人工毛竹林生态水文过程对气候变化的响应

陈明向, 翟禄新, 阳 扬, 薛开元

(1.广西师范大学 环境与资源学院, 广西 桂林541004；2.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室, 广西 桂林541004)

水循环不仅影响大气、土壤和植被的结构、功能、分布格局及动态变化，还影响地球能量收支、转换和分配，在维持生物圈和地圈生态平衡过程中起着至关重要的作用[1]。随着地球气候系统长时间的剧烈变动，在一定程度上导致水文循环过程发生改变[2-3]，进而可能影响区域生态环境的可持续利用。因此，气候变化所引起的水文效应问题成为国际学者普遍关注的焦点[4-6]，近年来对该过程的机理认识和模型模拟等方面的研究取得了一定的进展[7-8]。

气候变化对水文循环过程的影响研究主要通过以下两种方式实现[9]：一是凭借全球气候模型输出结果耦合水文模型，进而评估区域水文循环过程的未来形势，二是将假定的气候情景模式输入水文模型，分析水文要素对气候因子的敏感程度。流域水文模型是评估区域水循环对气候变化响应普遍使用的工具之一[9-10]。Hydrus-1D模型由美国盐土实验室研发，将土壤—植物—大气连续体(SPAC)系统中的大气降水、土壤水热运动、植被根系吸水和溶质运移过程相耦合，适用于恒定或非恒定的边界条件的模拟，为特定生态条件下水循环模拟提供了可能。该模型中编辑的灵活性和突出的参数反演求解功能[11-13]，使其在农业、环境科学及土壤学等领域得到广泛应用[14-16]。

气候变化主要通过影响大气降水和气温，进而影响实际蒸散发、土壤含水量和径流等相关水文要素，最终引起水资源在时空分布上的改变，甚至影响植被分布格局的变化。有研究表明，采用降尺度的方式研究长江源头流域高寒草甸、草原、沼泽生态水文过程及对气候变化响应机制，结果显示降水是蒸散量的主要制约因子，也是影响径流产生的关键因素，而气温则对径流的影响较弱[17]。此外，针对黄土高原泾河流域内主要植被天然次生林和华北落叶松人工林的实际情况，采用单一气候变化模式进行模拟，结果表明降水量与流域内年径流、冠层蒸散量、土壤蒸发量和土壤蓄水量表现为正相关关系，其中对径流的影响最显著，温度与流域内年径流和土壤蓄水量也呈现正相关关系，但与年蒸散量是负相关关系[18]。基于漳卫南流域实测气象资料，运用水文模型并设置不同气候情景揭示其流域内水文循环过程表明，降水量增加，蒸散量、径流量和产水量均随之增加，流域气温增加，蒸散量也相应增加，但径流量和产水量随气温增加而表现出降低趋势[19]。不同气候情景模式下，分析华北平原滦河流域主要土地覆被类型为林地的水文过程，结果表明，在保持降水不变气温增加的前提下，蒸散发增加幅度较缓，径流减少幅度较大，而在气温不变降水增加的条件下，蒸散发及径流的增加幅度明显[20]。基于降水—气温耦合模式下，土地利用类型以耕地、林地、草地为主的北京妫水河流域水循环过程的研究结果表明，在设定降水减少和温度升高的条件下，流域内的径流、实际蒸散量和土壤含水量随之减少，整体呈现干旱化倾向[21]。通过探讨长江中下游南岸的鄱阳湖流域内主要土地利用类型耕地、林地、草地对气候变化的响应得出，与气温相比，径流、基流量对降水变化更具敏感性，而土壤蒸发量对温度变动的敏感性更高[22]。

总体来看，气候变化对水文循环过程影响的研究已取得了大量的成果，但针对我国广泛分布的人工毛竹林生态水文过程与气候变化的关系缺少定量研究，且现有研究多以植被的大尺度空间分布格局作为响应对象开展，研究并多集中于我国北方或长江流域[23]。本研究以地处湿润区的广西壮族自治区东北部猫儿山下典型小流域的人工毛竹林地为研究对象，利用Hydrus-1D模型，在土壤水分模拟的基础上，分析人工毛竹林生态水文过程及其对气候变化的响应，认识流域生态水文特征，定量揭示毛竹林水循环特征及变化趋势，补充珠江流域气候变化研究内容，为区域生态规划与管理、水资源评价和可持续开发利用提供科学依据。

