南亚热带尾巨桉中龄林水量平衡特征研究

任世奇，项东云，肖文发，陈健波，郭东强，唐庆兰，姜英

1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091；2. 广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；3. 广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站，广西 南宁 530002

南亚热带尾巨桉中龄林水量平衡特征研究

任世奇1,2,3，项东云2,3，肖文发1，陈健波2,3，郭东强2,3，唐庆兰2,3，姜英2,3

1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091；2. 广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；3. 广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站，广西 南宁 530002

水量平衡是森林生态系统的重要研究内容，但桉树人工林水量平衡研究的数据积累不足。以广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站为平台，于2013年7月—2016年5月利用自动气象观测系统、集水区测流堰的定位观测数据，应用水量平衡方程计算各分量并分析其时间序列动态，以了解南亚热带尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）人工林生态系统的水量平衡特征，为桉树人工林培育的水分利用和区域森林水分植被承载力研究奠定理论基础。结果表明：南宁地区的降水特征符合整个华南地区降水量变化特征，南宁桉树生态站2013年7月—2014年6月、2014年7月—2015年6月、2015年7月—2016年5月的降水特征符合南宁地区和整个华南的降水特征，年均降水量处于枯水年（1156 mm）与丰水年（1352 mm）之间，属平水年。观测期间（历时24个月），尾巨桉人工林生态系统土壤储水量变化在较小时间尺度上有波动，但2014年和2015年全年的变化量都接近为0。2014年1月—2015年12月径流总量为51 mm，径流系数为1.9%，期间多数月份没有产生径流，只有当降水量较大时才可能产生径流，其中2015年9月的径流量最大，为20 mm，径流系数为9.5%。2014年1月—2015年12月，生态系统蒸散总量为2669 mm，占降水量的98%，是尾巨桉中龄林生态系统的主要水分支出项。蒸散总量与降水量呈极显著线性正相关，但径流量不完全受降水量的影响。

尾巨桉；土壤储水；径流；蒸散；水量平衡

森林植被是影响生态系统中水分循环的重要因素，不同的植被类型、数量及空间格局对水分循环的作用不同。水分是一个活跃的生态因子，而降水是水资源转换的积极因子，是地下水资源补给的重要来源。在森林生态系统中，降水被重新分配为林冠截留、树干径流、穿透雨、地表径流、壤中流等水量平衡要素（余新晓等，2004）。探索森林水量平衡特征和水分循环规律，对了解和掌握森林生态水文过程，确定森林水分植被承载力有重要作用（王朗等，2009；李新荣等，2009；史晓亮等，2013）。

中国华南地区处于南亚热带区域，常年高温高湿，降水量多达1400～2000 mm，四季常绿、植被生产力强（胡乔木，1992）。桉树原产于澳大利亚以及印度尼西亚和菲律宾的几个岛屿，其具有生长速度快、适应性强、轮伐期短、用途广泛、经济价值高等优点，已成为华南地区主要用材树种（祁述雄，2002）。然而，关于桉树经营管理过程中产生的生态问题争议颇多，如桉树林地的植物多样性（温远光等，2005；刘平等，2011）、土壤理化性质（叶绍明等，2010；李东海等，2006）、土壤微生物（谭宏伟等，2014；黄雪蔓等，2014）、土壤养分（王学春等，2014；樊后保等，2009）、水分消耗（赵筱青等，2012；马焕成等，2002）等研究结果因试验区气候条件、观测年限、干扰强度等不同而存在差异。因此，桉树种植是否会产生明显的生态环境问题争议仍在持续，尤其是 2010年中国西南大旱以来，桉树种植导致生态环境恶化的舆论愈演愈烈，阻碍了桉树发展。在桉树经营管理过程中，桉树与水分关系是争议焦点，亟待解决。关于桉树与水分关系早在17～20世纪初，罗马、卢旺达、以色列、澳大利亚等国通过种植桉树进行排水研究（Greenwood et al.，1985），随后，印度（Calder et al.，1993）、澳大利亚（Lane et al.，2010）、巴西（Christina et al.，2017）开展桉树耗水研究。中国也有不少学者开展桉树林冠蒸腾耗水研究（Zhou et al.，2004；王文等，2013；任世奇等，2016；丁亚丽等，2016），对单株尺度桉树林冠蒸腾耗水有了初步认识，但对林分及生态系统尺度水量平衡尚不了解。鉴于此，本研究以广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站为依托，研究尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）中龄林生态系统水量平衡特征，为认识桉树人工林生态系统水分消耗机制和机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地与试验林概况

