桉樹人工林水文效應研究述評

黃 俊，金平偉，姜學兵

(1.珠江水利委員會珠江流域水土保持監(jiān)測中心站，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

桉樹(Eucalyptsspp.)作為世界上人工種植面積大的用材林樹種，具有適應性強、生長速度快、經(jīng)濟價值高、投入成本低等優(yōu)點，在熱帶、亞熱帶及部分溫帶地區(qū)廣泛種植。桉樹引種到中國已有上百年歷史，經(jīng)過數(shù)代馴化、栽培、育種在中國被廣泛栽種，種植面積已從改革開放初期的33萬hm2發(fā)展到2019年的580萬hm2[1]，綜合產(chǎn)值高達5 000億元，帶動廣西、廣東、云南等地大批農(nóng)民脫貧致富。

近年來隨著全球水資源短缺，特別是2010年中國西南大旱的發(fā)生，有關速生人工林負面生態(tài)水文效應的研究日益引起廣泛關注[2-4]。目前有關桉樹人工林水文效應研究仍未有一致定論，但不可否認的是桉樹人工林的確直接或間接對區(qū)域地表徑流和土壤水產(chǎn)生重要影響[5]。更有研究認為桉樹人工林種植破壞了區(qū)域土壤水動態(tài)平衡規(guī)律[6]，甚至可能引發(fā)水文生態(tài)安全問題[7-8]?，F(xiàn)有涉及純桉樹人工林地降水循環(huán)單一或幾個水文要素的研究成果相對較多，但系統(tǒng)性不足且缺乏對比性，尚不能準確回答桉樹人工林對林地水文效應影響作用機制，使得目前有關桉樹人工林種植出現(xiàn)諸多爭議[9]。天然林轉(zhuǎn)換為桉樹人工林改變了林地冠層結(jié)構(gòu)、地表覆蓋狀況、土壤理化性質(zhì)等，導致林地降雨、入滲、蒸散發(fā)及產(chǎn)流等關鍵水文要素均發(fā)生變化[10-11]，從而對林地水文效應產(chǎn)生重要影響作用[12]。

蒸散發(fā)及植被截留、降雨產(chǎn)流和土壤水是林地降水循環(huán)及水文效應研究的重要環(huán)節(jié)及關鍵要素(圖1)。本文從桉樹人工林蒸散發(fā)及植被截留、降雨產(chǎn)流和林地土壤水幾個方面，總結(jié)桉樹人工林地水文效應相關研究成果，分析現(xiàn)有研究中存在的問題，提出未來研究的重點內(nèi)容。相關成果對于中國桉樹人工林可持續(xù)發(fā)展及林地水土資源高效利用、區(qū)域水資源調(diào)控管理具有重要參考價值。

