劉 挺, 茍 思, 劉 超, 賀宇欣, 莊文化, 劉鐵剛

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院, 四川 成都 610065)

桉樹(Eucalyptus)作為世界上主要的速生造林樹種之一，有著生長(zhǎng)速度快、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、產(chǎn)量高、易于種植等優(yōu)點(diǎn)[1]。但其種植和管理的合理性也引起不少爭(zhēng)議[2-4]，桉樹種植是否會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源產(chǎn)生不利影響以及和人類用水是否相沖突等問題都有待解決。解決相關(guān)爭(zhēng)論需要對(duì)桉樹的生長(zhǎng)和用水過程進(jìn)行研究。目前的研究方法主要有兩種，一種是通過試驗(yàn)觀測(cè)的方法，比如通過設(shè)置對(duì)照流域進(jìn)行森林集雨區(qū)試驗(yàn)、通過人工種植或砍伐一定面積的桉樹等手段，觀測(cè)人工林面積變化對(duì)徑流的影響，但這需要較長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)施和管理起來有諸多不便[5-7]。另一種是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型模擬研究。本文開發(fā)模型研究桉樹生長(zhǎng)和用水過程。模型開發(fā)需要準(zhǔn)確描述桉樹的生長(zhǎng)特性以及用水特性。桉樹用水特性復(fù)雜，其根系具有二態(tài)性，即在距離地表較近的淺層土壤中分布有大量細(xì)微的側(cè)根，而較粗的主根則徑直向下，可穿透較深的土壤層甚至直達(dá)地下水層[8]。在不同季節(jié)桉樹對(duì)土壤水和地下水的使用方式可能會(huì)有所不同。在雨季，桉樹主要使用淺層土壤水，而在旱季當(dāng)淺層土壤變干后，則會(huì)逐步使用深層土壤水或地下水。桉樹根系存在水力再分配現(xiàn)象。水力再分配是指水分在水勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下，通過根系在不同土壤層間的被動(dòng)運(yùn)移。Adams等[9]和Schymanski等[10]在澳大利亞對(duì)桉樹進(jìn)行研究后指出水力再分配現(xiàn)象會(huì)顯著影響桉樹的用水過程。模擬桉樹根系對(duì)不同水源的吸收和水力再分配現(xiàn)象，需要合理的根系吸水模型。在已有模型研究中，傳統(tǒng)的模擬方法是先計(jì)算潛在騰發(fā)量，然后根據(jù)植物根系在土壤中的分布比例，從不同土壤層中同時(shí)吸水。在這樣的模擬方法中，植物會(huì)同時(shí)使用淺層土壤水、深層土壤水和地下水等不同水源，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)論不符。Li等[11]開發(fā)的根系吸水的補(bǔ)償模型機(jī)制簡(jiǎn)單，容易過高估計(jì)植被對(duì)于高含水量土壤層的吸水量。在模擬桉樹根系的水力再分配方面，已有研究中Ryel等[14]提出的模型比較簡(jiǎn)單，模擬機(jī)制有待改進(jìn)。Lee等[15]開發(fā)的模型有所改進(jìn)，但無法模擬植物休眠或植物死亡情況下的水力再分配。而Gou，Miuer[10]提出的根系吸水模型有所創(chuàng)新，模型通過勢(shì)能差驅(qū)動(dòng)水分運(yùn)移，能夠模擬植物在不同季節(jié)對(duì)于不同水源的利用情況的變化，同時(shí)模擬了水力再分配作用。桉樹生長(zhǎng)受到諸多因素的影響。氣象條件、人工管理、立地條件都會(huì)不同程度的影響桉樹的生長(zhǎng)。合理的考慮這些影響因素是模擬桉樹生長(zhǎng)的關(guān)鍵。已有研究中，ProMod模型[16]和3-PG模型[17]是模擬植物生長(zhǎng)中兩個(gè)最常用的模型。其中3-PG模型被成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外桉樹生長(zhǎng)模擬中。在國(guó)外，3-PG模型較好的模擬出了澳大利亞西部以及塔斯馬尼亞地區(qū)7個(gè)站點(diǎn)的桉樹生長(zhǎng)[18]；在國(guó)內(nèi)花利忠等利用3-PG模型成功模擬了雷州半島尾葉桉的生長(zhǎng)規(guī)律[19]。桉樹生長(zhǎng)迅速，生長(zhǎng)過程中用水量變化明顯，桉樹用水也會(huì)反過來影響桉樹生長(zhǎng)速率，因此需要將這兩個(gè)框架有機(jī)結(jié)合在一起。本文構(gòu)建的模型由兩個(gè)主要框架組成，即桉樹生長(zhǎng)過程模擬和桉樹用水過程及相關(guān)生態(tài)水文過程模擬。本文根據(jù)3-PG模型原理模擬桉樹生長(zhǎng)過程[17]，根據(jù)Gou和Miller[10]提出的根系吸水模擬、水分脅迫模擬、水力再分配模擬等原理模擬桉樹用水和相關(guān)生態(tài)水文過程，通過合理地設(shè)置耦合點(diǎn)將兩大框架耦合起來。利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim搭建桉樹生長(zhǎng)用水模型。最后在國(guó)內(nèi)外分別選擇兩個(gè)研究區(qū)，驗(yàn)證模型的合理性，以期為科學(xué)地種植桉樹提供理論幫助。

