中國典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分時(shí)空分異及其影響因素

常清青，何洪林，牛忠恩，任小麗，張 黎,4，孫婉馨，朱曉波

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101 2 國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，北京 100101 3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 4 中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049 5 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用重慶市工程研究中心，重慶 400715

森林土壤水分是水循環(huán)過程中重要的水文參量,決定了森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力,同時(shí)作為物質(zhì)與能量循環(huán)的載體影響林木生長與發(fā)育[1-2]。在多重環(huán)境因素的調(diào)控下,土壤水分具有較大的時(shí)空異質(zhì)性,其空間格局的變化會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的分布與合理配置,其時(shí)間動(dòng)態(tài)則通過影響植被生長以及水分在陸氣之間的循環(huán)與分配作用于區(qū)域氣候[3-4]。探究森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的時(shí)空分異特征及其影響因素在氣候變化預(yù)測(cè)、林地生態(tài)水文過程及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究中具有重要作用[5]。

有研究表示過去幾十年我國土壤水分負(fù)異常和蒸散正異常事件頻繁發(fā)生,導(dǎo)致了更加嚴(yán)峻的干旱脅迫[6]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,由于植物對(duì)土壤水分的高度敏感性,土壤水分異常通過改變植物生長與分布狀況,將對(duì)生產(chǎn)力與水源涵養(yǎng)服務(wù)產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響[7-8]。多尺度下的土壤水分影響因素研究表明,盡管土壤水分受到氣象、地形、土壤、植被、土地利用等多環(huán)境因子的綜合作用,區(qū)域土壤水分的時(shí)空分異主要由氣象因素主導(dǎo)(主要是降水與蒸散)[9- 11]。降水是土壤水分最主要的輸入來源,大部分研究表示土壤水分與降水之間存在正相關(guān)關(guān)系,但兩者之間的耦合強(qiáng)度大小存在差異；蒸散是主要的輸出項(xiàng),對(duì)土壤水分的影響受土壤水分大小的控制,使得兩者之間的關(guān)系存在不確定性[12- 14]。當(dāng)前,全球氣候變化一方面導(dǎo)致大氣對(duì)水分的需求增加,顯著改變了蒸散的時(shí)空分布,加劇了土壤水分的消耗；另一方面通過影響大氣環(huán)流使得降水的時(shí)空分布也發(fā)生了顯著變化,兩者共同作用于土壤水分的空間格局與年際變化[15-16]。同時(shí)土壤水分時(shí)空分異變化也存在一定的季節(jié)差異,其在雨季與旱季對(duì)降水與蒸散的不同響應(yīng)使得其在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)[17]。現(xiàn)階段,由于我國土壤水分地面觀測(cè)站主要分布于農(nóng)田區(qū)域,基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的全國森林區(qū)域土壤水分時(shí)空分異及其影響因素的研究結(jié)果還較少[18-19]。

中國生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)森林生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站的長期觀測(cè)數(shù)據(jù)可以為全國尺度森林土壤水分研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。本研究使用CERN的9個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站的土壤水分長期觀測(cè)數(shù)據(jù),探究了(1)中國典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的大小及空間分異；(2)2005—2016年土壤水分時(shí)間變化趨勢(shì)及其影響因素；(3)與其他土壤水分再分析資料在時(shí)空分異上的異同。旨在為我國森林土壤水分大小與時(shí)空分異的分析、森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的探究提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本研究以9個(gè)來自中國生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(CERN,http://www. cern. org. cn)森林生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)臺(tái)站的天然林綜合觀測(cè)場作為我國不同區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的典型代表,分別為哀牢山森林生態(tài)系統(tǒng)(ALF),北京森林生態(tài)系統(tǒng)(BJF),版納森林生態(tài)系統(tǒng)(BNF),長白山森林生態(tài)系統(tǒng)(CBF),鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)(DHF),貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)(GGF),鶴山森林生態(tài)系統(tǒng)(HSF),會(huì)同森林生態(tài)系統(tǒng)(HTF),茂縣森林生態(tài)系統(tǒng)(MXF)。氣候區(qū)從北到南涵蓋了中溫帶、暖溫帶、中亞熱帶、南亞熱帶及熱帶,海拔77—3160 m不等,年均降水量介于527—1918 mm之間,年均溫介于3.7—22.6℃之間。其中茂縣森林生態(tài)站與哀牢山森林生態(tài)站地理位置分別位于中亞熱帶和南亞熱帶,但由于海拔較高,其森林生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際氣候類型分別為暖溫帶亞高山氣候與中亞熱帶季風(fēng)氣候。在空間上基本覆蓋了我國典型的森林植被類型,人為干擾少,水熱梯度明顯,具有較強(qiáng)的空間代表性。研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的地形、植被、土壤基本概況見表 1,地理位置及水熱梯度代表性見圖1。

