人工林遗留效应对毯状沼泽水文过程的显著影响：基于GMD-TOPMODEL的小流域模拟与机制解析

《Journal of Hydro-environment Research》：The influence of plantation forest legacy on blanket bog hydrology

本研究针对人工林采伐遗留效应对毯状沼泽水文过程的影响这一关键科学问题，通过构建广义多步动态TOPMODEL模型，结合高分辨率LiDAR数据与水文气象观测网络，定量评估了爱尔兰西部小流域（21 ha）在不同时间尺度上的径流响应。结果表明，人工林遗留导致年径流量增加106%，其中冬季增幅最高达237%，显著提升了洪水风险。研究成果为退化泥炭地生态水文恢复与流域洪水风险管理提供了重要科学依据。

　　

在气候变化加剧的当下，泥炭地作为全球重要的碳汇和生态屏障，其水文调节功能日益受到关注。毯状沼泽（Blanket Bog）作为一类特殊的雨养型泥炭地，广泛分布于英国和爱尔兰地区，约占全球资源的20%。这些生态系统不仅承载着独特的生物多样性，更通过其强大的蓄水能力，在暴雨时吸纳洪水、在旱季缓慢释放水源，被誉为"天然海绵"。然而，过去数十年为发展林业经济，大量毯状沼泽被改造为人工林场，尽管部分林地后期被采伐，但其遗留的排水沟渠、压实泥炭等地貌改变，持续影响着区域水文循环。这种"人工林遗留效应"（Legacy of Plantation Forestry）如何改变小流域的产流机制？其季节性影响规律如何？这些问题成为当前生态水文学研究的关键空白。

为解答这些疑问，由贝尔法斯特女王大学Muhammad Jehanzaib领衔的研究团队，在爱尔兰斯拉igo郡的Letterunshin研究区展开深入探索。该区域包含1.93 km²完整沼泽和0.21 km²人工林遗留地（1990年代种植，2023年采伐），为对比研究提供了理想场所。研究人员通过构建高密度水文监测网络，采集15分钟至1小时高分辨率数据，并创新性地应用广义多步动态TOPMODEL模型（Generalized Multistep Dynamic TOPMODEL），首次量化了人工林遗留效应对小流域水文过程的精准影响。相关成果发表于《Journal of Hydro-environment Research》，为退化泥炭地修复提供了关键科学支撑。

关键技术方法包括：① 构建包含气象站、雨量计、水位计等设备的水文监测网络，获取2013-2024年高分辨率（15分钟）水文气象数据；② 采用机载激光雷达（LiDAR）技术生成1米分辨率数字高程模型（DEM），精确计算地形指数（Topographic Index）；③ 基于GLUE框架（Generalized Likelihood Uncertainty Estimation）率定GMD-TOPMODEL的6个关键参数，通过纳什效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency, NSE）和Kling-Gupta效率系数（KGE）等指标验证模型精度；④ 运用校准后的模型模拟完整与退化流域的径流过程，通过对比观测与模拟数据量化遗留效应。

3.1 模型校准与验证

基于地形指数分布特征（图3），模型在完整流域率定期（2024年2月-8月）表现优异，NSE达0.88，KGE达0.92（图4a，表3）。验证期（2024年9月-11月）虽略微低估10月、11月的洪峰，但整体模拟精度仍保持较高水平（NSE=0.82，KGE=0.88）。累积径流对比显示，率定期误差仅0.04%，验证期误差为-4.97%（图6），证明模型能可靠模拟毯状沼泽水文过程。

3.2 人工林遗留效应对径流的影响

将校准模型应用于退化流域后发现，观测径流显著高于模拟值（图7a），年均增幅达106%。累积径流分析显示，退化流域产流量比完整条件高56%（图7b）。月尺度上，2月增幅最大（275%），9月最小（16%），这与地下水埋深和蒸散发（Evapotranspiration, ET）的季节变化密切相关（图9a）。季节性分析表明，冬季增幅最显著（237%），夏季最低（24%），这与降雨分配、ET强度和地下水补给需求直接相关（图9b）。特别值得注意的是，退化流域的洪峰流量显著高于完整条件，表明其洪水调蓄能力严重受损。

4. 讨论

本研究首次揭示人工林遗留效应可使小流域年径流翻倍，特别是冬季洪水风险激增。这一现象主要归因于：树冠截留损失消失导致更多降水直接转化为径流；排水沟渠增强水文连通性；泥炭压实降低蓄水能力。与早期关于造林减少径流的研究形成鲜明对比，本成果凸显了采伐后生态系统的持续水文扰动。尽管TOPMODEL在动态降雨事件中可能高估径流，但通过高分辨率地形数据和多目标校准，有效提升了模型在泥炭地的适用性。

5. 结论

该研究通过创新性的水文建模与多尺度分析，证实人工林遗留效应会显著改变毯状沼泽的水文功能，导致径流总量增加、洪峰增高，特别是冬季洪水风险加剧。研究成果不仅填补了小流域人工林遗留效应定量评估的空白，更为流域综合管理、洪水风险防控提供了关键科学依据。未来需进一步关注此类退化生态系统的水质演变规律，以及不同修复措施的水文响应机制，为全球泥炭地保护提供更全面的技术支撑。