徐小勤　于澎濤　王彥輝等

關(guān)鍵詞：華北落葉松林；林齡；水文功能；BROOK90模型

中圖分類(lèi)號(hào)：S718.54，S715 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1498（2023）01-0109-08

寧夏六盤(pán)山作為我國(guó)西北半干旱地區(qū)植被建設(shè)的關(guān)鍵區(qū)，自上世紀(jì)80年代后期就開(kāi)始了長(zhǎng)期的造林活動(dòng)。雖然造林后植被覆蓋有了明顯提高，但是也造成了徑流的顯著減少，且這種徑流減少在我國(guó)半干旱區(qū)更明顯，可達(dá)到50%以上。要協(xié)調(diào)林水之間這個(gè)矛盾，需要厘清造林對(duì)水文功能的影響，尤其是植被結(jié)構(gòu)的改變?nèi)绾斡绊懰墓δ堋?/p>

研究表明，林分結(jié)構(gòu)會(huì)影響森林的生態(tài)水文功能。林冠的截留再分配過(guò)程受樹(shù)高、胸徑、LAI等林分特征和降水量、降水強(qiáng)度等因素的影響，其中，降水量和林冠LAI是主要影響因子。王磊等對(duì)華北石質(zhì)山區(qū)不同郁閉度的側(cè)柏人工林的研究發(fā)現(xiàn)，隨著郁閉度的增加，林冠截留量逐漸增大。此外，林冠結(jié)構(gòu)不僅影響冠層截留，也會(huì)影響到林分的蒸散，而且林分的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)也與蒸散及其組成分量有密切的關(guān)系，如lida等研究同一地區(qū)不同時(shí)期的紅松林，發(fā)現(xiàn)各蒸散分量隨林分結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生明顯的變化。林分結(jié)構(gòu)也會(huì)直接或間接地影響到產(chǎn)流量，如魏曦等在晉西黃土區(qū)油松人工林的量化研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)流量受林分結(jié)構(gòu)的影響較大，總影響系數(shù)為0.986；尤海舟等研究冀北山地的蒙古櫟天然次生林的產(chǎn)流量，發(fā)現(xiàn)除降水外，郁閉度、冠幅、枯落物厚度等因素都會(huì)影響產(chǎn)流量，且郁閉度的影響比冠幅大。

上述研究多是通過(guò)對(duì)森林進(jìn)行對(duì)比研究得到的，直接比較了不同林分結(jié)構(gòu)下的水文影響。然而，林分結(jié)構(gòu)隨林齡在不斷變化，這包括林冠層、林下層及土壤層等一系列的林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)和樹(shù)高、胸徑等的變化。由于這些林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)隨林齡的變化，森林的水文功能也在不斷變化，然而，有關(guān)人工林隨林齡所發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化和其水文影響卻由于森林的壽命較長(zhǎng)，常常幾十年，甚至更長(zhǎng)，難以連續(xù)同步觀測(cè)其結(jié)構(gòu)和其水文功能在整個(gè)生命過(guò)程中的變化，但這對(duì)預(yù)測(cè)和管理林水關(guān)系又是十分必要的；作為管理者，如果在造林之前就能了解和預(yù)測(cè)森林結(jié)構(gòu)和水文功能隨林齡的變化，那么造林等森林管理行為將會(huì)更加有效和有的放矢。因此，通過(guò)生態(tài)水文模型等方法，模擬森林的結(jié)構(gòu)隨林齡的變化和該變化所帶來(lái)的水文影響就顯得十分必要。

疊疊溝小流域是六盤(pán)山典型的半干旱區(qū)，而華北落葉松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）是該流域的主要造林樹(shù)種，也是目前主要的人工林類(lèi)型。在該區(qū)域現(xiàn)有的林水關(guān)系研究中，多是研究某一個(gè)時(shí)段或近幾年的變化，不能反映人工林的結(jié)構(gòu)隨林齡的變化所帶來(lái)的水文影響。因此本研究以疊疊溝小流域的華北落葉松人工林為研究對(duì)象，應(yīng)用前人構(gòu)建的該小流域華北落葉松人工林的林分結(jié)構(gòu)耦合模型和生態(tài)水文模型BROOK90，模擬植被結(jié)構(gòu)（平均樹(shù)高、胸徑、郁閉度、LAI）隨林齡的變化及其對(duì)各水分平衡分量（截留量、蒸騰量、土壤蒸發(fā)量、產(chǎn)流量）的影響，旨在為六盤(pán)山半干旱區(qū)的植被建設(shè)和經(jīng)營(yíng)管理提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