圖1 林地次降雨水循環(huán)關鍵水文要素

1 桉樹人工林蒸散與截留

1.1 蒸騰及樹干液流

葉面積指數(shù)與桉樹蒸騰關系密切，葉面積指數(shù)為2.17的細葉桉(E.tereticornisSmith)蒸騰速率約為3.5～7.7 mm/d，而葉面積指數(shù)減少到0.60時其蒸騰速率下降了31%～36%，且年蒸騰量由1 563 mm降低到853 mm[5]。冠層郁閉度較好的5年齡大桉(E.delegatensis)和亮果桉(E.nitens)人工林蒸騰量為5.0～6.0 mm/d，巨桉(E.grandis)日蒸騰量一般介于1.1～6.5 mm[13-14]，葡萄牙藍桉(E.globulus)人工林日蒸騰量為0.5～3.6 mm[15]。中國雷州半島尾葉桉(E.urophylla)人工林年蒸騰量約占降雨量35%，飽和蒸汽壓差和大氣輻射是主要影響因素[16-18]。幼齡桉樹人工林蒸騰耗水量相對較大，成熟林蒸騰耗水量相對較少，對土壤水及林地產(chǎn)流負面影響較小[19]。Vertessy等[20]基于杏仁桉(E.regnans)人工林研究發(fā)現(xiàn)林地蒸散量隨林齡增加呈持續(xù)降低變化規(guī)律。陳金梅等[82]研究了單株桉樹與杉木樹干液流變化特征，二者樹干液流具有相同的晝夜變化規(guī)律(中午高早晚低的單峰曲線)，但桉樹液流密度低于杉木、液流通量高于杉木，日均耗水量高于杉木。與毛竹相比，同等氣象條件下單株桉樹蒸散發(fā)日變化十分劇烈，且日蒸散發(fā)量約高出38%左右[21]。與松樹、杉木等相比，葉面積指數(shù)較??；桉樹葉面為革質(zhì)且附有薄層蠟質(zhì)，雨滴難以在葉面駐足停留；且葉肉柵欄組織維管束發(fā)達，最終導致桉樹葉面蒸散發(fā)能力較弱，其消耗吸收水分只有少量重新進入大氣，對區(qū)域水循環(huán)及平衡貢獻能力十分有限[22]。盡管桉樹蒸騰耗水高于其他樹種，但其水分利用效率相對較高[23-24]，其單位干物質(zhì)耗水量約在500～800 L/kg，僅為松樹、杉樹等樹種的1/2～2/3[25]。

不同桉樹日蒸騰強度總體為0.5～6.5 mm，年蒸騰量約為降雨量的三分之一左右，且隨著林齡增加其蒸騰強度呈先增加后降低變化趨勢，主要受到降水量、林齡、葉面積指數(shù)等因素影響。從季節(jié)和生長周期來看，桉樹雨季蒸騰量高于旱季、生長期蒸騰量高于非生長期[26]。

1.2 冠層截留

林齡及降雨特征是林地植被截留及蒸散發(fā)重要影響因素[27-28]。此外，林分轉(zhuǎn)換導致林地郁閉度發(fā)生改變進而引起林內(nèi)降雨特征及氣象條件發(fā)生變化，最終對植被截留及林地蒸散發(fā)產(chǎn)生重要影響，研究表明桉樹林地截留和蒸散與林地郁閉度間呈顯著正相關變化關系[5]。受多種因素影響桉樹林地冠層截留差異明顯，西澳干旱區(qū)桉樹混合林(E.saligna,E.camaldulensis,E.leucoxylon,E.platypus)降雨截留率高達22.7%[29]，而南非巨桉冠層截留率僅為4%[30]。成熟桉樹林降雨截留率相對較小，印度南部半干旱區(qū)9年齡赤桉(E.camaldulensis)截留率為10%[31]，巴西9年齡巨桉林降雨截留率為11%[14]。桉樹林截留率隨林齡增加呈先增加后降低變化趨勢，30年齡桉樹林截留率最大為30%左右[32]。相關學者在澳大利亞、印度和以色列等國家研究表明[33]，桉樹林系統(tǒng)年降水截留率為10%～34%。降雨截留率(量)的變化與桉樹人工林冠層結(jié)構(gòu)改變關系密切，因此與桉樹林地更新砍伐林分演替有關系[34-35]。Langford等[34]研究發(fā)現(xiàn)30年生桉樹林截留率約為25%，而240年生成熟林分截留率下降為17%。陳少雄[36]研究發(fā)現(xiàn)桉樹人工林截留率一般在11%～20%的降雨量，與松樹和相思等樹種相比偏少。王艷紅等[37]對比了7種不同森林類型林冠截留的月動態(tài)變化，雨季林冠截留量明顯增大，冠截留量的變幅大小排序為：麻竹>馬占相思>桉樹>勃氏甜龍竹>混交林>毛竹>紅竹，桉樹人工林截留率約為9%。侯秀麗等[38]研究了滇中桉樹人工林、云南松林、針闊混交林、次生常綠闊葉林林冠截留與降雨量關系，發(fā)現(xiàn)林冠截留量與降雨量間呈對數(shù)關系，林冠截留率與降雨量間呈冪函數(shù)關系；桉樹冠層截留量隨降雨量增加比例最小，其冠層截留能力相對最小。任世奇等[39]研究發(fā)現(xiàn)，年降雨量為1 536 mm情況下，桉樹林冠截留量為490 mm、截留率為32%，平均樹干徑流率為0.6%。

