吳冠宇

(陜西省水利水電工程咨詢(xún)中心，陜西 西安 710000)

0 引言

黃土丘陵區(qū)自1999年開(kāi)始實(shí)施退耕還林還草至今，植被覆蓋率年均提高近1.2%，表現(xiàn)出顯著的植被恢復(fù)與水土保持效應(yīng)[1]。但黃土丘陵區(qū)作為半干旱地區(qū)，加之地下水資源不足，這與大面積人工造林大量耗水產(chǎn)生出越來(lái)越明顯的供需矛盾。因此，掌握人工林系統(tǒng)水分利用特征及其影響因素對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域人工林高效水分利用配置以及可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。

林地水分利用效率(Water use efficiency, WUE)實(shí)際指林地每消耗單位質(zhì)量的水所固定的干物質(zhì)的量，它是表示碳水耦合關(guān)系的重要指標(biāo)[2]。在林地生態(tài)系統(tǒng)的尺度上，亦可以直接測(cè)量林地系統(tǒng)與大氣之間碳和水交換來(lái)確定林地系統(tǒng)水分利用效率，既通過(guò)總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)和蒸散發(fā)(Tr)的比值來(lái)確定。但這些測(cè)量不能直接量化植物碳同化和蒸騰以及土壤的蒸散作用[3，4]，也不能判斷環(huán)境條件的影響。生物地理Biome-BGC模型則可以根據(jù)區(qū)域環(huán)境因素包括降水量、氣溫、地理位置以及土壤質(zhì)地、林地特性指標(biāo)等為基礎(chǔ)綜合模擬林地GPP和Tr，并可以預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)林地系統(tǒng)水分利用的影響[5]。如有研究指出葉片、細(xì)根和枯落物碳氮比等參數(shù)對(duì)Biome-BGC模型模擬碳水通量的敏感性較強(qiáng)[6，7]。也有研究得出不同植被類(lèi)型在氣候變化下，因其生理生態(tài)特征不同，WUE也會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生差異變化[8]。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于Biome-BGC模型對(duì)不同植被類(lèi)型林地水分利用效率的差異[9]，林地水分利用效率的時(shí)空特征[10]，以及林地WUE與氣候的關(guān)系[11]的研究有較的多關(guān)注。但在黃土高原干旱半干旱地區(qū)，不同人工林模式的碳水通量和水分利用效率的演變特征和差異仍然知之不足。

鑒于此，本研究以黃土丘陵區(qū)典型人工林地為研究，通過(guò)Biome-BGC模型及模型運(yùn)行的敏感性參數(shù)測(cè)定，模擬對(duì)比不同林地的總初級(jí)生產(chǎn)力，蒸散發(fā)，并估算林地系統(tǒng)水分利用效率的演變趨勢(shì)及差異，揭示不同林地WUE響應(yīng)的關(guān)鍵氣候因子，以期為優(yōu)化獲得高效水分利用人工林配置模式提供科技支撐。

1 研究樣地與方法

1.1 研究區(qū)域及樣地選取

表1 樣地特征

1.2 Biome BGC模型及數(shù)據(jù)來(lái)源

Biome-BGC模型[12]模擬主要靠初始、氣象和生理生態(tài)參數(shù)3個(gè)驅(qū)動(dòng)文件[13]。初始文件需要輸入的參數(shù)主要有土壤有效深度(1 m)，機(jī)械組成(沙粒、粉粒、黏粒的體積百分比分別為50%、30%和20%)，海拔和經(jīng)緯度。氣象文件(1999-2017年)中最高溫和最低溫以及降水量的日尺度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。通過(guò)MT-CLIM 模型(Mountain Microclimate Simulation Model)模擬每日飽和水汽壓虧缺、太陽(yáng)輻射和日長(zhǎng)數(shù)據(jù)[14]。其中，生理生態(tài)參數(shù)文件里使用元素分析儀(Vario MACRO cube，Germany)測(cè)定葉片、枯落物、細(xì)根和死木質(zhì)部的全量碳氮?？萋湮?、細(xì)根和死木質(zhì)的易分解部分通過(guò)酒精加熱法測(cè)定，纖維素含量通過(guò)NERL方法[15]測(cè)定，木質(zhì)素成分在馬弗爐中500℃灰化至恒重的部分。各生態(tài)生理參數(shù)的具體取值和獲取詳見(jiàn)本課題組論文[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)氣候因子動(dòng)態(tài)特征

