桉树人工林水文效应研究述评

黄 俊，金平伟，姜学兵

(1.珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站，广东 广州 510611；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

桉树(Eucalyptsspp.)作为世界上人工种植面积大的用材林树种，具有适应性强、生长速度快、经济价值高、投入成本低等优点，在热带、亚热带及部分温带地区广泛种植。桉树引种到中国已有上百年历史，经过数代驯化、栽培、育种在中国被广泛栽种，种植面积已从改革开放初期的33万hm2发展到2019年的580万hm2[1]，综合产值高达5 000亿元，带动广西、广东、云南等地大批农民脱贫致富。

近年来随着全球水资源短缺，特别是2010年中国西南大旱的发生，有关速生人工林负面生态水文效应的研究日益引起广泛关注[2-4]。目前有关桉树人工林水文效应研究仍未有一致定论，但不可否认的是桉树人工林的确直接或间接对区域地表径流和土壤水产生重要影响[5]。更有研究认为桉树人工林种植破坏了区域土壤水动态平衡规律[6]，甚至可能引发水文生态安全问题[7-8]。现有涉及纯桉树人工林地降水循环单一或几个水文要素的研究成果相对较多，但系统性不足且缺乏对比性，尚不能准确回答桉树人工林对林地水文效应影响作用机制，使得目前有关桉树人工林种植出现诸多争议[9]。天然林转换为桉树人工林改变了林地冠层结构、地表覆盖状况、土壤理化性质等，导致林地降雨、入渗、蒸散发及产流等关键水文要素均发生变化[10-11]，从而对林地水文效应产生重要影响作用[12]。

蒸散发及植被截留、降雨产流和土壤水是林地降水循环及水文效应研究的重要环节及关键要素(图1)。本文从桉树人工林蒸散发及植被截留、降雨产流和林地土壤水几个方面，总结桉树人工林地水文效应相关研究成果，分析现有研究中存在的问题，提出未来研究的重点内容。相关成果对于中国桉树人工林可持续发展及林地水土资源高效利用、区域水资源调控管理具有重要参考价值。

图1 林地次降雨水循环关键水文要素

1 桉树人工林蒸散与截留

1.1 蒸腾及树干液流

叶面积指数与桉树蒸腾关系密切，叶面积指数为2.17的细叶桉(E.tereticornisSmith)蒸腾速率约为3.5～7.7 mm/d，而叶面积指数减少到0.60时其蒸腾速率下降了31%～36%，且年蒸腾量由1 563 mm降低到853 mm[5]。冠层郁闭度较好的5年龄大桉(E.delegatensis)和亮果桉(E.nitens)人工林蒸腾量为5.0～6.0 mm/d，巨桉(E.grandis)日蒸腾量一般介于1.1～6.5 mm[13-14]，葡萄牙蓝桉(E.globulus)人工林日蒸腾量为0.5～3.6 mm[15]。中国雷州半岛尾叶桉(E.urophylla)人工林年蒸腾量约占降雨量35%，饱和蒸汽压差和大气辐射是主要影响因素[16-18]。幼龄桉树人工林蒸腾耗水量相对较大，成熟林蒸腾耗水量相对较少，对土壤水及林地产流负面影响较小[19]。Vertessy等[20]基于杏仁桉(E.regnans)人工林研究发现林地蒸散量随林龄增加呈持续降低变化规律。陈金梅等[82]研究了单株桉树与杉木树干液流变化特征，二者树干液流具有相同的昼夜变化规律(中午高早晚低的单峰曲线)，但桉树液流密度低于杉木、液流通量高于杉木，日均耗水量高于杉木。与毛竹相比，同等气象条件下单株桉树蒸散发日变化十分剧烈，且日蒸散发量约高出38%左右[21]。与松树、杉木等相比，叶面积指数较小；桉树叶面为革质且附有薄层蜡质，雨滴难以在叶面驻足停留；且叶肉栅栏组织维管束发达，最终导致桉树叶面蒸散发能力较弱，其消耗吸收水分只有少量重新进入大气，对区域水循环及平衡贡献能力十分有限[22]。尽管桉树蒸腾耗水高于其他树种，但其水分利用效率相对较高[23-24]，其单位干物质耗水量约在500～800 L/kg，仅为松树、杉树等树种的1/2～2/3[25]。

