高升華，湯玉喜，唐 潔，唐學(xué)君，3，田 甜，易洪波，陳筑衢，張旭東**

(1.國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3.國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310019； 4.岳陽(yáng)市君山區(qū)林業(yè)局，湖南 岳陽(yáng) 414000)

灘地楊樹(shù)人工林皆伐后蒸發(fā)散與產(chǎn)流變化*

高升華1，湯玉喜2，唐 潔2，唐學(xué)君1，3，田 甜1，易洪波4，陳筑衢4，張旭東1**

(1.國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3.國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310019； 4.岳陽(yáng)市君山區(qū)林業(yè)局，湖南 岳陽(yáng) 414000)

[目的]揭示楊樹(shù)人工林皆伐對(duì)灘地蒸發(fā)散和產(chǎn)流的影響。[方法]基于渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)江灘地楊樹(shù)人工林皆伐前后水汽通量連續(xù)3年(2010―2012年)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比皆伐前、后氣候條件相似的2個(gè)時(shí)段(1整年)的蒸發(fā)散，揭示皆伐后研究區(qū)蒸發(fā)散的變化，并基于水量平衡反推研究區(qū)產(chǎn)流的變化。[結(jié)果]皆伐后土壤溫度和水位上升，土壤表層含水量全年均值減小約0.03；研究區(qū)蒸發(fā)散皆伐前、后具有相似的日變化規(guī)律和季節(jié)動(dòng)態(tài)特征，但皆伐后的全年蒸散量?jī)H為皆伐前的66.3%；皆伐后研究區(qū)產(chǎn)流率(產(chǎn)流量/降雨量)從皆伐前的0.53上升至0.62；皆伐前、后7、8、12月的干旱指數(shù)(潛在蒸發(fā)散/降雨量)均大于1，其他時(shí)期均小于1。[結(jié)論]灘地楊樹(shù)人工林皆伐后灘地蒸發(fā)散減少而產(chǎn)流率增加，加劇夏季干旱的可能性有所降低，但洪水爆發(fā)期間削減洪峰的能力也減弱。

楊樹(shù)人工林；長(zhǎng)江灘地；皆伐；蒸發(fā)散；渦度相關(guān)；產(chǎn)流

森林植被對(duì)徑流的影響是森林水文學(xué)研究中爭(zhēng)論的焦點(diǎn)[1]。盡管經(jīng)歷了上百年研究，森林植被變化對(duì)流域徑流的影響至今仍未達(dá)成共識(shí)。最新研究表明，森林植被對(duì)徑流的影響因流域水資源狀況和流域特征(如面積、坡度、地表覆蓋等)的不同而不同[2]；而人工林與天然林結(jié)構(gòu)有很大差異，因而其水文效應(yīng)與天然林也有巨大不同，因此，以天然林的研究結(jié)論來(lái)指導(dǎo)人工造林或恢復(fù)是不可取的[3]。目前，我國(guó)人工林面積已占全國(guó)森林總面積的1/3[4]，且人工林采伐與更新的頻率遠(yuǎn)高于天然林；然而，目前關(guān)于人工林采伐與更新對(duì)流域水文過(guò)程影響的研究十分不足，從而限制了對(duì)我國(guó)林業(yè)生態(tài)工程水文效應(yīng)的評(píng)估和人工林科學(xué)經(jīng)營(yíng)管理方案的制定。

蒸發(fā)散(ET)是森林生態(tài)系統(tǒng)水量平衡的重要組成部分，它占流域森林生態(tài)系統(tǒng)水分輸出的40%～90%[3, 6]；然而，在傳統(tǒng)的森林水文研究中，蒸發(fā)散往往僅作為降雨、徑流和土壤儲(chǔ)藏量的余項(xiàng)進(jìn)行估算[6, 7]，而缺乏直接觀測(cè)，這大大增加了森林水文效益研究的不確定性，也使蒸發(fā)散成為生態(tài)水文系統(tǒng)中最亟待研究的部分[8]。準(zhǔn)確測(cè)算林地蒸發(fā)散的時(shí)空變化，對(duì)揭示森林影響徑流的機(jī)理、開(kāi)發(fā)流域水文模型和制定森林經(jīng)營(yíng)管理方案具有十分重要的意義[9]。近20年，渦度相關(guān)技術(shù)越來(lái)越多地被用于生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散的直接觀測(cè)，而對(duì)人工林采伐前后的蒸發(fā)散觀測(cè)卻很少。