1 材料與方法

1.1 模型原理

1.1.1 桉樹生長(zhǎng)過程模擬 描述桉樹生長(zhǎng)的公式，主要利用Landsberg等[17]開發(fā)的3-PG植物生長(zhǎng)模型原理來建立。該模型模擬林分水平的植物生長(zhǎng)過程主要由生產(chǎn)量的計(jì)算、生產(chǎn)量的分配、新陳代謝和死亡、林分特征幾個(gè)部分組成。生產(chǎn)量計(jì)算是通過植被光合作用將太陽光照攔截吸收以后合成有機(jī)物質(zhì)。模型將呼吸作用消耗的能量占總能量的比值視為一個(gè)常數(shù) ，默認(rèn)為0.47。凈初級(jí)生產(chǎn)量的計(jì)算如公式(1)所示[20]：

ΔPn=0.552αcγ(1-e-kL)Q

(1)

式中：ΔPn——單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的凈初級(jí)生產(chǎn)量；k——吸收系數(shù)；L——葉面積指數(shù)；Q——輻射數(shù)據(jù)；αc——冠層量子效率，用于度量植被將攔截的太陽輻射轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)量的效率。αc受到其他環(huán)境因子比如溫度、土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、霜凍等的影響。接下來植被將凈初級(jí)生產(chǎn)量分配到植物的根、莖、葉，分配情況取決于相應(yīng)的分配參數(shù)，分配參數(shù)又和土壤肥力、胸高直徑等參數(shù)有關(guān)。除了呼吸作用導(dǎo)致的損耗以外，生產(chǎn)量也按照一定的規(guī)律有所損耗。這部分損耗分為植物正常新陳代謝和植株死亡所造成的損耗，植株死亡又可以分為植株按照正常速率的死亡和由于植株密度達(dá)到一定程度以后出現(xiàn)資源的爭(zhēng)奪所導(dǎo)致的植株自然稀疏現(xiàn)象。在林分特征方面，模型可以模擬樹高、胸高直徑以及林分材積的變化情況。這幾個(gè)參數(shù)對(duì)于評(píng)估桉樹人工林生產(chǎn)力，合理規(guī)劃具有重要意義。相應(yīng)的計(jì)算公式[20]為：

H=aHBnHBNnHN

(2)

B=(1 000WS/asN)1/ns

(3)

VS=(1-ρBB)WS/ρ

(4)

式中：H——樹高(m)；N——植株密度(株/hm2)；B——胸高直徑(cm)；ns——凈初級(jí)生產(chǎn)量分配到莖干的比例；WS——莖干生物量；ρBB,ρ和林齡有關(guān)，參數(shù)aH,nHB,nHN,aS無實(shí)際意義，均為常數(shù)。