疊疊溝小流域（106°4′～106°9′E，35°54′～35°58′N(xiāo)），是六盤(pán)山西北部一個(gè)具有代表性的小流域，海拔1973～2615 m，為典型的半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.9℃，年均降水量445 mm，其中80%集中在6—10月的雨季。土壤類(lèi)型以黃土和灰褐土為主，且土壤厚度變化大，從上坡的20 cm到坡腳的2m以上不等。

在疊疊溝小流域下游的陰坡坡腳處，設(shè)置了一個(gè)30m×30m的固定樣地（表1）。樣地植被為1982年種植的華北落葉松林，林下沒(méi)有灌木生長(zhǎng)，主要是草本，如蒿屬植物（Artemisia spp.）等。土壤為砂壤土，且土壤較厚，大于1m。2018年，林分密度為1300株·hm^-2，平均胸徑為12.1cm，平均樹(shù)高為11.5 m，林分冠層LAI約為4.3，林冠郁閉度0.8，草本覆蓋度約0.8。本研究BROOK90模型的率定和檢驗(yàn)均以此樣地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行。

2研究方法

2.1林分結(jié)構(gòu)耦合模型

本研究引用韓新生基于疊疊溝小流域?qū)嵉卣{(diào)查的華北落葉松林的基本林分結(jié)構(gòu)特征（樹(shù)高、胸徑、郁閉度、LAI）所構(gòu)建的林分結(jié)構(gòu)多因子耦合模型，模型中的函數(shù)關(guān)系如表2所示。本研究中植被結(jié)構(gòu)的變化為該模型的計(jì)算結(jié)果。

2.2 BROOK90模型

2.2.1模型簡(jiǎn)介 BROOK 90模型是確定的、基于過(guò)程的集總式生態(tài)水文模型，它不考慮水平方向上流域或者其他模擬對(duì)象的差異和相鄰區(qū)域間橫向的水分交換，只在垂直方向上詳細(xì)刻畫(huà)水分的運(yùn)動(dòng)與傳輸。該模型在一個(gè)點(diǎn)尺度上或在一個(gè)小而均勻的流域內(nèi)，在一天的時(shí)間步長(zhǎng)上估計(jì)水文循環(huán)中降水·蒸發(fā)·徑流部分的陸地階段。

BROOK90通過(guò)葉面積指數(shù)和植被冠層截留容量的函數(shù)計(jì)算截留量，利用改進(jìn)的Penman-Monteith方法——Shuttleworth-Wallace方程計(jì)算蒸騰和蒸發(fā)，根據(jù)Brooks和Corey改進(jìn)的方法定義土壤-水分特征。通過(guò)Darcy-Richards方程模擬土壤中的水分運(yùn)動(dòng)。

2.2.2模型率定和檢驗(yàn)

主要地形、土壤參數(shù)（如緯度、坡度、土壤厚度、石礫含量、田間持水量）和植被參數(shù)（如樹(shù)高、LAI、郁閉度、根生物量及其垂直分布）由華北落葉松人工林固定樣地實(shí)測(cè)所得（表1），無(wú)法直接測(cè)量得到的參數(shù)（如植被最大導(dǎo)水率、快速?gòu)搅飨禂?shù)QFPAR和QFFC）通過(guò)固定樣地實(shí)測(cè)的土壤含水量進(jìn)行校準(zhǔn)得到（表3）。其余參數(shù)由于對(duì)華北落葉松人工林的水文變化不敏感，根據(jù)BROOK90模型手冊(cè)設(shè)為默認(rèn)值。

利用華北落葉松人工林樣地2018年的實(shí)測(cè)土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，2019年的土壤含水量數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型。在模型率定和檢驗(yàn)期間，用2018年和2019年疊疊溝的氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（E）、絕對(duì)誤差（A）和相對(duì)誤差（B）來(lái)評(píng)價(jià)模型率定和檢驗(yàn)的精度。計(jì)算公式如下：

式中：MW_i為實(shí)測(cè)土壤含水量，SW_i為模型模擬土壤含水量，MW_av為整個(gè)模擬期間實(shí)測(cè)土壤含水量的平均值，n為實(shí)測(cè)次數(shù)。

2.3情景制定

為了厘清林齡對(duì)林分結(jié)構(gòu)和各水分平衡分量的影響，以華北落葉松人工林固定樣地為例，制定了包含不同林齡的情景。在該情景中，坡向?yàn)?2.5°，林分密度為1300株·hm^-2，土壤厚度為100cm，設(shè)置了12種林齡情景，其中，林齡的變化范圍為5～60a，每5a為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。