1 数据来源及研究方法

研究区域位于广西壮族自治区东北部猫儿山脚下的下高寨村南的毛竹林地，其流域面积20.5 hm2，其地理坐标为25°50′51.42″―110°28′49.94″，属于中亚热带山地气候，年均气温12.8℃，年降水量2 100 mm以上，土壤为黄红壤，高程432～496 m，坡度在15°～30°。流域内以毛竹为主，其间混有少量的杉木。此流域的植被为人工毛竹林，具有较好的人工植被的典型性和代表性，为研究桂北地区流域生态系统和水文过程及其相互影响提供了良好条件。在研究区内供设置11个土壤水分观测点(图1)，其中1，2，3，6，8，9位于坡中或坡脚，观测深度为170 cm，其余点位于斜坡或近于分水岭，观测深度为50—70 cm。考虑不同观测点的位置、观测深度必须大于毛竹最大根系分布深度和数据的完整性，本次研究以1，3，9号3个点进行土壤水分模拟和气候变化响应分析。

1.1 土壤水分监测

选用土壤水分测量系统(型号为TRIME-PICO-IPH，德国制造)监测土壤水分，每个测点垂直相距10 cm测定一个土壤水分数据，每间隔4～6 d左右测量一次，监测时间为2015年12月30日至2016年12月9日。其中1，9号点土壤水分观测深度均为150 cm，3号点为130 cm。

图1 研究区示意图

1.2 气象要素观测

观测期间研究区每天的地面常规气象要素均来自安装于高寨村的FR210自动气象站。自动气象站观测项目有最高温度、最低温度、风速、日总辐射、日降水量、相对湿度等气象数据。监测时间为2015年12月30日至2016年12月9日。需要说明的是，本研究中气象要素和土壤水分观测时间均为2015年12月30日至2016年12月9日，不足一年时间，故下文称研究时段，以与年周期相区别。

1.3 土壤水分参数测定

用土壤容重取样器垂直打入土中，以环刀采集地表及以下间隔10 cm深度处土样，带回室内测定土壤饱和含水量、田间持水量、残余含水量、干容重[16,24]。用TST-55型渗透仪采用变水头渗透试验测定饱和渗透系数[25]。这些测定结果中，饱和含水量(θs)、残余含水量(θr)以及饱和导水率(Ks)作为Hydrus-1D模型运行的基本土壤水分参数，其余参数如α，n和l由模型反演获得。

1.4 模型的初始条件和边界条件

本研究中，Hydrus-1D模型初始条件设置为实测的土壤剖面含水量。研究区内仅受大气降水，地面难形成积水，故上边界条件设置为有径流产生的大气边界。由于地下水位埋藏深度远大于观测的土层厚度，且土壤底部风化砂岩排水良好，故下边界条件设定为自由排水边界。

将1，3，9号点设置土壤剖面深度依次为150 cm，130 cm，150 cm，根据土壤类型特点和实测数据，以及在空间上精细剖分来提高模型的精确度，采用剖面深度10 cm进行数据模拟，并选取1 cm作为一个空间步长。将剖面划分为6层不同介质的土壤，而观测点的设定则按照实际观测位置进行布设。根据实测毛竹根系指标，毛竹根系深度取60 cm。模型原理及具体操作参见Hydrus-1D模型手册[26]。

1.5 模型评价指标

本文采用以下统计参数评价模型模拟效果，主要有决定系数(coefficient of determination，R2)、相对方差(relative error，RE)、均方根误差(root mean square error，RMSE)和纳什效率系数[27](Nash-Sutcliffe model efficiency，NSE)4个指标评价模型精度。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.6 气候情景模式设定

本研究的气候情景设置主要依据基于政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)关于全球温升1.5℃的特别报告及其相关解读[29-30]，再结合文献，考虑到未来气候的可能变化趋势，在保持模型其他参数不变的条件下，只改变降水与气温，形成不同的气候变化情景，在此基础上进行猫儿山典型小流域人工毛竹林生态水文过程对气候变化响应进行分析。气候情景设定见表1。在不同气候情景下，通过模拟的日变化、月变化和总量变化，来揭示人工毛竹林的生态水文过程对气候变化的响应。

表1 气候情景设定

2 结果与分析

2.1 Hydrus-1D模型土壤水分模拟结果与精度评价

在不考虑气候变化情况下，经过Hydrus-1D模型模拟，小流域内1，3，9号点不同土层处土壤水分的实测值与模拟值的随时间变化特征及拟合情况见图2，毛竹林植被蒸腾量、土壤蒸发量、径流量和土壤储水量模拟结果见图3—5。