楊樹(shù)是我國(guó)主要的造林樹(shù)種之一[5, 10]，由于具有較短的輪伐期和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力而被廣泛用于長(zhǎng)江中下游速生豐產(chǎn)林、灘地抑螺防病林和防護(hù)林的營(yíng)建[11-13]。楊樹(shù)人工林輪伐期一般10年左右，其采伐頻率遠(yuǎn)高于杉木、馬尾松等造林樹(shù)種的人工林；然而，楊樹(shù)人工林采伐更新對(duì)區(qū)域耗水和產(chǎn)流的影響尚未被揭示，使得難以準(zhǔn)確評(píng)估長(zhǎng)江中下游地區(qū)大面積營(yíng)建楊樹(shù)人工林所產(chǎn)生的區(qū)域水文效應(yīng)。本研究基于渦度相關(guān)法對(duì)灘地楊樹(shù)人工林皆伐前后生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)研究，旨在驗(yàn)證以下假設(shè)：(1)灘地楊樹(shù)人工林皆伐后生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散減少；(2)楊樹(shù)人工林皆伐后灘地產(chǎn)流率增加。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省岳陽(yáng)市君山區(qū)長(zhǎng)江外灘(29°31′35″ N，112°55′22″ E)，海拔31 m，系中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的氣候區(qū)，具有典型的季風(fēng)氣候特征，春夏多雨，秋季多旱，冬季寒冷，全年盛行北風(fēng)。長(zhǎng)期年均氣溫16.8℃，年均降水量1 400 mm。土壤類型為江湖洲灘特有的潮土類型。

研究區(qū)面積60 hm2，呈南北向楔形，其中，東西向?qū)捈s800 m，南北長(zhǎng)約1 500 m[14]，地勢(shì)較平整。伐前林分營(yíng)造于2000年，樹(shù)種為美洲黑楊(PopulusdeltoidesMarsh)。該林分于2011年9月全部皆伐，皆伐前平均樹(shù)高19.5 m，胸徑23 cm，郁閉度達(dá)0.85，林下優(yōu)勢(shì)種為益母草(Leonurusarternisia(Laur.)S.Y.Hu)，其蓋度達(dá)90%以上。新林于2012年2月初種植完成，樹(shù)種仍為美洲黑楊，平均苗高3.5 m，胸徑2.5 cm。2011年7月—2012年8月，林下植被主要有狗牙根(Cynodondactylon(L.)Pers.)、堇菜(ViolaverecundaA.Gray)、辣蓼(PolygonumflaccidumL.)、風(fēng)輪菜(Clinopodiumchinense(Benth.) O. Ktze.)等。2010年淹水55 d(2010年6月28日—8月21日)，最大淹水深度2.8 m；2012年淹水40 d(2012年7月11日—8月20日)，最大淹水深度2.90 m；2011年未淹水。林地地表水隨長(zhǎng)江洪水退卻而通過(guò)徑流方式退出林地，2次退水后林地草本植物全部枯蔫并貼服地面。

2 研究方法

研究區(qū)建有30 m通量觀測(cè)塔1座，以CSAT-3三維風(fēng)速儀(Campbell Scientific, Inc., USA)和LI-COR 7500 CO2/H2O分析儀(LI-COR, Inc., USA)分別觀測(cè)三維風(fēng)速和CO2/水汽濃度。觀測(cè)高度根據(jù)冠層高度進(jìn)行調(diào)整，一般高于冠層高度2～3 m。采伐前觀測(cè)高度為21.0 m；于2011年7月4日調(diào)整至3.5 m，此時(shí)通量塔以南的所有樹(shù)木和通量塔的其它3個(gè)方向50 m以內(nèi)的所有樹(shù)木均皆伐完；2012年3月后觀測(cè)高度為6.5 m。環(huán)境因子觀測(cè)包括地面以上部分和地面以下部分，主要包括輻射、降雨、空氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量、地下水位等[15]。其中，采用TE525雨量桶(Campbell Scientific, Inc., USA)觀測(cè)降雨量，采用2個(gè)CS616土壤含水量傳感器(Campbell Scientific, Inc., USA)觀測(cè)土壤15 cm深處的土壤體積含水量(VWC，%)，用HOBO自記式水位溫度記錄儀(Onset Computer Corporation, USA)觀測(cè)水位(WT，m)。