1.1.2 生態(tài)水文過程模擬 描述生態(tài)水文過程的公式，主要利用Gou和Miller[10]開發(fā)的生態(tài)水文模型原理來建立。桉樹是有可能使用地下水的，該模型可以模擬植被對(duì)土壤水和地下水的聯(lián)合使用。該模型通過勢(shì)能差驅(qū)動(dòng)水分在土壤和植被中的運(yùn)移，并引入了新的根系吸水和根系水力再分配方程對(duì)傳統(tǒng)的根系吸水模擬做出了改進(jìn)；模型還引入了新的植物水分脅迫模擬方法[10]。

(1) 根系吸水模擬。在水勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下，根系吸水部分從土壤層中吸收水分，然后水分經(jīng)過根系輸水部分再向上或向下運(yùn)輸。如公式(5)所示[10]：

(5)

式中：Qs,i——根系從第i層土壤中吸收(或釋放)水分的速率；n——總的根系數(shù)量；froot,i——第i層土壤中根系數(shù)量占總根系數(shù)量的比例；Aa_root,i——第i層土壤根系吸水部分區(qū)域的面積；Γs,i——第i層土壤中單位長(zhǎng)度根系吸水部分根圍的阻力；Γr,i——第i層土壤中單位長(zhǎng)度根系輸水部分阻力；ψsoil,i——第i層土壤的水勢(shì)；ψref——參考點(diǎn)水勢(shì)(參考點(diǎn)被定義為植被和地表齊平的點(diǎn))；zi——第i層土壤中心離地表的距離。將各土層包括地下水層的根系吸水速率相加便可以計(jì)算出根系吸水總速率。在濕潤(rùn)季節(jié)，表層土壤含水量相對(duì)較高，水勢(shì)較高，ψsoil,i-ψref-zi>0，Qs,i>0,根系從表層土壤中吸收水分，而深層土壤含水量相對(duì)較低，ψsoil,i-ψref-zi<0，Qs,i<0，根系反向釋放水分給深層土壤。在干旱季節(jié)，深層土壤含水量相對(duì)較高，水勢(shì)較高，ψsoil,i-ψref-zi>0，Qs,i>0,根系從深層土壤中吸收水分，而淺層土壤含水量相對(duì)較低，ψsoil,i-ψref-zi<0，Qs,i<0，根系反向釋放水分給淺層土壤。因此該計(jì)算式可以模擬根系吸水和根系的水力再分配。模型認(rèn)為水分的運(yùn)移是連續(xù)的，因此根系從各層土壤及地下水層中吸水的總速率應(yīng)該等于植被的騰發(fā)速率，從而得出公式(6)[10]：

(6)

(2) 水分脅迫模擬。在處理水分脅迫的問題時(shí)，傳統(tǒng)的方法是基于土壤含水量的情況來考慮的。認(rèn)為當(dāng)土壤含水量降低到某個(gè)臨界值時(shí)，植物開始受到水分脅迫，隨著土壤含水量下降，植被的騰發(fā)速率也隨之下降；當(dāng)含水量下降到凋萎點(diǎn)，植被完全停止騰發(fā)。但對(duì)于能夠利用較深層土壤水或地下水的深根系植被，在旱季，當(dāng)表層土壤中的根系由于水分脅迫而減少甚至停止水分的吸收時(shí)，在其他水分充足的含水層中的根系可能仍然可以繼續(xù)吸收水分。因此，模型建立了新的水分脅迫模擬方法：從植物空穴化角度出發(fā)，考慮水勢(shì)、水力傳導(dǎo)度、氣孔開度等多個(gè)因素的相互影響，最終通過植被騰發(fā)速率的變化得以體現(xiàn)，即公式(7)[10]：

T=ETpotξ

(7)

