基于Biome-BGC模型的刺槐人工林生产力和内在水分利用效率研究

张蓝霄 李雅婧 胡晓创 孙守家 张劲松 蔡金峰 孟平

摘要：[目的]探究刺槐人工林生产力和内在水分利用效率（iWUE）的影响因子及其对气候变化的响应。[方法]使用过程模型Biome-BGC对我国半湿润区内比较干旱的陕西省白水县和比较湿润的河南省民权县的刺槐人工林模拟净初级生产力（NPPs），并用实测净初级生产力（NPPm）数据进行验证，根据模拟结果计算生态系统内在水分利用效率（iWUEs）。分析两地刺槐人工林的生态系统与树轮iWUE变化趋势的差异。[结果]两地刺槐年际生物量均随年龄增大而首先迅速增加，具有明显的幼龄效应，随后逐步稳定并在一定范围内波动；在不包含幼龄林数据时，两地刺槐人工林NPPs与NPPm呈极显著正相关（P<0.01），树轮年际内在水分利用效率（iWUEm）则均呈波动上升趋势。白水县刺槐林的WUEs与WUEm呈极显著负相关（P<0.01），但民权县刺槐林的WUEs与WUEm里显著正相关（P<0.05）。[结论]温度是影响iWUEm的关键因子，年降水量和大气CO2浓度是影响生物量的关键因子。Biome-BGC模型能较好地模拟幼龄林以后的刺槐人工林的NPP，在半湿润区内湿润程度不同地点之间，刺槐人工林的生长关系一致，但碳水关系比较复杂。

关键词：刺槐；Biome-BGC模型；水分利用效率；净初级生产力；气象因子

中图分类号：S792.27 文献标识码：A 文章编号：1001-1498（2023）03-0001-10

自进人工业化以来，大气中CO2等温室气体浓度的持续增加造成了全球气候变暖和降水格局变化，未来极端气候和森林火灾发生频率有升高趋势。根据IPCC第五次评估报告，到2100年大气CO2浓度将达到1 370 cm3·m-3，平均气温升高4℃，全球气候变化进一步加剧。恢复森林覆盖是缓解气候变化的关键行动，NASA卫星数据表明，在过去20年地球变绿了，中国新增植被面积的42%来自于植树造林工程，人工林面积大量增加为我国实现双碳目标奠定了坚实基础。尽管我国人工林面积稳居世界第一，但多为结构单一的人工林，由于缺乏对其生态系统中碳水关系的系统理解，使得我国植树造林碳吸收作用常常被低估。生态系统的碳循环和水循环是2个密切联系、相互耦合的过程，受到多种生物、生理和气候因子的共同控制。因此，确定不同区域树木碳水耦合关系的差异，对气候变化下的人工林管理至关重要。

水分利用效率（WUE）将碳循环和水循环过程联系起来，是表征碳水耦合的重要指标，对理解陆地生态系统的碳水平衡非常关键。然而，单株植物和生态系统的WUE涉及不同的碳和水过程。在单株尺度上，内在水分利用效率（WUE）表征为CO2同化率与气孔导度的比率，通常通过稳定碳同位素来获得，受气孔导度和叶片氮含量的调节。在生态系统尺度上，iWUE是通过总初级生产力（GPP）、饱和水气压差（VPD）与蒸散（ET）、大气压的比率获得，受冠层结构、物种间相互作用和土壤蒸发的调节。单株WUE增加未比导致生态系统WUE的平行增加，不同植被在全球水平上的变化模式不完全一致，甚至相反，这增加了同一植被不同地点的单株·生态系统iWUE关系的不确定性。

受观测方法限制，生态系统尺度上WUE难以连续和长期观测，在研究中多用卫星遥感或模型模拟。Siome-BGC是基于气象、生理生态参数的过程模型，能较好模拟陆地生态系统的碳水过程，在森林和高寒草原等生态系统总初级生产力、净初级生产力、蒸散的空间分布研究巾广泛应用。然而，人工林种植后经历不同生长发育阶段，存在明显的幼龄效应。Biome-BGC模型输出的是准平衡态下的理想结果，但能否很好地模拟人工林历史的NPP和WUE尚未见报道。通过林分密度、树轮宽度、稳定碳同位素能获得人工林生态系统NPP及树轮，WUE的长序列历史数据，可用来验证Biome-BGC模型模拟结果。因此，树木年轮学、稳定同位素技术和Biome-BGC模型为研究人工林应对长期环境变化过程中的碳水耦合关系提供了有效工具。

刺槐（Robinia pseudoacacia Linn）是绿化常用先锋树种，耐干旱瘠薄，生长迅速，在我国北方广泛种植。我国北方气候有明显差别，暖湿化和暖于化趋势同时存在，不同地区刺槐林生长和水分利用可能会存在差异。本研究选择了造林时间长、生长相对一致的陕西省白水县和河南省民权县刺槐人工林，假设：（1）影响两地刺槐生长和/WUE的关键因子不同；（2）Biome-BGC模型能很好地模拟幼龄林以后的刺槐人工林生态系统NPP；（3）两地刺槐人工林生态系统，WUE和树轮nWUE变化趋势不一致。因此，本研究通过实测刺槐人工林密度和树轮宽度，获得刺槐人工林生态系统NPP的长序列历史数据，用于验证参数优化后Biome-BGC模型模拟结果，同时比较两地刺槐人工林生态系统，WUE与树轮，WUE变化趋势差异，旨在确定干旱程度存在明显差异地点的刺槐人工林生长和碳水关系之间的差异，为今后气候变化背景下刺槐人工林的造林规划、抚育维护、营林管理等提供科学依据。