研究期間，在常規(guī)樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上，以中分辨率衛(wèi)星遙感(MODISNDVI)對(duì)植被進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，所用數(shù)據(jù)集為MYD13Q1，其時(shí)間和空間分辨率分別為16 d和250 m。數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查網(wǎng)站(http://www.usgs.gov/)。

采用EdiRe軟件(version 1.5.0.32；Robert Clement，University of Edinburgh，Edinburgh，UK；http://www.geos.ed.ac.uk/abs/research/micromet/EdiRe/)進(jìn)行通量計(jì)算和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。主要過(guò)程包括：去除了超出儀器測(cè)量范圍和超過(guò)4倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常值，運(yùn)用坐標(biāo)軸二次旋轉(zhuǎn)法使垂直風(fēng)速均值為0[16]，進(jìn)行超聲虛溫校準(zhǔn)(SND correction)[17]，頻率損失校準(zhǔn)，WPL校準(zhǔn)[18]等。

通量計(jì)算后，對(duì)30 min的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制：(1)去除夜間摩擦風(fēng)速過(guò)低時(shí)的通量值[19]，2010年1月—2011年6月和2011年7月—2012年9月摩擦風(fēng)速的閾值分別為0.14、0.10 m·s-1。(2)通過(guò)通量貢獻(xiàn)率、湍流積分特征、穩(wěn)態(tài)測(cè)試3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)30 min的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其中,當(dāng)湍流積分特征或穩(wěn)態(tài)測(cè)試值>100%或皆伐后通量貢獻(xiàn)率<80%時(shí)，該30 min數(shù)據(jù)標(biāo)記為不合格。在2011年5—8月皆伐期間，每天均根據(jù)采伐進(jìn)度單獨(dú)設(shè)定每個(gè)方向的通量風(fēng)浪區(qū)長(zhǎng)度。當(dāng)研究區(qū)的通量貢獻(xiàn)率<80%時(shí)，該30 min的記錄將棄而不用。因此，5—6月的通量主要來(lái)源于未采伐區(qū)域，而7—8月通量主要來(lái)源于皆伐后的采伐跡地,最終水汽通量的數(shù)據(jù)保存率為55.4%。

以潛熱通量插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)估算累計(jì)蒸發(fā)散。對(duì)<2.5 h的空缺以線性內(nèi)插法插補(bǔ)，而對(duì)≥2.5 h的空缺則采用滑動(dòng)窗平均法進(jìn)行插補(bǔ)[20]，窗口大小分別為7、15、30 d。

單日潛在蒸發(fā)散以世界糧農(nóng)組織推薦的公式FAO Penman-Monteith進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：PET為潛在蒸發(fā)散(mm)；Δ為飽和水汽壓隨溫度變化的斜率(kPa·℃)；Rn為凈輻射(MJ·m-2)；G為土壤熱通量；γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃)；Ta為空氣溫度(℃)；es為飽和蒸汽壓(kPa)；ea為實(shí)際蒸汽壓(kPa)；u2為2 m 高的風(fēng)速(m·s-1)；900為轉(zhuǎn)換系數(shù)。基于式(1)計(jì)算的潛在蒸發(fā)散表示0.12 m高的草坪在不受水分限制時(shí)的最大蒸發(fā)散，而楊樹(shù)人工林和采伐跡地的潛在蒸發(fā)散較草地更大，因此，需乘以轉(zhuǎn)化系數(shù)K。由于伐前期8月土壤水分充足，且植被指數(shù)恢復(fù)較好，因此，取該月實(shí)際蒸發(fā)散與草地潛在蒸發(fā)散的比值作為K值，即1.42。采伐跡地在2012年6月25日—7月11日由于地下水位的抬升蒸發(fā)散有明顯的增大，因此，將此階段的實(shí)際蒸發(fā)散與草地蒸發(fā)散的比值作為采伐跡地的K值，即1.19，而淹水期間由于植被較少而不進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

