《Forest Ecology and Management》：Ecohydrological mechanisms of river runoff destabilization following the conversion from long-rotation to short-rotation Eucalyptus plantations
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全球短轮伐桉树人工林取代原生混交林显著改变地表蒸发与深层土壤水分格局，导致径流时空分布不均。本研究通过5.5年连续监测发现，桉树林地表蒸发较原生林高62.7%，深层土壤水分减少削弱地下水库功能，虽总径流量未变但季节性波动加剧，呈现"低冠层截留-高地表蒸发-低深层入渗"模式。
李丽莎|苏晓琳|杨盖伦|邓宇松|谢志峰|黄宇涵|陈贵金|于静瑞|杨明霞
广西大学林业学院，中国南宁市大学路100号，530004
摘要
全球范围内，由于轮作周期的缩短，向更年轻、结构更简单的种植园发展的趋势日益明显。用短轮作的桉树林替代长期轮作的本地纯林和针叶-阔叶混交林，可能会通过集约化管理方式显著干扰区域水循环。为了解决传统方法在区分土壤蒸发和植物蒸腾对蒸散作用的贡献方面的局限性（这限制了对这些水文扰动机制的准确理解），本研究实现了对土壤蒸发与总森林蒸散的精确测量和有效分离。基于在中国广西的桉树林（EU）和本地混交林（MF）进行的5.5年连续野外监测，我们系统研究了关键水文过程（如蒸散和树冠截留）与森林转换后径流之间的关系和权衡。结果显示，与MF相比，EU的树冠降雨截留量减少了29.5%，而土壤蒸发量增加了62.7%。尽管在短轮作期间总径流量没有显著变化，但其年际和季节分布变得更加不平衡，零流量月份的数量增加了2.5倍。EU的年轻特性和简化结构增强了表土蒸发，减少了深层水分渗透，导致表层土壤出现“过度干旱”现象，从而削弱了森林作为地下水库的功能，并影响了径流的稳定性。通过采用不焚烧、带状间隔除草、延长轮作周期以及在流域内分布不同年龄的林分等管理策略，可以有效缓解这些问题。
引言
大规模的全球植树造林虽然减轻了土壤侵蚀，但同时也加剧了水资源压力（Farley等人，2005年；Liu等人，2022年；Wang等人，2021年），这种矛盾在短轮作种植园中尤为明显。在全球变暖的背景下，热带和亚热带地区快速生长种植园的持续扩张可能会加剧这种水资源利用冲突（Feng等人，2016年；Huang等人，2017年；Kay，2020年）。桉树是全球种植最广泛的阔叶树种，目前全球种植面积约为2500万公顷（Colmanetti等人，2022年）。中国占其中的21.9%（Li等人，2023年），其中约80%的种植地原本种植的是Pinus massoniana和Cunninghamia lanceolata纯林或针叶-阔叶混交林（MFs）——这些林分的轮作周期均超过18年。桉树主要原产于澳大利亚（Paine等人，2011年），在大多数栽培地区属于外来物种，其短轮作集约化管理显著改变了区域水循环。在其原产地澳大利亚，桉树林的蒸散量可达到降水量的102-108%，深层根系吸水导致地下水持续下降（Evan等人，2018年）。短轮作桉树林通过改变蒸散和渗透过程显著改变了区域水循环（Zhu等人，2022年），引发了关于其“抽水效应”的持续讨论。
在短轮作周期内，2至6年生桉树林的树冠降雨截留率在5%到32%之间（Mululo Sato等人，2011年；Ren等人，2017年；Younger等人，2023年），6年后逐渐下降，显示出初期增加后随林分年龄增长而减少的趋势。这一模式与叶面积指数（LAI）动态密切相关：年轻林分（<2年）的LAI<2.0（Xie等人，2022年），5岁时达到≥3.5，到10岁时降至2.6。因此，LAI是决定降雨截留量的关键因素。降雨特征（量、强度、持续时间）也显著影响截留率，高LAI值通常出现在低强度、小降水量事件中（Bonneur 2019年；Jiang 2019年）。针叶树通常具有更大的LAI，导致更高的截留率，例如，Pinus radiata年轻林分的截留率在27%到50%之间（Benyon和Doody，2015年）。因此，树冠降雨截留是研究森林替代对水分再分配影响的重要组成部分。
土壤蒸发是种植园中重要的水分通量，特别是在年轻和中年林分中占总水分损失的很大比例（Younger等人，2023年），但在观测中经常被忽视。当前的方法，包括基于土壤湿度的估算（Schellekens等人，2000年）或采用文献中的数值（Benyon和Doody，2015年；Maier等人，2017年），引入了相当大的误差。例如，White等人（2002年）根据公式估计12年生桉树林的年土壤蒸发量仅占降水量的9%，而Benyon和Doody（2015年）通过实地测量得出50%的估计值。非称重式蒸渗仪可以实现自动连续监测（Benyon和Doody，2015年；Younger等人，2023年），但成本较高且存在隔离误差；称重式蒸渗仪成本相对较低且精度较高（Liu等人，2017年；Yang等人，2022年），但需要手动更换土壤柱并缺乏自动化。森林微气候和凋落物层显著影响土壤蒸发测量（De Frenne等人，2021年；Pereira等人，2022年），排除这些因素会导致较大的观测偏差。相对年轻的桉树林表现出强烈的土壤蒸发：美国南部的3年生桉树林的蒸发率接近裸土水平（Younger等人，2023年）；4年生的中国桉树林有12.8%的降雨量损失给土壤蒸发，而混交林仅为8.9%（Yang等人，2022年）。先前的研究已经证实，桉树造林显著改变了土壤蒸发过程。然而，缺乏覆盖整个桉树轮作周期的连续土壤蒸发监测，限制了对本地森林转换为短轮作桉树林如何影响森林蒸散模式和驱动因素的机制理解。