分析表明，研究时段内1，3，9号点植被蒸腾量分别为673.94，672.77，637.52 mm，土壤蒸发量分别为175.30，182.10，179.05 mm，径流量分别为2 239.9，2 200.4，2 169.0 mm，土壤储水量均值分别为440.18，316.92，466.61 mm。在研究时段内，径流占总降水量的74.46%，其中底部排水为径流主要成分，占总径流量的60.76%，即人工毛竹林入渗比例较高，径流以基流为主。蒸腾量、蒸发量占总降水量的比重分别为22.36%和6.04%，其中植被蒸腾约占总蒸散量的78.72%。

各观测点不同土层土壤水分的实测值与模拟值的对比结果显示：各层土壤剖面处实测值中，除个别值与模拟值相差较大外，整体模拟结果较好。将流域内各观测点实测土壤水分与Hydrus-1D模型模拟得出的不同土层土壤水分结果进行评价，结果见表2。可以看出，整体模拟结果在可接受的范围内，Hydrus-1D模型能够准确反映出流域内土壤水分随时间的变化特征，可以作为气候变化分析的模型基础。

2.2 流域生态水文过程对气候变化的响应

2.2.1 蒸散发量 图6—7为不同气候情景模式下研究时段蒸腾量和蒸发量变化情况。就全研究时段而言，除降水减少气温不变情境(C2)外，蒸发蒸腾均增加，其中降水不变气温升高2℃时(C5)增幅最大，即气温控制蒸发和蒸腾的增幅。3个观测点中，蒸腾量和蒸发量平均增加值为21.587 mm和5.617 mm，平均增幅3.26%和3.39%。就蒸散量模拟值的月分配来说，土壤蒸发量与植被蒸腾量具有相同的月变化趋势，且冬季增幅大于夏季增幅，即气候变化更容易影响冬季的水分蒸散。

总体而言，研究时间段内气候变化会引起流域内蒸散量的改变，降水与蒸散量存在正相关关系，即蒸散量随降水增加而增加，反之则减少；气温升高同样会导致蒸散量上升，与降水相比，变化幅度更大，即蒸散发量对气温升高的响应更敏感。降水—气温耦合情景下(C6，C7)，蒸散发量月值的变化规律不明显，反映出区域气候变化对蒸散发影响的复杂性。

2.2.2 径流量 由图8可见，径流变化趋势与降水一致，与气温相反，其中径流对降水减少气温升高时(C7)最敏感，3个观测点的径流量平均减少值为302.848 mm，平均减幅13.75%。就月值来说，气温不变时，降水变化更多地影响夏季径流，夏季径流的增减幅度是冬季的数十倍。仅气温发生变化时，冬季径流更易受到影响。

2.2.3 土壤储水量 图9为研究时段各观测点土壤储水量变化特征。土壤储水量与径流的变化趋势一致，也受降水影响明显，受气温变化的影响不大。其中土壤储水量对降水减少气温升高时最敏感，3个观测点平均减少值为6.054 mm，平均减幅1.59%。月变化情况则是降水对夏季土壤储水量影响大于冬季，气温的影响则更多的是对冬季土壤储水量造成波动。降水—气温耦合情况下，总体表现为冬季土壤水量更易受影响。研究时间段内降水与气温对土壤储水量的影响效果相反。气温的升高可以制约降水增加的补充作用，进而引起土壤储水量的小幅下降。而降水减少与气温升高可加快土壤储水量的流失。

综上所述，由于研究区地处湿润地区，水分较为充足，径流量和土壤储水量均受降水量影响明显，而植被蒸腾和土壤蒸发则受气温影响明显。

此外，降水增加可以抵消部分气温升高带来的影响(C6)，且维持总体指标的略微增加。而降水的减少再叠加气温升高，将出现径流的大幅度下降，降水变化的效应大于气温变化的效应。即降水为主，气温为辅，降水是影响径流量变化的主要驱动要素。

图2 土壤水分实测值与模拟值对比

图3 蒸散发量逐日变化

图4 径流量逐日变化

3 讨 论

3.1 Hydrus-1D模型对于人工毛竹林生态水文过程的适用性

本研究基于实测典型流域人工毛竹林土壤水分数据对Hydrus-1D模型进行部分参数反演后，模拟结果和决定系数(R2)、相对方差(RE)、均方根误差(RMSE)和纳什效率系数(NSE)表明模型可以较好地反映土壤水分的时空变化特征，尽管个别土层土壤水分的模拟值与实测值吻合度较低，但总体不影响对流域水分的模拟。以此模型和参数进行气候变化的响应分析，结果具有一定的科学性。此外，在现状情况(不考虑气候变化)下模拟结果表明，人工毛竹林蒸散发量占降水量的28.4%，其中以植被蒸腾为主，即毛竹林水分消耗水平不高，且径流以基流为主，水土保持效果良好。因此，人工毛竹林在水分消耗和水土保持方面的效用，应重新评估。