由于受長(zhǎng)江水位的頂托作用，其生態(tài)系統(tǒng)水量平衡公式為：

ΔS=P-ET-(O-I)

(2)

式中：ΔS為生態(tài)系統(tǒng)中儲(chǔ)水量的變化量(mm)；P為降雨量(mm)；ET為蒸發(fā)散(mm)；I和O分別為從長(zhǎng)江流入系統(tǒng)內(nèi)的水量和系統(tǒng)內(nèi)流入至長(zhǎng)江的水量，(O-I)為生態(tài)系統(tǒng)與長(zhǎng)江的凈交換水量(R，mm)。當(dāng)R>0時(shí)，表示從生態(tài)系統(tǒng)流出的水量，即生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)流量(WY)。ET通過(guò)渦度相關(guān)系統(tǒng)直接觀測(cè)的水汽通量(g·m-2·s-1)獲得，P通過(guò)雨量桶(TE52，Campbell Scientific, Inc., USA)進(jìn)行計(jì)量。由于伐前林分結(jié)構(gòu)較其前一年沒(méi)有明顯變化，因此,認(rèn)為其全年ΔS≈ 0[2]，而采伐跡地ΔS采用式(3)進(jìn)行計(jì)算[6]。

ΔS=ΔVWC15×300+ΔWT×θd

(3)

式中：ΔVWC15為地表15 cm深處土壤體積含水量的變化量，代表地面以下300 mm深的土層平均體積含水量變化量；ΔWT為平均地下水位的變化量(mm)；θd為土壤非毛細(xì)管孔隙度，取0.4。

選取2010年1月—2012年8月蒸發(fā)散和環(huán)境因子的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采伐前、后的比較研究，其中，2010年1月—2011年6月為伐前期，2011年7月—2012年8月為采伐跡地期。在進(jìn)行全年比較時(shí)，伐前期和采伐跡地分別選擇2010年1月—12月(P1)和2011年9月―2012年8月(P2)，分別包含了伐前期和采伐跡地期的淹水月份(7―8月)。選取2010—2013年全年降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算4年年均降雨量和單月平均降雨量以計(jì)算干旱指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境因子動(dòng)態(tài)

總體而言，2010年和2012年的區(qū)域氣象條件相似，即雨水充沛，且具有相似的淹水情形(圖1)。P2階段的平均氣溫同該區(qū)域長(zhǎng)期(1981—2010年)年均氣溫相當(dāng)(16.8℃)，但較P1階段低0.16℃。兩階段的降雨量總體無(wú)明顯差異(約2 200 mm)，但均比該區(qū)域長(zhǎng)期年均降水量(約1 400 mm)高出約800 mm(表1)。

P1和P2分別為選定的伐前一年時(shí)段和采伐跡地一年時(shí)段；虛線為采伐前和采伐后的分界線；陰影部分分別為采伐前和采伐后的淹水時(shí)段。P1 and P2 indicate a whole year before and after clearcut, respectively; the dash line is the border between before and after clearcut; the shaded parts are indicate the inundation periods before and after clearcut.圖1 環(huán)境因子和蒸發(fā)散的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamics of environmental factors and ET

皆伐后土壤溫度升高，且土壤含水量下降(表1)。盡管P2階段平均氣溫較P1階段更低，但平均土壤溫度(17.85℃)卻較P1階段高0.52℃，主要由于皆伐后，地表植被覆蓋減少導(dǎo)致土壤直接接受太陽(yáng)輻射的能量增加。在總降雨量相當(dāng)?shù)那闆r下，P2階段土壤含水量全年均值卻較P1階段減小3.11%，一方面由于地表覆蓋的減少使地表溫度升高和地表風(fēng)速增大，從而加速了地表水分的蒸發(fā)；另一方面由于采伐后以草本植物為主，其根系分布較淺(<30 cm)，因而，對(duì)土壤表層的水分消耗更快。P2和P1階段土壤溫度和土壤含水量的變化與皆伐期間采伐跡地和未采伐區(qū)同步對(duì)照觀測(cè)結(jié)果一致[12]。