2.4情景模擬

先用林分結(jié)構(gòu)耦合模型計(jì)算得到每個(gè)林齡情景下的森林結(jié)構(gòu)參數(shù)，如樹(shù)高、胸徑、郁閉度和LAI等，再將上述結(jié)構(gòu)參數(shù)代人到BROOK90模型中，模擬每個(gè)情景下的水文過(guò)程。所有的模擬均基于1993—2002年固原氣象站的日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行，然后再基于每日的水文過(guò)程得到年尺度上的截留量、蒸騰量、土壤蒸發(fā)量等各水分平衡分量。

3結(jié)果與分析

3.1模型率定和檢驗(yàn)

圖1表明，在華北落葉松人工林固定樣地內(nèi)，BROOK90模型模擬的土壤含水量與實(shí)測(cè)土壤含水量的變化趨勢(shì)和峰值基本一致。率定期間（2018-06-10-2018-10-27）和檢驗(yàn)期間（2019-05-28—2019-11-01）的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.72和0.69。樣地各土層土壤水分的模擬相對(duì)誤差均不超過(guò)15%，絕對(duì)誤差均小于5%（表4）。

3.2林分結(jié)構(gòu)隨林齡的變化

基于林分結(jié)構(gòu)耦合模型模擬結(jié)果表明，本華北落葉松人工林的林分平均樹(shù)高和郁閉度隨林齡的變化均表現(xiàn)為林齡5～15 a時(shí)隨林齡的增加快速增大，之后增速變緩，在35 a之后，平均樹(shù)高隨林齡的增加不再發(fā)生明顯變化，而林分郁閉度則比平均樹(shù)高晚5a達(dá)到穩(wěn)定；平均胸徑在林齡5～20 a時(shí)隨林齡的增加而快速增大，在林齡45 a之后達(dá)到穩(wěn)定；冠層LAI隨林齡的變化趨勢(shì)為，在林齡5～20 a時(shí)隨林齡的增加快速增大，之后增速漸緩，在林齡30 a達(dá)到最大值，之后逐漸減小，在林齡60 a后穩(wěn)定在最大值的約3/4處（圖2）。在快速生長(zhǎng)期（林齡5～15 a），林分平均胸徑的增長(zhǎng)速率最快，為0.54 cm·a^-1;其次是平均樹(shù)高，為0.48m·a^-1；冠層LAI和郁閉度的增長(zhǎng)速率較慢，年均增長(zhǎng)率分別為0.19和0.03。在林齡5～60 a時(shí)，林分平均樹(shù)高、平均胸徑、郁閉度和冠層LAI的變化范圍分別為2.3～10.0 m、2.3～13.3 cm、0.20～0.80、0.65～3.40。

3.3水分平衡分量隨林齡的變化

林分結(jié)構(gòu)的變化會(huì)改變水文過(guò)程和各水分平衡分量。因此，年均截留量隨林齡的變化表現(xiàn)為林齡5～20 a時(shí)隨林齡的增加快速增大，之后增速變緩，在林齡30 a達(dá)到最大，之后隨林齡的增加而略減小，在林齡60 a之后趨于穩(wěn)定。年均蒸騰量隨林齡的變化表現(xiàn)為林齡5～10 a時(shí)隨林齡的增加而快速增大，在10～25 a時(shí)增速變緩，25 a之后不再隨林齡增加發(fā)生明顯變化。與年均蒸騰量相反，年均土壤蒸發(fā)量和產(chǎn)流量隨林齡的變化均表現(xiàn)為在林齡5～10 a時(shí)隨林齡的增加而快速減小，林齡10 a之后，減速變緩，在林齡30 a之后達(dá)到穩(wěn)定（圖3）。在快速增長(zhǎng)期，年均截留量、蒸騰量、土壤蒸發(fā)量和產(chǎn)流量的變化速率分別為1.91、24.13、-10.58、-14.88 mm·a^-1；在緩慢增長(zhǎng)期，年均蒸騰量、土壤蒸發(fā)量和產(chǎn)流量的變化速率分別為0.62、-0.75、-0.76 mm·a^-1。在林齡5～60 a時(shí)，年截留量、年蒸騰量、年土壤蒸發(fā)量和年產(chǎn)流量的變化范圍分別約為2.5～36.5、65.0～316.5、23.5～140.0、33.5～195.0 mm；達(dá)到穩(wěn)定后，分別占年均降水量（410 mm）的8.5%、77.2%、5.7%、和8.2%。