试验位于广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站（22°28′～22°46′N，107°59′～108°18′E，海拔80 m）。站区以丘陵地貌为主，坡度5～25°，平均坡度 15°。属南亚热带季风气候，全年日照时数大于1800 h，年太阳辐射总量 105～110 kJ∙cm-2，月平均气温 21～22 ℃，活动积温约 7500 ℃，年降水量1200～1300 mm，相对湿度79%左右。土壤为砂页岩母质，以砖红壤为主，有少量紫色土和棕色石灰土，平均含沙量23%，平均土层厚度0.8 m，酸度高，肥力中等。

站区地被物为二代尾巨桉中龄萌芽纯林。该林分自2010年10月采伐结束开始萌芽，2011年12月计树龄为1年生。林分初植株行距2 m×4 m，密度1248plants∙hm-2。生长至2013年，林分郁闭度约0.7，林下灌草盖度为100%。林下常见灌木有桃金娘 Rhodomyrtus tomentosa (Ait.) Hassk.、野牡丹Melastoma candidum D. Don.、岗松 Baeckea frutescens Linn.、越南悬钩子Rubus cochinchinensis Tratt.、杜茎山 Maesa japonica (Thunb.) Moritzi.、盐肤木 Rhus chinensis Mill.、余甘子 Phyllanthus emblica L.、毛果算盘子 Glochidion eriocarpum Champ. ex Benth.；草本有铁芒箕Gleichenia linearis Clarke.、弓果黍 Cyrtococcum patens (Linn.) A.Camus. C. 、华南鳞盖蕨Microlepia hancei Prantl.、五节芒 Miscanthus floridulus (Labill.) Warb. ex Schum. et Laut、半边旗Pteris semipinnata L.、金茅Eulalia speciosa (Debeaux) Kuntze、野香茅Cymbopogon goeringii (Steud.) A. Camus、画眉草Eragrostis pilosa (L.) Beauv. var. pilosa等。林分基本概况见表1，试验区位和观测点布局见图1。

表1 林分概况Table1 Stand overview

1.2 林外小气候观测

在生态站测流堰集水面的分水线上建设1座25 m×25 m的林外气象观测场，观测场内安装自动气象站（CSI，FM1000，USA）监测林外近地面的气象因子，本研究主要利用降水量数据。设定数据采集器（CR1000，Campbell scientific）的数据记录时间为每隔30 min记录1次。

图1 试验区位和观测点布局Fig. 1 Trail site and layout of observation

1.3 林内小气候观测

在分水线上距离林外气象站约50 m的尾巨桉林内建设1座9 m×9 m的林内气象观测场，观测场内安装自动气象站（CSI，FM1000，USA）采集林内近地面的气象因子，本研究主要使用土壤体积含水率（5 cm/10 cm/20 cm）和降水量。设定数据采集器（CR1000，Campbell scientific）的数据记录时间间隔为每隔30 min记录1次。

1.4 径流量观测

在生态站建设集水区测流堰1座，测流堰集水面面积为15.6 hm2，测流堰附属房测定池里安装1个自动水位计（ONSET，U20，USA），设定数据记录间隔时间为每隔15 min记录平均值1次。应用《水工（常规）模型试验规程》SL155-95拟合经验公式（张明义等，2010），计算测流堰的瞬时出水量，然后根据数据记录间隔时间计算日、月和年时间尺度的径流量：

式中，Q为瞬时径流量（m3）；H为水头高度（m），该公式适用范围H=0.03～25 m。

1.5 土壤储水量变化计算

式中，W为土壤储水量（mm）；n为一定厚度土壤划分的层次数（n=3）；θi分别为土层深 5、10和20 cm的土壤体积含水率；hi分别为土壤厚5、10和20 cm；j为计算瞬时土壤储水量的某个时刻；ΔW 为土壤储水量变化值（mm），ΔW 为正值表示土壤储水量增加（mm），ΔW为负者表示土壤储水量减少（mm）。

1.6 生态系统蒸散总量计算

森林生态系统的水量平衡包括降水输入、林冠对降水再分配、径流的支出、水汽的散失和系统内部储水量的变化。本研究采用水量平衡方程推算生态系统蒸散总量：

式中，Pout、I、P1和 P2分别是林外降水量（mm）、林冠截留雨量（mm）、穿透雨量（mm）和树干径流量（mm）。Q1、Q2和 Q3分别是地表径流量（mm）、壤中流量（mm）和地下径流量（mm）。E、E1和E2分别是生态系统蒸散总量（mm）、林冠蒸腾量（mm）、林下植被蒸腾量和地表蒸发量（mm）。本研究主要讨论方程（7）中的水量平衡分量特征。