不同桉树日蒸腾强度总体为0.5～6.5 mm，年蒸腾量约为降雨量的三分之一左右，且随着林龄增加其蒸腾强度呈先增加后降低变化趋势，主要受到降水量、林龄、叶面积指数等因素影响。从季节和生长周期来看，桉树雨季蒸腾量高于旱季、生长期蒸腾量高于非生长期[26]。

1.2 冠层截留

林龄及降雨特征是林地植被截留及蒸散发重要影响因素[27-28]。此外，林分转换导致林地郁闭度发生改变进而引起林内降雨特征及气象条件发生变化，最终对植被截留及林地蒸散发产生重要影响，研究表明桉树林地截留和蒸散与林地郁闭度间呈显著正相关变化关系[5]。受多种因素影响桉树林地冠层截留差异明显，西澳干旱区桉树混合林(E.saligna,E.camaldulensis,E.leucoxylon,E.platypus)降雨截留率高达22.7%[29]，而南非巨桉冠层截留率仅为4%[30]。成熟桉树林降雨截留率相对较小，印度南部半干旱区9年龄赤桉(E.camaldulensis)截留率为10%[31]，巴西9年龄巨桉林降雨截留率为11%[14]。桉树林截留率随林龄增加呈先增加后降低变化趋势，30年龄桉树林截留率最大为30%左右[32]。相关学者在澳大利亚、印度和以色列等国家研究表明[33]，桉树林系统年降水截留率为10%～34%。降雨截留率(量)的变化与桉树人工林冠层结构改变关系密切，因此与桉树林地更新砍伐林分演替有关系[34-35]。Langford等[34]研究发现30年生桉树林截留率约为25%，而240年生成熟林分截留率下降为17%。陈少雄[36]研究发现桉树人工林截留率一般在11%～20%的降雨量，与松树和相思等树种相比偏少。王艳红等[37]对比了7种不同森林类型林冠截留的月动态变化，雨季林冠截留量明显增大，冠截留量的变幅大小排序为：麻竹>马占相思>桉树>勃氏甜龙竹>混交林>毛竹>红竹，桉树人工林截留率约为9%。侯秀丽等[38]研究了滇中桉树人工林、云南松林、针阔混交林、次生常绿阔叶林林冠截留与降雨量关系，发现林冠截留量与降雨量间呈对数关系，林冠截留率与降雨量间呈幂函数关系；桉树冠层截留量随降雨量增加比例最小，其冠层截留能力相对最小。任世奇等[39]研究发现，年降雨量为1 536 mm情况下，桉树林冠截留量为490 mm、截留率为32%，平均树干径流率为0.6%。

桉树冠层截留是林地水循环重要环节和内容，其特征变化较大，主要受到降雨量、林龄、冠层结构、桉树品种等影响，截留量总体为10%～30%。在降雨强度较低、降雨总量较少的情况下，桉树冠层截留率相对较高且总体与降雨量呈正相关变化关系。

