陆地生态系统碳氮磷耦合过程模型 (TECO-CNP Sv1.0)

模型开源网址：

        http://www.tecocnp.com

模型简介：

        陆地生态系统模型是生态学研究的重要工具，能够深化我们对于生态系统功能的理解，并预测其在全球变化背景下的动态响应。浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站在国际学术期刊 Geoscientific Model Development 上在线发表了陆地生态系统碳氮磷耦合过程模型（Terrestrial ECOsystem Carbon, Nitrogen, Phosphorus Coupled Model; 以下简称“TECO-CNP”）Sv1.0版本。该模型为深入理解常绿阔叶林生态系统中碳、氮、磷的耦合循环机制及其对全球变化的响应，提供了关键的技术支撑与模拟平台。

        天童国家站位于浙江省宁波市天童国家森林公园内（北纬29º48’，东经121º47’）。 该区域由栲树、木荷、米槠、云山青冈等优势种构成，是典型的常绿阔叶林生态系统。台站建有多类型科研样地，涵盖森林动态监测样地、多项控制实验及恢复示范平台，形成了研究生态系统结构、功能、动态与环境响应的综合体系。长期、系统且高质量的观测数据为过程模型的开发与评估奠定了核心的数据基础（图1）。

        TECO-CNP模型（Sv1.0版本，图2）包含了植物、凋落物以及土壤有机碳、氮、磷库和土壤无机氮、磷库，并模拟各库之间的物质交换过程。该模型全面地呈现了碳氮磷循环在生态系统中的紧密耦合关系，总体包含四类耦合机制和过程：(1) 植物体内养分浓度与养分供需关系调控的生长速率；(2) 氮磷有效性依赖的碳分配模式；(3) 微生物介导养分有效性制约的有机质分解过程；(4) 由碳成本驱动的养分获取策略。这些基于过程的机理更真实地模拟了陆地生物地球化学循环。

        基于天童国家站永久森林动态样地的观测数据，研究首先评估了TECO-CNP模型的模拟性能。结果显示，完整的碳氮磷耦合模型比仅含碳或碳氮的简化版本能更准确地再现植物与土壤中碳、氮、磷库的观测值。进一步利用该站2021年的碳通量数据，研究对碳输入与滞留相关的关键参数进行了同化优化。参数优化后，模型对总初级生产力、生态系统呼吸及净生态系统交换的模拟精度显著提升，具体表现为均方根误差的降低与观测-模拟一致性相关系数的提高（图3），验证了该模型在亚热带常绿阔叶林生态系统中的适用性。

        此外，TECO-CNP模型内置了基于贝叶斯定理的数据同化算法，该算法通过融合模型模拟与观测数据，反演获得关键参数的后验概率分布，实现了模型参数在站点尺度的系统自动优化。嵌入式数据同化框架也极大增强了模型的可拓展性，为未来应用于多区域、多生态系统类型的模型-数据融合研究奠定了基础。

图1天童亚热带常绿森林观测系统的示意图

图2 TECO-CNP模型中库和通量的示意图

图3 2021年天童站点周尺度碳通量观测值与使用默认参数与优化参数的模型模拟值的对比。(a-c) 观测值（黑色圆点）与默认参数（蓝色实线）、优化参数（红色实线）模拟值的时间序列对比，其中优化结果从数据同化过程接受的10,000组参数中随机抽取1000组进行计算。图中阴影区域表示标准差。(d-f) 对应时间序列的模拟值与观测值散点图，虚线为1:1基准线。统计指标：相关系数（correlation coefficient，CC），均方根误差（root mean square error，RMSE）

原文链接：

https://gmd.copernicus.org/articles/18/7545/2025/