基于Biome-BGC模型的刺槐人工林生產(chǎn)力和內(nèi)在水分利用效率研究

張藍(lán)霄 李雅婧 胡曉創(chuàng) 孫守家 張勁松 蔡金峰 孟平

摘要：[目的]探究刺槐人工林生產(chǎn)力和內(nèi)在水分利用效率（iWUE）的影響因子及其對氣候變化的響應(yīng)。[方法]使用過程模型Biome-BGC對我國半濕潤區(qū)內(nèi)比較干旱的陜西省白水縣和比較濕潤的河南省民權(quán)縣的刺槐人工林模擬凈初級生產(chǎn)力（NPPs），并用實(shí)測凈初級生產(chǎn)力（NPPm）數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在水分利用效率（iWUEs）。分析兩地刺槐人工林的生態(tài)系統(tǒng)與樹輪iWUE變化趨勢的差異。[結(jié)果]兩地刺槐年際生物量均隨年齡增大而首先迅速增加，具有明顯的幼齡效應(yīng)，隨后逐步穩(wěn)定并在一定范圍內(nèi)波動；在不包含幼齡林?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，兩地刺槐人工林NPPs與NPPm呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），樹輪年際內(nèi)在水分利用效率（iWUEm）則均呈波動上升趨勢。白水縣刺槐林的WUEs與WUEm呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），但民權(quán)縣刺槐林的WUEs與WUEm里顯著正相關(guān)（P<0.05）。[結(jié)論]溫度是影響iWUEm的關(guān)鍵因子，年降水量和大氣CO2濃度是影響生物量的關(guān)鍵因子。Biome-BGC模型能較好地模擬幼齡林以后的刺槐人工林的NPP，在半濕潤區(qū)內(nèi)濕潤程度不同地點(diǎn)之間，刺槐人工林的生長關(guān)系一致，但碳水關(guān)系比較復(fù)雜。

關(guān)鍵詞：刺槐；Biome-BGC模型；水分利用效率；凈初級生產(chǎn)力；氣象因子

中圖分類號：S792.27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）03-0001-10

自進(jìn)人工業(yè)化以來，大氣中CO2等溫室氣體濃度的持續(xù)增加造成了全球氣候變暖和降水格局變化，未來極端氣候和森林火災(zāi)發(fā)生頻率有升高趨勢。根據(jù)IPCC第五次評估報(bào)告，到2100年大氣CO2濃度將達(dá)到1 370 cm3·m-3，平均氣溫升高4℃，全球氣候變化進(jìn)一步加劇?；謴?fù)森林覆蓋是緩解氣候變化的關(guān)鍵行動，NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明，在過去20年地球變綠了，中國新增植被面積的42%來自于植樹造林工程，人工林面積大量增加為我國實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。盡管我國人工林面積穩(wěn)居世界第一，但多為結(jié)構(gòu)單一的人工林，由于缺乏對其生態(tài)系統(tǒng)中碳水關(guān)系的系統(tǒng)理解，使得我國植樹造林碳吸收作用常常被低估。生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和水循環(huán)是2個(gè)密切聯(lián)系、相互耦合的過程，受到多種生物、生理和氣候因子的共同控制。因此，確定不同區(qū)域樹木碳水耦合關(guān)系的差異，對氣候變化下的人工林管理至關(guān)重要。

水分利用效率（WUE）將碳循環(huán)和水循環(huán)過程聯(lián)系起來，是表征碳水耦合的重要指標(biāo)，對理解陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水平衡非常關(guān)鍵。然而，單株植物和生態(tài)系統(tǒng)的WUE涉及不同的碳和水過程。在單株尺度上，內(nèi)在水分利用效率（WUE）表征為CO2同化率與氣孔導(dǎo)度的比率，通常通過穩(wěn)定碳同位素來獲得，受氣孔導(dǎo)度和葉片氮含量的調(diào)節(jié)。在生態(tài)系統(tǒng)尺度上，iWUE是通過總初級生產(chǎn)力（GPP）、飽和水氣壓差（VPD）與蒸散（ET）、大氣壓的比率獲得，受冠層結(jié)構(gòu)、物種間相互作用和土壤蒸發(fā)的調(diào)節(jié)。單株WUE增加未比導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)WUE的平行增加，不同植被在全球水平上的變化模式不完全一致，甚至相反，這增加了同一植被不同地點(diǎn)的單株·生態(tài)系統(tǒng)iWUE關(guān)系的不確定性。