式中：ξ——整個(gè)根系系統(tǒng)水力傳導(dǎo)度在空穴化影響下剩余的比例； ETpot——潛在蒸散速率。

1.1.3 模型框架耦合 為將桉樹生長(zhǎng)過程的模擬和生態(tài)水文過程的模擬聯(lián)系在一起，選取了3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行耦合。①耦合點(diǎn)1：考慮植物生長(zhǎng)過程中葉生物量的變化對(duì)生態(tài)水文過程的影響。當(dāng)植被未受到脅迫時(shí)(即植被的水分和養(yǎng)分供應(yīng)充足、光線充沛、溫度適宜)，根據(jù)生長(zhǎng)模型得到的葉生物量為最大值。將該最大值作為基準(zhǔn)值，計(jì)算各個(gè)時(shí)刻實(shí)際葉生物量和基準(zhǔn)值的比值，用于修正生態(tài)水文模型中冠層覆蓋度的變化，進(jìn)而影響植物騰發(fā)速率。②耦合點(diǎn)2：考慮植物生長(zhǎng)過程中根生物量的變化對(duì)生態(tài)水文過程的影響。通過生長(zhǎng)模型中根生物量和葉生物量的比例變化來修正生態(tài)水文模型中根面積和葉面積的比值。③耦合點(diǎn)3：植物生長(zhǎng)受土壤水分的影響。將生態(tài)水文模型當(dāng)前的土壤含水量計(jì)算結(jié)果反饋給植物生長(zhǎng)模型。植物生長(zhǎng)模型據(jù)此考慮植物生長(zhǎng)受到土壤水分的影響，進(jìn)而計(jì)算生長(zhǎng)模型中的土壤水參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型搭建

模型結(jié)構(gòu)將在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim中完成搭建。模型結(jié)構(gòu)由各種變量組成。通過相應(yīng)的聯(lián)系符號(hào)和數(shù)學(xué)公式將各變量聯(lián)系起來。Vensim中包括變量(variable)、存量(stock)、流量(flow)等。變量的類型取決于想要如何定義和使用某個(gè)要素。存量和流量是模型的核心變量。存量是系統(tǒng)中產(chǎn)生行為的基礎(chǔ)，而流量則是讓存量產(chǎn)生改變的原因所在。

在模擬桉樹生長(zhǎng)時(shí)，關(guān)鍵的存量包括根生物量、莖干生物量、葉生物量；關(guān)鍵的流量包括根、莖干、葉分配的凈初級(jí)生產(chǎn)量、根周轉(zhuǎn)率、葉凋零速率、植株死亡速率。各變量比如溫度、樹齡、水汽壓差、輻射等對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)量產(chǎn)生影響。凈初級(jí)生產(chǎn)量通過輸入流量被分配到根、莖干、葉相應(yīng)的存量中。而在根周轉(zhuǎn)率、葉凋零速率、植株死亡速率等輸出流量的作用下，根、莖干、葉相應(yīng)的存量又有所減少，處于動(dòng)態(tài)變化的過程。在模擬桉樹用水和生態(tài)水文過程時(shí)，各土壤層含水量被設(shè)置為存量，各土壤層之間的水分下滲、不同深度根系之間水分的運(yùn)移、降雨入滲等均作為流量，使水分在各存量之間運(yùn)移。同時(shí)，各土壤層、根系、葉片等都被賦予相應(yīng)的能量變量，并和水分的運(yùn)移系統(tǒng)緊密聯(lián)系。水分運(yùn)移，則能量同步發(fā)生變化，二者此消彼長(zhǎng)，能量變量驅(qū)動(dòng)水分運(yùn)移，水分的運(yùn)移又反饋造成能量的變化，最終帶動(dòng)整個(gè)模型運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 研究區(qū)模型構(gòu)建

為驗(yàn)證構(gòu)建模型的合理性，選取位于澳大利亞的Tumbarumba站點(diǎn)和廣東省雷州半島的紀(jì)家林場(chǎng)作為相應(yīng)的研究區(qū)域。

1.3.1 澳大利亞Tumbarumba研究區(qū) Tumbarumba研究區(qū)位于澳大利亞新南威爾士(35°39′20.26″S，148°09′07.5″E)，海拔1 200 m[21]。年平均降雨量在986 mm左右，屬于海洋型氣候。冬季溫度在4 ℃左右[22]，年平均溫度在8 ℃左右[23]。站點(diǎn)的氣象資料來源于Tumbarumba通量站。該通量站建立于2000年3月，為澳大利亞通量站系統(tǒng)之一，由隸屬澳大利亞政府的聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)組織(CSIRO)和陸地生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(TERN)提供管理和支持。氣溫、風(fēng)速、濕度、降雨、輻射等都是通過渦流技術(shù)測(cè)量(eddy flux)，土壤體積含水率是用時(shí)域反射儀(TDR)測(cè)量。目前可以獲取的氣象資料是從2001—2014年一共14 a的每1 h的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，選取2001—2014年作為Tumbarumba站點(diǎn)的模擬時(shí)長(zhǎng)，選取每3 h作為一個(gè)模擬步長(zhǎng)。降雨、氣溫、輻射等數(shù)據(jù)為模型輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)從澳大利亞土壤資源信息系統(tǒng)(ASRIS)獲取的數(shù)據(jù)，耦合模型將土壤層分為了4層外加1層地下水層。殘余土壤含水量、飽和土壤含水量、土壤飽和水力傳導(dǎo)度等數(shù)據(jù)則是在參考Haverd等[24]采樣獲取的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上設(shè)定(表1)。

