德国东北部低地地区山毛榉、松树和混交林在干湿年转换下蒸散发通量的变异性及其对地下水补给的影响

本研究针对气候变化背景下森林蒸散发(ET)响应机制不清的问题，通过整合德国东北部Britz站点大型森林蒸渗仪观测数据与EcH2O生态水文模型，揭示了山毛榉(Fagus sylvatica)、欧洲赤松(Pinus sylvestris)和混交林在干湿年转换过程中的ET动态差异。研究发现降水(P)是ET异常的主要驱动因素，而前期降水(Ppre)的遗留效应显著缓解了干旱年(如2018年)的ET下降，特别是松林和混交林受益更明显。研究为通过树种选择优化水资源管理提供了科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，森林生态系统的水文过程正面临前所未有的挑战。蒸散发(ET)作为连接水循环与能量交换的关键环节，其微小变化都可能对区域水资源产生深远影响。然而，不同树种对干湿年转换的响应机制仍不明确，特别是在德国东北部这类降水(P)低于全国平均水平的地区，这一问题显得尤为紧迫。更棘手的是，现有的涡度相关法等技术难以区分树种特异性蒸腾(T)，而森林蒸渗仪这类能够精确测量水分通量的设施在全球范围内仅占1%，使得相关研究数据严重匮乏。

为破解这一难题，德国莱布尼茨淡水生态与内陆渔业研究所(IGB)生态水文与生物地球化学系的研究人员Yeye Liu、Marco Natkhin和Doris Duethmann开展了一项开创性研究。他们利用Britz站点独特的山毛榉、松树和混交林大型蒸渗仪(100 m²×5 m)2012-2021年的观测数据，结合EcH₂O生态水文模型，首次实现了对不同林分水分平衡组分的多变量校准。这项发表在《Agricultural and Forest Meteorology》上的研究，不仅揭示了树种特异性ET响应机制，还为可持续森林管理提供了科学依据。

研究团队采用了多项关键技术：通过Morris敏感性分析筛选关键参数；利用拉丁超立方抽样生成50,000组参数进行蒙特卡洛模拟；采用加权RMSE方法对土壤水分(SMC)、渗漏量和截留(EI)进行多准则校准；设计因子分离实验量化气候变量对ET的贡献；运用标准化降水指数(SPI)识别干湿年。这些方法确保了模型在极端气候条件下的可靠性。

研究结果呈现出四个重要发现：

1. 模型验证显示EcH₂O能较好模拟不同林分的生态水文过程，对山毛榉林三层土壤水分的RMSE分别为0.02-0.03 m³ m^-3，渗漏量和EI的月尺度RMSE分别为4.3-12.2 mm和7.9-11.9 mm。

2. 观测数据显示松林年ET最高(653±99 mm)，混交林次之(638±69 mm)，山毛榉林最低(604±69 mm)。模型揭示这种差异主要源于冬季松林和混交林较高的截留损失(EI)，其EI/ET达34-37%，而山毛榉仅20%。

3. ET组分分配显示山毛榉林的蒸腾占比(T/ET)最高(70%)，显著高于松林(59%)和混交林(56%)，表明其水分利用更高效。

4. 干湿年分析发现2018年干旱期间ET降幅(-6至9 mm)远小于2016年(-60至-80 mm)，这归因于2017年丰水期的降水遗留效应，使松林和混交林的T出现47-82 mm正异常。

讨论部分强调了三个关键科学价值：首先，研究证实即使在砂质土壤等低持水能力环境中，降水遗留效应仍能显著缓解干旱冲击，这一发现修正了传统认知。其次，通过量化树种特异性ET组分，证实山毛榉林更高的渗漏量(60±50 mm vs 松林6±7 mm)使其成为增强地下水补给的理想选择。最后，研究建立的模型校准框架为生态水文模型在植被变化研究中的应用提供了范本。

这项研究的重要启示在于，在气候变化加剧干旱的背景下，将针叶林转向山毛榉等阔叶树种，不仅能降低10%以上的ET损失，还能增加深层渗漏，这对水资源短缺地区的可持续管理具有战略意义。研究团队建议未来应扩大此类数据稀缺站点的观测网络，为模型开发提供更多验证机会，从而更准确预测气候变化下的森林-水相互作用。