陳明向, 翟祿新, 陽 揚(yáng), 薛開元

(1.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 廣西 桂林541004；2.珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林541004)

水循環(huán)不僅影響大氣、土壤和植被的結(jié)構(gòu)、功能、分布格局及動(dòng)態(tài)變化，還影響地球能量收支、轉(zhuǎn)換和分配，在維持生物圈和地圈生態(tài)平衡過程中起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著地球氣候系統(tǒng)長時(shí)間的劇烈變動(dòng)，在一定程度上導(dǎo)致水文循環(huán)過程發(fā)生改變[2-3]，進(jìn)而可能影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)利用。因此，氣候變化所引起的水文效應(yīng)問題成為國際學(xué)者普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[4-6]，近年來對該過程的機(jī)理認(rèn)識和模型模擬等方面的研究取得了一定的進(jìn)展[7-8]。

氣候變化對水文循環(huán)過程的影響研究主要通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)[9]：一是憑借全球氣候模型輸出結(jié)果耦合水文模型，進(jìn)而評估區(qū)域水文循環(huán)過程的未來形勢，二是將假定的氣候情景模式輸入水文模型，分析水文要素對氣候因子的敏感程度。流域水文模型是評估區(qū)域水循環(huán)對氣候變化響應(yīng)普遍使用的工具之一[9-10]。Hydrus-1D模型由美國鹽土實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，將土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)中的大氣降水、土壤水熱運(yùn)動(dòng)、植被根系吸水和溶質(zhì)運(yùn)移過程相耦合，適用于恒定或非恒定的邊界條件的模擬，為特定生態(tài)條件下水循環(huán)模擬提供了可能。該模型中編輯的靈活性和突出的參數(shù)反演求解功能[11-13]，使其在農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)及土壤學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[14-16]。

氣候變化主要通過影響大氣降水和氣溫，進(jìn)而影響實(shí)際蒸散發(fā)、土壤含水量和徑流等相關(guān)水文要素，最終引起水資源在時(shí)空分布上的改變，甚至影響植被分布格局的變化。有研究表明，采用降尺度的方式研究長江源頭流域高寒草甸、草原、沼澤生態(tài)水文過程及對氣候變化響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果顯示降水是蒸散量的主要制約因子，也是影響徑流產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，而氣溫則對徑流的影響較弱[17]。此外，針對黃土高原涇河流域內(nèi)主要植被天然次生林和華北落葉松人工林的實(shí)際情況，采用單一氣候變化模式進(jìn)行模擬，結(jié)果表明降水量與流域內(nèi)年徑流、冠層蒸散量、土壤蒸發(fā)量和土壤蓄水量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，其中對徑流的影響最顯著，溫度與流域內(nèi)年徑流和土壤蓄水量也呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但與年蒸散量是負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。基于漳衛(wèi)南流域?qū)崪y氣象資料，運(yùn)用水文模型并設(shè)置不同氣候情景揭示其流域內(nèi)水文循環(huán)過程表明，降水量增加，蒸散量、徑流量和產(chǎn)水量均隨之增加，流域氣溫增加，蒸散量也相應(yīng)增加，但徑流量和產(chǎn)水量隨氣溫增加而表現(xiàn)出降低趨勢[19]。不同氣候情景模式下，分析華北平原灤河流域主要土地覆被類型為林地的水文過程，結(jié)果表明，在保持降水不變氣溫增加的前提下，蒸散發(fā)增加幅度較緩，徑流減少幅度較大，而在氣溫不變降水增加的條件下，蒸散發(fā)及徑流的增加幅度明顯[20]?；诮邓?dú)鉁伛詈夏Ｊ较?，土地利用類型以耕地、林地、草地為主的北京媯水河流域水循環(huán)過程的研究結(jié)果表明，在設(shè)定降水減少和溫度升高的條件下，流域內(nèi)的徑流、實(shí)際蒸散量和土壤含水量隨之減少，整體呈現(xiàn)干旱化傾向[21]。通過探討長江中下游南岸的鄱陽湖流域內(nèi)主要土地利用類型耕地、林地、草地對氣候變化的響應(yīng)得出，與氣溫相比，徑流、基流量對降水變化更具敏感性，而土壤蒸發(fā)量對溫度變動(dòng)的敏感性更高[22]。