森林采伐會(huì)導(dǎo)致地下水位的抬升[21]，而本研究區(qū)地下水位受地表植被和長(zhǎng)江水位的共同調(diào)節(jié)。在皆伐期間(2011年7月前后)地下水位急劇抬升，但由于此時(shí)恰逢長(zhǎng)江水位快速上漲，地下水位的抬升難以完全歸因于皆伐；然而，此后水位一直較高直至次年春季到來(lái)(圖1b)。此外，P2階段的平均長(zhǎng)江水位較P1階段下降0.36 m，但平均地下水位卻上升0.36 m，因此推測(cè)，皆伐導(dǎo)致地下水位的抬升。這是由于蒸發(fā)散減少導(dǎo)致地下水消耗減少(圖1e和表2)，以及采伐跡地活體根系所觸及的地下水深度較伐前減小，因而使深層次的水受植物蒸騰影響較小。

表1 2個(gè)階段環(huán)境因子比較

皆伐前后林下植被的優(yōu)勢(shì)草本植物發(fā)生變化，且草本物種數(shù)量有所增加[12]。從2010年和2011年6—8月的NDVI數(shù)據(jù)推測(cè)，病蟲(chóng)害降低了伐前人工林的植被指數(shù)(圖1d)，加之淹水導(dǎo)致伐前林下草本植物的死亡，使2011年7月NDVI降至全年最低水平(0.16)；淹水期間采伐跡地NDVI降低至全年最低(約0)。2012年5月末的除草作業(yè)使采伐跡地的NDVI大幅下降，但很快恢復(fù)，表明該區(qū)域草本植物生長(zhǎng)旺盛。

3.2 蒸發(fā)散的動(dòng)態(tài)變化

皆伐前后的蒸發(fā)散均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，主要表現(xiàn)為生長(zhǎng)季強(qiáng)而非生長(zhǎng)季弱，而生長(zhǎng)旺季明顯下降(圖1e)。P1階段全年蒸發(fā)散最大月份為8月(183.0 mm)，5月次之(157.5 mm)，最小月份為1月和2月(約20 mm)。P2階段全年最大月份為5月(151.0 mm)，7月次之(135.8 mm)，最小月份為1月(20.3 mm)。P1階段淹水月份(7—8月)總蒸發(fā)散(293.6 mm)約為P2階段(147.3 mm)的2.0倍。病蟲(chóng)害和淹水分別是采伐前和采伐后生長(zhǎng)旺季ET下降的最主要原因。

在生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季皆伐前后蒸發(fā)散的日變化特征(圖2)均顯著。在非生長(zhǎng)季(圖2a)，采伐前的人工林在2010年和2011年的變化規(guī)律相似，在下午14：00—15：00出現(xiàn)較弱的“午休”現(xiàn)象；采伐跡地(2012年)的蒸發(fā)散在白天較伐前更大，且“午休”現(xiàn)象不明顯(圖2a)。病蟲(chóng)害爆發(fā)前，在2010年和2011年的生長(zhǎng)季, 伐前林的蒸發(fā)散較采伐跡地同期的更大，最大值分別為2012年的1.37和1.67倍，月總蒸散量分別為2012年同期的1.5和1.7倍(圖2b)。在病蟲(chóng)害爆發(fā)的月份(圖2c)，伐前林分蒸發(fā)散日最大值與采伐跡地相當(dāng)，且2011年當(dāng)月的月通量降至采伐跡地同期的1.1倍，此時(shí)為當(dāng)年受病蟲(chóng)害影響最嚴(yán)重的月份(圖1d)，說(shuō)明病蟲(chóng)害對(duì)楊樹(shù)人工林蒸發(fā)散具有重要影響。淹水期間(7—8月)伐前林日最大蒸發(fā)散略高于未淹水月份的采伐跡地(圖2d)，但顯著高于淹水期間的采伐跡地；總蒸發(fā)散分別為未淹水伐前林和淹水期采伐跡地的1.3和2.0倍。