受觀測方法限制，生態(tài)系統(tǒng)尺度上WUE難以連續(xù)和長期觀測，在研究中多用衛(wèi)星遙感或模型模擬。Siome-BGC是基于氣象、生理生態(tài)參數(shù)的過程模型，能較好模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水過程，在森林和高寒草原等生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力、凈初級生產(chǎn)力、蒸散的空間分布研究巾廣泛應(yīng)用。然而，人工林種植后經(jīng)歷不同生長發(fā)育階段，存在明顯的幼齡效應(yīng)。Biome-BGC模型輸出的是準(zhǔn)平衡態(tài)下的理想結(jié)果，但能否很好地模擬人工林歷史的NPP和WUE尚未見報(bào)道。通過林分密度、樹輪寬度、穩(wěn)定碳同位素能獲得人工林生態(tài)系統(tǒng)NPP及樹輪，WUE的長序列歷史數(shù)據(jù)，可用來驗(yàn)證Biome-BGC模型模擬結(jié)果。因此，樹木年輪學(xué)、穩(wěn)定同位素技術(shù)和Biome-BGC模型為研究人工林應(yīng)對長期環(huán)境變化過程中的碳水耦合關(guān)系提供了有效工具。

刺槐（Robinia pseudoacacia Linn）是綠化常用先鋒樹種，耐干旱瘠薄，生長迅速，在我國北方廣泛種植。我國北方氣候有明顯差別，暖濕化和暖于化趨勢同時(shí)存在，不同地區(qū)刺槐林生長和水分利用可能會存在差異。本研究選擇了造林時(shí)間長、生長相對一致的陜西省白水縣和河南省民權(quán)縣刺槐人工林，假設(shè)：（1）影響兩地刺槐生長和/WUE的關(guān)鍵因子不同；（2）Biome-BGC模型能很好地模擬幼齡林以后的刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)NPP；（3）兩地刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)，WUE和樹輪nWUE變化趨勢不一致。因此，本研究通過實(shí)測刺槐人工林密度和樹輪寬度，獲得刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)NPP的長序列歷史數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化后Biome-BGC模型模擬結(jié)果，同時(shí)比較兩地刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)，WUE與樹輪，WUE變化趨勢差異，旨在確定干旱程度存在明顯差異地點(diǎn)的刺槐人工林生長和碳水關(guān)系之間的差異，為今后氣候變化背景下刺槐人工林的造林規(guī)劃、撫育維護(hù)、營林管理等提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃河流域的白水縣和民權(quán)縣。白水縣處于關(guān)中平原與陜北高原的過渡地帶，海拔1210 m，屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11.9℃，年均降水量558 mm，≥10℃的年均積溫3 7454℃，年均無霜期207 d，受復(fù)雜的地形影響，境內(nèi)氣候差異很大。民權(quán)縣地處豫東平原，海拔90 m，屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14 5℃，年均降水量684 mm，≥10℃的年均積溫5 192.6℃，年均無霜期213 d，雨熱同季，四季分明，干旱和風(fēng)災(zāi)頻繁。

2研究方法

2.1樣品的采集與處理

2020年6月在民權(quán)縣和白水縣選擇生長良好的刺槐林，每個(gè)地區(qū)設(shè)置3個(gè)100m x100 m采樣點(diǎn)，測定樹高、胸徑、密度和郁閉度（表1），獲得代表秫分的標(biāo)準(zhǔn)木。在每個(gè)采樣點(diǎn)中分別選取20棵生長狀況良好且胸徑接近于標(biāo)準(zhǔn)木的刺槐，在胸徑（1.3 m）處用生長錐向東西和南北2個(gè)方向垂直鉆取2根樹芯。在實(shí)驗(yàn)室中將樹芯樣本放置于通風(fēng)處自然陰干，之后固定于樣品盒中并用200目和600目的砂紙打磨至年輪清晰可見，在顯微鏡下使用骨架法對樣本交叉定年，測定年輪寬度。