總體來看，氣候變化對水文循環(huán)過程影響的研究已取得了大量的成果，但針對我國廣泛分布的人工毛竹林生態(tài)水文過程與氣候變化的關(guān)系缺少定量研究，且現(xiàn)有研究多以植被的大尺度空間分布格局作為響應(yīng)對象開展，研究并多集中于我國北方或長江流域[23]。本研究以地處濕潤區(qū)的廣西壯族自治區(qū)東北部貓兒山下典型小流域的人工毛竹林地為研究對象，利用Hydrus-1D模型，在土壤水分模擬的基礎(chǔ)上，分析人工毛竹林生態(tài)水文過程及其對氣候變化的響應(yīng)，認(rèn)識流域生態(tài)水文特征，定量揭示毛竹林水循環(huán)特征及變化趨勢，補(bǔ)充珠江流域氣候變化研究內(nèi)容，為區(qū)域生態(tài)規(guī)劃與管理、水資源評價(jià)和可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

研究區(qū)域位于廣西壯族自治區(qū)東北部貓兒山腳下的下高寨村南的毛竹林地，其流域面積20.5 hm2，其地理坐標(biāo)為25°50′51.42″―110°28′49.94″，屬于中亞熱帶山地氣候，年均氣溫12.8℃，年降水量2 100 mm以上，土壤為黃紅壤，高程432～496 m，坡度在15°～30°。流域內(nèi)以毛竹為主，其間混有少量的杉木。此流域的植被為人工毛竹林，具有較好的人工植被的典型性和代表性，為研究桂北地區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)和水文過程及其相互影響提供了良好條件。在研究區(qū)內(nèi)供設(shè)置11個(gè)土壤水分觀測點(diǎn)(圖1)，其中1，2，3，6，8，9位于坡中或坡腳，觀測深度為170 cm，其余點(diǎn)位于斜坡或近于分水嶺，觀測深度為50—70 cm?？紤]不同觀測點(diǎn)的位置、觀測深度必須大于毛竹最大根系分布深度和數(shù)據(jù)的完整性，本次研究以1，3，9號3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行土壤水分模擬和氣候變化響應(yīng)分析。

1.1 土壤水分監(jiān)測

選用土壤水分測量系統(tǒng)(型號為TRIME-PICO-IPH，德國制造)監(jiān)測土壤水分，每個(gè)測點(diǎn)垂直相距10 cm測定一個(gè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，每間隔4～6 d左右測量一次，監(jiān)測時(shí)間為2015年12月30日至2016年12月9日。其中1，9號點(diǎn)土壤水分觀測深度均為150 cm，3號點(diǎn)為130 cm。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 氣象要素觀測

觀測期間研究區(qū)每天的地面常規(guī)氣象要素均來自安裝于高寨村的FR210自動(dòng)氣象站。自動(dòng)氣象站觀測項(xiàng)目有最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、日總輻射、日降水量、相對濕度等氣象數(shù)據(jù)。監(jiān)測時(shí)間為2015年12月30日至2016年12月9日。需要說明的是，本研究中氣象要素和土壤水分觀測時(shí)間均為2015年12月30日至2016年12月9日，不足一年時(shí)間，故下文稱研究時(shí)段，以與年周期相區(qū)別。

