基于贝叶斯推断的DNDC模型参数校正与不确定性评价研究.pdf

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1、第51卷第2期土壤学报Vol.51，No.22014年3月ACTAPEDOLOGICASINICAMar.，2014DOI:10.11766/trxb201305200247基于贝叶斯推断的DNDC模型参数*校正与不确定性评价研究1，21，21，21，21，2秦发侣赵永存史学正于东升徐胜祥(1土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京210008)(2中国科学院大学，北京100049)摘要实现土壤有机碳(SOC)动态模拟结果的不确定性定量评价是农田管理决策成败的关键之一。采用贝叶斯推断和马尔科夫链蒙特

2、卡洛方法(MCMC)，对DNDC模型模拟江苏省宜兴市一个具有22年稻-麦轮作历史的田块的SOC动态变化，进行模型参数校正和模拟结果的不确定性定量评价。结果表明，DNDC模型适宜长期监测田块的SOC动态变化的模拟，但模型的模拟结果存在一定的不确定性;在DNDC模型输入参数数据质量不明的情况下，利用贝叶斯推断和MCMC方法能够有效地实现模型输入参数的自动校正和SOC模拟结果不确定性的定量评价，从而为实现区域或国家尺度农田SOC动态模拟的不确定性定量评价提供理论和方法依据。关键词贝叶斯推断;马尔科夫链蒙特卡洛方法;参数校正;不确定性评

3、价;DNDC模型中图分类号S11+4文献标识码A［6-9］基于过程的DNDC(Denitrification-Decomposi-节。然而，目前关于DNDC模型模拟SOC动态tion)模型已经被广泛应用于中国农田土壤有机碳的不确定性定量评价研究还相对较少，已有的研究［1-5］(SOC)的变化模拟及预测，然而，在模拟和预测多集中在模拟温室气体(如CH4，CO2，N2O等)排放［6-8］［6，9-10］过程中不可避免地存在不确定性。一般而言，的不确定性评价方面，相关的不确定性评价方模型的不确定性是由于模型对复杂世界的抽象、概法主要包

4、括最敏感因子法(MSF)和蒙特卡洛法括而形成的结构误差和模型使用时输入参数的不(MC)，其中MC又可分为DNDC内置及非DNDC内［7-8］［10］确定性导致的。对于模型的使用者而言，模型置(用户自定义)两类。如Li等使用MSF和结构是难以改变的，而由于模型输入参数的可获取DNDC内置MC方法对比了中国、泰国和美国的三性、数据质量及模型输入参数本身的变异性等因素个农田长期定位点所属土壤图斑由于初始SOC、土所导致的输入参数的不确定性也会随着DNDC模壤容重、pH和黏粒含量这四个输入参数的不确定性拟SOC动态变化的过程加以传递，从

5、而对SOC动态所造成的DNDC模型模拟温室气体排放的置信区［6］模拟结果产生深刻影响。因此，在模型结构确定的间差异;Hastings等采用自定义的MC研究了位情况下定量DNDC模型输入参数的不确定性及其于瑞士的一个农田长期定位试验点土壤属性、作物对SOC动态变化模拟结果的潜在影响，对于科学认管理措施和气候等的不确定性对DNDC模型模拟知SOC动态变化规律、建立合理的推荐耕作管理措温室气体排放的影响。DNDC内置的MSF方法假施，进而实现农田土壤肥力提升和农田土壤固碳具定对模型输出结果影响最大的4个参数分别为初始有重要的意义。SO

6、C含量、土壤容重、pH及黏粒含量，同时假定SOC动态模拟结果中所包含的不确定性对农DNDC输出结果与这4个参数之间的关系为线性正［11］田及土壤资源管理决策具有重要影响，提供这些不相关或负相关。MSF方法将这4个参数的最小确定性信息也是使用和交流模型结果的关键环值和最大值组合成两个参数集，并将它们分别输入*中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-EW-QN404)和中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050509)资助通讯作者，E-mail:yczhao@issas.ac.cn作者简介:秦发侣(1986—)，男，云

7、南玉溪人，博士研究生，主要从事土壤资源与遥感信息研究。E-mail:dielianhuared@hotmail.com收稿日期:2013－05－20;收到修改稿日期:2013－09－19http://pedologica.issas.ac.cn248土壤学报51卷DNDC模型进行模拟，以输出结果的最小值和最大SOC变化的输入参数进行校正，并定量评价了SOC［10］值来定量模拟结果的不确定性区间。如Li等认模拟结果的不确定性置信区间，旨在为区域或国家为初始SOC、pH的最大值和黏粒含量的最小值组合尺度农田SOC动态模拟的不确定性定

8、量评估提供所得的参数集可以模拟得到CH4排放量的最大值;理论和方法依据。相反，初始SOC、pH的最小值和黏粒含量的最大值组合所得的参数集可以模拟得到CH4排放量的最1材料与方法小值。MC方法则较MSF方法更灵活，可以自由选择模型输入参数进行评价，其实施步骤包括: