本發(fā)明涉及土壤有機碳含量計算，特別是涉及到一種基于吸附函數(shù)的土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳計算方法。

背景技術(shù)：

1、土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫。土壤溶液中溶解性有機碳doc被礦物質(zhì)吸附形成土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳maoc。土壤中微生物能吸收利用doc，向大氣釋放co2，但是不能吸收利用maoc。這樣有機碳能以maoc形式保存在土壤中，因而減少了土壤有機碳的分解，減緩大氣co2濃度的升高。因此，土壤有機碳模型能準確地計算maoc碳庫的大小對預(yù)測未來氣候變化是至關(guān)重要的。

2、土壤溶液doc和土壤m(xù)aoc之間存在吸附和解吸附doc兩個相反的過程，且是同時發(fā)生。平衡狀態(tài)下吸附和解吸附的速度相同，土壤溶液中doc濃度和土壤m(xù)aoc量之間的關(guān)系基本上可用langmuir吸附函數(shù)來描述。在土壤有機碳模型時間步長（小時尺度）里，不考慮溫度和含水量變化的情況下，當土壤溶液有doc輸入和輸出發(fā)生時，吸附和解吸附速度產(chǎn)生顯著不同的變化，出現(xiàn)了不平衡；它們在很短的時間內(nèi)（秒到分鐘尺度）由不平衡狀態(tài)達到平衡狀態(tài)，吸附和解吸附過程是非線性變化的。目前用于數(shù)值計算土壤碳庫變化的土壤有機碳模型，基本都在使用這樣的計算方法：在模型時間步長（小時尺度）里，引入吸附和解吸附系數(shù)，用土壤m(xù)aoc、最大maoc和doc濃度來計算吸附和解吸附過程速度，然后用吸附和解吸附速度的差異來計算maoc量的變化。這種計算方法用線性吸附和解吸附速度來描述實際上非線性的吸附和解吸附過程，且不考慮平衡狀態(tài)，導(dǎo)致模型對maoc計算產(chǎn)生較大誤差。

3、有模型使用上述方法計算的吸附和解吸附速度，進而來計算改變后的doc濃度，然后用langmuir函數(shù)關(guān)系計算maoc，但不能保證在模型時間步長里計算的吸附和解吸附doc量的差異等于maoc變化量。因此，這種maoc計算方法仍然是，用線性的速度來描述非線性的吸附和解吸附過程；相對于前面的方法，可能會減少誤差，但不能保持計算的有機碳doc和maoc總質(zhì)量平衡。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種能保證計算時間步長里有機碳質(zhì)量平衡，可用于土壤有機碳數(shù)值模型的基于吸附函數(shù)的土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳的計算方法。

2、本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：基于吸附函數(shù)的土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳計算方法，該基于吸附函數(shù)的土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳計算方法包括：

3、步驟1，收集土壤參數(shù)和數(shù)據(jù)；

4、步驟2，修改langmuir吸附函數(shù)，描述非飽和土壤溶液溶解性有機碳doc濃度與可發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度之間的關(guān)系；

5、步驟3，在土壤含水量保持不變的情況下，分別建立土壤溶液doc濃度和土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度隨時間變化的微分方程，以描述各自碳庫的質(zhì)量平衡；

6、步驟4，建立單位體積土壤中溶液doc和發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc微分方程的數(shù)值差分方程；

7、步驟5，對差分方程組進行聯(lián)立求解；

8、步驟6，求取新時刻土壤溶液doc濃度和土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度以及總maoc密度。

9、本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：

10、在步驟1，收集土壤參數(shù)，包括土壤容重、孔隙度、土壤結(jié)合親和力參數(shù)、單位質(zhì)量土壤m(xù)aoc最大量這些參數(shù)，表征的是單位質(zhì)量土壤里礦物質(zhì)與doc相互作用強度。

11、在步驟2，在體積含水量為的飽和土壤處于平衡狀態(tài)下，土壤溶液doc能與所有的maoc之間都能發(fā)生吸附/解吸附過程；langmuir吸附函數(shù)描述了飽和土壤溶液doc濃度和單位體積土壤總maoc密度之間的關(guān)系：

12、（1）

13、langmuir吸附函數(shù)是基于飽和土壤的實驗觀測數(shù)據(jù)得出的回歸方程，由于土壤礦物質(zhì)吸附/解吸附doc的過程只能在土壤溶液中產(chǎn)生，在土壤處于體積含水量為的非飽和情況下，土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度與總maoc密度的關(guān)系線性依賴土壤濕度，修改langmuir吸附函數(shù)為：