桉樹冠層截留是林地水循環(huán)重要環(huán)節(jié)和內(nèi)容，其特征變化較大，主要受到降雨量、林齡、冠層結(jié)構(gòu)、桉樹品種等影響，截留量總體為10%～30%。在降雨強度較低、降雨總量較少的情況下，桉樹冠層截留率相對較高且總體與降雨量呈正相關變化關系。

1.3 林下土壤蒸發(fā)

桉樹幼林地土壤蒸發(fā)強度最大，隨林齡變大土壤蒸發(fā)強度逐漸降低。桉樹林地蒸發(fā)主要受到林地郁閉度、林內(nèi)溫濕度、林齡等因素影響。張寧南[40]在中國雷州半島丘陵山區(qū)研究結(jié)果表明，砂土和黏土桉樹林地土壤日蒸發(fā)強度分別為0.51、0.80 mm/d，最大值分別為2.77 、1.37 mm/d，全年土壤蒸發(fā)量分別為289.8、189.0 mm(年降雨量1 539.0 mm)。林地土壤蒸發(fā)量旱季較小，且變幅也較低；雨季蒸發(fā)量較大約為旱季的1.7～2.7倍，且變幅也較大。從全年來看，砂土和黏土桉樹林地土壤蒸發(fā)量占總蒸散量的18.17%和26.83%。楊鈣仁[41]采用小型蒸發(fā)儀對桉樹人工林和“馬尾松-杉木”混合林地土壤蒸發(fā)進行了9個月的連續(xù)觀測，研究發(fā)現(xiàn)桉樹人工林土壤蒸發(fā)強度高于“馬尾松-杉木”混合林，其中2年齡桉樹林地累積土壤蒸發(fā)量為112.4 mm、5年齡桉樹林地累積土壤蒸發(fā)量為96.3 mm、“馬尾松-杉木”混合林土壤蒸發(fā)量為74.4 mm。7—9月份為桉樹人工林土壤蒸發(fā)峰值期，1月份土壤蒸發(fā)強度最低。2年齡桉樹林地、5年齡桉樹林地、“馬尾松-杉木”混合林地土壤蒸發(fā)強度最大值分別為0.786、0.766、0.579 mm/d。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)尺度蒸散發(fā)

桉樹人工林系統(tǒng)尺度蒸散發(fā)特征與單株桉樹總體基本相同，其林地系統(tǒng)尺度蒸散量高于其他林分。楊靜學等[42]采用Landset TM數(shù)據(jù)對廣東桉樹人工林系統(tǒng)蒸散量研發(fā)表明，同等條件下桉樹人工林區(qū)蒸散發(fā)量高于天然混交林區(qū)，在NDVI為0.4的情況下，24 h桉樹林區(qū)蒸散發(fā)量約高出0.18 mm。楊靜學等[43]基于MODIS和TM熱紅外數(shù)據(jù)計算的地溫值來評估較大區(qū)域上林地蒸散發(fā)能力，采用2008—2009年數(shù)據(jù)對比珠三角六類主要林分(桉樹林、果樹林、針闊混交林、灌木林、針葉、混交林、闊葉混交林)林地系統(tǒng)蒸散發(fā)能力，結(jié)果表明六類林地系統(tǒng)蒸散發(fā)強度基本相當，其中桉樹林系統(tǒng)蒸散量并非最大值。與單株桉樹相同，桉樹人工林系統(tǒng)尺度蒸騰耗水量隨林齡增加呈先增加后降低變化趨勢，一般5～7年齡林地系統(tǒng)耗水量達到峰值，8～10年以后林地系統(tǒng)蒸騰耗水量逐漸降低[44-45]。