表1 Tumbarumba站點(diǎn)主要土壤參數(shù)

該地區(qū)的桉樹種植有著100 a上的歷史，主要的桉樹樹種為德利格特桉(Eucalyptusdelegatensis)，林下植被較稀疏，以草的覆蓋為主[21]。植被根系分布隨土壤深度的變化的計(jì)算如公式(8)所示：

γ=1-βd

(8)

式中：γ——根系分布的比例；β——Jackson等[25]綜合很多組根系研究的數(shù)據(jù)以后總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；d——土壤深度。

1.3.2 廣東省雷州半島的紀(jì)家林場(chǎng)研究區(qū) 廣東省雷州半島的紀(jì)家林場(chǎng)位于(20°54′N，109°52′E)，多年平均降雨量在1 500 mm以上[26]。海拔70 m，年平均氣溫在21～26 ℃之間，屬于海洋性季風(fēng)氣候，土壤為玄武巖質(zhì)黏土[26]。氣象資料的獲取來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，其時(shí)間分辨率為3 h，包含近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻射、地面向下長(zhǎng)波輻射、地面降水率7個(gè)要素。該站點(diǎn)的桉樹種植是從幼苗到輪伐期，而中國(guó)的桉樹的輪伐期一般為6～7 a[27]，結(jié)合獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取1996年6月至2002年6月一共6 a時(shí)間作為紀(jì)家站點(diǎn)的模擬時(shí)長(zhǎng)，選取每3 h作為一個(gè)模擬步長(zhǎng)。

根據(jù)張寧南[26]關(guān)于雷州半島桉樹人工林耗水量的研究，將土壤分為4層外加一層地下水層。殘余土壤含水量、孔隙率、土壤飽和水力傳導(dǎo)度是根據(jù)張寧南[26]研究中提供的土壤顆粒級(jí)配資料推算；地下水位是根據(jù)花利忠等[28]在雷州半島桉樹研究中所提供的資料，主要土壤參數(shù)如表2所示。該地區(qū)主要的桉樹品種包括尾葉桉(Eucalyptusurophylla)、剛果12 W5(EucalyptusABL12)[28]。此次選取尾葉桉為研究樹種，同樣采取公式(8)的方法計(jì)算桉樹和草的根系分布。

表2 紀(jì)家站點(diǎn)主要土壤參數(shù)

2 結(jié)果與分析

將2個(gè)研究區(qū)的參數(shù)數(shù)據(jù)分別代入耦合模型得出模擬結(jié)果，與已有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。選取蒸散量數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型對(duì)桉樹用水的模擬；選取林分材積、樹高、胸高直徑、植株密度驗(yàn)證模型對(duì)桉樹生長(zhǎng)情況的模擬。

2.1 Tumbarumba站點(diǎn)

將2001—2014年蒸散量模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比(圖1)。耦合模型模擬了蒸散量變化趨勢(shì)。模型模擬的2001—2014年均蒸散量為819 mm，實(shí)測(cè)的年平均蒸散量為867 mm。將2001年年內(nèi)蒸散速率模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(圖2)，模擬蒸散速率從1—6月呈下降態(tài)勢(shì)，然后直到12月都呈上升態(tài)勢(shì)；實(shí)測(cè)蒸散速率從1—5月呈下降態(tài)勢(shì)，之后除了8月略有下降以外，呈上升態(tài)勢(shì)。Tumbarumba地區(qū)一般每年的5—10月為冬季，11月至次年4月為夏季，并且降雨大多發(fā)生在冬季。降雨增多，可供植被利用的水量增多，植被蒸騰和土壤蒸發(fā)都會(huì)增加，因此蒸散速率模擬值和實(shí)測(cè)值都是從5月左右開始上升。將胸高直徑、林分材積、樹高、植株密度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比，分析桉樹生長(zhǎng)模擬情況(表3)。除了樹高的模擬精度相對(duì)較低，其余3個(gè)參數(shù)的模擬精度都較好。