表1 研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)基本概況

圖1 中國森林區(qū)域、研究區(qū)森林臺(tái)站地理位置及其年降水—年均溫關(guān)系圖Fig.1 The position and relationship between mean annual temperature (℃) and precipitation (mm/a) of Chinese forest area and forest ecosystem sites in study area

1.2 研究數(shù)據(jù)及來源

1.2.1土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)

本研究采用土壤體積含水量(Soil water content,SWC)來表征土壤水分條件,數(shù)據(jù)來自CERN森林生態(tài)站2005—2016年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。使用中子儀或TDR測(cè)定土壤剖面不同深度的土壤含水量。其中北京、版納與會(huì)同森林生態(tài)站分別在2014年、2009年與2008年更換了土壤水分觀測(cè)儀器,為保證土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)間連續(xù)性,使用CERN森林生態(tài)站2005—2016年烘干法測(cè)定的質(zhì)量土壤含水量進(jìn)行儀器校正與缺失值的插補(bǔ),其余站點(diǎn)在年間保持觀測(cè)儀器一致。長白山森林生態(tài)站由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性問題,研究時(shí)段為2005—2013年[20]。

土層測(cè)定間隔為10—20 cm,不同站點(diǎn)探測(cè)的最大深度不同,為比較不同森林生態(tài)站之間土壤水分的大小,將0—90 cm土壤體積含水量的平均值作為研究對(duì)象。測(cè)定頻率4—10d,該測(cè)定頻率由于不能及時(shí)捕捉到降水對(duì)土壤水分的影響,會(huì)造成一定程度上土壤水分的低估,但并不影響對(duì)土壤水分的空間分異以及時(shí)間趨勢(shì)的探究[5]。長白山、北京、貢嘎山森林生態(tài)站因冬季氣溫較低,存在凍土情況,因此僅測(cè)定生長季的土壤體積含水量,時(shí)間范圍為5—10月,以生長季平均土壤體積含水量代表年土壤水分。使用12月—2月、3—5月、6—8、9—11月的土壤水分平均值分別代表冬、春、夏、秋季的土壤水分進(jìn)行季節(jié)趨勢(shì)的分析討論。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)中使用人工觀測(cè)逐日降水量(Daily precipitation)計(jì)算季節(jié)及年降水量(Precipitation,P)、自動(dòng)觀測(cè)逐日氣溫(Daily temperature,Ta)、自動(dòng)觀測(cè)逐月相對(duì)濕度(Monthly relative humidity,RH)、自動(dòng)觀測(cè)逐月凈輻射(Monthly net radiance,Rn)均來自于CERN森林生態(tài)站2005—2016觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2.3蒸散數(shù)據(jù)

