CN114462242B - 基于动态步长的土壤有机碳分解中氧气调控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态步长的土壤有机碳分解中氧气调控方法及系统，涉及土壤有机碳分解相关技术领域，步骤1、运行模型，令当前时刻t＝t_i；步骤2、令土壤氧气传输模块时间步长t₀等于陆地表面模型时间步长t_M；步骤3、确定每一层土壤经过时间t₀所需的氧气消耗需求量；步骤4、若存在某一层土壤的氧气消耗需求量大于该层土壤现有氧气量，则进入步骤5，否则进入步骤6；步骤5、更新时间步长t₀、土壤氧气浓度和当前时刻，返回步骤3；步骤6、更新土壤氧气浓度和当前时刻，令t_i+1＝t_i+t_M，判断t是否等于t_i+1，若t＝t_i+1则进入t_i+1，返回步骤1，若t＜t_i+1则t₀＝min(t₀,t_i+1‑t)，返回步骤3。本发明可以对不同空间位置的土壤单元根据不同情况应用不同的步长，保证模型模拟的准确性，还能保证模型的运行效率。

Description

基于动态步长的土壤有机碳分解中氧气调控方法及系统

技术领域

本发明涉及土壤有机碳分解相关技术领域，更具体的说是涉及一种基于动态步长的土壤有机碳分解中氧气调控方法及系统。

背景技术

现有多数陆地表面模型中的土壤有机碳分解基于一级反应动力学，考虑土壤湿度和温度对分解速率的影响，但忽略氧气的限制作用。然而，土壤有机碳在有氧和无氧条件下的反应速率差别很大，反应的产物也不同。目前已有部分陆地表面模型考虑土壤有机碳分解的氧气限制，但仍然没有考虑氧气浓度对反应速率的影响。

陆地表面模型中已有的应用于模拟土壤中气体传输的算法可保证在一定浓度梯度下通过不同时间步长模拟计算的一定时间后的氧气浓度是一致的。对于土壤中的气体，如果土壤中不存在消耗，而只存在产生(包括传输)，或者消耗量永远小于土壤中的氧气含量，那么直接应用该算法，在各相关参数准确的情况下，理论上可以准确模拟气体在土壤中的浓度和传输。然而，对于一个在土壤中消耗可能大于产生的气体而言，一个步长内可以消耗的最大氧气量将会受步长的影响。在这种算法下，最大氧气消耗量将等于当前土壤单元内氧气浓度为0时一个步长可传输的氧气量，并且这个最大传输量在步长增加时会逐渐趋近于大气中的氧气浓度。在这样的情况下，对于氧气限制极其严重的土壤单元，或者模型步长较大时，如果将步长改变，一定时间内可消耗的最大氧气量就会随之改变，这是不合理的，尤其当模型步长较大时，会产生不切实际的氧气限制土壤有机碳分解的情况出现。例如，对于表层土壤，土壤孔隙中的氧气浓度基本等于大气中的氧气浓度，如果采用上述考虑氧气限制的算法，一个时间步长可消耗的最大氧气量实际上就会等于土壤孔隙中的氧气浓度为大气浓度时的氧气含量，在时间步长较小时，氧气的消耗量较小，运用该算法不会产生明显的问题，但当时间步长很大时，一个步长下土壤有机碳分解所需要的氧气量很容易超过该最大可消耗量。实际上，现有陆地表面模型中的土壤有机碳分解模块，时间步长一般为1天，就会很容易出现上述不符合实际的情况出现。虽然这种方法可以在一定程度上考虑氧气对土壤有机碳分解的限制作用，但是其模拟氧气浓度和传输的准确性会极大的受到模型模拟时间步长的影响。因此，基于此种算法，对于氧气需求量远大于氧气传输量的模型单元，改变时间步长，会得到不同有机碳分解量，从而降低模型模拟结果的准确性。此外，由于模拟的土壤氧气浓度准确性较差，基于实验获得的氧气含量与土壤有机碳分解速率之间的函数关系在应用于陆地表面模型中时会进一步给土壤有机碳的分解模拟带来不确定性。