2.2年際單株生物量和生態(tài)系統(tǒng)NPP

年際單株生物量（葉、枝、干、根）是通過2個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)所在省份的異速生長方程計(jì)算求得，第n年刺槐直徑為n年樹輪寬度總和加上相應(yīng)比例的樹皮厚度，第n年的樹高是通過樣地所在地區(qū)調(diào)查刺槐胸徑和樹高獲得胸徑—樹高方程計(jì)算得到。假設(shè)林分密度在一定的刺槐人工林生長過程中無變化，標(biāo)準(zhǔn)木年際生物量乘以密度就可獲得生態(tài)系統(tǒng)上的年際實(shí)測凈初級生產(chǎn)力（NPPm）。根據(jù)《森林采伐更新規(guī)程》，10 a以內(nèi)的刺槐林設(shè)定為幼齡林，10-15 a的為中齡林，用于歷史NPP的分析。

4.32地刺槐林生態(tài)系統(tǒng)iWUEs與樹輪WUEm變化趨勢差異

葉片、冠層和生態(tài)系統(tǒng)WUE是用不同方法獲得的，葉片水平上WUE與生理過程直接相關(guān)，當(dāng)從葉片延伸到生態(tài)系統(tǒng)時(shí)還需考慮土壤水分蒸發(fā)率、葉片蒸騰作用和植被覆蓋度。在干旱環(huán)境中，葉片氣孔關(guān)閉會快速降低瞬時(shí)蒸騰速率，但會緩慢降低光合作用速率，從而提高單個(gè)植物的WUE。因此，樹輪iWUE隨干旱程度增加而逐漸升高。在生態(tài)系統(tǒng)尺度上，葉面積指數(shù)（LAI）是WUE的主驅(qū)動力，LAI增加能提高單位面積的總生產(chǎn)力，減少裸土的水分損失而降低蒸散（ET）。所以，濕潤地區(qū)有較高的生態(tài)系統(tǒng)WUE，干旱地區(qū)有較低的生態(tài)系統(tǒng)iWUE。

本研究中，白水刺槐樹輪的iWUEm與生態(tài)系統(tǒng)的WUEs呈極顯著負(fù)相關(guān)，而民權(quán)的iWUEm與iWUEs呈顯著正相關(guān)，表現(xiàn)出相反趨勢（圖6）。白水縣降水量呈下降趨勢，水資源承載力較低，植被生長稀疏，LAI相對較低，水分損失主要是由裸露土壤蒸發(fā)造成的，GPP下降而ET增加，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)WUE較低，樹輪iWUEm因干旱和CO2濃度升高呈上升趨勢，因此，樹輪的iWUEm與生態(tài)系統(tǒng)iWUEs是負(fù)相關(guān)。民權(quán)降水趨勢保持穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)GPP略有下降而ET下降更多，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)，WUE升高，而樹輪中iWUEm因CO2濃度升高而增加，使得樹輪WUEm與生態(tài)系統(tǒng)iWUEs正相關(guān)。Lu等研究發(fā)現(xiàn)，與其他水文氣候條件相比，中度水分脅迫增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)WUE，這與葉片尺度WUE響應(yīng)是一致的。不同地區(qū)干旱對生態(tài)系統(tǒng)，WUE影響不同，干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，WUE隨干旱指數(shù)（AI）增加而降低，但在半干旱和潮濕地區(qū)，iWUE和AI之間的關(guān)系遵循對數(shù)函數(shù)關(guān)系。在干旱和半干旱土地之間的過渡地帶，干旱造成生態(tài)系統(tǒng)WUE下降最明顯。無論水文氣候條件和生物群落如何，嚴(yán)重和極端干旱都會導(dǎo)致WUE減少。

5結(jié)論

在白水和民權(quán)兩地存在氣象和環(huán)境條件差異，兩地刺槐人工林的年際生物量均存在幼齡快速增加的效應(yīng)，樹輪年際WUE均呈波動上升趨勢。在年尺度上，溫度是影響，WUE的重要因素，降水和CO2濃度是影響生物量的重要因素。Biome-8GC不能準(zhǔn)確模擬刺槐人工林整個(gè)生命史的年際NPP，但可以準(zhǔn)確模擬中齡林以后的NPP。白水刺槐林生態(tài)系統(tǒng)的iWUEs與樹輪iWUEm呈顯著負(fù)相關(guān)，但民權(quán)刺槐的正好相反，顯示出不同地區(qū)刺槐人工林的水碳利用對環(huán)境的響應(yīng)較為復(fù)雜。