由于難以獲得連續(xù)、準(zhǔn)確的蒸散(Evapotranspiration,ET)觀測(cè)數(shù)據(jù),在本研究中,采用模擬效果較好的PT-JPL(Priestly-Taylor Jet Propulsion Laboratory Model)模型對(duì)蒸散進(jìn)行模擬,模型主要結(jié)構(gòu)見公式(1)—(4)[21-22]。研究表明PT-JPL對(duì)蒸散的模擬在絕大部分生態(tài)系統(tǒng)和氣候區(qū)表現(xiàn)最優(yōu),并且在多個(gè)站點(diǎn)均取得了較好的驗(yàn)證結(jié)果[22- 25]。

ET=T+Ei+Es

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Fwet為相對(duì)表面濕度；Fg為綠色冠層所占比例；Fm為蒸騰水分限制因子；Fsm為土壤蒸發(fā)水分限制因子；Rnc和Rns分別為冠層截獲的凈輻射和到達(dá)土壤表面的凈輻射,兩者之和為凈輻射；α為Priestly-Taylor常數(shù)；Δ為溫度-飽和水汽壓斜率；γ為干濕表常數(shù)。

模型驅(qū)動(dòng)變量包括氣溫(Ta)、凈輻射(Rn)、相對(duì)濕度(RH)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index,EVI),Ta、Rn、RH來自2.2.2中的站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。EVI與NDVI來自于MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1,空間分辨率為250 m,時(shí)間分辨率為16 d。提取周圍3×3格點(diǎn)平均值作為站點(diǎn)數(shù)據(jù),并使用當(dāng)月平均值進(jìn)行蒸散的模擬。

1.2.4ERA-interim土壤再分析資料

ERA-interim土壤水分再分析資料能夠較優(yōu)秀地描述土壤水分空間格局及年際變化[26]。ERA-interim再分析資料是歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心制作的第三代全球大氣再分析資料,空間分辨率0.125 °×0.125 °,時(shí)間覆蓋范圍是1979年至今,并且能夠近實(shí)時(shí)更新。陸面部分采用TES-SEL(Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchange over Land)模式。土壤水分再分析資料垂直分為4層,分別是7、28、100、289 cm處的土壤體積含水量數(shù)據(jù)。本研究采用中國森林區(qū)域2005—2016年7、28、100 cm這3個(gè)層次的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。首先使用28 cm與100 cm的土壤水分線性插值得到90 cm處土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),之后使用與CERN數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的0—90 cm土壤水分逐年均值進(jìn)行趨勢(shì)計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的空間分異

中國典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分均值為26.58%,呈現(xiàn)南北高、中部低的空間分布特征,也即中溫帶、亞熱帶、熱帶土壤水分較高,暖溫帶土壤水分較低(表 2與圖2)。具體來看,位于中亞熱帶的貢嘎山亞高山暗針葉林與哀牢山中山濕性常綠闊葉林土壤水分平均值最高,分別可達(dá)36.30%與35.83%；其次是位于中溫帶的長白山落葉針闊混交林,為30.16%；南亞熱帶與熱帶的3個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分較為相近,均為27%左右；位于暖溫帶的北京落葉闊葉混交林土壤水分最低,僅有12.45%。 由表 2還可以看出,中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的空間分布在春、夏、秋季也呈現(xiàn)出中溫帶、亞熱帶與熱帶地區(qū)土壤水分高,暖溫帶地區(qū)較低的空間分布特征。比較土壤水分與各環(huán)境因子的Pearson相關(guān)性后得出,我國典型森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤水分與降水蒸散差最為吻合,可以解釋土壤水分空間分異的62.3%(圖3,R=0.79,P<0.05)。

我國南方的熱帶亞熱帶地區(qū)降水整體較高,隨著緯度的降低氣溫上升,蒸散逐漸增強(qiáng),降水蒸散差隨之減小,因此南方地區(qū)中的中亞熱帶土壤水分最高,平均達(dá)32.2%。位于南亞熱帶的鼎湖山與鶴山常綠闊葉林雖然降水更為豐沛,但高溫導(dǎo)致更強(qiáng)的蒸散使得該地區(qū)土壤水分較低于中亞熱帶。位于熱帶的版納季節(jié)雨林降水量較亞熱帶稍低,全年高溫所致旺盛的蒸散發(fā)使其降水蒸散差進(jìn)一步低于南亞熱帶地區(qū),僅有542.6 mm,相應(yīng)地,其土壤水分略低于南亞熱帶,為26.45%。

