六盤山華北落葉松林的結(jié)構(gòu)隨林齡變化及其水文影響

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

中圖分類號：S718.54，S715 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-1498（2023）01-0109-08

寧夏六盤山作為我國西北半干旱地區(qū)植被建設(shè)的關(guān)鍵區(qū)，自上世紀(jì)80年代后期就開始了長期的造林活動。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半干旱區(qū)更明顯，可達到50%以上。要協(xié)調(diào)林水之間這個矛盾，需要厘清造林對水文功能的影響，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)會影響森林的生態(tài)水文功能。林冠的截留再分配過程受樹高、胸徑、LAI等林分特征和降水量、降水強度等因素的影響，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，也會影響到林分的蒸散，而且林分的類型和結(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。

上述研究多是通過對森林進行對比研究得到的，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，常常幾十年，甚至更長，難以連續(xù)同步觀測其結(jié)構(gòu)和其水文功能在整個生命過程中的變化，但這對預(yù)測和管理林水關(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更加有效和有的放矢。因此，通過生態(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的水文影響就顯得十分必要。

疊疊溝小流域是六盤山典型的半干旱區(qū)，而華北落葉松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）是該流域的主要造林樹種，也是目前主要的人工林類型。在該區(qū)域現(xiàn)有的林水關(guān)系研究中，多是研究某一個時段或近幾年的變化，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)（平均樹高、胸徑、郁閉度、LAI）隨林齡的變化及其對各水分平衡分量（截留量、蒸騰量、土壤蒸發(fā)量、產(chǎn)流量）的影響，旨在為六盤山半干旱區(qū)的植被建設(shè)和經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

疊疊溝小流域（106°4′～106°9′E，35°54′～35°58′N），是六盤山西北部一個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，林下沒有灌木生長，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模型的率定和檢驗均以此樣地的實測數(shù)據(jù)進行。

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算結(jié)果。

2.2 BROOK90模型

2.2.1模型簡介 BROOK 90模型是確定的、基于過程的集總式生態(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刻畫水分的運動與傳輸。該模型在一個點尺度上或在一個小而均勻的流域內(nèi)，在一天的時間步長上估計水文循環(huán)中降水·蒸發(fā)·徑流部分的陸地階段。

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

2.2.2模型率定和檢驗

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測所得（表1），無法直接測量得到的參數(shù)（如植被最大導(dǎo)水率、快速徑流系數(shù)QFPAR和QFFC）通過固定樣地實測的土壤含水量進行校準(zhǔn)得到（表3）。其余參數(shù)由于對華北落葉松人工林的水文變化不敏感，根據(jù)BROOK90模型手冊設(shè)為默認(rèn)值。

利用華北落葉松人工林樣地2018年的實測土壤含水量數(shù)據(jù)進行模型率定，2019年的土壤含水量數(shù)據(jù)驗證模型。在模型率定和檢驗期間，用2018年和2019年疊疊溝的氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（E）、絕對誤差（A）和相對誤差（B）來評價模型率定和檢驗的精度。計算公式如下：

式中：MW_i為實測土壤含水量，SW_i為模型模擬土壤含水量，MW_av為整個模擬期間實測土壤含水量的平均值，n為實測次數(shù)。

2.3情景制定

為了厘清林齡對林分結(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，坡向為22.5°，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為一個時間步長。

2.4情景模擬

先用林分結(jié)構(gòu)耦合模型計算得到每個林齡情景下的森林結(jié)構(gòu)參數(shù)，如樹高、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，模擬每個情景下的水文過程。所有的模擬均基于1993—2002年固原氣象站的日氣象數(shù)據(jù)進行，然后再基于每日的水文過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

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測土壤含水量的變化趨勢和峰值基本一致。率定期間（2018-06-10-2018-10-27）和檢驗期間（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誤差均不超過15%，絕對誤差均小于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高和郁閉度隨林齡的變化均表現(xiàn)為林齡5～15 a時隨林齡的增加快速增大，之后增速變緩，在35 a之后，平均樹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高晚5a達到穩(wěn)定；平均胸徑在林齡5～20 a時隨林齡的增加而快速增大，在林齡45 a之后達到穩(wěn)定；冠層LAI隨林齡的變化趨勢為，在林齡5～20 a時隨林齡的增加快速增大，之后增速漸緩，在林齡30 a達到最大值，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）。在快速生長期（林齡5～15 a），林分平均胸徑的增長速率最快，為0.54 cm·a^-1;其次是平均樹高，為0.48m·a^-1；冠層LAI和郁閉度的增長速率較慢，年均增長率分別為0.19和0.03。在林齡5～60 a時，林分平均樹高、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)的變化會改變水文過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時隨林齡的增加快速增大，之后增速變緩，在林齡30 a達到最大，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時隨林齡的增加而快速增大，在10～25 a時增速變緩，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之后達到穩(wěn)定（圖3）。在快速增長期，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，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高與胸徑隨林齡的變化過程符合林木生長的“S”型曲線，但兩者的生長過程不同步，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；且在其他樹種上也有相似結(jié)果，如劉菲等發(fā)現(xiàn)油松人工林樹高快速生長期比胸徑早2a。林分郁閉度隨林齡的動態(tài)變化研究報道較少，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)，在半濕潤區(qū)，華北落葉松人工林的郁閉度在林齡20～30a時隨林齡增加而快速增大；平均樹高和胸徑隨林齡的變化趨勢基本一致，在林齡30a以前快速增長，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左右達到最大（最?。┲担冶３只痉€(wěn)定。由此可知，林齡大于30a后，可不考慮林齡對本研究區(qū)華北落葉松人工林水文功能的影響；在林齡小于30a時，尤其是小于15a時，各水分平衡分量明顯變化，此時林齡對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)過程中，考慮中齡林，尤其是幼齡林對水文功能的影響時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以及氣候變化帶來的水文影響，僅關(guān)注在氣候不變、立地條件相同的情況下，森林因為年齡變化引起的結(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，進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可分為快速生長期（林齡5～15 a）、緩慢生長期（林齡15～40 a）和穩(wěn)定期（林齡40 a之后）。在快速生長期，林分平均樹高、平均胸徑、郁閉度和冠層LAI均隨林齡的增加而快速增大；在緩慢生長期，林分平均樹高、平均胸徑和郁閉度呈緩慢增大趨勢，而冠層LAI則呈先增大后減小的趨勢；在穩(wěn)定期，林分結(jié)構(gòu)變化不明顯。

在快速生長期，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（減小），在林齡10a后增速（減速）變緩。在緩慢生長期，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時必須考慮林齡的影響，當(dāng)林齡大于30a時，不必再考慮林齡的影響。