圖1 Tumbarumba站點(diǎn)2001-2014年

以2001年模擬結(jié)果為例進(jìn)一步分析Tumbarumba站點(diǎn)桉樹年內(nèi)用水方式(圖2)。列出2001年Tumbarumba站點(diǎn)月蒸散量模擬值、降雨入滲值、淺層土壤層(模型中設(shè)置的第1—4土壤層)含水量變化量之和、深層土壤水或地下水吸水量(表4)。在Tumbarumba站點(diǎn)，模擬結(jié)果顯示，桉樹除了使用土壤水，地下水也可能是桉樹的重要水分來源，這和Keith等[29]在研究Tumbarumba桉樹林的碳循環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn)桉樹可能使用地下水的證據(jù)相符。耦合模型可以較為準(zhǔn)確的模擬出Tumbarumba站點(diǎn)桉樹的用水和生長(zhǎng)情況。

表3 Tumbarumba站點(diǎn)樹高、胸徑、林分材積、植株密度模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

表4Tumbarumba站點(diǎn)桉樹2001年年內(nèi)用水方式mm

月份蒸散量入滲量淺層土壤水變化量深層土壤水或凈地下水吸收量1140.3521.49-20.2898.572124.5369.4630.1685.23386.9929.0628.3086.23453.1327.7742.2967.65535.729.0437.9664.63622.0873.0695.5044.52723.7827.5849.9745.55828.7157.6668.3239.36956.4946.5928.0937.991067.9579.7048.1836.4211103.3932.56-27.5843.2312117.299.59-31.3476.35

圖2 Tumbarumba站點(diǎn)2001年內(nèi)每月蒸散速率模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.2 紀(jì)家站點(diǎn)

紀(jì)家站點(diǎn)并不具備Tumbarumba站點(diǎn)類似的長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)資料，因此選取1999年10月至2000年9月月蒸散速率的實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示：模擬的月蒸散速率從1999年10月至2000年2月呈下降，然后2—8月呈上升趨勢(shì)，之后略有下降。實(shí)測(cè)的月蒸散速率從1999年10月至2000年2月之間除了11月有提升，整體呈下降趨勢(shì)，然后直到2000年7月都呈上升，之后兩個(gè)月下降。模擬和實(shí)測(cè)值變化情況基本一致。和Tumbarumba站點(diǎn)處一

樣，紀(jì)家站點(diǎn)的蒸散速率變化模式和降雨密切相關(guān)。紀(jì)家站點(diǎn)大致4—9月為雨季，在此期間降雨增多，這和蒸散速率模擬值以及實(shí)測(cè)值變化情況大致吻合。選取林分材積、樹高、胸徑、植株密度幾個(gè)參數(shù)作為桉樹生長(zhǎng)模擬情況對(duì)比依據(jù)(如圖4所示)，從擬合結(jié)果來看，除個(gè)別點(diǎn)有一定偏差外，總體擬合較好。以2000年模擬結(jié)果為例進(jìn)一步分析紀(jì)家站點(diǎn)桉樹年內(nèi)用水方式。2000年雷州半島紀(jì)家站點(diǎn)每月蒸散量模擬值、降雨入滲值、淺層土壤層(模型中設(shè)置的第1—4層土壤層)含水量變化量之和、深層土壤水或地下水吸水量如表5所示。

圖3 紀(jì)家站點(diǎn)1999年10月至2000年9月每月蒸散速率模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖4 紀(jì)家站點(diǎn)材積、樹高、胸徑、植株密度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

