通过补充土壤水分来促进中国西北六盘山地区落叶松山坡上的树木蒸腾作用

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Promotion of tree transpiration by soil moisture replenishment along a larch hillslope in the Liupan Mountains, Northwest China

干旱半干旱地区人工林坡位差异下土壤水分补充对林分蒸腾的影响研究表明，年降水模式不同导致坡位间蒸腾差异显著，正常年 upslope（0.66 mm·day?1）> midslope（0.57 mm·day?1）> downslope（0.41 mm·day?1），而夏旱年 midslope（0.53 mm·day?1）> upslope（0.44 mm·day?1）> downslope（0.35 mm·day?1）。土壤水分补充量增加显著提升林分蒸腾，尤以中坡位敏感，侧向补给贡献率达11.3%。

　　本研究聚焦于干旱和半干旱地区土壤水分补给对林木蒸腾作用的影响，特别关注不同坡位间横向补给的作用。研究团队由来自中国林业科学院的多位学者组成，他们通过在西北地区六盘山的落叶松坡地进行长期观测，分析了不同年份降水模式下，土壤水分补给和横向补给对林分蒸腾的差异化影响。研究结果显示，土壤水分补给对林分蒸腾具有显著促进作用，尤其是在中坡位表现最为明显。同时，横向补给在维持土壤水分分布和促进林木蒸腾方面发挥了不可或缺的作用，其中中坡位的横向补给贡献达到11.3%。这些发现为干旱地区植被恢复的选址提供了科学依据，强调了在水资源有限的环境中，合理利用土壤水分补给机制的重要性。

研究背景指出，干旱和半干旱地区普遍面临严重的生态问题，如植被退化、土壤侵蚀和沙漠化等。为改善这些地区的脆弱生态环境，中国政府实施了一系列大规模的植被恢复计划，如“退耕还林”项目，这些措施在一定程度上提高了植被覆盖率，减少了土壤侵蚀，并缓解了气候变化带来的影响。然而，植被恢复过程中也暴露出一些新问题，尤其是在长期降水不足的情况下，人工植被对水分的需求与自然降水之间的矛盾日益突出。特别是在全球变暖、极端天气频发和干旱加剧的背景下，这种矛盾变得更加严峻。因此，探索水消耗与水供应之间的关系成为研究的重点。

树木蒸腾作用是森林生态系统中水分消耗的重要组成部分，它在维持森林水分平衡中发挥着关键作用，通常占陆地生态系统蒸散发的40%以上。树木蒸腾受到多种环境因素的综合影响，尤其是气象条件和土壤状况。作为一个反映大气水分需求的综合气象指标，树木蒸腾主要受到潜在蒸散发（PET）的影响。然而，在水资源匮乏的地区，土壤水分对树木蒸腾的影响更为显著，这进一步影响了植被的生产力，并对树木在严重干旱条件下的生存构成威胁。因此，明确土壤水分动态对树木蒸腾的具体影响，对于理解树木的生长和生存机制，以及在全球变暖背景下整合森林与水资源管理具有重要意义。

土壤水分是植物生长的直接水源，同时也是树木蒸腾的主要供水来源。在高土壤水分条件下，植被生长更为旺盛，表现为胸径更大、树高更高以及叶面积指数（LAI）值更高。相反，持续的土壤水分减少会导致树木水分消耗显著下降。以往的研究多采用土壤含水量（SWC）或可提取土壤水分（REW）等指标来表示土壤水分状况。然而，这些指标虽然能够反映土壤水分的变化趋势，但无法全面体现土壤水分的补给和消耗过程，尤其是在高补给与高消耗并存的情况下，其数值可能偏低，从而掩盖了实际的水分动态。因此，本研究引入了土壤水分补给的概念，以更准确地描述土壤水分的变化过程。

在半干旱山区，横向补给作为土壤水分补给的重要组成部分，对不同坡位间的土壤水分空间分布起着决定性作用。已有研究表明，重力作用促使水分向坡地低处流动，导致下坡位的土壤水分补给相对较高，从而提高了林分蒸腾的速率。然而，这一规律并不适用于所有地区，尤其是在水资源匮乏、地形复杂且空间异质性显著的半干旱山区。研究表明，横向补给在维持不同坡位间土壤水分平衡方面至关重要，特别是在上坡和下坡位置之间形成了显著的水分差异。因此，不同坡位间土壤水分补给的差异必然会影响林分蒸腾的动态变化。然而，横向补给对林分蒸腾的具体贡献却鲜有量化研究。