由此可见，问题的关键在于氧气传输模拟的准确性严重受到模型时间步长长短的影响。因此，如何提供一种能够动态调整时间步长的氧气调控方法，以提高陆地表面模型的模拟准确性，保证模型运行效率，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，应用于陆地表面模型，所述陆地表面模型中包括土壤有机碳分解模块和土壤氧气传输模块，所述方法包括以下步骤：

步骤1、更新所述陆地表面模型的土壤环境变量，运行所述陆地表面模型，令当前时刻t＝t_i；

步骤2、陆地表面模型的时间步长为t_M(第一时间步长)，土壤氧气传输模块的时间步长为t₀(第二时间步长)，令t₀＝t_M；

步骤3、运行土壤有机碳分解模块，将土壤分为n层，确定每一层土壤中经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量；

步骤4、判断每一层土壤的氧气消耗需求量和该层土壤现有氧气量之间的大小关系，若存在某一层土壤的氧气消耗需求量大于该层土壤现有氧气量，则进入步骤5，否则进入步骤6；

例如对于第i层土壤，判断第i层土壤的氧气消耗需求量O_di是否大于第i层土壤现有氧气量O_ri，若O_di＞O_ri，表示该层土壤中氧气不足，应缩短氧气供应的时间步长，故进入步骤5更新步长，若每一层土壤中氧气量均充足，则进入步骤6；

步骤5、更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀，更新第二时间步长t₀；返回步骤3；

步骤6、运行土壤氧气传输模块，更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀；令t_i+1＝t_i+t_M，判断t是否等于t_i+1，若t＝t_i+1，则进入时刻t_i+1，并返回步骤1，若t＜t_i+1，则t₀＝min(t₀,t_i+1-t)，并返回步骤3。

所述土壤环境变量包括温度、湿度等。

所述步骤3中，第i层土壤经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量O_di的计算方法为：

步骤3.1、将土壤分为n层，确定第i层土壤的有机碳分解速率其中k′表示有机碳分解速率常数，KM_O为米氏常数，O_i表示第i层土壤的氧气浓度；

步骤3.2、依据第i层土壤的有机碳分解速率k_ti，确定第i层土壤的氧气消耗速率v_i＝2k_tiC_i，其中C_i表示第i层土壤中有机碳浓度；

步骤3.3、依据第i层土壤的氧气消耗速率v_i，确定第i层土壤的氧气消耗需求量O_di＝v_it₀。

所述步骤4中计算每一层土壤现有氧气量的方法为：

第i层土壤现有氧气量O_ri＝O_iV_oi，其中V_oi表示第i层土壤空气含量。基于此方法，即可得到每一层土壤现有氧气量。

氧气在土壤中的传输方程模型为：

其中，V_i为第i层土壤的氧气含量，V_i＝O_iV_oi，D为氧气的迁移扩散系数，z为各层土壤的深度；依据所述氧气在土壤中的传输方程模型，以更新第i层土壤氧气浓度O_i。

所述步骤5中更新土壤氧气传输模块的时间步长(即第二时间步长)的方法为：

步骤5.1、基于第i层土壤现有氧气量O_ri和第i层土壤的氧气消耗需求量O_di，计算得到一个时间步长

步骤5.2、按照步骤5.1的方法对每一层土壤进行计算，得到n个时间步长t₀₁、t₀₂、…、t_0n；

步骤5.3、取所述n个时间步长中的最小值作为第二时间步长t₀＝min{t₀₁、t₀₂、…、t_0n}。

一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控系统，包括：

土壤环境变量更新模块，用于更新陆地表面模型的土壤环境变量，运行所述陆地表面模型，令当前时刻t＝t_i；

初始步长确定模块，用于确定土壤氧气传输模块的时间步长t₀＝t_M，t_M为陆地表面模型的时间步长；

氧气消耗需求量确定模块，用于运行土壤有机碳分解模块，将土壤分为n层，确定每一层土壤中经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量；

第一判断模块，用于判断每一层土壤的氧气消耗需求量和该层土壤现有氧气量之间的大小关系，若存在某一层土壤的氧气消耗需求量大于该层土壤现有氧气量，则进入时间步长更新模块，否则进入第二判断模块；