圖2 不同階段蒸發(fā)散的典型月份平均日變化Fig.2 Mean diurnal variation of ET in typical months

3.3 皆伐對(duì)水量平衡的影響

皆伐導(dǎo)致研究區(qū)水量輸出的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(表2)。P1和P2階段的總降雨量無(wú)明顯差異，然而，P2階段的蒸發(fā)散下降明顯，僅為P1階段的65.9%，而產(chǎn)流量上升為P1階段的1.17倍。此外，由于皆伐后地下水位的上升和土壤含水量的下降(表1)，土壤儲(chǔ)水量較P1階段增加了134.7 mm。因而，蒸發(fā)散的減少一方面增加了地下水的儲(chǔ)藏，另一方面增加了產(chǎn)流。根據(jù)所觀測(cè)的蒸發(fā)散推算，P2階段產(chǎn)流量較P1階段增加190.8 mm，產(chǎn)流率(R/P)上升至P1階段的1.18倍(表2)。

伐前林地淹水期間ET>P，導(dǎo)致R<0，表明淹水期間洪水貢獻(xiàn)了約60 mm的蒸散量；而采伐跡地在淹水期間(2012年7—8月)的蒸散率(0.578)遠(yuǎn)比未淹水年份同期(2011年7—8月，0.785)的小，同時(shí)淹水期采伐跡地的植被指數(shù)(約為0)也遠(yuǎn)比未淹水年份同期(0.4～0.6)的小，因而,推測(cè)采伐跡地期的植被蒸騰作用在蒸發(fā)散中占較高的比例。

表2 各階段的水量平衡

3.4 干旱指數(shù)的變化

PET/P常被用作干旱程度的指示參數(shù)[2]。相對(duì)于2010—2013年這4年的平均年降雨量(P_m)(1 863.8 mm)，P1和P2階段的全年干旱指數(shù)(PET/P_m)分別為0.62和0.48；降雨量在一年內(nèi)分布不均勻，其中前6個(gè)月占全年的66.4%，導(dǎo)致P1和P2階段的PET/P_m前半年小于0.5(圖3b)。伐前林和采伐跡地在7—8月和12月的干旱指數(shù)均大于1，都可能加劇區(qū)域干旱，而7—8月恰逢長(zhǎng)江洪水期，因此，楊樹(shù)人工林由于具有較大的蒸散耗水和較大的地下儲(chǔ)水潛力而恰好起到削弱洪峰的作用。從P2階段的PET/P_m看，采伐跡地在7月也可能起到削弱洪峰作用(圖3b)，而實(shí)際上在淹水期間，植被全部被淹沒(méi)，蒸發(fā)散遠(yuǎn)小于潛在蒸發(fā)散，因此，難以起到削洪作用(圖3a)。相反，冬季草本植物依然比較旺盛(圖1d)，蒸發(fā)散較伐前林高(圖2a)，因此采伐跡地更可能促使南方冬旱(圖3a)。

ET1和ET2分別為P1和P2階段的蒸發(fā)散；PET1和PET2分別為P1和P2階段的潛在蒸發(fā)散；P_m為2010—2013四年平均年降雨量。ET1 and ET2 are the ET in period P1 and P2, respectively; PET1 and PET2 are the potential ET in period P1 and P2, respectively; P_m was the mean yearly precipitation during 2010—2013.圖3 降水的季節(jié)分布和干旱指數(shù)的季節(jié)變化Fig. 3 The mean monthly precipitation in the latest four years and dryness index seasonal variation

