引入一个混乱的组件在土壤呼吸的控制系统

文摘

混沌理论已被证明是具有重要意义的一系列关键应用,尽管到目前为止,其应用在分析土壤呼吸没有解决。本研究旨在介绍一个混乱的组件在土壤呼吸的控制系统和解释控制非线性混沌系统的复杂性。这也提出了一个理论框架,更好地理解混乱的组件在旱地土壤呼吸。与地下相关流程和机制的概念模型有限公司₂进化发展,混沌系统的动力学特征是作为一个扩展的黎卡提微分方程。控制土壤呼吸和混沌系统的动力学解释的第一次尝试,控制复杂性的非线性混沌系统解决了引入period-regulator分区土壤呼吸的组件。

1。介绍

混沌是一种外部的,复杂的,看似不规则运动的确定性系统由于随机性1]。混沌系统对初始值的敏感性使混沌系统的输入变化反映在快速的输出,因此,混沌理论提供了一个更实际的非线性建模方法(2]。混沌理论已被证明是具有重要意义的一系列关键应用(3- - - - - -6]。混沌理论的基本思想和复杂的非线性动力学起源于20世纪初,形成于1960年代,发达国家在1970年代- 1980年代(7- - - - - -10]。混乱是一个复杂的非线性动态行为。这一理论揭示了有序和无序的统一,确定性和随机性。它被认为是第三个最有创意的20世纪科学革命的相对论和量子力学。

由于混沌系统可以产生伪随机轨道“不可预测的”,很多研究关注相关的算法和性能分析构造伪随机数生成器利用混沌系统。连续混沌系统,许多混沌伪随机序列已被证明有良好的统计特性。然而,直到现在,应用混沌理论在分析土壤呼吸没有解决。有必要引入一个混乱的组件在土壤呼吸的控制系统和解释控制非线性混沌系统的复杂性。在以前的研究中,我们发现,土壤呼吸(R_年代)估计在干旱地区不应被忽视的贡献非生物交换(11]。忽视了无机组分的贡献导致高估了在干旱地区土壤呼吸,这在一定程度上解释了众所周知的真理失踪的有限公司₂水槽(12]。土壤呼吸的无机成分(R_io),因此需要考虑的更可靠的估计在干旱地区土壤呼吸(11,12]。本研究将进一步再分析概念,动力学和数据R_io表明它是在干旱地区土壤呼吸的一个混乱的组成部分。

本研究的目标是(1)显示R_io是一个混乱的组件在旱地土壤呼吸和现在的一个理论框架来更好的理解这个混乱的组件,(2)解释土壤呼吸的混沌系统控制和混沌系统的动力学,和(3)减少控制复杂性的非线性混沌系统通过引入监管机构。

2。理论和动力学

2.1。一个概念模型

我们假设地下有限公司₂作业在干旱和半干旱地区地下水已经受到一个隐藏的循环周期。总之,地下水放电和充电调控土壤呼吸的组件。基于这一假设,地下有限公司₂交通、解散、封存等soil-groundwater系统重新分配过程在很大程度上是由降水、蒸发、灌溉、露水沉积等。这些都是水文过程与混乱的组件相关联R_io土壤呼吸。这些过程调节无机碳的存储和流动率及其在土壤剖面的可溶解的部分11]。与盐和钠的土壤干旱地区,除了降水以雨或雪的形式,露水,雾也发挥了至关重要的作用在提供水对土壤的一个重要来源13]。有限公司₂土壤中可以与露水,然后溶解碳酸盐反应甚至迁移到地下咸水层(14,15]。

受到隐藏的循环,在干旱地区土壤呼吸不再是一个明确的系统。它变成了一个非线性混沌系统。为了描述非线性混沌系统,已知和未知过程的概念框架与隐藏在地下水的循环周期,以及可能的机制,如图1。

2.2。动力学的控制系统

假设隐藏的循环可以解释公司的特殊性₂在干旱和半干旱地区的任务。微分、差分和动态方程用于建模产生的许多问题在工程和自然科学16,17]。这表明我们开发一个微分方程来描述假设系统动力学。自吸收有限公司₂假设溶解在盐碱含水层,我们公司的动态特征₂浓度groundwater-soil系统(18,19作为一个简单的黎卡提微分方程形式。方程的解析解在某些必要和充分条件。

然而,仍然有相当大的不确定性和难以完全理解强调机制等关键因素驱动一个隐藏的循环。一个主要的挑战是如何描述的结构soil-groundwater系统[15]。自然地猜想,突显出地下水循环过程与地下有限公司₂封存在不同层应该是不同的。整个故事图所示2。

3所示。混乱和控制的复杂性

3.1。进一步的证据是混乱的

在以前的出版物,这是证明了的变化R_io来自非生物因素,如土壤盐度的物理迫使(EC),碱性(pH)、温度(T_年代)和含水量(WC_年代)及其与日常平均强度线性关系似乎是有效的在一个季节性周期作为一个整体。然而,在昼夜周期,考虑与混乱的组件相关联的复杂和不确定的过程R_io,在旱地土壤呼吸系统是一个非线性混沌系统。变化的数据R_io提供了进一步的证据R_io是混乱的。混沌理论提出之前,科学家们认为只有两种现象,现象行为严格按照规则和随机的现象发生20.]。见图3,我们构造一个常数向量的控制(CVPC)的变化R_io(图3(一个)),但环境的控制R_io被认为互动(数据3 (c)- - - - - -3 (f))。实际的变化R_io看起来随机(图3 (b))。CVPC每小时的变化R_io在昼夜周期exponent-sine耦合的归一化变换时间序列(听),如下:

3.2。控制系统的复杂性

由于在旱地土壤呼吸是一个非线性混沌系统,导致控制复杂性是自然协调(21]。著名的索引描述控制复杂性的温度敏感性(即,问₁₀)R_年代。分析收集的数据从先前的研究揭示了一昼夜的动荡问₁₀即使排除消极的价值观R_年代数据。的基础上利用基本和再分析收集的数据(21),我们发现的可变性问₁₀值远未确定。所有的问₁₀值用于计算分析利用的简单模型R_年代(化学反应温度指数方程的导数最初由范霍夫)(18,19,21),一致性,消极的价值观R_年代并不包括在计算的问₁₀。控制的T在问₁₀分别在每个站点,在线性回归分析生态系统比较。这些分析的结果进一步相比的变化的分析问₁₀与T。使用问₁₀值两个站点,WC的影响_年代在问₁₀的R_年代来T_年代和问₁₀的R_年代来T_一个分析了二次回归。为了进一步测试WC的角色_年代在决定问₁₀,四个耦合模型被用来分析耦合的影响T和厕所_年代在问₁₀。前面的假设下建立了两个模型的影响WC_年代和T在问₁₀是相互独立的。第一个模型假设WC的影响_年代和T线性无关;第二个模型假设WC的影响_年代和T指数是独立的。后者的假设下建立了两个模型的影响WC_年代和T在问₁₀都不是相互独立的。第三个模型假设问₁₀是由WC居多_年代和T线性响应的互动问₁₀去厕所_年代;第四模型假设问₁₀是主要由T和厕所_年代线性相互作用的反应问₁₀来T。描述性统计是用来计算的R平方值(R)、根均方误差(RMSE)F统计模型和与常数从每组重复的值的数据。使用MATLAB分析处理的数据(Mathworks纳蒂克,妈,美国),和统计分析同步进行。

我们进一步检查的可变性问₁₀值,见图4和5。

4所示。治疗控制的复杂性

考虑到负R_年代数据在干旱地区强烈需要减少不确定性在当前全球/区域碳平衡和预测未来的反馈耦合的科学体系([15,22- - - - - -28])。进一步建模方法有利于理解有限公司₂足迹([29日- - - - - -35])。为方便的声明中,我们描述了“双重平均”的昼夜动态R_io(平均土壤在不同地点同时从不同的天)平均TS的线性组合,WCs, CVPC。让α1,α2,α3是回归系数(称为“父参数,”不变的在每个特殊土壤网站),分别,让ε剩余;然后,我们有 每小时的规模变化CVPC在哪里R_io可以很容易地扩展为每日或更大的尺度。

利用图中的数据3作为输入的方程(2)实际模拟,性能将控制复杂性如图6。根据性能模型的第三天(a1, b1),第五天(a2, b2),第七天(a3, b3)和第八天(a4, b4) 1毫米日降水后,模拟的偏差使用方程(2)测量时间内存在。然而,这是根据模型的性能(c1, d1)第五天,九天后(c2, d2) 5天连续降水0.6 ~ 3.6毫米,1.7毫米的降水后,第一天(c3, d3)。模型甚至可以描述里约热内卢的可变性天后连续降水和小型降雨后的那一天。在仿真模型变得无效后的第一天~ 9.9毫米降雨(c4, d4),当力拓的强度变化太快。总的来说,非线性混沌系统简化,可以进一步发展。

由于潜在的重叠在环境、时间和空间组件生态数据,分区之间的变化纯粹的环境控制,纯粹的空间控制,纯时间控制,环境控制的纯空间组成部分,纯环境控制时间的组成部分,纯时空组件控制相结合,结合时间和空间环境控制组件,和无法解释的组件应该被包括在混沌系统的多变量分析。整个故事控制复杂性的非线性混沌系统因此值得进一步研究。

在文献[19),我们有了更多的细节的确定过程的变化R_io土壤呼吸和描述公司的动态₂浓度soil-groundwater系统作为一个投入产出平衡方程,如下: 在哪里是有限公司₂浓度在考虑气体的房间里soil-groundwater系统问是有限公司₂大气中浓度。为nth时间间隔(nT,(n+ 1)T),r_n是输入和输出之间的平均比率的公司₂。

假设公司的输入₂soil-groundwater系统终于在地下水溶解的体积 。让DIC的数量t迪拜国际资本的增长率r。假设在节2的确定过程R_io是由地下水排放(流出)和充电(流入),体积问。提供=流入和流出假设流出流入后统一与地下水混合单元 。见文献[18),质量法律意味着对话

最后,考虑到当前DIC的限制作用,作为特征 ,方程(4)可以进一步改善,因18]

接下来的研究重点是分析的分岔和混沌特征的内在空间和时间变化R_io通过使用费根鲍姆的图表(36]和进一步发展方程(2),(3)和(5)。在此基础上研究,公司的自然增长₂第三个决定的过程吗R_io除了有限的输入和输出₂,其中包括土壤呼吸的有机组成部分。这个过程,以及有限的输入和输出₂确定增加率r地下和地表的公司之间的差异₂浓度和确定的密度R_io。

5。结论

更清楚的了解土壤有限公司₂通量变化与空间和时间,这是必要的介绍R_io作为非线性混沌组件旱地的土壤呼吸。生态学是研究不但是事情如何改变时间和空间,因此,还需要解释这个混乱的组件控制的复杂性。有机和无机的重要性评估的影响因素R_io固有的生态空间和时间变化的数据应尽可能的考虑。下一个研究重点是分析分岔和混沌的特点区别地下和地表的公司₂浓度和进一步了解整个故事的控制的复杂性R_io。

数据可用性

所有的数据利用支持理论和模型的研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(41571299)和高级工业技术创新基地建设项目(1021 gn204005-a06)。

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