吴冠宇

(陕西省水利水电工程咨询中心，陕西 西安 710000)

0 引言

黄土丘陵区自1999年开始实施退耕还林还草至今，植被覆盖率年均提高近1.2%，表现出显著的植被恢复与水土保持效应[1]。但黄土丘陵区作为半干旱地区，加之地下水资源不足，这与大面积人工造林大量耗水产生出越来越明显的供需矛盾。因此，掌握人工林系统水分利用特征及其影响因素对于指导区域人工林高效水分利用配置以及可持续发展具有重要的科学和实践意义。

林地水分利用效率(Water use efficiency, WUE)实际指林地每消耗单位质量的水所固定的干物质的量，它是表示碳水耦合关系的重要指标[2]。在林地生态系统的尺度上，亦可以直接测量林地系统与大气之间碳和水交换来确定林地系统水分利用效率，既通过总初级生产力(GPP)和蒸散发(Tr)的比值来确定。但这些测量不能直接量化植物碳同化和蒸腾以及土壤的蒸散作用[3，4]，也不能判断环境条件的影响。生物地理Biome-BGC模型则可以根据区域环境因素包括降水量、气温、地理位置以及土壤质地、林地特性指标等为基础综合模拟林地GPP和Tr，并可以预测气候变化对林地系统水分利用的影响[5]。如有研究指出叶片、细根和枯落物碳氮比等参数对Biome-BGC模型模拟碳水通量的敏感性较强[6，7]。也有研究得出不同植被类型在气候变化下，因其生理生态特征不同，WUE也会随时间产生差异变化[8]。近些年，国内外学者基于Biome-BGC模型对不同植被类型林地水分利用效率的差异[9]，林地水分利用效率的时空特征[10]，以及林地WUE与气候的关系[11]的研究有较的多关注。但在黄土高原干旱半干旱地区，不同人工林模式的碳水通量和水分利用效率的演变特征和差异仍然知之不足。

鉴于此，本研究以黄土丘陵区典型人工林地为研究，通过Biome-BGC模型及模型运行的敏感性参数测定，模拟对比不同林地的总初级生产力，蒸散发，并估算林地系统水分利用效率的演变趋势及差异，揭示不同林地WUE响应的关键气候因子，以期为优化获得高效水分利用人工林配置模式提供科技支撑。

1 研究样地与方法

1.1 研究区域及样地选取

表1 样地特征

1.2 Biome BGC模型及数据来源

Biome-BGC模型[12]模拟主要靠初始、气象和生理生态参数3个驱动文件[13]。初始文件需要输入的参数主要有土壤有效深度(1 m)，机械组成(沙粒、粉粒、黏粒的体积百分比分别为50%、30%和20%)，海拔和经纬度。气象文件(1999-2017年)中最高温和最低温以及降水量的日尺度数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)。通过MT-CLIM 模型(Mountain Microclimate Simulation Model)模拟每日饱和水汽压亏缺、太阳辐射和日长数据[14]。其中，生理生态参数文件里使用元素分析仪(Vario MACRO cube，Germany)测定叶片、枯落物、细根和死木质部的全量碳氮。枯落物、细根和死木质的易分解部分通过酒精加热法测定，纤维素含量通过NERL方法[15]测定，木质素成分在马弗炉中500℃灰化至恒重的部分。各生态生理参数的具体取值和获取详见本课题组论文[16]。

2 结果与分析

2.1 研究区气候因子动态特征

研究区1999-2017年的降水量和气温年际变化如图1所示，随着年限的增加降水量呈上升的趋势。降水量最高年份为2013年是最低1999年的2.79倍。而该时段气温呈下降趋势，气温最高年份为1999年，最低年份为2017，两者相差10%。

图1 研究区1999-2017年降水量与气温均值

2.2 不同林地碳水通量及水分利用效率动态特征

不同林地总初级生产力(GPP)随着年份的增加呈上升的趋势。灌木林山杏GPP均值大于沙棘，平均比沙棘高14.1%(图2-A)。乔木林油松林和杨树林的GPP最高，比最低(刺槐林)平均高出61.3%(图2-B)。各林地GPP均值排序为刺槐林<沙棘林<山杏林<刺槐+山桃混交林<杨树=油松。

图2 各林地1999-2017年均总初级生产力

不同林地蒸散发(ET)随着年份的增加呈上升的趋势。灌木中山杏林和沙棘林ET无明显差异(图3-A)。乔木油松林杨树林最大，其次为刺槐+山桃混交林，最低为刺槐林，油松林杨树林和刺槐+山桃混交林分别是刺槐林的1.2和1.19倍(图3-B)。