本研究选择了一个主要人工造林树种——落叶松（*Larix principis-rup-prechtti*）覆盖的坡地作为研究对象，该坡地位于中国西北地区的六盘山半干旱山区。研究团队在2021年至2023年的生长季节（5月至10月）期间，同步监测了气象数据、土壤水分含量以及树干液流密度等关键指标。通过这些数据，研究团队旨在回答以下三个问题：（1）不同坡位间的林分蒸腾是否存在显著差异；（2）土壤水分补给如何影响林分蒸腾，是否存在坡位差异；（3）横向补给对林分蒸腾的贡献程度如何，是否存在坡位差异。研究假设下坡位的林分蒸腾率最高，因为重力作用促进了下坡位的土壤水分补给，从而有利于树木的生长和蒸腾。同时，研究还假设随着土壤水分补给的增加，林分蒸腾也会相应提升，且这种趋势在下坡位表现得更为明显，因为生长条件较好的树木对环境变化更为敏感。最后，研究假设横向补给对林分蒸腾有一定的贡献，但在降水不足的半干旱地区，其影响可能不显著。

研究结果显示，不同年份的降水模式显著影响了坡位间的林分蒸腾差异。在正常年份，林分蒸腾率按坡位排序为上坡位（0.66 mm·day?1）> 中坡位（0.57 mm·day?1）> 下坡位（0.41 mm·day?1）。而在夏季干旱年份，这种排序发生了变化，中坡位的林分蒸腾率（0.53 mm·day?1）最高，其次是上坡位（0.44 mm·day?1）和下坡位（0.35 mm·day?1）。值得注意的是，在相对湿润的年份，坡位间的林分蒸腾差异有所减小。这一现象表明，降水模式的波动对林分蒸腾的分布具有重要影响，特别是在干旱和湿润交替的年份中，不同坡位的水分状况可能呈现出不同的变化趋势。

土壤水分补给对林分蒸腾的影响在研究中得到了明确体现。结果表明，随着土壤水分补给水平的提高，林分蒸腾率也随之增加，尤其是在中坡位，这种促进作用最为显著。这表明，土壤水分补给在维持林分蒸腾过程中起着关键作用，尤其是在水分供应不足的条件下，土壤水分的补充对树木的生长和水分利用具有重要的支撑作用。此外，横向补给在林分蒸腾中的贡献也得到了量化分析，结果显示其对中坡位林分蒸腾的贡献达到11.3%。这一数据表明，横向补给在土壤水分空间分布中具有不可忽视的作用，尤其是在坡位间水分差异较大的情况下，横向补给能够有效缓解水分不足的问题，从而促进树木的蒸腾作用。

研究的发现具有重要的生态和管理意义。首先，土壤水分补给对林分蒸腾的促进作用表明，在水资源有限的环境中，合理的土壤水分管理能够有效提高植被的水分利用效率，从而增强森林生态系统的稳定性。其次，横向补给在不同坡位间的贡献差异提示，应重视地形对水分分布的影响，特别是在植被恢复过程中，需要充分考虑不同坡位的水分供应能力，以优化植被布局。此外，研究结果还表明，尽管横向补给在半干旱地区可能不如预期那样显著，但其在维持土壤水分平衡和促进树木蒸腾方面仍具有重要作用，尤其是在中坡位。因此，在植被恢复和森林管理实践中，应将横向补给纳入水资源管理的考量范围，以实现更高效的水资源利用。

本研究还对研究区域的地理环境进行了详细描述。研究区域位于六盘山北麓的 Diediegou 流域，该流域位于黄土高原的西缘，地理位置为东经106°5′至106°10′，北纬35°55′至35°58′。该流域的总面积约为25.4平方公里，海拔范围从1976米到2588米。流域内的地形以山地为主，坡度普遍较高，约为30°，这种地形特征使得水分流动和分布具有显著的空间异质性。研究区域属于温带大陆性气候，降水分布不均，夏季降水较少，冬季则相对较多。这种气候条件进一步加剧了研究区域的水资源短缺问题，使得土壤水分补给和横向补给对植被生长和水分利用的重要性更加突出。

研究期间的气象特征和土壤水分状况也得到了详细分析。在2021、2022和2023年的生长季节，研究区域的降水被归类为正常年份，分别达到446.0毫米、438.7毫米和493.7毫米。然而，2021年的夏季（6月至8月）出现了严重的干旱，该期间的降水量仅为105.0毫米，比2022年和2023年同期分别减少了67.5%和58.5%。这种降水模式的显著差异导致了不同年份土壤水分状况的变化，从而影响了林分蒸腾的动态变化。研究团队通过监测土壤水分补给和横向补给的实时变化，发现土壤水分的波动与降水变化密切相关，REW（相对可提取土壤水分）在不同年份间呈现同步波动，其范围在0.17至0.97之间。这一结果进一步说明了土壤水分状况对林分蒸腾的直接影响，同时也揭示了降水模式对林分蒸腾动态的调控作用。

