基于Biome-BGC模型的刺槐人工林生產力和內在水分利用效率研究

張藍霄 李雅婧 胡曉創 孫守家 張勁松 蔡金峰 孟平

摘要：[目的]探究刺槐人工林生產力和內在水分利用效率（iWUE）的影響因子及其對氣候變化的響應。[方法]使用過程模型Biome-BGC對我國半濕潤區內比較干旱的陜西省白水縣和比較濕潤的河南省民權縣的刺槐人工林模擬凈初級生產力（NPPs），并用實測凈初級生產力（NPPm）數據進行驗證，根據模擬結果計算生態系統內在水分利用效率（iWUEs）。分析兩地刺槐人工林的生態系統與樹輪iWUE變化趨勢的差異。[結果]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，隨后逐步穩定并在一定范圍內波動；在不包含幼齡林數據時，兩地刺槐人工林NPPs與NPPm呈極顯著正相關（P<0.01），樹輪年際內在水分利用效率（iWUEm）則均呈波動上升趨勢。白水縣刺槐林的WUEs與WUEm呈極顯著負相關（P<0.01），但民權縣刺槐林的WUEs與WUEm里顯著正相關（P<0.05）。[結論]溫度是影響iWUEm的關鍵因子，年降水量和大氣CO2濃度是影響生物量的關鍵因子。Biome-BGC模型能較好地模擬幼齡林以后的刺槐人工林的NPP，在半濕潤區內濕潤程度不同地點之間，刺槐人工林的生長關系一致，但碳水關系比較復雜。

關鍵詞：刺槐；Biome-BGC模型；水分利用效率；凈初級生產力；氣象因子

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

自進人工業化以來，大氣中CO2等溫室氣體濃度的持續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發生頻率有升高趨勢。根據IPCC第五次評估報告，到2100年大氣CO2濃度將達到1 370 cm3·m-3，平均氣溫升高4℃，全球氣候變化進一步加劇。恢復森林覆蓋是緩解氣候變化的關鍵行動，NASA衛星數據表明，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現雙碳目標奠定了堅實基礎。盡管我國人工林面積穩居世界第一，但多為結構單一的人工林，由于缺乏對其生態系統中碳水關系的系統理解，使得我國植樹造林碳吸收作用常常被低估。生態系統的碳循環和水循環是2個密切聯系、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，確定不同區域樹木碳水耦合關系的差異，對氣候變化下的人工林管理至關重要。

水分利用效率（WUE）將碳循環和水循環過程聯系起來，是表征碳水耦合的重要指標，對理解陸地生態系統的碳水平衡非常關鍵。然而，單株植物和生態系統的WUE涉及不同的碳和水過程。在單株尺度上，內在水分利用效率（WUE）表征為CO2同化率與氣孔導度的比率，通常通過穩定碳同位素來獲得，受氣孔導度和葉片氮含量的調節。在生態系統尺度上，iWUE是通過總初級生產力（GPP）、飽和水氣壓差（VPD）與蒸散（ET）、大氣壓的比率獲得，受冠層結構、物種間相互作用和土壤蒸發的調節。單株WUE增加未比導致生態系統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的單株·生態系統iWUE關系的不確定性。

受觀測方法限制，生態系統尺度上WUE難以連續和長期觀測，在研究中多用衛星遙感或模型模擬。Siome-BGC是基于氣象、生理生態參數的過程模型，能較好模擬陸地生態系統的碳水過程，在森林和高寒草原等生態系統總初級生產力、凈初級生產力、蒸散的空間分布研究巾廣泛應用。然而，人工林種植后經歷不同生長發育階段，存在明顯的幼齡效應。Biome-BGC模型輸出的是準平衡態下的理想結果，但能否很好地模擬人工林歷史的NPP和WUE尚未見報道。通過林分密度、樹輪寬度、穩定碳同位素能獲得人工林生態系統NPP及樹輪，WUE的長序列歷史數據，可用來驗證Biome-BGC模型模擬結果。因此，樹木年輪學、穩定同位素技術和Biome-BGC模型為研究人工林應對長期環境變化過程中的碳水耦合關系提供了有效工具。