时间步长更新模块，用于更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀，更新第二时间步长t₀；进入氧气消耗需求量确定模块；

第二判断模块，用于运行土壤氧气传输模块，更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀；判断t是否等于t_i+1，其中t_i+1＝t_i+t_M，若t＝t_i+1，则进入时刻t_i+1，并返回土壤环境变量更新模块，若t＜t_i+1，则t₀＝min(t₀,t_i+1-t)，并返回氧气消耗需求量确定模块。

经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法及系统，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明通过动态步长进行氧气调控，可以在氧气传输较快的上层土壤或者氧气消耗较慢的土壤中，设置较长的步长，而在深层土壤或者氧气消耗量大的土壤中，根据氧气消耗量的大小设定相对较小的步长，从而既保证模型模拟的准确性，同时保证模型的运行效率。采用本发明技术方案，一旦氧气需求量大于土壤孔隙中现有的氧气含量，土壤氧气传输模块的时间步长就会根据土壤中现有的氧气含量和氧气消耗量的比值自动缩短，而不改变整个模型的时间步长。由于土壤有机碳浓度和土壤空隙度在水平和垂直两个方向的差异性，通过本发明方法，可以对不同空间位置(不同地点和不同深度)的土壤单元根据其具体情况应用不同的计算步长，从而节约时间成本。

进一步的，基于本发明方法，通过设置合理的迁移扩散系数，可以准确模拟土壤空隙中的氧气含量，从而能在模型中有效考虑氧气浓度对土壤有机碳分解的限制作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

土壤有机碳的分解会随氧气浓度下降而减缓，分解速率与氧气浓度之间的关系可用米氏方程(Michaelis-Menten equation)描述，于是，土壤有机碳分解的分解可由原来的：

改为：

其中，C_i代表第i层土壤中有机碳浓度，I_i代表第i层土壤中有机碳的输入，O_i代表第i层土壤中的氧气浓度，KM_O是米氏常数，dt是土壤有机碳分解模块的运行步长，即后续实施例中的时间步长t₀，k和k′代表综合了土壤温度和湿度影响的有机碳的分解速率常数。

为保证表层土壤中的分解速率不受太大影响(表层土壤中的氧气消耗能快速被大气中的氧气补充，表层土壤中的氧气浓度近似等于大气中的氧气浓度)，如果近地表大气的氧气浓度是O₂，k和k′存在如下关系：

本发明在具体实施例中公开了一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，应用于陆地表面模型(例如ORCHIDEE模型)，所述陆地表面模型中包括土壤有机碳分解模块和土壤氧气传输模块，参见图1，所述方法包括以下步骤：

步骤1、更新所述陆地表面模型的土壤环境变量(土壤环境变量包括温度、湿度等)，运行所述陆地表面模型，令当前时刻t＝t_i；

步骤2、陆地表面模型的时间步长为t_M，土壤氧气传输模块的时间步长为t₀，令t₀＝t_M；

步骤3、运行土壤有机碳分解模块，将土壤分为n层，确定每一层土壤中经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量；

第i层土壤中经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量O_di的计算方法为：

步骤3.1、将土壤分为n层，确定第i层土壤的有机碳分解速率其中k′表示有机碳分解速率常数，KM_O为米氏常数，O_i表示第i层土壤的氧气浓度；

步骤3.2、依据第i层土壤的有机碳分解速率k_ti，确定第i层土壤的氧气消耗速率v_i＝2k_tiC_i，其中C_i表示第i层土壤中有机碳浓度；

步骤3.3、依据第i层土壤的氧气消耗速率v_i，确定第i层土壤的氧气消耗需求量O_di＝v_it₀。

步骤4、判断每一层土壤的氧气消耗需求量和该层土壤现有氧气量之间的大小关系，若土壤中存在任意一层的氧气消耗需求量大于该层土壤现有氧气量，则进入步骤5，否则进入步骤6；