1.3 林下土壤蒸发

桉树幼林地土壤蒸发强度最大，随林龄变大土壤蒸发强度逐渐降低。桉树林地蒸发主要受到林地郁闭度、林内温湿度、林龄等因素影响。张宁南[40]在中国雷州半岛丘陵山区研究结果表明，砂土和黏土桉树林地土壤日蒸发强度分别为0.51、0.80 mm/d，最大值分别为2.77 、1.37 mm/d，全年土壤蒸发量分别为289.8、189.0 mm(年降雨量1 539.0 mm)。林地土壤蒸发量旱季较小，且变幅也较低；雨季蒸发量较大约为旱季的1.7～2.7倍，且变幅也较大。从全年来看，砂土和黏土桉树林地土壤蒸发量占总蒸散量的18.17%和26.83%。杨钙仁[41]采用小型蒸发仪对桉树人工林和“马尾松-杉木”混合林地土壤蒸发进行了9个月的连续观测，研究发现桉树人工林土壤蒸发强度高于“马尾松-杉木”混合林，其中2年龄桉树林地累积土壤蒸发量为112.4 mm、5年龄桉树林地累积土壤蒸发量为96.3 mm、“马尾松-杉木”混合林土壤蒸发量为74.4 mm。7—9月份为桉树人工林土壤蒸发峰值期，1月份土壤蒸发强度最低。2年龄桉树林地、5年龄桉树林地、“马尾松-杉木”混合林地土壤蒸发强度最大值分别为0.786、0.766、0.579 mm/d。

1.4 生态系统尺度蒸散发

桉树人工林系统尺度蒸散发特征与单株桉树总体基本相同，其林地系统尺度蒸散量高于其他林分。杨静学等[42]采用Landset TM数据对广东桉树人工林系统蒸散量研发表明，同等条件下桉树人工林区蒸散发量高于天然混交林区，在NDVI为0.4的情况下，24 h桉树林区蒸散发量约高出0.18 mm。杨静学等[43]基于MODIS和TM热红外数据计算的地温值来评估较大区域上林地蒸散发能力，采用2008—2009年数据对比珠三角六类主要林分(桉树林、果树林、针阔混交林、灌木林、针叶、混交林、阔叶混交林)林地系统蒸散发能力，结果表明六类林地系统蒸散发强度基本相当，其中桉树林系统蒸散量并非最大值。与单株桉树相同，桉树人工林系统尺度蒸腾耗水量随林龄增加呈先增加后降低变化趋势，一般5～7年龄林地系统耗水量达到峰值，8～10年以后林地系统蒸腾耗水量逐渐降低[44-45]。

2 桉树人工林地表产流

降雨产流是一个高度非线性动态变化过程[46-47]，天然林转换为桉树人工林使得林地降雨产流过程变得更为复杂。林分立体结构、冠层郁闭度等是影响降雨产流过程的关键因素[48]。对于次降雨而言，林分转换引起林冠结构变化而改变了林内原有的降雨再分配比例[49]，进而影响林地次降雨产流量。Jackson等[50]在《Science》撰文指出：造林活动导致全球径流量平均减少了38%，约13%河川在造林后枯竭长达1年以上，对区域生态水文安全带来潜在威胁。天然林或草灌转换为桉树人工林后，林地产流量明显降低[10,51]。Samraj等[52]较早在印度南部蓝桉人工林集水区研究发现，与草场相比桉树人工林地产流量低16%。在巴西、南非等研究结果表明，种植桉树人工林后林地集水区径流量明显降低，甚至在7～10年间地表产流完全消失[51,53-54]。但也有研究表明桉树人工林采伐后原林地产流量可缓慢恢复至自然水平[35,53,55]。在降雨量较为丰沛地区，林分转换对林地产流负面影响作用相对较小，因为多年尺度上林地蒸散量与降雨量基本相当[27,56]，而对于短时间尺度影响作用及机制仍需要进一步研究。此外，林龄也是影响人工林地产流的重要因子，二者间存在显著相关关系[57]，Vertessy等[20]、Roberts等[58]也得出类似结论，并指出随林龄增加产流量逐渐回升。