2 桉樹人工林地表產(chǎn)流

降雨產(chǎn)流是一個高度非線性動態(tài)變化過程[46-47]，天然林轉(zhuǎn)換為桉樹人工林使得林地降雨產(chǎn)流過程變得更為復雜。林分立體結(jié)構(gòu)、冠層郁閉度等是影響降雨產(chǎn)流過程的關鍵因素[48]。對于次降雨而言，林分轉(zhuǎn)換引起林冠結(jié)構(gòu)變化而改變了林內(nèi)原有的降雨再分配比例[49]，進而影響林地次降雨產(chǎn)流量。Jackson等[50]在《Science》撰文指出：造林活動導致全球徑流量平均減少了38%，約13%河川在造林后枯竭長達1年以上，對區(qū)域生態(tài)水文安全帶來潛在威脅。天然林或草灌轉(zhuǎn)換為桉樹人工林后，林地產(chǎn)流量明顯降低[10,51]。Samraj等[52]較早在印度南部藍桉人工林集水區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，與草場相比桉樹人工林地產(chǎn)流量低16%。在巴西、南非等研究結(jié)果表明，種植桉樹人工林后林地集水區(qū)徑流量明顯降低，甚至在7～10年間地表產(chǎn)流完全消失[51,53-54]。但也有研究表明桉樹人工林采伐后原林地產(chǎn)流量可緩慢恢復至自然水平[35,53,55]。在降雨量較為豐沛地區(qū)，林分轉(zhuǎn)換對林地產(chǎn)流負面影響作用相對較小，因為多年尺度上林地蒸散量與降雨量基本相當[27,56]，而對于短時間尺度影響作用及機制仍需要進一步研究。此外，林齡也是影響人工林地產(chǎn)流的重要因子，二者間存在顯著相關關系[57]，Vertessy等[20]、Roberts等[58]也得出類似結(jié)論，并指出隨林齡增加產(chǎn)流量逐漸回升。

盡管目前研究結(jié)論一般認為桉樹人工林種植后區(qū)域地表產(chǎn)流量發(fā)生不同程度降低，但這一變化是否完全由桉樹種植引發(fā)，亦或與全球氣候變化有關仍未有確定性結(jié)論。但對于同一桉樹人工林地，年際地表產(chǎn)流差異中75%是由于蒸散發(fā)引起的，蒸散發(fā)的變化是影響桉樹人工林地表產(chǎn)流的主要影響因素[59]。對于短時間尺度而言，桉樹人工林“速生”特點決定了其耗水量較其他林分偏高，營造桉樹人工林后區(qū)域地表產(chǎn)流量明顯下降甚至消失，特別是干旱年份更為顯著。桉樹人工林對地表產(chǎn)流量減少的根本原因是基流量的下降[60]。而長時間尺度合理輪伐制度可明顯降低桉樹人工林對區(qū)域地表產(chǎn)流量負面影響，砍伐后一定時間內(nèi)林區(qū)基流和地表徑流均能得到恢復與補充。桉樹人工林區(qū)地表產(chǎn)流量與林齡、降雨量、區(qū)域林分結(jié)構(gòu)等關系密切，合理的營造計劃、林分結(jié)構(gòu)、輪伐措施可有效降低桉樹人工林種植對區(qū)域地表產(chǎn)流的負面影響作用[61-62]。