其中，计算每一层土壤现有氧气量的方法为：

第i层土壤现有氧气量O_ri＝O_iV_oi，其中V_oi表示第i层土壤空气含量。基于此方法，即可得到每一层土壤现有氧气量。

步骤5、运行土壤氧气传输模块，更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀，更新土壤氧气传输模块的时间步长t₀；返回步骤3；

其中，更新第二时间步长的方法具体为：

步骤5.1、基于第i层土壤现有氧气量O_ri和第i层土壤的氧气消耗需求量O_di，计算得到一个时间步长

步骤5.2、按照步骤5.1的方法对每一层土壤进行计算，得到n个时间步长t₀₁、t₀₂、…、t_0n；

步骤5.3、取所述n个时间步长中的最小值作为第二时间步长t₀＝min{t₀₁、t₀₂、…、t_0n}。

步骤6、运行土壤氧气传输模块，更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀；令t_i+1＝t_i+t_M，判断t是否等于t_i+1，若t＝t_i+1，则进入时刻t_i+1，并返回步骤1，若t＜t_i+1，则t₀＝min(t₀,t_i+1-t)，并返回步骤3。

在土壤氧气传输模块中，各层土壤的浓度可初始化为大气中的氧气浓度。如果将土壤分成了n层，在考虑氧气传输时，实际会考虑n+1层，即在n层土壤中再加一层(i＝0)，为近地表大气层，该层的氧气浓度即为近地表氧气浓度，其数值可会随近地表温度和大气压力而变化。则氧气在土壤中的传输方程模型可描述为：

其中，V_i为第i层土壤的氧气含量，V_i＝O_iV_oi，D为氧气的迁移扩散系数，z为各层土壤的深度；依据所述氧气在土壤中的传输方程模型，以更新第i层土壤氧气浓度O_i。

一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控系统，参见图2，包括：

土壤环境变量更新模块，用于更新陆地表面模型的土壤环境变量，运行所述陆地表面模型，令当前时刻t＝t_i；

初始步长确定模块，用于确定土壤氧气传输模块的时间步长t₀＝t_M，t_M为陆地表面模型的时间步长；

氧气消耗需求量确定模块，用于将土壤分为n层，确定每一层土壤中经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量；

第一判断模块，用于判断每一层土壤的氧气消耗需求量和该层土壤现有氧气量之间的大小关系，若存在某一层土壤的氧气消耗需求量大于该层土壤现有氧气量，则进入时间步长更新模块，否则进入第二判断模块；

时间步长更新模块，用于运行土壤氧气传输模块，更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀，更新土壤氧气传输模块的时间步长t₀；进入氧气消耗需求量确定模块；

第二判断模块，用于运行土壤氧气传输模块，更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀；判断t是否等于t_i+1，其中t_i+1＝t_i+t_M，若t＝t_i+1，则进入时刻t_i+1，并返回土壤环境变量更新模块，若t＜t_i+1，则t₀＝min(t₀,t_i+1-t)，并返回氧气消耗需求量确定模块。

氧气在土壤中的浓度一般会表现为上层土壤浓度高，底层土壤浓度低，土壤有机碳的分解速率随氧气浓度的降低而减慢，也就是土壤有机碳的分解受氧气的限制也会从土壤表层到土壤底层逐渐增加。在土壤中有机碳浓度不是很高或者土壤缝隙中氧气含量较高时，一个步长内的氧气需求量会小于土壤孔隙现有的氧气含量(等于土壤孔隙中的氧气浓度乘以土壤孔隙度)，在这种情况下，对于该土壤单元，模型步长不改变。但一旦氧气需求量大于土壤孔隙中现有的氧气含量，土壤氧气传输模块的时间步长就会根据土壤中现有的氧气含量和氧气消耗量的比值自动缩短，而不改变整个模型的时间步长。即通过本发明方法，可以只对个别格点设置较小的时间步长，而其他格点仍然采用正常的较大的时间步长值，本发明能计算出最大的可设置的时间步长。由于土壤有机碳浓度和土壤空隙度在水平和垂直两个方向的差异性，通过本发明方法，可以对不同空间位置(不同地点和不同深度)的土壤单元根据其具体情况应用不同的计算步长，从而节约时间成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、更新土壤环境变量，令当前时刻t＝t_i；