北方的溫帶地區(qū)降水量較南方顯著減少,蒸散量亦有所降低,導(dǎo)致降水蒸散差顯著降低。尤其是暖溫帶的北京與茂縣森林生態(tài)系統(tǒng)的降水蒸散差分別僅有262 mm與307 mm,低降水與高占比的蒸散量使得該氣候區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分均低于20%。中溫帶長白山森林生態(tài)系統(tǒng)的降水較暖溫帶地區(qū)稍高,而高緯度低溫導(dǎo)致的低蒸散量使其降水蒸散差略高于暖溫帶地區(qū),相應(yīng)地土壤水分高于暖溫帶地區(qū)。

表2 氣候分區(qū)下森林生態(tài)系統(tǒng)平均降水蒸散差與土壤水分

圖2 研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分平均值、年降水、年蒸散量由北至南的空間分布Fig.2 The Spatial distribution of soil moisture,annual precipitation and annual ET from north to south of forest ecosystems in study area站點(diǎn)用生態(tài)站代碼表示

圖3 研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分平均值與降水蒸散差的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation between average soil moisture and P-ET in study area

2.2 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)

2.2.1年均值變化趨勢(shì)

我國不同氣候區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分在2005—2016年間的變化趨勢(shì)存在差異(圖4)?？傮w來說,我國北方地區(qū)的中溫帶長白山森林、暖溫帶北京森林,以及東部季風(fēng)區(qū)的中亞熱帶會(huì)同森林、南亞熱帶鼎湖山與鶴山森林土壤水分呈現(xiàn)上升趨勢(shì),北京、鼎湖山、鶴山森林土壤水分上升趨勢(shì)顯著；西南地區(qū)的暖溫帶茂縣、熱帶版納、中亞熱帶貢嘎山及哀牢山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分呈下降趨勢(shì),后兩者下降趨勢(shì)顯著。降水蒸散差可以較好地解釋土壤水分的變化趨勢(shì)(R=0.59,P<0.01),其中降水上升是導(dǎo)致土壤水分上升的主要原因,土壤水分下降趨勢(shì)則是由降水減少與蒸散上升共同導(dǎo)致。

北方中溫帶長白山森林降水與蒸散均呈上升趨勢(shì),但降水增幅大于蒸散增幅,降水蒸散差有所上升,土壤水分呈現(xiàn)0.43%/a的上升趨勢(shì)(圖4)。由圖4也可以看出北京是研究區(qū)中唯一蒸散呈下降趨勢(shì)的森林站點(diǎn),歸因于凈輻射在12年內(nèi)呈顯著下降趨勢(shì)(-1.97 W m-2a-1,P<0.05),同時(shí)降水有所上升,即降水蒸散差上升,使得北京森林土壤水分呈0.67%/a(P<0.01)的顯著上升趨勢(shì)。暖溫帶的茂縣森林降水與蒸散在2005—2016年間均呈上升趨勢(shì),但增幅更大的蒸散(10.97 mm/a,P<0.05)導(dǎo)致其土壤水分以-0.06%/a的趨勢(shì)微弱下降；凈輻射上升(0.79 W m-2a-1)是導(dǎo)致茂縣森林蒸散顯著上升的主要原因。

圖4 2005—2016研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)年降水、年蒸散、土壤水分年均值變化趨勢(shì)Fig.4 Annual trend of precipitation,ET and soil moisture of forest ecosystems in study area during 2005—2016 *表示顯著性水平為5%,**表示顯著性水平為1%