1.3 土壤水分參數(shù)測定

用土壤容重取樣器垂直打入土中，以環(huán)刀采集地表及以下間隔10 cm深度處土樣，帶回室內(nèi)測定土壤飽和含水量、田間持水量、殘余含水量、干容重[16,24]。用TST-55型滲透儀采用變水頭滲透試驗(yàn)測定飽和滲透系數(shù)[25]。這些測定結(jié)果中，飽和含水量(θs)、殘余含水量(θr)以及飽和導(dǎo)水率(Ks)作為Hydrus-1D模型運(yùn)行的基本土壤水分參數(shù)，其余參數(shù)如α，n和l由模型反演獲得。

1.4 模型的初始條件和邊界條件

本研究中，Hydrus-1D模型初始條件設(shè)置為實(shí)測的土壤剖面含水量。研究區(qū)內(nèi)僅受大氣降水，地面難形成積水，故上邊界條件設(shè)置為有徑流產(chǎn)生的大氣邊界。由于地下水位埋藏深度遠(yuǎn)大于觀測的土層厚度，且土壤底部風(fēng)化砂巖排水良好，故下邊界條件設(shè)定為自由排水邊界。

將1，3，9號點(diǎn)設(shè)置土壤剖面深度依次為150 cm，130 cm，150 cm，根據(jù)土壤類型特點(diǎn)和實(shí)測數(shù)據(jù)，以及在空間上精細(xì)剖分來提高模型的精確度，采用剖面深度10 cm進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，并選取1 cm作為一個(gè)空間步長。將剖面劃分為6層不同介質(zhì)的土壤，而觀測點(diǎn)的設(shè)定則按照實(shí)際觀測位置進(jìn)行布設(shè)。根據(jù)實(shí)測毛竹根系指標(biāo)，毛竹根系深度取60 cm。模型原理及具體操作參見Hydrus-1D模型手冊[26]。

1.5 模型評價(jià)指標(biāo)

本文采用以下統(tǒng)計(jì)參數(shù)評價(jià)模型模擬效果，主要有決定系數(shù)(coefficient of determination，R2)、相對方差(relative error，RE)、均方根誤差(root mean square error，RMSE)和納什效率系數(shù)[27](Nash-Sutcliffe model efficiency，NSE)4個(gè)指標(biāo)評價(jià)模型精度。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.6 氣候情景模式設(shè)定

本研究的氣候情景設(shè)置主要依據(jù)基于政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)關(guān)于全球溫升1.5℃的特別報(bào)告及其相關(guān)解讀[29-30]，再結(jié)合文獻(xiàn)，考慮到未來氣候的可能變化趨勢，在保持模型其他參數(shù)不變的條件下，只改變降水與氣溫，形成不同的氣候變化情景，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行貓兒山典型小流域人工毛竹林生態(tài)水文過程對氣候變化響應(yīng)進(jìn)行分析。氣候情景設(shè)定見表1。在不同氣候情景下，通過模擬的日變化、月變化和總量變化，來揭示人工毛竹林的生態(tài)水文過程對氣候變化的響應(yīng)。

表1 氣候情景設(shè)定

2 結(jié)果與分析

2.1 Hydrus-1D模型土壤水分模擬結(jié)果與精度評價(jià)

在不考慮氣候變化情況下，經(jīng)過Hydrus-1D模型模擬，小流域內(nèi)1，3，9號點(diǎn)不同土層處土壤水分的實(shí)測值與模擬值的隨時(shí)間變化特征及擬合情況見圖2，毛竹林植被蒸騰量、土壤蒸發(fā)量、徑流量和土壤儲水量模擬結(jié)果見圖3—5。

分析表明，研究時(shí)段內(nèi)1，3，9號點(diǎn)植被蒸騰量分別為673.94，672.77，637.52 mm，土壤蒸發(fā)量分別為175.30，182.10，179.05 mm，徑流量分別為2 239.9，2 200.4，2 169.0 mm，土壤儲水量均值分別為440.18，316.92，466.61 mm。在研究時(shí)段內(nèi)，徑流占總降水量的74.46%，其中底部排水為徑流主要成分，占總徑流量的60.76%，即人工毛竹林入滲比例較高，徑流以基流為主。蒸騰量、蒸發(fā)量占總降水量的比重分別為22.36%和6.04%，其中植被蒸騰約占總蒸散量的78.72%。