14、（2）。

15、在步驟2，在土壤體積含水量不變的情況下，不能發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度不隨時間變化，可計算如下：

16、（3）。

17、在步驟3，土壤溶液doc濃度的變化主要來自于doc的輸入或輸出以及礦物質(zhì)對土壤溶液doc吸附的改變量；單位體積土壤中溶液doc濃度隨時間變化的質(zhì)量平衡方程可寫為：

18、（4）

19、其中，為單位時間單位土壤里溶液doc與礦物質(zhì)表面發(fā)生吸附的量（-）與maoc解吸附進入到溶液的量（+）的和值；是單位體積土壤溶液doc的輸入或輸出速度，t代表單位為小時的時間，為土壤溶液doc濃度，為土壤處于體積含水量。

20、在步驟3，單位體積土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度的變化主要由吸附和解吸附量之間的差異產(chǎn)生的，其隨時間變化的質(zhì)量平衡方程可寫為：

21、（5）

22、式中，為土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度。

23、在步驟4，步驟3中方程（4）和（5）的差分方程分別寫為：

24、（6）

25、（7）

26、其中是數(shù)值計算的時間步長，為兩個時刻之間的長度；和是第n時刻的值，和為第n+1時刻的值；和

27、分別為各自在第n+1時間步長即為第n和n+1時刻之間的步長里的值。

28、在步驟4，利用修改的langmuir吸附函數(shù)，改寫發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度的數(shù)值差分方程；方程（7）改寫為：

29、（8）。

30、在步驟5，?如果第n時刻的土壤溶液doc濃度、土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度和第n+1時間步長里溶液doc輸入或輸出速度為已知變量，步驟4中的方程（6）和（8）可聯(lián)立求解，得到未知的第n+1時刻土壤溶液doc濃度的求解公式；

31、即根據(jù)已知的第n時刻的土壤溶液doc濃度、土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度和第n+1時間步長里的土壤溶液doc輸入或輸出量，對差分方程組進行聯(lián)立求解；

32、方程（6）和（8）左右相加可得：

33、（9）

34、令（10）

35、（11）

36、（12）

37、方程（9）改寫為

38、（13）

39、根據(jù)二元一次方程（13）的求解公式，求得第n+1時刻的解：

40、（14）。

41、在步驟6，根據(jù)已知的第n時刻土壤溶液doc濃度和總maoc密度以及第n+1時間步長里土壤溶液doc輸入或輸出速度，利用步驟2中的公式（2）和（3），求得第n時刻發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度和不發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度，然后利用步驟5中公式（14）得到未知的第n+1時刻的土壤溶液doc濃度，進而利用步驟2中公式（2）和（3），求得第n+1時刻土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度和總maoc密度；

42、即根據(jù)已知的第n時刻土壤溶液doc濃度、總maoc密度和土壤體積含水量的值以及第n+1時間步長里土壤溶液doc輸入或輸出速度這些數(shù)值，基于修改后的langmuir吸附函數(shù)公式（2），計算這個時刻的單位體積土壤發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度；基于公式（3），計算得到不能發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度；

43、將上述計算變量代入到方程（11）（12）和（13）中求得變量a、p和b，然后這三個變量代入到差分方程組求解公式（14），求得第n+1時刻溶液doc濃度；將代入公式（2）可求解；利用公式（3）求得第n+1時刻的總maoc密度。

44、本發(fā)明中的基于langmuir吸附函數(shù)的土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳計算方法，利用土壤礦物質(zhì)吸附和解吸附doc量的差異（未知量），分別建立土壤溶液doc濃度和發(fā)生吸附/解吸附過程的maoc密度隨時間變化的微分方程；改進描述飽和土壤溶液doc濃度與maoc之間關(guān)系的langmuir吸附函數(shù)，使之能描述非飽和土壤溶液doc濃度和發(fā)生吸附/解吸附的土壤m(xù)aoc密度之間的關(guān)系；基于修改的langmuir吸附函數(shù)，對兩個微分方程的差分格式進行聯(lián)立求解；得到新時刻的溶液doc濃度，然后利用langmuir吸附函數(shù)得到新時刻發(fā)生吸附/解吸附過程的土壤m(xù)aoc密度和總maoc密度。這個方法避免引入吸附和解吸附系數(shù)和直接求解非線性變化的吸附和解吸附速度。該基于langmuir吸附函數(shù)的土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳計算方法的原理簡單，能保證計算時間步長里有機碳質(zhì)量平衡，可用于土壤有機碳數(shù)值模型，進而能提高該模型對土壤有機碳分解速度和碳庫大小的模擬能力。