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存在，不同地區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間長、生長相對一致的陜西省白水縣和河南省民權縣刺槐人工林，假設：（1）影響兩地刺槐生長和/WUE的關鍵因子不同；（2）Biome-BGC模型能很好地模擬幼齡林以后的刺槐人工林生態系統NPP；（3）兩地刺槐人工林生態系統，WUE和樹輪nWUE變化趨勢不一致。因此，本研究通過實測刺槐人工林密度和樹輪寬度，獲得刺槐人工林生態系統NPP的長序列歷史數據，用于驗證參數優化后Biome-BGC模型模擬結果，同時比較兩地刺槐人工林生態系統，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的刺槐人工林生長和碳水關系之間的差異，為今后氣候變化背景下刺槐人工林的造林規劃、撫育維護、營林管理等提供科學依據。

1研究區概況

試驗區位于黃河流域的白水縣和民權縣。白水縣處于關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，受復雜的地形影響，境內氣候差異很大。民權縣地處豫東平原，海拔90 m，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，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，干旱和風災頻繁。

2研究方法

2.1樣品的采集與處理

2020年6月在民權縣和白水縣選擇生長良好的刺槐林，每個地區設置3個100m x100 m采樣點，測定樹高、胸徑、密度和郁閉度（表1），獲得代表秫分的標準木。在每個采樣點中分別選取20棵生長狀況良好且胸徑接近于標準木的刺槐，在胸徑（1.3 m）處用生長錐向東西和南北2個方向垂直鉆取2根樹芯。在實驗室中將樹芯樣本放置于通風處自然陰干，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系統NPP

年際單株生物量（葉、枝、干、根）是通過2個實驗點所在省份的異速生長方程計算求得，第n年刺槐直徑為n年樹輪寬度總和加上相應比例的樹皮厚度，第n年的樹高是通過樣地所在地區調查刺槐胸徑和樹高獲得胸徑—樹高方程計算得到。假設林分密度在一定的刺槐人工林生長過程中無變化，標準木年際生物量乘以密度就可獲得生態系統上的年際實測凈初級生產力（NPPm）。根據《森林采伐更新規程》，10 a以內的刺槐林設定為幼齡林，10-15 a的為中齡林，用于歷史NPP的分析。

4.32地刺槐林生態系統iWUEs與樹輪WUEm變化趨勢差異

葉片、冠層和生態系統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，當從葉片延伸到生態系統時還需考慮土壤水分蒸發率、葉片蒸騰作用和植被覆蓋度。在干旱環境中，葉片氣孔關閉會快速降低瞬時蒸騰速率，但會緩慢降低光合作用速率，從而提高單個植物的WUE。因此，樹輪iWUE隨干旱程度增加而逐漸升高。在生態系統尺度上，葉面積指數（LAI）是WUE的主驅動力，LAI增加能提高單位面積的總生產力，減少裸土的水分損失而降低蒸散（ET）。所以，濕潤地區有較高的生態系統WUE，干旱地區有較低的生態系統iWUE。

本研究中，白水刺槐樹輪的iWUEm與生態系統的WUEs呈極顯著負相關，而民權的iWUEm與iWUEs呈顯著正相關，表現出相反趨勢（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造成的，GPP下降而ET增加，導致生態系統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與生態系統iWUEs是負相關。民權降水趨勢保持穩定，生態系統GPP略有下降而ET下降更多，導致生態系統，WUE升高，而樹輪中iWUEm因CO2濃度升高而增加，使得樹輪WUEm與生態系統iWUEs正相關。Lu等研究發現，與其他水文氣候條件相比，中度水分脅迫增強了生態系統WUE，這與葉片尺度WUE響應是一致的。不同地區干旱對生態系統，WUE影響不同，干旱地區生態系統，WUE隨干旱指數（AI）增加而降低，但在半干旱和潮濕地區，iWUE和AI之間的關系遵循對數函數關系。在干旱和半干旱土地之間的過渡地帶，干旱造成生態系統WUE下降最明顯。無論水文氣候條件和生物群落如何，嚴重和極端干旱都會導致WUE減少。

5結論

在白水和民權兩地存在氣象和環境條件差異，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，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不能準確模擬刺槐人工林整個生命史的年際NPP，但可以準確模擬中齡林以后的NPP。白水刺槐林生態系統的iWUEs與樹輪iWUEm呈顯著負相關，但民權刺槐的正好相反，顯示出不同地區刺槐人工林的水碳利用對環境的響應較為復雜。