种植园生产力的提高通常以增加蒸腾用水为代价（Jackson等人，2005年；Maier等人，2017年）。桉树品种通常具有较高的蒸腾率，美国的研究表明桉树的用水量高于松树品种（Maier等人，2017年；Younger等人，2023年）。然而，澳大利亚的研究发现Pinus radiata和Eucalyptus globulus之间的用水量没有显著差异（Benyon和Doody，2015年；White等人，2022年）。在中国，Eucalyptus urophylla × E. grandis的年蒸腾量约为490毫米，而Eucalyptus pellitaF. v. Muell的年蒸腾量达到743毫米（Wang等人，2022年）。生长速率和水分利用效率是决定树木蒸腾的主要因素（Iroumé等人，2021年；Younger等人，2023年）。将本地森林转换为桉树林已被证明可以减少径流（7年生林分的径流系数减半）（Iroumé等人，2021年），这主要是由于集约化管理增加了蒸腾作用（Albaugh等人，2014年）并耗尽了深层土壤水分储备（Iroumé等人，2021年）。然而，蒸腾变化的大小及其对径流的影响仍存在争议（Benyon和Doody，2015年）。
目前的理解受到三个关键知识缺口的限制：1）植物蒸腾、树冠截留和土壤蒸发的年龄依赖性变化；2）土壤蒸发的连续长期监测不足；3）在转换后的种植园与本地森林相比，流域尺度上的年际径流动态及其驱动因素尚不清楚。因此，我们提出核心假设：桉树替代针叶-阔叶混交林会导致“低截留-高蒸发-低渗透”的水分再分配模式，这是由于林分更新和结构简化所致，从根本上削弱了径流的稳定性（表现为雨季径流激增和旱季干旱风险）。为了验证这一假设，我们对配对的桉树林和本地混交林进行了5.5年的连续土壤蒸发和流域径流监测。通过利用空间-时间替代方法分析2至5年生林分的树冠截留差异，本研究旨在1）将土壤蒸发从总蒸散量中分离出来；2）描述完整的轮作周期内的水文分配；3）量化水分通量组分之间的权衡；4）阐明径流不稳定的机制。
研究区域描述
研究区域位于中国广西壮族自治区南宁市的广西国有高丰林场（图1）。该地区地理坐标为东经108o20' 57"E至108o24' 37"E，北纬22o56' 48"N至22o39' 18"N。该地区属于亚热带季风气候，年平均气温为21.8°C，年降水量约为1304毫米，其中约70%集中在雨季（5月至
降水量观测（P）
在EU1、EU2和MFs流域外的开阔区域（半径15米内无高大树木或其他障碍物）安装了一个翻斗式自动雨量计（型号SL3–1，上海气象仪器有限公司）。每个雨量计的上表面距离地面70厘米，数据以60秒为间隔记录。
降雨和树冠截留
（1）总降雨量
如图2所示，2011年6月至12月，EU1、EU2和MFs的总降雨量分别为1101毫米、947毫米和1106毫米。2013年，EU1和MFs的年降雨量分别为1578毫米和1576毫米。2015年和2016年，EU2和MFs的年降雨量分别为1254毫米和1218毫米（2015年）以及1387毫米和1400毫米（2016年）。在2027天的观测期间（2011年6月14日至2016年12月31日），平均降雨强度为
从混交针叶-阔叶林转换为桉树林后，截留和蒸散变化的驱动因素
我们的研究发现，将混交针叶-阔叶林替换为桉树林后，树冠截留能力显著下降，尽管截留率随林分年龄的增长而增加。观察到桉树林树冠截留存在区域差异，中国3至5年生的桉树林的截留量比美国同龄林分高26.7%至140.0%（Younger等人，2023年），这与巴西的观测结果类似（
结论
森林水文循环对气候调节和水资源管理至关重要。将长轮作森林转换为短轮作桉树林会引发植被结构和微气候的显著变化，从而显著改变降雨再分配过程。本研究表明，森林更新和结构简化共同导致了“低树冠截留-高土壤蒸发-低深层渗透”的水分再分配模式
CRediT作者贡献声明
苏晓琳：方法论、数据管理。李丽莎：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、方法论。于静瑞：数据管理。陈贵金：可视化。杨明霞：写作 - 审稿与编辑。邓宇松：写作 - 审稿与编辑、项目管理。杨盖伦：写作 - 审稿与编辑、软件应用、项目管理、调查。黄宇涵：监督。谢志峰：调查。
作者贡献
杨盖伦、邓宇松、黄宇涵和杨明霞提出了项目构思；李丽莎、苏晓琳、谢志峰、陈贵金和于静瑞进行了野外工作和实验；李丽莎分析了数据并撰写了论文。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（编号31360134）和广西科技重大专项（编号GuiKeAA24263020-2）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明，在进行本研究过程中不存在任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系。
致谢
所有作者感谢Pengli Cheng、Jian Yin、Gen Pei、Zhi Li、Wenchao Su、Yu Xue、Haijun Wang和Zhiliang Wen在研究中的协助。所有作者均已阅读并同意发表的手稿版本。