1研究区概况

试验区位于黄河流域的白水县和民权县。白水县处于关中平原与陕北高原的过渡地带，海拔1210 m，属暖温带半干旱大陆性季风气候，年均气温11.9℃，年均降水量558 mm，≥10℃的年均积温3 7454℃，年均无霜期207 d，受复杂的地形影响，境内气候差异很大。民权县地处豫东平原，海拔90 m，属暖温带半干旱大陆性季风气候，年均气温14 5℃，年均降水量684 mm，≥10℃的年均积温5 192.6℃，年均无霜期213 d，雨热同季，四季分明，干旱和风灾频繁。

2研究方法

2.1样品的采集与处理

2020年6月在民权县和白水县选择生长良好的刺槐林，每个地区设置3个100m x100 m采样点，测定树高、胸径、密度和郁闭度（表1），获得代表秫分的标准木。在每个采样点中分别选取20棵生长状况良好且胸径接近于标准木的刺槐，在胸径（1.3 m）处用生长锥向东西和南北2个方向垂直钻取2根树芯。在实验室中将树芯样本放置于通风处自然阴干，之后固定于样品盒中并用200目和600目的砂纸打磨至年轮清晰可见，在显微镜下使用骨架法对样本交叉定年，测定年轮宽度。

2.2年际单株生物量和生态系统NPP

年际单株生物量（叶、枝、干、根）是通过2个实验点所在省份的异速生长方程计算求得，第n年刺槐直径为n年树轮宽度总和加上相应比例的树皮厚度，第n年的树高是通过样地所在地区调查刺槐胸径和树高获得胸径—树高方程计算得到。假设林分密度在一定的刺槐人工林生长过程中无变化，标准木年际生物量乘以密度就可获得生态系统上的年际实测净初级生产力（NPPm）。根据《森林采伐更新规程》，10 a以内的刺槐林设定为幼龄林，10-15 a的为中龄林，用于历史NPP的分析。

4.32地刺槐林生态系统iWUEs与树轮WUEm变化趋势差异

叶片、冠层和生态系统WUE是用不同方法获得的，叶片水平上WUE与生理过程直接相关，当从叶片延伸到生态系统时还需考虑土壤水分蒸发率、叶片蒸腾作用和植被覆盖度。在干旱环境中，叶片气孔关闭会快速降低瞬时蒸腾速率，但会缓慢降低光合作用速率，从而提高单个植物的WUE。因此，树轮iWUE随干旱程度增加而逐渐升高。在生态系统尺度上，叶面积指数（LAI）是WUE的主驱动力，LAI增加能提高单位面积的总生产力，减少裸土的水分损失而降低蒸散（ET）。所以，湿润地区有较高的生态系统WUE，干旱地区有较低的生态系统iWUE。

本研究中，白水刺槐树轮的iWUEm与生态系统的WUEs呈极显著负相关，而民权的iWUEm与iWUEs呈显著正相关，表现出相反趋势（图6）。白水县降水量呈下降趋势，水资源承载力较低，植被生长稀疏，LAI相对较低，水分损失主要是由裸露土壤蒸发造成的，GPP下降而ET增加，导致生态系统WUE较低，树轮iWUEm因干旱和CO2浓度升高呈上升趋势，因此，树轮的iWUEm与生态系统iWUEs是负相关。民权降水趋势保持稳定，生态系统GPP略有下降而ET下降更多，导致生态系统，WUE升高，而树轮中iWUEm因CO2浓度升高而增加，使得树轮WUEm与生态系统iWUEs正相关。Lu等研究发现，与其他水文气候条件相比，中度水分胁迫增强了生态系统WUE，这与叶片尺度WUE响应是一致的。不同地区干旱对生态系统，WUE影响不同，干旱地区生态系统，WUE随干旱指数（AI）增加而降低，但在半干旱和潮湿地区，iWUE和AI之间的关系遵循对数函数关系。在干旱和半干旱土地之间的过渡地带，干旱造成生态系统WUE下降最明显。无论水文气候条件和生物群落如何，严重和极端干旱都会导致WUE减少。

5结论

在白水和民权两地存在气象和环境条件差异，两地刺槐人工林的年际生物量均存在幼龄快速增加的效应，树轮年际WUE均呈波动上升趋势。在年尺度上，温度是影响，WUE的重要因素，降水和CO2浓度是影响生物量的重要因素。Biome-8GC不能准确模拟刺槐人工林整个生命史的年际NPP，但可以准确模拟中龄林以后的NPP。白水刺槐林生态系统的iWUEs与树轮iWUEm呈显著负相关，但民权刺槐的正好相反，显示出不同地区刺槐人工林的水碳利用对环境的响应较为复杂。