不同于Tumbarumba站點(diǎn)，紀(jì)家站點(diǎn)模擬的桉樹2000年全年幾乎不使用深層土壤水或地下水，依靠降雨入滲量和淺層土壤水儲(chǔ)備的前期含水量即可維持其蒸散需要。這和張寧南等[26]提出該地降雨量超過1 200 mm時(shí)桉樹將不會(huì)使用地下水的結(jié)論一致?？梢?，耦合模型可以較為準(zhǔn)確地模擬出紀(jì)家桉樹林的用水和生長(zhǎng)情況。

表5 紀(jì)家站點(diǎn)桉樹2000年年內(nèi)用水方式 mm

3 討論與結(jié)論

原有的2個(gè)模型即3-PG模型[17]和Gou與Miller[12]提出的生態(tài)水文模型都是較為成熟的模型，但前者側(cè)重于模擬植被的生長(zhǎng)過程，對(duì)植被水分利用過程的模擬則相對(duì)粗略；后者側(cè)重于模擬植被的水分利用過程以及相關(guān)生態(tài)水文過程，忽略了植被生長(zhǎng)的影響。本研究將這2個(gè)模型進(jìn)行耦合，考慮桉樹生長(zhǎng)與桉樹用水之間的相互影響，耦合模型能較好地模擬Tumbarumba站點(diǎn)和紀(jì)家站點(diǎn)的生長(zhǎng)和用水情況。

在Tumbarumba站點(diǎn)，如果單獨(dú)使用Gou和Miller[12]提出的生態(tài)水文模型模擬桉樹用水，模擬的2001—2014年年均蒸散量為661 mm；耦合模型模擬的年均蒸散量為841 mm，而實(shí)測(cè)資料的年均蒸散量為866 mm，耦合模型能更好地模擬蒸散量。如果單獨(dú)使用3-PG模型模擬桉樹的生長(zhǎng)，則胸高直徑的平均模擬精度由之前的71%提高到95%；林分材積的平均模擬精度由93%降低為88%；樹高的平均模擬精度由88%提高到90%；植株密度的模擬精度不變。耦合模型對(duì)胸高直徑的模擬精度降低了24%，其他參數(shù)模擬精度變化不大。

在紀(jì)家站點(diǎn)，如果單獨(dú)使用Gou和Miller[12]提出的生態(tài)水文模型模擬桉樹的用水，模擬的1999年10月至2000年10月期間蒸散量為1 236 mm，耦合模型模擬蒸散量為1 067 mm，而實(shí)測(cè)資料的蒸散量為1 069 mm，耦合模型能更好地模擬蒸散量。如果單獨(dú)使用3-PG模型模擬桉樹的生長(zhǎng)，則胸高直徑的平均模擬精度由之前的94%提高到95%；林分材積的平均模擬精度不變；樹高的平均模擬精度由之前的95%降低到89%；植株密度的模擬精度不變。耦合模型對(duì)于桉樹生長(zhǎng)狀況的模擬相比已有生長(zhǎng)模型模擬的精度大體不變。各參數(shù)模擬精度都較好，因此耦合模型在紀(jì)家站點(diǎn)模擬表現(xiàn)較好。

總體而言，耦合模型在2個(gè)站點(diǎn)模擬桉樹用水方面均有提高，但在模擬桉樹生長(zhǎng)方面沒有明顯提升，在Tumbarumaba站點(diǎn)胸高直徑參數(shù)模擬精度還出現(xiàn)了下降。原因可能是因?yàn)門umbarumba站點(diǎn)所在的巴戈國(guó)家森林(Bago State Forest)面積較大，不同區(qū)域獲得的生長(zhǎng)指標(biāo)實(shí)測(cè)資料存在著一定的差異。而紀(jì)家站點(diǎn)桉樹林研究區(qū)范圍相對(duì)小得多，而且不同于Tumbarumba處桉樹天然林，此處均是人工控制管理的人工林，林分組成更加一致。因此在有關(guān)生長(zhǎng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)資料獲取上Tumbarumaba站點(diǎn)誤差可能會(huì)更大。耦合模型能較為合理地模擬桉樹用水和生長(zhǎng)情況，可以為后期桉樹的科學(xué)種植于管理提供一定的理論幫助。但耦合模型模型參數(shù)眾多，獲取模型參數(shù)較為困難，后續(xù)模型的改進(jìn)可以考慮從參數(shù)的簡(jiǎn)化方面入手。