4討論

4.1林分結(jié)構(gòu)隨林齡的變化

華北落葉松人工林平均樹(shù)高與胸徑隨林齡的變化過(guò)程符合林木生長(zhǎng)的“S”型曲線(xiàn)，但兩者的生長(zhǎng)過(guò)程不同步，這與前人研究其他地區(qū)的華北落葉松林的結(jié)果大致相同；且在其他樹(shù)種上也有相似結(jié)果，如劉菲等發(fā)現(xiàn)油松人工林樹(shù)高快速生長(zhǎng)期比胸徑早2a。林分郁閉度隨林齡的動(dòng)態(tài)變化研究報(bào)道較少，本研究中，郁閉度隨林齡增加不斷增大，最終趨于穩(wěn)定。在本研究區(qū)，林齡5～15a之前，郁閉度隨林齡增加而快速增大，但也有研究發(fā)現(xiàn)，在半濕潤(rùn)區(qū)，華北落葉松人工林的郁閉度在林齡20～30a時(shí)隨林齡增加而快速增大；平均樹(shù)高和胸徑隨林齡的變化趨勢(shì)基本一致，在林齡30a以前快速增長(zhǎng)，比本研究區(qū)多延續(xù)了15a，這可能與本研究區(qū)的半干旱氣候有關(guān)，干旱導(dǎo)致快速生長(zhǎng)階段提前結(jié)束。

4.2各水分平衡分量隨林齡的變化及其在林水綜合管理中的建議

本研究發(fā)現(xiàn)，在快速生長(zhǎng)階段（林齡5～15a），年截留量和年蒸騰量的年均增加量分別為1.9mm·a^-1和24.0 mm·a^-1，占森林穩(wěn)定階段年截留量和年蒸騰量的5.5%和7.5%；年土壤蒸發(fā)量和年產(chǎn)流量的年均減少量分別為10.6 mm·a^-1和15.0mm·a^-1，占森林穩(wěn)定階段年土壤蒸發(fā)量和年產(chǎn)流量的45.3%和44.8%。在緩慢生長(zhǎng)期（林齡15～40a），年截留量、年蒸騰量、年土壤蒸發(fā)量和年產(chǎn)流量在林齡15～30a間的平均增加（減少）量分別為0.99、0.62、0.75、0.76 mm·a^-1，并在林齡30 a左右達(dá)到最大（最小）值，且保持基本穩(wěn)定。由此可知，林齡大于30a后，可不考慮林齡對(duì)本研究區(qū)華北落葉松人工林水文功能的影響；在林齡小于30a時(shí)，尤其是小于15a時(shí)，各水分平衡分量明顯變化，此時(shí)林齡對(duì)水文功能的影響必須加以考慮，即在半干旱區(qū)華北落葉松人工林的管理和建設(shè)過(guò)程中，考慮中齡林，尤其是幼齡林對(duì)水文功能的影響時(shí)必須考慮林齡的影響。

研究表明，森林的水文影響是由森林結(jié)構(gòu)和降水特征共同影響的，如森林的冠層截留量和截留率隨林外降水量顯著變化，且與冠層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，坡向、坡度和土壤厚度等也對(duì)森林的水文功能有顯著影響。本研究雖未考慮降水等氣象因子的波動(dòng)以及氣候變化帶來(lái)的水文影響，僅關(guān)注在氣候不變、立地條件相同的情況下，森林因?yàn)槟挲g變化引起的結(jié)構(gòu)變化，從而產(chǎn)生的水文影響，但是仍然建議在林業(yè)管理中，在考慮林齡的影響時(shí)，進(jìn)一步考慮氣候變化和立地條件的作用。

5結(jié)論

華北落葉松林的生長(zhǎng)可分為快速生長(zhǎng)期（林齡5～15 a）、緩慢生長(zhǎng)期（林齡15～40 a）和穩(wěn)定期（林齡40 a之后）。在快速生長(zhǎng)期，林分平均樹(shù)高、平均胸徑、郁閉度和冠層LAI均隨林齡的增加而快速增大；在緩慢生長(zhǎng)期，林分平均樹(shù)高、平均胸徑和郁閉度呈緩慢增大趨勢(shì)，而冠層LAI則呈先增大后減小的趨勢(shì)；在穩(wěn)定期，林分結(jié)構(gòu)變化不明顯。

在快速生長(zhǎng)期，年均截留量隨林齡增加快速增大，年均蒸騰量、土壤蒸發(fā)量、產(chǎn)流量隨林齡增加先快速增大（減?。诹铸g10a后增速（減速）變緩。在緩慢生長(zhǎng)期，年均蒸騰量、土壤蒸發(fā)量和產(chǎn)流量隨林齡的變化減慢，并在林齡30a左右就趨于穩(wěn)定。

因此，在生態(tài)水文研究和林水綜合管理中，在林齡小于30a時(shí)必須考慮林齡的影響，當(dāng)林齡大于30a時(shí)，不必再考慮林齡的影響。