3 林地土壤水

3.1 林分轉(zhuǎn)換對土壤水影響

林分轉(zhuǎn)換是影響林地水文循環(huán)特征及土壤水動態(tài)平衡的關鍵因素[12,63]。林分轉(zhuǎn)換導致林地土壤蓄水持水能力發(fā)生變化，進而影響土壤蓄水能力和土壤水分含量發(fā)生變化。桉樹造林后通過對20～40 cm土壤物理性質(zhì)的影響而對土壤水產(chǎn)生影響作用，導致20～40 cm 土層土壤水庫容和剩余蓄水空間變大，40 cm以下土層土壤蓄水能力降低[64]。針闊混交林轉(zhuǎn)換為巨尾桉(E.grandis×E.urophylla)人工林后，0～30 cm土層最大蓄水量顯著變化，土壤蒸發(fā)強度發(fā)生改變導致土壤水劇烈變化，特別是旱季土壤水顯著降低[65-66]。次生常綠闊葉林及思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)林地轉(zhuǎn)換為尾葉桉人工林后，土壤耗水量增加、土壤水分降低，且土壤毛管持水量及蓄水量也有不同程度下降[67]。此外，天然林轉(zhuǎn)換為桉樹人工林后，林地最高溫度和最大溫差均發(fā)生明顯改變，導致林地土壤水分散失強度加劇[65]。Bouillet等[68]對比研究多種桉樹人工林(E.albaReinw.×E.grandis，E.albaReinw.×E.robusta，E.albaReinw.×E.urophylla)，發(fā)現(xiàn)1年生桉樹根系可伸展至3 m以下土層，其根系生長速率約為2.5 m/a。因此，天然林轉(zhuǎn)換為桉樹人工林對林地淺層土壤水產(chǎn)生重要影響，這也是White和Dunin[29]認為旱區(qū)桉樹人工林會抽取淺層地下水的原因。

3.2 不同林齡土壤水特征

林齡對林地土壤水影響作用顯著，隨林齡增加尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)人工林地0～1 m土層儲水能力呈遞增趨勢[11]。桉樹根系發(fā)達、生長速度快，對表層(0～50 cm)和淺層(1～3 m)土壤水影響作用明顯[69]，特別是幼齡桉樹人工林對表層土壤水有顯著影響作用。川南丘陵區(qū)3～6年齡大葉桉(E.robustasmith)主要消耗1 m土層下水分，而對表層土壤水分影響很小[70]。Bren等[44]、Forrester等[45]研究發(fā)現(xiàn)幼齡桉樹林蒸散量相對較大，在5～7年達到峰值，這一階段對土壤水負面影響作用較大，此后蒸散量逐漸降低，對土壤水負面影響作用也逐漸減少。張斌等[71]對比研究了海南省西部地區(qū)二代5年生桉樹林、三代1年生桉樹林、三代4年生桉樹林和10年生椰林(CocosnuciferaL.)土壤水分狀況，發(fā)現(xiàn)桉樹林土壤含水量明顯低于椰林，其林地表層土壤含水量較低且受到降雨影像較大；桉樹林齡越長林地土壤含水量越低，但采伐后1年土壤含水量逐漸增加、土壤水分處于恢復補充階段。趙從舉等[55]研究認為，隨林齡增加桉樹林地土壤水分狀況變差的趨勢逐漸減弱，20年齡桉樹人工林地土壤水分良好，對土壤水負面影響作用較小。王紀杰等[72]研究發(fā)現(xiàn)相同代次尾巨桉和巨尾桉人工混交林齡越大林地土壤滲透性越好，代次越大滲透性越差。這是因為隨尾巨桉桉樹根系發(fā)達、生長速度快，對表層(0～50 cm)和淺層(1～3 m)土壤水影響作用明顯[69]，特別是幼齡桉樹人工林對表層土壤水有顯著影響作用。人工林更新代次的增加，林地土壤發(fā)生不同程度板結(jié)、地力衰退等現(xiàn)象[73]。特別是短伐連栽桉樹人工林嚴重破壞土壤物理結(jié)構(gòu)[74]，對林地土壤滲透性及土壤水負面影響作用相對較大[71]。

