孔导度、净光合速率、同化物分配和生物量动态模块,以及土壤水分动态模块。并以此模型为工具,测试了生态系统模型中分别采用低层次聚合(包括3种合并方法:牛活型、优势度和牛理参数合并方法)和高层次聚合(虚拟种合并方法)共4种植物类群合并方法的模拟效果。通过各种方法的模拟结果与观测值的对比以及各种方法之间的对比,探讨了不同方法的模拟精度和优缺点。试图寻找一种或几种较好的合并方法,给同类研究以借鉴。
本文的主要结果与贡献如下:
1、总结了低层次(包括3种方法:生活型、优势度和生理参数)和高层次(虚拟种方法)聚合共4种植物类群合并方法。
2、提出评判不同类群合并方法优劣的三个标准:1) 各合并方法观测值与模拟值的决定系数R<2>和相对均方差NRMSE;2)各合并方法的模型结构、参数设置和运行时间;3) 各合并方法多年模拟的稳定性。好的方法应该具备较高的R<2>和较小的NRMSE,以及尽量简单的模型结构、较快的运行速度和较稳定的常年模拟。
3、对4种合并方法地上牛物量的模拟值与观测值对比分析后,得出如下结论:低层次聚合的方法(生活型、优势度和牛理参数方法)一般要比高层次聚合(虚拟种方法)的R<2>(低层次聚合平均R<2>为0.89,高层次聚合R<2>为0.70)高,NRMSE(低层次聚合平均NRMSE为0.06,低层次聚合NRMSE为0.20)低,这说明最高层次的聚合尽管大大降低了模型复杂程度和参数数量,但可能会丧失一些重要信息,这种简化是以牺牲模拟准确度作为代价的。土壤含水量的模拟有与此类似的结果。
4、同一聚合层次,综合决定系数R2和相对均方差NRMSE两个指标来看:优势度合并方法模拟效果最好,这种方法模拟精确度较高,相对均方差较小;其次是生理参数合并方法较好;生活型合并方法模拟精度较低,相对均方差较大;虚拟种合并方法准确度最低,相对均方差最大。
5、提出多植物种存在的自然生态系统建模工作的可操作性步骤:第一步,根据研究目的和对模型精度的要求,选择合适的合并级别和合并方法;第二步,根据所选类群合并方法通过非线性最小二乘法等方法确定模型参数;第三步,以平衡态模拟结果作为初始值进行常年模拟测试方法的适用性;第四步,应用所选方法进行模拟和分析研究。
6、首次以代表植物生理生态意义的机理模型参数为分类指标,将研究区植物分成强抗旱中光合、中抗旱强光合、低抗旱低光合植物功能类群,这样处理,将模型参数与植物功能特点联系到了一起。本文将其作为一种合并方法应用于生态系统模型,模拟结果与观测值的对比证明了这种类群合并方法的可行性,统计分析表明这种合并方法具备可以接受的模拟精度和相对均方差(地上牛物量模拟值与观测值R<2>为0.90,相对均方差NRMSE=0.07)。
7、构建了内蒙古典型草原生态系统模拟模型,模型包括太阳辐射模拟、生物量动态和净第一生产力模拟、土壤水分模拟三个模块。经检验地上生物量模拟值和观测值R<2>最高可达0.92。说明本模型各种合并方法用于太仆寺旗草原模拟都是可行的。