4 討論

國(guó)外一些觀測(cè)研究顯示，森林采伐后生態(tài)系統(tǒng)的蒸發(fā)散將先減小，之后隨著再造林或采伐跡地的自然演替，蒸發(fā)散將逐漸上升。Sun等[6]基于渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)比觀測(cè)了采伐跡地前2 a和火炬松幼林的蒸發(fā)散動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)采伐跡地的蒸發(fā)散較火炬松幼林小23%。Liu等[22-23]對(duì)火燒作業(yè)后的3、15和80 a的研究區(qū)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)3 a的研究區(qū)比80 a的研究區(qū)蒸發(fā)散小33%，但15 a的蒸發(fā)散和80 a的蒸發(fā)散無(wú)明顯差異，并預(yù)測(cè)蒸發(fā)散在最初幾年會(huì)有所下降，但隨著植被的恢復(fù)，中林齡蒸發(fā)散將會(huì)超過(guò)老齡林。此外，Chen等[24]對(duì)20、40和450 a的紅杉林夏季的水汽通量對(duì)比觀測(cè)時(shí)也發(fā)現(xiàn)，450 a的紅杉林蒸散量比20、40 a林分的蒸散量分別高70%和12.2%；但也有觀測(cè)結(jié)果顯示，皆伐并未對(duì)蒸發(fā)散有明顯改變，如Gholz等[21]對(duì)濕地松的采伐跡地、中齡林和成熟林進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，盡管葉面積指數(shù)和冠層結(jié)構(gòu)有很大不同，3種林分的年蒸發(fā)散幾乎相同。本站點(diǎn)11 a楊樹(shù)人工林皆伐后，采伐跡地的蒸發(fā)散較伐前下降了34.1%，與Sun等[6]的研究結(jié)果最相似。根據(jù)上述研究結(jié)果推測(cè)，隨著幼林根系和葉片的發(fā)展，這一比例將可能下降，但需要更長(zhǎng)時(shí)間尺度的觀測(cè)驗(yàn)證。

本研究顯示，11 a楊樹(shù)人工林皆伐后，產(chǎn)流效率上升至伐前的1.18倍，和目前較普遍觀點(diǎn)相一致，即森林覆蓋的減少有增加地表徑流的趨勢(shì)[3, 9]。此外，本站點(diǎn)7 a楊樹(shù)人工林和11 a林的年蒸發(fā)散分別為958[25]和1 033 mm，比南亞熱帶(鼎湖山)季風(fēng)闊葉林的(1 324 mm)小[26]，與同氣候區(qū)的會(huì)同杉木林(848～983 mm)[27-28]十分接近，而略比同氣候區(qū)千煙洲站的人工針葉林(640～820 mm)[29]高，且明顯比北京地區(qū)11 a楊樹(shù)人工林(585 mm)[25]高。因此，可以推測(cè)，在水分充足的長(zhǎng)江中下游，楊樹(shù)的耗水與同區(qū)域其他人工林的差異不大。因而，營(yíng)造楊樹(shù)人工林是否會(huì)導(dǎo)致區(qū)域干旱的問(wèn)題歸根結(jié)底是森林植被覆蓋與徑流關(guān)系的問(wèn)題。Farley研究了26個(gè)配對(duì)集水區(qū)的植被對(duì)水的影響，發(fā)現(xiàn)在草地或灌木上造林將可能多耗150～200 mm或15%的降水[30]，而本研究中11 a楊樹(shù)人工林較采伐跡地多消耗水190.8 mm，但僅多耗8.7%的降雨，主要由于本研究區(qū)降雨量較大。根據(jù)Zhou等[2]的研究，在濕潤(rùn)地區(qū)，植被的變化對(duì)產(chǎn)流率的影響更小，因而，在南方水分較充足的區(qū)域，植樹(shù)造林對(duì)產(chǎn)流率的影響比在干旱區(qū)更小。

值得注意的是，灘地楊樹(shù)人工林在7—8月長(zhǎng)江豐水季由于具有更大的地下蓄水潛力和更大的蒸散量而比采伐跡地更能起到削減洪峰的作用；然而，它同時(shí)也暗示，在夏季雨水偏少的情況下，非長(zhǎng)江灘地區(qū)域的楊樹(shù)人工林比草地更有可能加劇區(qū)域季節(jié)性干旱。此外，造林、采伐、再造林對(duì)流域水文的影響并不完全相同[31]，需要更多針對(duì)性研究。