1.7 数据整理分析

本研究使用的南宁地区历时 15年的降水量数据来自《中国林业统计年鉴》（国家林业局，2015）。林外降水数据选择林外气象站2013年7月—2016年5月的观测数据。径流量数据选择测流堰水位计2014年1月—2015年12月的观测数据。土壤储水量数据选择林内气象站2014年1月—2015年12月观测的不同土壤深度体积含水率。运用Excel 2007对所有数据进行初步整理和插图绘制，运用 SPSS 19.0进行Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 南宁地区历时15年的降水特征

南宁地区2000—2014年历时15年的降水量总体呈平稳趋势，年际间有波动（图2）。根据国内较常用的降水年型划分标准（张北赢等，2008），南宁15年降水的丰水年（P＞1352 mm）2001年、2008年和2013年，占20%；枯水年（P＜1156 mm）2000年、2004年、2007年、2009年和2012年，占33.3%。从月尺度来看，年内不同月份的降水波动较大，历时15年的月均降水主要集中在6月、7月和8月，占年降水量的50%，主要受华南台风影响，表现为集中暴雨（图 3）。高辉等（2013）研究发现，近20年（1991—2010年）华南降水季节循环由传统的双峰型转变为单峰型，南宁 15年的月降水分布与高辉等研究吻合。

图2 南宁地区2000—2014年的年降水特征Fig. 2 Yearly precipitation characteristics of Nanning District from 2000 to 2014

2.2 南宁桉树生态站近3年的降水特征

图4显示2013年7月—2014年6月、2014年7月—2015年6月和2015年7月—2016年5月的降水量分别为1260、1184和1243 mm，均处于枯水年（1156 mm）与丰水年（1352 mm）之间，属于平水年，3年之间的年降水量无显著变化。在 3年的月降水量分布中，最大降水量所在月份及其雨量在年际间存在差异，2013年7月—2014年6月的月降水量最多的是7月和8月，降水量为644 mm，占年降水量的51%；而2014年7月—2015年6月的月降水量最多的是8月和9月，降水量为463 mm，占年降水量的39%；2015年7月—2016年5月的月降水量最多的则是7月、8月和9月，降水量为767 mm，占年降水量的62%。南宁桉树生态站2014年的月降水量与南宁地区 2014年的月降水量呈现显著的线性关系（R2=0.906）（图 5），说明南宁桉树生态站观测的降水量数据符合南宁地区和华南地区降水量变化特征。

图3 南宁地区2000—2014年的月降水特征Fig. 3 Monthly precipitation characteristics of Nanning District from 2000 to 2014

图4 南宁桉树生态站2013年7月—2016年5月的降水特征Fig. 4 Monthly precipitation characteristics of Nanning District from July 2013 to May 2016

图5 南宁桉树生态站（NEES）2014年降水量与南宁地区2014年降水的关系Fig. 5 Relationship of precipitation between NEES and Nanning District in 2014

2.3 土壤储水量变化特征

土壤水分是影响地区植被生长和景观格局的关键环境因子（Chen et al.，2007）。本研究2014年1月—2015年12月历时2年的土壤储水量变化趋势如图6所示。2014年和2015年的土壤储水量变化总体呈现正向入渗趋势，在日时间尺度上略有波动，但全年整体储水量增加不大。2014年土壤入渗增加5.6 mm，2015年土壤入渗增加2.0 mm。因此，本研究在水量平衡方程计算过程中，土壤储水量变化忽略不计，水量平衡方程变为：Pout=E+Q。

图6 2014年和2015年每天的土壤储水量变化Fig. 6 Change per day of soil water storage in 2014 and 2015

2.4 径流变化特征

径流是森林水分支出的重要组成部分，是水土保持、涵养水源的重要衡量指标（郑郁善等，2003）。其径流深与林分组成、林冠结构、土壤质地密切相关（张胜利，2005）。植树造林降低流域水量，但减少森林覆盖率可增加流域的产水量，然而，森林植被变化对流域产水量的影响却大相径庭（于志民等，1999），也改变了径流的组成成分（周晓峰，1991）。本研究2014年1月—2015年12月历时24个月的径流总量为51 mm，径流系数为1.9%（图7），说明研究区域的降水以径流形式流出生态系统的水分非常少。在整个观测阶段，多数月份没有产生径流，只有当降水较大时才可能产生径流。其中，最大径流发生在2015年9月，径流量为20 mm，径流系数为9.5%。