各觀測點(diǎn)不同土層土壤水分的實(shí)測值與模擬值的對比結(jié)果顯示：各層土壤剖面處實(shí)測值中，除個(gè)別值與模擬值相差較大外，整體模擬結(jié)果較好。將流域內(nèi)各觀測點(diǎn)實(shí)測土壤水分與Hydrus-1D模型模擬得出的不同土層土壤水分結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見表2。可以看出，整體模擬結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，Hydrus-1D模型能夠準(zhǔn)確反映出流域內(nèi)土壤水分隨時(shí)間的變化特征，可以作為氣候變化分析的模型基礎(chǔ)。

2.2 流域生態(tài)水文過程對氣候變化的響應(yīng)

2.2.1 蒸散發(fā)量 圖6—7為不同氣候情景模式下研究時(shí)段蒸騰量和蒸發(fā)量變化情況。就全研究時(shí)段而言，除降水減少氣溫不變情境(C2)外，蒸發(fā)蒸騰均增加，其中降水不變氣溫升高2℃時(shí)(C5)增幅最大，即氣溫控制蒸發(fā)和蒸騰的增幅。3個(gè)觀測點(diǎn)中，蒸騰量和蒸發(fā)量平均增加值為21.587 mm和5.617 mm，平均增幅3.26%和3.39%。就蒸散量模擬值的月分配來說，土壤蒸發(fā)量與植被蒸騰量具有相同的月變化趨勢，且冬季增幅大于夏季增幅，即氣候變化更容易影響冬季的水分蒸散。

總體而言，研究時(shí)間段內(nèi)氣候變化會(huì)引起流域內(nèi)蒸散量的改變，降水與蒸散量存在正相關(guān)關(guān)系，即蒸散量隨降水增加而增加，反之則減少；氣溫升高同樣會(huì)導(dǎo)致蒸散量上升，與降水相比，變化幅度更大，即蒸散發(fā)量對氣溫升高的響應(yīng)更敏感。降水—?dú)鉁伛詈锨榫跋?C6，C7)，蒸散發(fā)量月值的變化規(guī)律不明顯，反映出區(qū)域氣候變化對蒸散發(fā)影響的復(fù)雜性。

2.2.2 徑流量 由圖8可見，徑流變化趨勢與降水一致，與氣溫相反，其中徑流對降水減少氣溫升高時(shí)(C7)最敏感，3個(gè)觀測點(diǎn)的徑流量平均減少值為302.848 mm，平均減幅13.75%。就月值來說，氣溫不變時(shí)，降水變化更多地影響夏季徑流，夏季徑流的增減幅度是冬季的數(shù)十倍。僅氣溫發(fā)生變化時(shí)，冬季徑流更易受到影響。

2.2.3 土壤儲水量 圖9為研究時(shí)段各觀測點(diǎn)土壤儲水量變化特征。土壤儲水量與徑流的變化趨勢一致，也受降水影響明顯，受氣溫變化的影響不大。其中土壤儲水量對降水減少氣溫升高時(shí)最敏感，3個(gè)觀測點(diǎn)平均減少值為6.054 mm，平均減幅1.59%。月變化情況則是降水對夏季土壤儲水量影響大于冬季，氣溫的影響則更多的是對冬季土壤儲水量造成波動(dòng)。降水—?dú)鉁伛詈锨闆r下，總體表現(xiàn)為冬季土壤水量更易受影響。研究時(shí)間段內(nèi)降水與氣溫對土壤儲水量的影響效果相反。氣溫的升高可以制約降水增加的補(bǔ)充作用，進(jìn)而引起土壤儲水量的小幅下降。而降水減少與氣溫升高可加快土壤儲水量的流失。