5 結(jié)論

灘地楊樹(shù)人工林皆伐后，土壤溫度有所上升，土壤含水量下降，且地下水位上升；皆伐前、后的蒸發(fā)散具有相似的日變化規(guī)律和季節(jié)動(dòng)態(tài)特征，但采伐后，全年蒸散量減少至采伐前的66.3%；同時(shí)，產(chǎn)流率增加至采伐前的1.18倍。此外，采伐前、后的7、8、12月的干旱指數(shù)(PET/P)均大于1，而其它月份均小于1。本研究結(jié)果表明，灘地楊樹(shù)人工林皆伐會(huì)導(dǎo)致流域蒸發(fā)散減少和流域產(chǎn)流率增加；由于豐水季節(jié)具有更大的地下蓄水潛力和更大的蒸散量，灘地楊樹(shù)人工林在長(zhǎng)江洪水爆發(fā)期間可更好的減少長(zhǎng)江徑流量而起到削減洪峰的作用，相反，當(dāng)豐水季長(zhǎng)江徑流量較小時(shí)，楊樹(shù)人工林相比采伐跡地或草地更可能加劇區(qū)域夏季干旱。

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(責(zé)任編輯：詹春梅)

Variations of Evapotranspiration and Water Yield in a Post-clearcutting Riparian Poplar Plantation

GAO Sheng-hua1, TANG Yu-xi2, TANG Jie2, TANG Xue-jun1,3, TIAN Tian1, YI Hong-bo4, CHEN Zhu-qu4, ZHANG Xu-dong1

(1.Key laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration; State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding; Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2.Hu’nan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hu’nan, China; 3.East China Forest Inventory and Planning Institute, State Forestry Administration, Hangzhou 310019, Zhejiang, China; 4.Junshan Forestry Bureau of Yueyang City, Yueyang 414000, Hu’nan, China)

[Objective]To reveal the effects of clearcutting a poplar plantation at the floodplain of Yangtze River on evapotranspiration (ET) and water yield (WY). [Method] Based on 3-years’consecutive observation data of water vapor flux from a poplar plantation on the floodplain of Yangtze River during the years before and after clearcutting by eddy covariance system, the variation ofETpost-clearcutting was investigated by comparing theETs in two periods (a whole year before and after clearcutting, respectively) with similar weather conditions. Then the variation ofWYpost-clearcutting was calculated by water balance. [Result] (1) After clearcutting, both soil temperature and ground water level increased obviously while the soil water content decreased by about 0.03. (2) TheETsbefore and post clearcutting had the similar seasonal and diurnal dynamics; Nevertheless, the annualETpost-clearcutting was only 66.3% of that before clearcutting. (3) TheWYratio (WY/precipitation) increased from 0.53 to 0.62 after clearcutting. (4) The dryness index (potentialET/precipitation) was larger than 1 in July, August, and December, while less than 1 in other months in both before and post clearcutting period. [Conclusion] Clearcutting a poplar plantation on the floodplain of Yangtze River leads to a decrease ofETand an increase ofWYratio. As a result, it is less likely to intensify regional drought in summer, but the capacity of the floodplain for flood peak clipping during flooding would also decline.

poplar plantation；floodplain of Yangtze River；clearcutting；evapotranspiration；eddy covariance；water yield

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.03.017.03.018

2015-06-29

國(guó)家科技支撐課題“長(zhǎng)江防護(hù)林質(zhì)量調(diào)控與高效經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究與示范(2015BAD07B04)”和“生態(tài)經(jīng)濟(jì)型血防林構(gòu)建技術(shù)研究與示范(2015BAD07B07)”

高升華，男，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，助理研究員.研究方向：林業(yè)生態(tài)工程與技術(shù).E-mail: shenghua1128@yeah.net

S715

A

1001-1498(2017)03-0486-08

* 感謝盛煒彤先生和徐梅卿先生對(duì)論文提出的寶貴意見(jiàn)!

** 通訊作者：張旭東，研究員，博士生導(dǎo)師.E-mail: zhxdcaf@163.com