步骤2、令第一时间步长为t_M，第二时间步长为t₀，令t₀＝t_M；

步骤3、将土壤分为n层，确定每一层土壤中经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量；

步骤4、判断每一层土壤的氧气消耗需求量和该层土壤现有氧气量之间的大小关系，若存在某一层土壤的氧气消耗需求量大于该层土壤现有氧气量，则进入步骤5，否则进入步骤6；

步骤5、更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀，更新第二时间步长t₀；返回步骤3；

步骤6、更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀；令t_i+1＝t_i+t_M，判断t是否等于t_i+1，若t＝t_i+1，则进入时刻t_i+1，并返回步骤1，若t＜t_i+1，则t₀＝min(t₀,t_i+1-t)，并返回步骤3。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，所述方法应用于陆地表面模型，所述陆地表面模型中包括土壤有机碳分解模块和土壤氧气传输模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，所述第一时间步长t_M为陆地表面模型的步长，所述第二时间步长t₀为土壤氧气传输模块的步长。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，其特征在于，所述土壤环境变量包括温度、湿度。

5.根据权利要求2所述的一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，其特征在于，所述步骤3中，令第i层土壤的氧气消耗需求量为O_di，则第i层土壤经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量O_di的计算方法为：

步骤3.1、将土壤分为n层，确定第i层土壤的有机碳分解速率其中k′表示有机碳分解速率常数，KM_O为米氏常数，O_i表示第i层土壤的氧气浓度；

步骤3.2、依据第i层土壤的有机碳分解速率k_ti，确定第i层土壤的氧气消耗速率v_i＝2k_tiC_i，其中C_i表示第i层土壤中有机碳浓度；

步骤3.3、依据第i层土壤的氧气消耗速率v_i，确定第i层土壤的氧气消耗需求量O_di＝v_it₀。

6.根据权利要求5所述的一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，其特征在于，所述步骤4中计算每一层土壤现有氧气量的方法为：

第i层土壤现有氧气量O_ri＝O_iV_oi，其中V_oi表示第i层土壤空气含量。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，其特征在于，所述步骤5中更新第二时间步长的方法为：

步骤5.1、基于第i层土壤现有氧气量O_ri和第i层土壤的氧气消耗需求量O_di，计算得到一个时间步长

步骤5.2、按照步骤5.1的方法对每一层土壤进行计算，得到n个时间步长t₀₁、t₀₂、…、t_0n；

步骤5.3、取所述n个时间步长中的最小值作为第二时间步长t₀＝min{t₀₁、t₀₂、…、t_0n}。

8.根据权利要求6所述的一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控方法，其特征在于，氧气在土壤中的传输方程模型为：

其中，V_i为第i层土壤的氧气含量，V_i＝O_iV_oi，D为氧气的迁移扩散系数，z为各层土壤的深度；依据所述氧气在土壤中的传输方程模型，以更新第i层土壤氧气浓度O_i。

9.一种基于动态步长的用于土壤有机碳分解的氧气调控系统，其特征在于，包括：

土壤环境变量更新模块，用于更新土壤环境变量，令当前时刻t＝t_i；

初始步长确定模块，用于确定第二时间步长t₀＝t_M，t_M为第一时间步长；

氧气消耗需求量确定模块，用于将土壤分为n层，确定每一层土壤中经过时间步长t₀分解土壤有机碳所需的氧气消耗需求量；

第一判断模块，用于判断每一层土壤的氧气消耗需求量和该层土壤现有氧气量之间的大小关系，若存在某一层土壤的氧气消耗需求量大于该层土壤现有氧气量，则进入时间步长更新模块，否则进入第二判断模块；

时间步长更新模块，用于更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀，更新第二时间步长t₀；进入氧气消耗需求量确定模块；

第二判断模块，用于更新土壤氧气浓度和时刻t＝t+t₀；判断t是否等于t_i+1，其中t_i+1＝t_i+t_M，若t＝t_i+1，则进入时刻t_i+1，并返回土壤环境变量更新模块，若t＜t_i+1，则t₀＝min(t₀,t_i+1-t)，并返回氧气消耗需求量确定模块。