图3 各林地1999-2017年均蒸散发

各林地水分利用效率(WUE)随着年份的增加总体呈下降趋势。灌木林(图4-A)WUE的年均范围在0.92～1.44 gC·kgH2O之间，乔木林(图4-B)WUE的年均范围在0.97～2.1 gC·kgH2O之间。山杏林WUE平均为沙棘林的1.13倍。乔木林中WUE最大为油松和杨树平均比最低(刺槐林)高出36.9%。各林地WUE总体排序为沙棘<刺槐<山杏<刺槐+山桃混交林<杨树=油松。

图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与气候因子的关系

图5显示灌木中山杏林的GPP和ET与降水量(P)极显著正相关。沙棘林GPP与P显著正相关，ET与P极显著正相关，WUE与P显著负相关，与温度(T)极显著正相关。乔木中油松林、杨树林和刺槐+山桃混交林的GPP和ET与P极显著正相关。油松林的ET与T显著负相关，刺槐+山桃混交林的WUE与T极显著正相关。刺槐林的GPP、ET和WUE与P和T无相关性。

图5 各林地水分利用效率与碳水通量和气候相关性分析注：图中P、T、GPP、ET和WUE分别代表降水量、温度、总初级生产力、蒸散发和水分利用效率；*代表P < 0.05水平显著相关，**代表P<0.01水平极显著相关。

3 讨论

3.1 不同林地碳水通量及水分利用效率动态特征

黄土丘陵区1999-2017年年均降水量呈上升趋势，气温呈下降趋势。这与刘荔昀[17]研究的该区域气候条件变化趋势相同。这与1999年退耕还林工程启动显著恢复植被覆盖度，降低下垫面温度降低密切相关。关于林地WUE，裴婷婷等[18]通过遥感数据分析了黄土高原生态系统2000-2014年植被WUE在1.1～2.0 gC·kgH2O-1，基本相近与本研究结果。不同林地以油松和杨树林的碳水通量和WUE最高。因为干旱时油松和杨树可以提高自身总初级生产力和降低蒸散发，从而间接提高WUE，更适于偏旱环境变化。同时，油松和杨树的高蒸散发可能与密度有关，较高的密度使林地的蒸腾增加，低密度又增加了土壤的蒸腾。另外，山桃-刺槐混交林WUE比刺槐纯林高，因此在进行植被恢复，可考虑增加混交林的种植面积。刺槐纯林的总初级生产力和WUE也小于其他林地。通过相关分析得到刺槐GPP与WUE正显著相关性，而蒸散发与WUE相关性不显著，说明刺槐WUE主要受总初级生产力影响。刺槐属于固氮树种。朱媛君等[11]发现其他种类的植物相比，固氮植物的叶片碳氮比较低。由于植物的叶片碳含量较低，叶片的光合作用的强度减弱，生长发育变缓，植物的碳固定会减少。

3.2 不同林地碳水通量和水分利用效率与气候因子的关系

黄土丘陵区不同林地GPP、蒸散发和WUE与气候因素的相关性分析表明，灌木林山杏林和沙棘的GPP和蒸散发均与降水量极显著相关。乔木林油松、杨树以及刺槐+山桃混交林的GPP和WUE与降水量极显著相关，而蒸散发与降水量极显著负相关。此结果与裴婷婷等[18]发现的黄土高原森林降水量与水分利用效率呈显著负相关，与蒸散发呈正相关关系相一致。由此我们可以得出黄土丘陵区林地的碳水通量及WUE的变化主要原因是降水量起主导因素。由于降水升高引起的蒸散发的增加速率大于总初级生产力的增加速率，使水分利用效率呈下降趋势。油松林蒸散发与气温显著负相关，沙棘林和刺槐+山桃混交林水分利用效率与气温极显著正相关，是因为气温降低趋势会导致植被叶子内部水汽压的减小，其与稳定大气水汽压之间的饱和水汽压差会减小，使植物的蒸腾作用降低。本研究林地蒸腾呈上升趋势，这也说明降水对植物的影响大于气温影响[19]。刺槐林的总初级生产力、蒸散发和水分利用效率与降水量和气温不相关。这说明刺槐林在气候因素对自身生理生态的影响较小，对气候变化的敏感性较低。

4 结语

黄土丘陵区以油松和杨树林表现出高的总初级生产力和水分利用效率，可作为高效水分利用的优势树种。刺槐+山桃混交林与刺槐纯林相比总初级生产力和水分利用效率都有提升。除刺槐林外，各林地总初级生产力，蒸散发和水分利用效率与气候因子存在显著相关性，总体上降水量的变化对总初级生产力、蒸散发和水分利用效率的影响高于气温，表明在林地恢复过程中降水量上升是植物生长的主要因素。研究结果可为认知研究区人工林地水分利用效率对气候变化的响应机制提供科学依据，亦可为优化获得高效水分利用人工林配置模式提供指导。