綜上所述，由于研究區(qū)地處濕潤地區(qū)，水分較為充足，徑流量和土壤儲水量均受降水量影響明顯，而植被蒸騰和土壤蒸發(fā)則受氣溫影響明顯。

此外，降水增加可以抵消部分氣溫升高帶來的影響(C6)，且維持總體指標(biāo)的略微增加。而降水的減少再疊加氣溫升高，將出現(xiàn)徑流的大幅度下降，降水變化的效應(yīng)大于氣溫變化的效應(yīng)。即降水為主，氣溫為輔，降水是影響徑流量變化的主要驅(qū)動(dòng)要素。

圖2 土壤水分實(shí)測值與模擬值對比

圖3 蒸散發(fā)量逐日變化

圖4 徑流量逐日變化

3 討 論

3.1 Hydrus-1D模型對于人工毛竹林生態(tài)水文過程的適用性

本研究基于實(shí)測典型流域人工毛竹林土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)對Hydrus-1D模型進(jìn)行部分參數(shù)反演后，模擬結(jié)果和決定系數(shù)(R2)、相對方差(RE)、均方根誤差(RMSE)和納什效率系數(shù)(NSE)表明模型可以較好地反映土壤水分的時(shí)空變化特征，盡管個(gè)別土層土壤水分的模擬值與實(shí)測值吻合度較低，但總體不影響對流域水分的模擬。以此模型和參數(shù)進(jìn)行氣候變化的響應(yīng)分析，結(jié)果具有一定的科學(xué)性。此外，在現(xiàn)狀情況(不考慮氣候變化)下模擬結(jié)果表明，人工毛竹林蒸散發(fā)量占降水量的28.4%，其中以植被蒸騰為主，即毛竹林水分消耗水平不高，且徑流以基流為主，水土保持效果良好。因此，人工毛竹林在水分消耗和水土保持方面的效用，應(yīng)重新評估。

圖5 土壤儲水量逐日變化

表2 土壤水分模擬評價(jià)指標(biāo)

3.2 生態(tài)水文過程對氣候變化的響應(yīng)

氣候變化是影響流域水循環(huán)的主要因素，而氣溫和降水的變化對其響應(yīng)最為明顯[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，各水文要素中徑流量對降水變化最敏感，而蒸發(fā)受降水的影響較弱。另外，各水文要素隨氣溫升高表現(xiàn)出較明顯的響應(yīng)，其中氣溫對蒸散量的作用最顯著。然而，有研究表明全球變暖引發(fā)的氣溫升高、降水減少，導(dǎo)致流域徑流量存在先增加后降低的傾向[32]。因此，區(qū)域氣候變化對流域水文過程的響應(yīng)是相對復(fù)雜的，研究時(shí)段的長短在一定程度上會(huì)影響研究結(jié)果的完整性。也有研究表明，氣候變化也可通過其他途徑來影響流域水循環(huán)環(huán)節(jié)，如羅宇等發(fā)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)是影響延河流域的主要?dú)庀笠蜃覽33]。此外，本研究得出氣溫是蒸散量的主要驅(qū)動(dòng)因素，與韓麗等[17]發(fā)現(xiàn)的降水是蒸散量的主要制約因子的結(jié)論說明，水分和熱量的供給條件會(huì)影響蒸散量對氣候變化的響應(yīng)。就不同月份而言，降水易于影響夏季徑流，而氣溫則可能影響冬季徑流。即未來降水變化或者氣溫變化，對流域徑流的影響時(shí)段不同，受此影響的行業(yè)或生態(tài)效應(yīng)也是會(huì)有所差異，這方面值得深入研究。