2.5 蒸散总量变化特征

森林水分蒸散是森林水分散失的最主要部分，森林和植被的演替，土壤的发生和变化等都与水分密切相关。蒸散一部分来自林木冠层和林下植物叶片的蒸腾及截留的蒸发，另一部分来自植被下的土壤表面水分蒸发。本研究2014年1月—2015年12月的蒸散量与降水量（图 8）表明，研究期间的蒸散总量为 2669 mm，蒸散率为 98%，与刘世荣等（1996）的研究结果一致。月蒸散量波动较大，有明显的季节变化规律，主要集中在2013年7—9月和2014年7—9月夏季降水量较大的月份。2013年7—9月的蒸散量为721 mm，与2015年7—9月的蒸散量740 mm差异不大，分别占2014年和2015年蒸散总量的60%和50%，占2014年和2015年降水量的59%和49%。2014年和2015年全年蒸散量分别为1205 mm和1464 mm，分别占降水量的99%和97%。

3 讨论

3.1 水量平衡分量相互关系及其对降水的响应

图7 径流变化特征Fig. 7 Change characteristic of runoff

图8 降水量与生态系统蒸散特征Fig. 8 Characteristics of rainfall and evapotranspiration

森林与水相互影响，关系密切。森林水分除受森林生态系统的影响，还受到降水特征、土壤质地、地形地貌等因素影响（Stednick，1996）。在尾巨桉林生态系统水量平衡分量研究中，降水量与蒸散总量呈极显著相关关系，且相关系数高达0.998（表2），说明降水量对蒸散总量的影响很大。径流与降水量、蒸散量无显著相关性，但均表现为正向促进作用。月降水量与径流量、蒸散量的线性关系（图9）显示，径流量与降水量之间的线性关系不显著，说明径流的大小不完全受降水量的控制，而与前期土壤含水率（王金叶等，2013）、降水历时（龚诗涵等，2016）、林下植物多样性（丁婧袆等，2015）等综合因素有关，其中单次降水强度等级是控制径流形成的主要因素（柳思勉等，2015）；此外，在较大尺度上研究降水-产流规律时，必须考虑不同研究区域的尺度效应（贺亮亮等，2017）。

表2 降水量、径流量和蒸散总量的相关系数Table 2 Correlation coefficient among precipitation, runoff and evapotranspiration

3.2 尾巨桉林生态系统与其他类型森林生态系统的水量平衡特征差异

水量平衡从整体上反映生态系统水分状况，对于评价生态系统水源涵养能力有重要参考价值。森林土壤是森林生态系统中最主要的水分储蓄场所和调节器，土壤质地和理化性质也是影响水量平衡分量特征的主要因素。中国从北方到南方不同气候带森林类型水量平衡特征（表 3）显示，不同气候区域的径流量因降水量、坡度、土壤类型等不同而存在较大差异。南宁尾巨桉林生态系统2014年1月—2015年12月的年均径流系数为1.9%，远比湖南会同杉木林、广东高要尾巨桉林和海南山地雨林生态系统的径流系数小，比北京杨树林生态系统的小，比山西平顺油松林生态系统的大，证实径流不仅受降水量的影响，而且受其他综合因素影响。南宁尾巨桉林2014年1月—2015年 12月的土壤储水量变化在日时间尺度上有明显波动，但年度变化微乎其微，说明尾巨桉林的土壤储水经历了亏缺、补充、平衡，最终桉树林生长所消耗的土壤水分在降水条件下得到了补充，与热带山地雨林年土壤储水变化一致。广东高要尾巨桉林生态系统 2000年一整年消耗的土壤储水量为2.6 mm，而这部分支出的水分可能在下个年度得到降水补充。湖南会同杉木林生态系统的土壤储水量有所增加，这与杉木林地厚实的枯落物和土层深度密切相关。不同气候区的森林类型蒸散总量差异较大，而引起蒸散总量差异的原因各不相同。南宁尾巨桉林生态系统蒸散率高达90%以上，比广东高要尾巨桉林的高26%，可能是由于广东高要的林地坡度更大，降水更多地形成了径流，而保留在生态系统内的水分相对少；与山西平顺油松林生态系统蒸散总量基本一致，可能是因为山西的降水量少，径流也少，而降水中的绝大部分都用于蒸散消耗；比海南山地雨林的蒸散高53%，可能是因为雨林年降水量大，土壤含水量高，大部分降水因前期土壤含水量高而容易形成径流，从而导致可用于蒸散消耗的水分所占比例降低。总体而言，在所有不同气候区的不同森林类型生态系统中，蒸散耗水是生态系统水分支出的主要项，而林冠蒸腾是蒸散的重要分量。