由圖4可以看出,中亞熱帶西部的貢嘎山與哀牢山森林土壤水分均顯著下降,降幅分別為-1.77%/a(P<0.01)、-0.94%/a(P<0.05)。貢嘎山降水下降(-0.79 mm/a)的同時(shí)蒸散基本保持穩(wěn)定(0.57 mm/a)；而哀牢山森林降水雖有略微上升(0.35 mm/a),但蒸散呈顯著上升趨勢(shì)(6.15 mm/a,P<0.05),其中凈輻射上升(0.96 W m-2a-1,P<0.05)對(duì)蒸散變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)最大；綜合來看,降水蒸散差分別以-1.36 mm/a與-5.80 mm/a的速率減少,導(dǎo)致該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分顯著降低。會(huì)同森林位于中亞熱帶中部,在2005—2016年間,降水與蒸散均有所增加,但降水增幅大于蒸散增幅,因此土壤水分呈現(xiàn)0.31%/a的不顯著上升趨勢(shì)。

如圖4所示,南亞熱帶的鼎湖山與鶴山森林土壤水分在12年間均存在顯著上升趨勢(shì),增幅分別為1.72%/a(P<0.001)與0.70%/a(P<0.05)。鼎湖山森林凈輻射增加(1.38 W m-2a-1)與鶴山森林相對(duì)濕度上升(0.73%/a)導(dǎo)致兩者蒸散呈現(xiàn)上升趨勢(shì),增幅分別為22.61 mm/a與4.80 mm/a,但增幅更大的降水(分別為56.07 mm/a與18.26 mm/a)導(dǎo)致兩者降水蒸散差分別以33.46 mm/a與13.46 mm/a的速率增加,進(jìn)一步導(dǎo)致土壤水分上升。

熱帶版納季節(jié)雨林降水降低(-14.38 mm/a)的同時(shí)蒸散上升(5.78 mm/a),相對(duì)濕度增加(0.48%/a)對(duì)蒸散變化的貢獻(xiàn)最大,使得該森林生態(tài)系統(tǒng)的降水蒸散差以-20.15 mm/a的速率降低,導(dǎo)致土壤水分以-0.22%/a的速率下降(圖4)。

2.2.2季節(jié)均值的變化趨勢(shì)

由表 3可以看出,在2005—2016年各季節(jié)中,降水蒸散差的增減可以較好地解釋土壤水分季節(jié)均值的變化趨勢(shì)；北部與東部森林區(qū)域土壤水分年均值呈上升趨勢(shì),各季節(jié)均值也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),其年際變化由秋、冬季主導(dǎo)。西南地區(qū)土壤水分年均值呈下降趨勢(shì),除茂縣森林冬季土壤水分略有上升外,其他三個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分在各季節(jié)均呈下降趨勢(shì),并且其春季土壤水分變化主導(dǎo)了年際變化。

北方的中溫帶長白山、暖溫帶北京森林以及中亞熱帶的會(huì)同森林土壤水分年際上升由秋季主導(dǎo),貢獻(xiàn)率分別為48.7%、67.8%與64.7%；長白山森林秋季降水上升,蒸散基本保持不變,土壤水分以0.73%/a的速率上升；北京森林秋季降水增加,蒸散顯著下降(-2.82 mm/a,P<0.01),土壤水分隨之上升(0.94%/a,P<0.01)；中亞熱帶會(huì)同森林秋季降水顯著增加(17.21 mm/a,P<0.01),以及增幅小于降水的蒸散共同導(dǎo)致了秋季土壤水分的顯著上升(0.68%/a,P<0.05)。東部季風(fēng)區(qū)南亞熱帶鼎湖山與鶴山森林土壤水分上升趨勢(shì)由冬季主導(dǎo),貢獻(xiàn)率分別為29.7%與35.9%；兩個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)冬季降水均顯著上升,速率分別為26.43 mm/a(P<0.05)、23.97 mm/a,(P<0.05),而蒸散僅略微增加,降水蒸散差增幅較其他三季更大,使得該三個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的冬季土壤水分增幅最大。