圖6 研究時(shí)段蒸騰量變化情況

圖7 研究時(shí)段蒸發(fā)量變化情況

圖8 研究時(shí)段徑流量變化情況

圖9 研究時(shí)段土壤儲水量變化情況

3.3 不同氣候區(qū)和植被類型對氣候變化響應(yīng)的比較

本研究區(qū)屬于濕潤區(qū)，所得結(jié)論與干旱區(qū)[18]、半干旱區(qū)[19]和半濕潤區(qū)[20]的流域水文過程對氣候變化響應(yīng)的研究成果(表3)基本一致，但變化幅度存在差異，這表明雖處不同流域，氣候變化對水文過程的響應(yīng)機(jī)制相近，但從水文要素的響應(yīng)強(qiáng)度來看，仍存在差別。本研究區(qū)地處濕潤氣候區(qū)，徑流的相對變幅總體小于干旱區(qū)、半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)，即從相對變化率來說，濕潤的氣候在某種程度上能夠減緩徑流受氣候變化的影響。與徑流相比，蒸散發(fā)量的響應(yīng)與其他氣候區(qū)差別不大。

表3 不同氣候區(qū)水文過程對氣候變化的響應(yīng)

從植被類型的角度看，對于同處于濕潤區(qū)，主要土地利用類型為耕地、林地和草地的流域水文過程對氣候變化響應(yīng)的結(jié)果[22]反映出，徑流量和土壤蒸發(fā)量對降水變化的敏感性較高，而受氣溫變化影響較弱。這與本研究結(jié)果基本一致，但也要注意到，單一樹種對于氣候變化的響應(yīng)可能不同于植被類型較復(fù)雜的林分，流域尺度的大小也是影響因素之一。

本研究僅對人工毛竹林的生態(tài)水文過程對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了分析，也分析了不同月份的差異，但深度仍顯不足。氣候變化往往表現(xiàn)為不同的季節(jié)有不同的變化強(qiáng)度，但由于資料所限，本次研究的不同氣候變化情景中降水氣溫變化的季節(jié)差異沒有體現(xiàn)。最后，為簡化模擬過程，本次研究中沒有考慮毛竹根系和冠層參數(shù)的季節(jié)變化，一定程度上影響模擬精度。

4 結(jié) 論

(1) Hydrus-1D模型應(yīng)用于人工毛竹林具有一定的精度保證。在研究時(shí)段內(nèi)，人工毛竹林徑流占總降水量的74.46%，其中基流(底部排水)占總徑流量的60.76%，人工毛竹林水土保持作用不容忽視。蒸騰量、蒸發(fā)量占總降水量的比重分別為22.36%和6.04%，其中植被蒸騰約占總蒸散量的78.72%，表明毛竹林并非高耗水植被，對區(qū)域水資源的影響應(yīng)重新評估。

(2) 就全研究時(shí)段而言，氣溫升高的情景下，蒸發(fā)蒸騰量的增幅受氣溫增幅的影響明顯，各月土壤蒸發(fā)量與植被蒸騰量均表現(xiàn)為冬季增幅大于夏季增幅。

(3) 徑流對降水變化更敏感，其中徑流對降水減少氣溫升高的情景最敏感。氣溫不變時(shí)，降水變化更多地影響夏季徑流，夏季徑流的增減幅度是冬季的數(shù)十倍。僅氣溫發(fā)生變化時(shí)，冬季徑流更易受到影響。降水的增加可以抵消部分氣溫升高對徑流的影響，并維持徑流量的略微增加。降水的減少再疊加氣溫升高，將出現(xiàn)徑流量的大幅度下降。

(4) 土壤儲水量受降水影響明顯強(qiáng)于氣溫的影響，在降水減少且氣溫升高時(shí)敏感性最強(qiáng)。降水對夏季土壤儲水量的影響大于冬季，氣溫的影響則更多的是對冬季土壤儲水量造成波動(dòng)。氣溫—降水耦合情況下，總體表現(xiàn)為冬季土壤儲水量易受影響。氣溫的升高會(huì)制約降水增加對土壤儲水量的補(bǔ)充作用，進(jìn)而引起土壤儲水量的小幅下降，降水減少與氣溫升高可加快土壤儲水量的流失導(dǎo)致干旱化，表現(xiàn)出水分和熱量供給對生態(tài)水文過程響應(yīng)的綜合影響。