在研究中，团队对不同坡位间的林分蒸腾进行了深入分析。结果显示，不同坡位的林分蒸腾率存在显著差异，这种差异不仅与降水模式有关，还受到土壤水分补给和横向补给的共同影响。在正常年份，上坡位的林分蒸腾率最高，这可能与该坡位的土壤水分状况较好有关。然而，在夏季干旱年份，中坡位的林分蒸腾率显著提升，这表明中坡位的土壤水分补给可能在干旱条件下发挥了更大的作用。这种现象可能与地形对水分流动的引导作用有关，即在干旱条件下，中坡位的土壤水分补给能力可能相对较强，从而支持了更高的林分蒸腾率。此外，研究还发现，在相对湿润的年份，坡位间的林分蒸腾差异有所减小，这表明土壤水分的充足供应能够有效缓解坡位间的水分差异，从而促进林分蒸腾的均匀分布。

研究结果进一步表明，土壤水分补给对林分蒸腾的影响具有显著的坡位差异。在正常年份，中坡位的林分蒸腾率高于其他坡位，而在夏季干旱年份，中坡位的贡献则更加突出。这种现象可能与中坡位在水分补给和消耗之间的平衡有关，尤其是在干旱条件下，中坡位的土壤水分补给可能能够更有效地维持林分蒸腾的稳定。此外，研究还发现，随着土壤水分补给水平的提高，林分蒸腾率呈现出显著上升的趋势，这种趋势在中坡位表现得最为明显。这一结果表明，土壤水分补给对林分蒸腾的促进作用具有一定的坡位依赖性，因此在植被恢复和森林管理中，应根据不同坡位的水分供应能力，采取相应的管理措施，以优化水资源的利用效率。

横向补给对林分蒸腾的贡献在研究中得到了量化分析。结果表明，横向补给在中坡位的林分蒸腾中发挥了重要作用，其贡献率达到11.3%。这一数据表明，横向补给在维持土壤水分分布和促进树木蒸腾方面具有不可忽视的作用。特别是在水分供应不足的半干旱地区，横向补给能够有效缓解上坡位和下坡位之间的水分差异，从而提高整个林分的水分利用效率。此外，研究还发现，横向补给的贡献在不同年份间可能存在一定的波动，这可能与降水模式和土壤水分补给的动态变化有关。因此，在植被恢复和森林管理中，应充分考虑横向补给的作用，以实现更合理的水资源配置和更高效的植被恢复。

本研究的发现对于干旱和半干旱地区的植被恢复和森林管理具有重要的指导意义。首先，土壤水分补给对林分蒸腾的促进作用表明，在水资源有限的环境中，应优先考虑土壤水分的补给能力，以提高植被的水分利用效率。其次，横向补给在不同坡位间的贡献差异提示，应根据地形特征和水分供应能力，优化植被布局，以提高整体生态系统的稳定性。此外，研究结果还表明，尽管横向补给在某些条件下可能不如预期那样显著，但在维持土壤水分平衡和促进树木蒸腾方面仍具有重要作用，因此应将其纳入水资源管理的考量范围。最后，研究结果为植被恢复的选址提供了科学依据，特别是在水资源匮乏的地区，应优先选择土壤水分补给能力较强的坡位，以提高植被的存活率和生长效率。

研究团队在本研究中采用了多种方法，包括长期的现场观测、数据同步采集以及对土壤水分补给和横向补给的定量分析。这些方法确保了研究结果的准确性和可靠性。此外，研究团队还对不同坡位的林分蒸腾率进行了系统比较，分析了降水模式、土壤水分补给和横向补给对林分蒸腾的综合影响。通过这些分析，研究团队不仅揭示了土壤水分补给对林分蒸腾的关键作用，还量化了横向补给的贡献，为未来相关研究提供了新的视角和方法。

综上所述，本研究通过长期的现场观测和数据分析，揭示了土壤水分补给和横向补给对林分蒸腾的重要影响。研究结果表明，不同坡位间的林分蒸腾率存在显著差异，这种差异受到降水模式、土壤水分补给和横向补给的共同调控。此外，土壤水分补给对林分蒸腾的促进作用在中坡位表现最为明显，而横向补给在维持土壤水分平衡和促进树木蒸腾方面也发挥了不可或缺的作用。这些发现不仅有助于理解干旱和半干旱地区植被生长的机制，还为植被恢复和森林水资源管理提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同植被类型对土壤水分补给和横向补给的响应机制，以及在气候变化背景下，如何优化水资源管理策略，以提高植被恢复的成功率和生态效益。