3.3 林地土壤水變化原因

桉樹林地土壤水變化，一方面與林地土壤物理結(jié)構(gòu)關系密切，土壤蓄水能力、持水性能發(fā)生變化，其土壤含水量和儲水量均會發(fā)生改變；另一方面，與其他林分相比桉樹蒸騰耗水能力相對偏大，導致其消耗土壤水量較多使得土壤水分含量降低。張鳳梅等[75]通過對比研究尾葉桉人工林與馬尾松(Pinusmassoniana)人工林土壤水分變化特征發(fā)現(xiàn)，桉樹根系較為發(fā)達、林地蒸散量相對較大，其林地土壤水分消耗量也相對較高。周衛(wèi)衛(wèi)等[76]研究發(fā)現(xiàn)尾葉桉人工林地土壤容重、最大持水能力及穩(wěn)定入滲率等土壤物理指標均明顯差于橡膠(Heveabrasiliensis)林及橄欖(Canariumalbum(Lour.)Raeusch.)、中平(Macarangadenticulata)等天然次生林。黃本勝等[77]也得出類似結(jié)論，認為尾葉桉人工林地土壤水分呈階段性下降趨勢，且容易出現(xiàn)土壤板結(jié)現(xiàn)象，即使在水量充沛的雨季土壤水分也難以恢復到較高水平。桉樹人工林地土壤水受大氣降水影響顯著，具有明顯周期性特點，林地季節(jié)性干旱問題較為顯著，在年內(nèi)個別月份林地土壤含水量較低而影響到林木的正常生長[55,78]。桉樹人工林表層土壤水分受植被蒸騰和土壤物理蒸發(fā)2個水文過程的雙重影響，其變化較為劇烈而難以反映林地土壤水分真實狀況以及林地土壤水動態(tài)變化規(guī)律[79]。

營造桉樹人工林一定時期內(nèi)會顯著改變土壤水分狀況，表現(xiàn)出較為明顯的負面影響作用，但隨著林齡增加這種負面影響作用逐漸降低，這與桉樹人工林地蒸散發(fā)和產(chǎn)流變化規(guī)律是一致的。然而，“桉樹問題”并非“桉樹”本身問題，更多因不合理、不科學的桉樹人工林營造、管理所引起。從可持續(xù)發(fā)展角度而言，杜絕密集種植、短期輪伐、過度煉山、無序施肥用藥等，科學管理方式亦可實現(xiàn)桉樹人工林可持續(xù)發(fā)展[80]。

4 問題與展望

在中國“七五”至“十五”連續(xù)4個五年計劃科技相關科研項目推動下，桉樹科研及經(jīng)營水平不斷提升[81]。但由于研究區(qū)域、氣候、土壤等自然條件的復雜性與差異性，特別是桉樹人工林本身特點導致其林地水文效應研究仍存在諸多問題。①尺度效應是林地水循環(huán)及土壤水變化典型特征。目前較多研究成果基于天然林轉(zhuǎn)換為桉樹人工林前后幾年的觀測結(jié)果，研究時空分辨率相對單一，較為缺乏林分轉(zhuǎn)換前后多時空尺度林地水文效應對比研究。②涉及桉樹人工林或桉樹混交林自然降雨、植被截留與蒸散發(fā)、土壤入滲、地表產(chǎn)流的水循環(huán)全過程研究成果較少，且缺乏整體性研究，更少考慮桉樹人工林對區(qū)域降雨等氣候的相互影響作用機制。③有關桉樹人工林水文模型研發(fā)工作相對薄弱，涉及桉樹人工林大面積種植對林地產(chǎn)流及土壤水影響機制仍未有一致定論，關于桉樹人工林對較大尺度區(qū)域產(chǎn)流的影響研究較為鮮見。

桉樹人工林在中國仍有廣泛分析，在目前全球氣候變暖的大背景下，今后桉樹人工林水文效應重點開展以下幾個方面的工作：①注重長序列多時空尺度桉樹人工林定位觀測，以揭示桉樹人工林水文效應時空規(guī)律和短伐連栽桉樹人工林地土壤水變化機理，為桉樹人工營造、輪伐等科學管理提供支撐；②明確桉樹人工林蒸散發(fā)、降雨截留、產(chǎn)流及土壤水全過程多水文要素變化規(guī)律及相互影響機制，闡明營造桉樹人工林對土壤水和區(qū)域生態(tài)耗水的影響機理，為桉樹人工林營造下的水資源科學調(diào)控提供參考；③加強桉樹人工林物理水文模型研發(fā)工作，為桉樹人工林定量水文研究、大面積桉樹人工林營造管理等提供科學手段。