4 结论

图9 南宁桉树生态站的降水与径流、蒸散量的线性关系Fig. 9 Linear correlation between precipitation and runoff and evapotranspiration at NESS

2014年1月—2015年12月历时2年的定位观测研究表明，南宁桉树生态站的降水特征与南宁地区和华南地区的降水特征吻合；尾巨桉林生态系统的土壤储水量变化微乎其微；年均径流量26 mm，径流系数仅 1.9%，产流量小；年蒸散总量 1317 mm，占降水量的98%，成为生态系统水分支出的主要项。

表3 南宁尾巨桉林生态系统与其他类型森林生态系统的水量平衡分量比较Table 3 Comparation of water balance members between E.urophylla×E. grandis and other species ecosystem

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Water Balance Characteristics of Eucalyptus urophylla×E. grandis Middle Aged Plantation in Mid-subtropical Zone

REN Shiqi1,2,3, XIANG Dongyun2,3, XIAO Wenfa1, CHEN Jianbo2,3, GUO Dongqiang2,3,TANG Qinglan2,3, JIANG Ying2,3
1. Research Institute of Forest Ecological Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;
2. Guangxi Forestry Research Institute, Nanning Guangxi 530002, China;
3. Nanning Forest Ecosystem Observation and Research Station for Guangxi, Nanning Guangxi 530002, China

Water balance is an important content of forest ecosystem, however, the data of water balance of eucalyptus plantation is not adequate. To understand water balance characteristics of E.urophylla×E. grandis plantation ecosystem, the authors monitored data using automatic weather station and flow weir from Jul. 2013 to May, 2016 in Guangxi Nanning Eucalypt Plantation Ecosystem Observation and Research Station (NEES), and applied water balance equation to calculated components of them and analyzed the time dynamic of components of water balance. The results showed that precipitation curve of Nanning District was fit for the rainfall change trend in south China, three yearly precipitation characteristics of NEES from Jul. 2013 to Jun. 2014, from Jul. 2014 to Jun.2015, and from Jul. 2015 to May, 2016 were also fit for the rainfall change trend of Nanning District and south China, they belonged to normal flow year between high flow year (1352 mm) and low flow year (1156 mm). During twenty four months observing period from Jan. 2014 to Dec. 2015, it was a tiny fluctuation of soil volume water content on daily time scale, but sum of them was almost 0 in the whole year in 2014 and 2015, respectively. The total of runoff during 2 years was 51 mm, and the coefficient of runoff was 1.9%, there was no runoff in the most part of months and it was possible to generate runoff while precipitation was more than heavy rain, runoff in Sep. 2015 was the most and coefficient of runoff was 9.5%. The total of evapotranspiration was 2669 mm which accounted for 98% of sum of rainfall from Jan. 2014 to Dec. 2015, the evapotranspiration was a major part of water output in the E.urophylla×E. grandis middle aged plantation ecosystem. There was a positive significant linear relationship between precipitation and rainfall, however, runoff was imperfect controlled by rainfall.

E. urophylla×E. grandis; soil water storage; runoff; evapotranspiration; water balance

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.012

S718.5; X17

A

1674-5906（2017）10-1728-08

任世奇, 项东云, 肖文发, 陈健波, 郭东强, 唐庆兰, 姜英. 2017. 南亚热带尾巨桉中龄林水量平衡特征研究[J]. 生态环境学报, 26(10): 1728-1735.

REN Shiqi, XIANG Dongyun, XIAO Wenfa, CHEN Jianbo, GUO Dongqiang, TANG Qinglan, JIANG Ying. 2017. Water balance characteristics of Eucalyptus urophylla×E. grandis middle aged plantation in Mid-subtropical Zone [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1728-1735.

广西林业科技项目（桂林科研[2015]第 43号）；广西壮族自治区科技重大专项（桂科重 1347001）；国家重点研发计划项目（2016YFD0600504）

任世奇（1984年生），男，博士研究生，从事人工林栽培与生态监测。E-mail: renshiqi200709@aliyun.com

2017-03-17