尽管目前研究结论一般认为桉树人工林种植后区域地表产流量发生不同程度降低，但这一变化是否完全由桉树种植引发，亦或与全球气候变化有关仍未有确定性结论。但对于同一桉树人工林地，年际地表产流差异中75%是由于蒸散发引起的，蒸散发的变化是影响桉树人工林地表产流的主要影响因素[59]。对于短时间尺度而言，桉树人工林“速生”特点决定了其耗水量较其他林分偏高，营造桉树人工林后区域地表产流量明显下降甚至消失，特别是干旱年份更为显著。桉树人工林对地表产流量减少的根本原因是基流量的下降[60]。而长时间尺度合理轮伐制度可明显降低桉树人工林对区域地表产流量负面影响，砍伐后一定时间内林区基流和地表径流均能得到恢复与补充。桉树人工林区地表产流量与林龄、降雨量、区域林分结构等关系密切，合理的营造计划、林分结构、轮伐措施可有效降低桉树人工林种植对区域地表产流的负面影响作用[61-62]。

3 林地土壤水

3.1 林分转换对土壤水影响

林分转换是影响林地水文循环特征及土壤水动态平衡的关键因素[12,63]。林分转换导致林地土壤蓄水持水能力发生变化，进而影响土壤蓄水能力和土壤水分含量发生变化。桉树造林后通过对20～40 cm土壤物理性质的影响而对土壤水产生影响作用，导致20～40 cm 土层土壤水库容和剩余蓄水空间变大，40 cm以下土层土壤蓄水能力降低[64]。针阔混交林转换为巨尾桉(E.grandis×E.urophylla)人工林后，0～30 cm土层最大蓄水量显著变化，土壤蒸发强度发生改变导致土壤水剧烈变化，特别是旱季土壤水显著降低[65-66]。次生常绿阔叶林及思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)林地转换为尾叶桉人工林后，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，天然林转换为桉树人工林后，林地最高温度和最大温差均发生明显改变，导致林地土壤水分散失强度加剧[65]。Bouillet等[68]对比研究多种桉树人工林(E.albaReinw.×E.grandis，E.albaReinw.×E.robusta，E.albaReinw.×E.urophylla)，发现1年生桉树根系可伸展至3 m以下土层，其根系生长速率约为2.5 m/a。因此，天然林转换为桉树人工林对林地浅层土壤水产生重要影响，这也是White和Dunin[29]认为旱区桉树人工林会抽取浅层地下水的原因。

3.2 不同林龄土壤水特征

林龄对林地土壤水影响作用显著，随林龄增加尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)人工林地0～1 m土层储水能力呈递增趋势[11]。桉树根系发达、生长速度快，对表层(0～50 cm)和浅层(1～3 m)土壤水影响作用明显[69]，特别是幼龄桉树人工林对表层土壤水有显著影响作用。川南丘陵区3～6年龄大叶桉(E.robustasmith)主要消耗1 m土层下水分，而对表层土壤水分影响很小[70]。Bren等[44]、Forrester等[45]研究发现幼龄桉树林蒸散量相对较大，在5～7年达到峰值，这一阶段对土壤水负面影响作用较大，此后蒸散量逐渐降低，对土壤水负面影响作用也逐渐减少。张斌等[71]对比研究了海南省西部地区二代5年生桉树林、三代1年生桉树林、三代4年生桉树林和10年生椰林(CocosnuciferaL.)土壤水分状况，发现桉树林土壤含水量明显低于椰林，其林地表层土壤含水量较低且受到降雨影像较大；桉树林龄越长林地土壤含水量越低，但采伐后1年土壤含水量逐渐增加、土壤水分处于恢复补充阶段。赵从举等[55]研究认为，随林龄增加桉树林地土壤水分状况变差的趋势逐渐减弱，20年龄桉树人工林地土壤水分良好，对土壤水负面影响作用较小。王纪杰等[72]研究发现相同代次尾巨桉和巨尾桉人工混交林龄越大林地土壤渗透性越好，代次越大渗透性越差。这是因为随尾巨桉桉树根系发达、生长速度快，对表层(0～50 cm)和浅层(1～3 m)土壤水影响作用明显[69]，特别是幼龄桉树人工林对表层土壤水有显著影响作用。人工林更新代次的增加，林地土壤发生不同程度板结、地力衰退等现象[73]。特别是短伐连栽桉树人工林严重破坏土壤物理结构[74]，对林地土壤渗透性及土壤水负面影响作用相对较大[71]。