西南地區(qū)的中亞熱帶貢嘎山與哀牢山、熱帶版納森林春季土壤水分的下降主導(dǎo)了年際變化,貢獻(xiàn)率分別為37.3%、37.9%與63.4%。三者春季降水均呈下降趨勢(shì),其中貢嘎山森林春季降水下降趨勢(shì)顯著(-12.14 mm/a,P<0.01),而蒸散有所上升,其中哀牢山森林春季蒸散上升趨勢(shì)顯著(3.92 mm/a,P<0.01),使得春季降水蒸散差降幅最大,進(jìn)而導(dǎo)致春季土壤水分降幅亦最大,分別為-2.09%/a(P<0.01)、-1.42%/a(P<0.05)與-0.55%/a(P<0.05)。

表3 2005—2016研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)各季節(jié)降水、蒸散、P-ET變化趨勢(shì)

2.3 與中國森林區(qū)域土壤水分再分析資料的比較

本研究進(jìn)一步比較了CERN森林土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-interim土壤水分再分析資料時(shí)空分異的異同,結(jié)果顯示兩者在空間分異和變化趨勢(shì)上具有較高的一致性。ERA-interim土壤水分再分析資料顯示中國森林區(qū)域土壤水分整體呈現(xiàn)南北高、中部低的空間分異特征(圖5)。森林區(qū)域土壤水分高值主要分布在東北部寒溫帶與中溫帶地區(qū)、東南沿海的南亞熱帶地區(qū)以及西南部中亞熱帶地區(qū),土壤水分低值主要分布在中國北部的大部分暖溫帶氣候區(qū)。根據(jù)本研究的氣候分區(qū)情況,平均土壤水分由高到低依次為：熱帶(31.84%)>中亞熱帶(30.24%)> 中溫帶(28.66%) >南亞熱帶(28.65%)>暖溫帶(19.64%),除熱帶地區(qū)比CERN略有高估外,與本研究基于CERN森林生態(tài)站土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)所估算的空間格局基本一致。

圖5 ERA-interim再分析資料中國森林區(qū)域與CERN森林生態(tài)站2005—2016年平均土壤水分(%) 、年均值變化趨勢(shì)及其顯著性水平Fig.5 Mean soil moisture (%),Interannual trend (%/a) and significance of mean soil moisture from 2005 to 2016 in China′s forest regions from ERA-interim and CERN forest ecosystem stationsP<0部分表示變化趨勢(shì)為負(fù)區(qū)域,絕對(duì)值為顯著性

ERA-interim中國森林區(qū)域土壤水分年均值在2005—2016年間的變化趨勢(shì)如圖5所示,森林區(qū)域土壤水分年際變化的總體趨勢(shì)與本研究基于CERN森林生態(tài)站所得結(jié)果基本一致,但上升、下降的程度有所不同,整體呈現(xiàn)出由東南至西北的濕潤—干燥—濕潤趨勢(shì)帶狀分布。位于我國東南的大部分亞熱帶熱帶地區(qū),森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),平均增幅為0.16%/a,其中華南地區(qū)土壤水分顯著上升(平均增幅0.20%/a,P<0.05),對(duì)應(yīng)在此區(qū)域的CERN森林站點(diǎn)土壤水分平均增幅0.91%/a(P<0.05)；會(huì)同森林土壤水分亦有所上升,但統(tǒng)計(jì)上不顯著,與再分析資料結(jié)果一致。西南地區(qū)的森林土壤水分則是以下降趨勢(shì)為主,降幅平均為-0.09%/a,與CERN相比,西南地區(qū)的版納、哀牢山、貢嘎山和茂縣森林土壤水分均呈下降趨勢(shì)(平均降幅0.74%/a),但顯著程度與再分析資料有所差異。而華北北部地區(qū)以及東北大部分地區(qū),土壤水分呈上升趨勢(shì),平均增幅為0.21%/a,對(duì)應(yīng)CERN的北京、長白山森林土壤水分亦呈上升趨勢(shì)。