研究區(qū)1999-2017年的降水量和氣溫年際變化如圖1所示，隨著年限的增加降水量呈上升的趨勢(shì)。降水量最高年份為2013年是最低1999年的2.79倍。而該時(shí)段氣溫呈下降趨勢(shì)，氣溫最高年份為1999年，最低年份為2017，兩者相差10%。

圖1 研究區(qū)1999-2017年降水量與氣溫均值

2.2 不同林地碳水通量及水分利用效率動(dòng)態(tài)特征

不同林地總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)隨著年份的增加呈上升的趨勢(shì)。灌木林山杏GPP均值大于沙棘，平均比沙棘高14.1%(圖2-A)。喬木林油松林和楊樹(shù)林的GPP最高，比最低(刺槐林)平均高出61.3%(圖2-B)。各林地GPP均值排序?yàn)榇袒绷?沙棘林<山杏林<刺槐+山桃混交林<楊樹(shù)=油松。

圖2 各林地1999-2017年均總初級(jí)生產(chǎn)力

不同林地蒸散發(fā)(ET)隨著年份的增加呈上升的趨勢(shì)。灌木中山杏林和沙棘林ET無(wú)明顯差異(圖3-A)。喬木油松林楊樹(shù)林最大，其次為刺槐+山桃混交林，最低為刺槐林，油松林楊樹(shù)林和刺槐+山桃混交林分別是刺槐林的1.2和1.19倍(圖3-B)。

圖3 各林地1999-2017年均蒸散發(fā)

各林地水分利用效率(WUE)隨著年份的增加總體呈下降趨勢(shì)。灌木林(圖4-A)WUE的年均范圍在0.92～1.44 gC·kgH2O之間，喬木林(圖4-B)WUE的年均范圍在0.97～2.1 gC·kgH2O之間。山杏林WUE平均為沙棘林的1.13倍。喬木林中WUE最大為油松和楊樹(shù)平均比最低(刺槐林)高出36.9%。各林地WUE總體排序?yàn)樯臣?刺槐<山杏<刺槐+山桃混交林<楊樹(shù)=油松。

圖4 各林地1999-2017年均水分利用效率

2.3 不同林地碳水通量和水分利用效率與氣候因子的關(guān)系

圖5顯示灌木中山杏林的GPP和ET與降水量(P)極顯著正相關(guān)。沙棘林GPP與P顯著正相關(guān)，ET與P極顯著正相關(guān)，WUE與P顯著負(fù)相關(guān)，與溫度(T)極顯著正相關(guān)。喬木中油松林、楊樹(shù)林和刺槐+山桃混交林的GPP和ET與P極顯著正相關(guān)。油松林的ET與T顯著負(fù)相關(guān)，刺槐+山桃混交林的WUE與T極顯著正相關(guān)。刺槐林的GPP、ET和WUE與P和T無(wú)相關(guān)性。

圖5 各林地水分利用效率與碳水通量和氣候相關(guān)性分析注：圖中P、T、GPP、ET和WUE分別代表降水量、溫度、總初級(jí)生產(chǎn)力、蒸散發(fā)和水分利用效率；*代表P < 0.05水平顯著相關(guān)，**代表P<0.01水平極顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 不同林地碳水通量及水分利用效率動(dòng)態(tài)特征