图5 土壤储水量逐日变化

表2 土壤水分模拟评价指标

3.2 生态水文过程对气候变化的响应

气候变化是影响流域水循环的主要因素，而气温和降水的变化对其响应最为明显[31]。本研究发现，各水文要素中径流量对降水变化最敏感，而蒸发受降水的影响较弱。另外，各水文要素随气温升高表现出较明显的响应，其中气温对蒸散量的作用最显著。然而，有研究表明全球变暖引发的气温升高、降水减少，导致流域径流量存在先增加后降低的倾向[32]。因此，区域气候变化对流域水文过程的响应是相对复杂的，研究时段的长短在一定程度上会影响研究结果的完整性。也有研究表明，气候变化也可通过其他途径来影响流域水循环环节，如罗宇等发现日照时数是影响延河流域的主要气象因子[33]。此外，本研究得出气温是蒸散量的主要驱动因素，与韩丽等[17]发现的降水是蒸散量的主要制约因子的结论说明，水分和热量的供给条件会影响蒸散量对气候变化的响应。就不同月份而言，降水易于影响夏季径流，而气温则可能影响冬季径流。即未来降水变化或者气温变化，对流域径流的影响时段不同，受此影响的行业或生态效应也是会有所差异，这方面值得深入研究。

图6 研究时段蒸腾量变化情况

图7 研究时段蒸发量变化情况

图8 研究时段径流量变化情况

图9 研究时段土壤储水量变化情况

3.3 不同气候区和植被类型对气候变化响应的比较

本研究区属于湿润区，所得结论与干旱区[18]、半干旱区[19]和半湿润区[20]的流域水文过程对气候变化响应的研究成果(表3)基本一致，但变化幅度存在差异，这表明虽处不同流域，气候变化对水文过程的响应机制相近，但从水文要素的响应强度来看，仍存在差别。本研究区地处湿润气候区，径流的相对变幅总体小于干旱区、半干旱区和半湿润区，即从相对变化率来说，湿润的气候在某种程度上能够减缓径流受气候变化的影响。与径流相比，蒸散发量的响应与其他气候区差别不大。

表3 不同气候区水文过程对气候变化的响应

从植被类型的角度看，对于同处于湿润区，主要土地利用类型为耕地、林地和草地的流域水文过程对气候变化响应的结果[22]反映出，径流量和土壤蒸发量对降水变化的敏感性较高，而受气温变化影响较弱。这与本研究结果基本一致，但也要注意到，单一树种对于气候变化的响应可能不同于植被类型较复杂的林分，流域尺度的大小也是影响因素之一。

本研究仅对人工毛竹林的生态水文过程对气候变化的响应进行了分析，也分析了不同月份的差异，但深度仍显不足。气候变化往往表现为不同的季节有不同的变化强度，但由于资料所限，本次研究的不同气候变化情景中降水气温变化的季节差异没有体现。最后，为简化模拟过程，本次研究中没有考虑毛竹根系和冠层参数的季节变化，一定程度上影响模拟精度。

4 结 论

(1) Hydrus-1D模型应用于人工毛竹林具有一定的精度保证。在研究时段内，人工毛竹林径流占总降水量的74.46%，其中基流(底部排水)占总径流量的60.76%，人工毛竹林水土保持作用不容忽视。蒸腾量、蒸发量占总降水量的比重分别为22.36%和6.04%，其中植被蒸腾约占总蒸散量的78.72%，表明毛竹林并非高耗水植被，对区域水资源的影响应重新评估。

(2) 就全研究时段而言，气温升高的情景下，蒸发蒸腾量的增幅受气温增幅的影响明显，各月土壤蒸发量与植被蒸腾量均表现为冬季增幅大于夏季增幅。

(3) 径流对降水变化更敏感，其中径流对降水减少气温升高的情景最敏感。气温不变时，降水变化更多地影响夏季径流，夏季径流的增减幅度是冬季的数十倍。仅气温发生变化时，冬季径流更易受到影响。降水的增加可以抵消部分气温升高对径流的影响，并维持径流量的略微增加。降水的减少再叠加气温升高，将出现径流量的大幅度下降。

(4) 土壤储水量受降水影响明显强于气温的影响，在降水减少且气温升高时敏感性最强。降水对夏季土壤储水量的影响大于冬季，气温的影响则更多的是对冬季土壤储水量造成波动。气温—降水耦合情况下，总体表现为冬季土壤储水量易受影响。气温的升高会制约降水增加对土壤储水量的补充作用，进而引起土壤储水量的小幅下降，降水减少与气温升高可加快土壤储水量的流失导致干旱化，表现出水分和热量供给对生态水文过程响应的综合影响。