3 討論

3.1 中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分空間分異及影響因素

現(xiàn)階段基于觀測(cè)資料的中國森林區(qū)域土壤水分的探究較為有限,研究多基于某一特定的森林生態(tài)系統(tǒng)或某一流域的森林區(qū)域[27]。賀淑霞等(2011)基于四個(gè)中國東部典型森林生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站(長白山站、北京站、會(huì)同站、鼎湖山站)2005—2007年5—10月的觀測(cè)數(shù)據(jù),估算了各站點(diǎn)0—60 cm的平均土壤水分分別為33.7%、10.8%、38.2%、22.8%,與本研究結(jié)果基本一致；然而該研究還表示中國東部森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水源涵養(yǎng)量(主要為土壤水分)無明顯空間分布規(guī)律[28],在本研究進(jìn)一步擴(kuò)充了森林生態(tài)站的數(shù)量后,可以看出森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤水分受水熱梯度的影響,隨著降水蒸散差的增減而增減。

降水蒸散差代表著地表和大氣之間水分的凈通量,可近似視為森林生態(tài)系統(tǒng)的可利用水資源量,調(diào)控土壤水分的大小,結(jié)合降水與蒸散來探究土壤水分的時(shí)空分異比單一地使用降水或蒸散更為合理全面[15,29-30],因此本研究主要探究了降水蒸散差與土壤水分的關(guān)系,結(jié)果顯示降水蒸散差對(duì)土壤水分空間分異的解釋率最高(R=0.79,P<0.05)。一些基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI=P-PET)的研究結(jié)果表示,我國SPEI呈現(xiàn)出東北部、南部高,北部與西北部低的空間格局[31-32],與本研究中基于CERN觀測(cè)數(shù)據(jù)以及ERA-interim再分析資料得到的土壤水分空間格局一致。

其他環(huán)境因素在一定程度上也會(huì)影響土壤水分的空間分異[33]。例如,中溫帶的長白山森林生態(tài)系統(tǒng)完全持水量與田間持水量分別高達(dá)57.72%與46.40%(表1),說明土壤發(fā)育情況較好,有利于土壤對(duì)水分的持存[34]。西雙版納熱帶森林受到了季節(jié)干旱的影響,一定程度上限制了土壤的持水能力[17],但在研究區(qū)中該森林生態(tài)系統(tǒng)的LAI與NDVI最高(表1),旺盛的植被有利于減少地表徑流,改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤的持水能力,使其具有較高的土壤水分[27]。

3.2土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)及影響因素

本研究基于CERN觀測(cè)數(shù)據(jù)以及ERA-interim再分析資料的結(jié)果顯示2005—2016年間我國森林區(qū)域土壤水分在北部與東部地區(qū)呈上升趨勢(shì),西南區(qū)域呈下降趨勢(shì)。一些基于農(nóng)田站土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)以及遙感與再分析資料的研究均在相近時(shí)段內(nèi)得到了相似的結(jié)論[19,35-36]。本研究還表明降水蒸散差不僅能夠解釋土壤水分的空間分異,同時(shí)也能很好地解釋時(shí)間動(dòng)態(tài)。在全球氣候變化背景下,本世紀(jì)以來我國森林區(qū)域降水與蒸散總體均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),但也存在一定的區(qū)域異質(zhì)性[6]。大量研究表示,我國近幾十年SPEI變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)出在東部地區(qū)上升,西南地區(qū)下降的空間分布[17,31-32]。Cheng等表示我國東南地區(qū)土壤水分主要受降水的影響,同時(shí)有研究表示我國東南區(qū)域近幾十年降水呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),因而該區(qū)域土壤水分有所上升[37-38]。除此之外,我國進(jìn)行大面積植樹造林工程以來,華北與東南地區(qū)的森林覆蓋與LAI均顯著上升,進(jìn)一步促進(jìn)了降水的增加,抵消了蒸散增加對(duì)土壤水分的負(fù)向反饋,進(jìn)一步導(dǎo)致相應(yīng)地區(qū)土壤水分顯著上升[39]。2010年西南地區(qū)特大干旱對(duì)該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分具有深遠(yuǎn)的影響,研究表明我國近二十年間,西南區(qū)域土壤水分以降低趨勢(shì)為主[36,40]。同時(shí)有研究顯示在近幾十年中國西南地區(qū)的降水受夏季西南季風(fēng)減弱的抑制,而森林覆蓋顯著增加使得蒸散大幅增加,進(jìn)一步加劇了西南地區(qū)的干旱情況[19,38-39]。