3.3 林地土壤水变化原因

桉树林地土壤水变化，一方面与林地土壤物理结构关系密切，土壤蓄水能力、持水性能发生变化，其土壤含水量和储水量均会发生改变；另一方面，与其他林分相比桉树蒸腾耗水能力相对偏大，导致其消耗土壤水量较多使得土壤水分含量降低。张凤梅等[75]通过对比研究尾叶桉人工林与马尾松(Pinusmassoniana)人工林土壤水分变化特征发现，桉树根系较为发达、林地蒸散量相对较大，其林地土壤水分消耗量也相对较高。周卫卫等[76]研究发现尾叶桉人工林地土壤容重、最大持水能力及稳定入渗率等土壤物理指标均明显差于橡胶(Heveabrasiliensis)林及橄榄(Canariumalbum(Lour.)Raeusch.)、中平(Macarangadenticulata)等天然次生林。黄本胜等[77]也得出类似结论，认为尾叶桉人工林地土壤水分呈阶段性下降趋势，且容易出现土壤板结现象，即使在水量充沛的雨季土壤水分也难以恢复到较高水平。桉树人工林地土壤水受大气降水影响显著，具有明显周期性特点，林地季节性干旱问题较为显著，在年内个别月份林地土壤含水量较低而影响到林木的正常生长[55,78]。桉树人工林表层土壤水分受植被蒸腾和土壤物理蒸发2个水文过程的双重影响，其变化较为剧烈而难以反映林地土壤水分真实状况以及林地土壤水动态变化规律[79]。

营造桉树人工林一定时期内会显著改变土壤水分状况，表现出较为明显的负面影响作用，但随着林龄增加这种负面影响作用逐渐降低，这与桉树人工林地蒸散发和产流变化规律是一致的。然而，“桉树问题”并非“桉树”本身问题，更多因不合理、不科学的桉树人工林营造、管理所引起。从可持续发展角度而言，杜绝密集种植、短期轮伐、过度炼山、无序施肥用药等，科学管理方式亦可实现桉树人工林可持续发展[80]。

4 问题与展望

在中国“七五”至“十五”连续4个五年计划科技相关科研项目推动下，桉树科研及经营水平不断提升[81]。但由于研究区域、气候、土壤等自然条件的复杂性与差异性，特别是桉树人工林本身特点导致其林地水文效应研究仍存在诸多问题。①尺度效应是林地水循环及土壤水变化典型特征。目前较多研究成果基于天然林转换为桉树人工林前后几年的观测结果，研究时空分辨率相对单一，较为缺乏林分转换前后多时空尺度林地水文效应对比研究。②涉及桉树人工林或桉树混交林自然降雨、植被截留与蒸散发、土壤入渗、地表产流的水循环全过程研究成果较少，且缺乏整体性研究，更少考虑桉树人工林对区域降雨等气候的相互影响作用机制。③有关桉树人工林水文模型研发工作相对薄弱，涉及桉树人工林大面积种植对林地产流及土壤水影响机制仍未有一致定论，关于桉树人工林对较大尺度区域产流的影响研究较为鲜见。

桉树人工林在中国仍有广泛分析，在目前全球气候变暖的大背景下，今后桉树人工林水文效应重点开展以下几个方面的工作：①注重长序列多时空尺度桉树人工林定位观测，以揭示桉树人工林水文效应时空规律和短伐连栽桉树人工林地土壤水变化机理，为桉树人工营造、轮伐等科学管理提供支撑；②明确桉树人工林蒸散发、降雨截留、产流及土壤水全过程多水文要素变化规律及相互影响机制，阐明营造桉树人工林对土壤水和区域生态耗水的影响机理，为桉树人工林营造下的水资源科学调控提供参考；③加强桉树人工林物理水文模型研发工作，为桉树人工林定量水文研究、大面积桉树人工林营造管理等提供科学手段。