黃土丘陵區(qū)1999-2017年年均降水量呈上升趨勢(shì)，氣溫呈下降趨勢(shì)。這與劉荔昀[17]研究的該區(qū)域氣候條件變化趨勢(shì)相同。這與1999年退耕還林工程啟動(dòng)顯著恢復(fù)植被覆蓋度，降低下墊面溫度降低密切相關(guān)。關(guān)于林地WUE，裴婷婷等[18]通過(guò)遙感數(shù)據(jù)分析了黃土高原生態(tài)系統(tǒng)2000-2014年植被WUE在1.1～2.0 gC·kgH2O-1，基本相近與本研究結(jié)果。不同林地以油松和楊樹(shù)林的碳水通量和WUE最高。因?yàn)楦珊禃r(shí)油松和楊樹(shù)可以提高自身總初級(jí)生產(chǎn)力和降低蒸散發(fā)，從而間接提高WUE，更適于偏旱環(huán)境變化。同時(shí)，油松和楊樹(shù)的高蒸散發(fā)可能與密度有關(guān)，較高的密度使林地的蒸騰增加，低密度又增加了土壤的蒸騰。另外，山桃-刺槐混交林WUE比刺槐純林高，因此在進(jìn)行植被恢復(fù)，可考慮增加混交林的種植面積。刺槐純林的總初級(jí)生產(chǎn)力和WUE也小于其他林地。通過(guò)相關(guān)分析得到刺槐GPP與WUE正顯著相關(guān)性，而蒸散發(fā)與WUE相關(guān)性不顯著，說(shuō)明刺槐WUE主要受總初級(jí)生產(chǎn)力影響。刺槐屬于固氮樹(shù)種。朱媛君等[11]發(fā)現(xiàn)其他種類(lèi)的植物相比，固氮植物的葉片碳氮比較低。由于植物的葉片碳含量較低，葉片的光合作用的強(qiáng)度減弱，生長(zhǎng)發(fā)育變緩，植物的碳固定會(huì)減少。

3.2 不同林地碳水通量和水分利用效率與氣候因子的關(guān)系

黃土丘陵區(qū)不同林地GPP、蒸散發(fā)和WUE與氣候因素的相關(guān)性分析表明，灌木林山杏林和沙棘的GPP和蒸散發(fā)均與降水量極顯著相關(guān)。喬木林油松、楊樹(shù)以及刺槐+山桃混交林的GPP和WUE與降水量極顯著相關(guān)，而蒸散發(fā)與降水量極顯著負(fù)相關(guān)。此結(jié)果與裴婷婷等[18]發(fā)現(xiàn)的黃土高原森林降水量與水分利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)，與蒸散發(fā)呈正相關(guān)關(guān)系相一致。由此我們可以得出黃土丘陵區(qū)林地的碳水通量及WUE的變化主要原因是降水量起主導(dǎo)因素。由于降水升高引起的蒸散發(fā)的增加速率大于總初級(jí)生產(chǎn)力的增加速率，使水分利用效率呈下降趨勢(shì)。油松林蒸散發(fā)與氣溫顯著負(fù)相關(guān)，沙棘林和刺槐+山桃混交林水分利用效率與氣溫極顯著正相關(guān)，是因?yàn)闅鉁亟档挖厔?shì)會(huì)導(dǎo)致植被葉子內(nèi)部水汽壓的減小，其與穩(wěn)定大氣水汽壓之間的飽和水汽壓差會(huì)減小，使植物的蒸騰作用降低。本研究林地蒸騰呈上升趨勢(shì)，這也說(shuō)明降水對(duì)植物的影響大于氣溫影響[19]。刺槐林的總初級(jí)生產(chǎn)力、蒸散發(fā)和水分利用效率與降水量和氣溫不相關(guān)。這說(shuō)明刺槐林在氣候因素對(duì)自身生理生態(tài)的影響較小，對(duì)氣候變化的敏感性較低。

4 結(jié)語(yǔ)

黃土丘陵區(qū)以油松和楊樹(shù)林表現(xiàn)出高的總初級(jí)生產(chǎn)力和水分利用效率，可作為高效水分利用的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。刺槐+山桃混交林與刺槐純林相比總初級(jí)生產(chǎn)力和水分利用效率都有提升。除刺槐林外，各林地總初級(jí)生產(chǎn)力，蒸散發(fā)和水分利用效率與氣候因子存在顯著相關(guān)性，總體上降水量的變化對(duì)總初級(jí)生產(chǎn)力、蒸散發(fā)和水分利用效率的影響高于氣溫，表明在林地恢復(fù)過(guò)程中降水量上升是植物生長(zhǎng)的主要因素。研究結(jié)果可為認(rèn)知研究區(qū)人工林地水分利用效率對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，亦可為優(yōu)化獲得高效水分利用人工林配置模式提供指導(dǎo)。