我國北方森林秋季土壤水分主導(dǎo)了該地區(qū)的年際上升趨勢(shì),華南地區(qū)土壤水分上升主要由冬季主導(dǎo),降水對(duì)土壤水分的上升貢獻(xiàn)最大。已有研究顯示我國北部地區(qū)秋季降水顯著上升、東南地區(qū)冬季降水顯著上升,土壤水分變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出相似的季節(jié)特征[36,38,41]。同時(shí)由表 3可以看出,我國東南森林區(qū)域夏季降水有所下降,但土壤水分仍呈上升趨勢(shì),東南亞季風(fēng)帶來了豐富的降水使得該區(qū)域水資源過剩,單個(gè)季節(jié)可利用水資源量的減少并不致土壤水分下降[39]。而位于我國西南地區(qū)森林土壤水分下降則由春季主導(dǎo),降水減小與蒸散上升共同導(dǎo)致了該變化趨勢(shì),已有研究證實(shí)我國西南地區(qū)的降水、SPEI與土壤水分均在旱季降幅更大[31,42]。

區(qū)域的水文平衡受到降水、蒸散、徑流和土壤水分的共同控制,受到徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制,本研究主要探討了降水、蒸散和土壤水分之間的關(guān)系。雖然徑流也受到降水蒸散差的控制,但不影響土壤水分時(shí)空分異的分析[29]。同時(shí),由以上討論可以看出植被動(dòng)態(tài)是通過影響氣候條件(主要是降水與蒸散)從而作用于土壤水分[43]。土壤-植被-大氣(Soil-Plant-Atmosphere-Continuum,SPAC)作為有機(jī)的整體共同作用于氣候系統(tǒng),其中土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)提供水源涵養(yǎng)服務(wù)的主要場所使得土壤水分至關(guān)重要[44]。因此,基于SPAC系統(tǒng)對(duì)土壤水分進(jìn)行進(jìn)一步探究,對(duì)研究區(qū)域碳水循環(huán)、氣象反饋在中國的時(shí)空分異以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有重要意義。

4 結(jié)論

本研究基于9個(gè)來自CERN森林生態(tài)站2005—2016年土壤水分的觀測(cè)數(shù)據(jù),探究了中國典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分時(shí)空分布特征及其影響因素,結(jié)果表明：

(1)研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤水分在2005—2016年的平均值介于12.45%—36.30%之間,空間上呈現(xiàn)中溫帶、亞熱帶、熱帶土壤水分較高,在暖溫帶土壤水分較低的分布特征；降水蒸散差與土壤水分空間分異相關(guān)性最高。

(2) 我國北部與東部地區(qū)森林土壤水分呈現(xiàn)上升趨勢(shì),降水上升是主因；西南地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分呈下降趨勢(shì),降水下降與蒸散上升共同導(dǎo)致土壤水分的下降；

(3)土壤水分呈下降趨勢(shì)的森林生態(tài)系統(tǒng)中,春季土壤水分變化主導(dǎo)了年際變化,土壤水分上升的森林生態(tài)系統(tǒng)中,年際變化則是由秋、冬季主導(dǎo)。