《Agricultural and Forest Meteorology》：Assessing silvicultural treatment effects on catchment hydrology under current and future climate scenarios
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在地中海流域，由于降水年际变率显著、土地弃耕后植被恢复、持续的气候变化以及水资源需求大幅增加，水资源短缺已成为一个关键问题。大量研究证实近几十年来河流径流量显著下降。自20世纪中期以来，大规模的土地弃耕引发了地中海山区广泛的自然植被恢复，导致森林覆盖面积显著扩
在地中海流域，由于降水年际变率显著、土地弃耕后植被恢复、持续的气候变化以及水资源需求大幅增加，水资源短缺已成为一个关键问题。大量研究证实近几十年来河流径流量显著下降。自20世纪中期以来，大规模的土地弃耕引发了地中海山区广泛的自然植被恢复，导致森林覆盖面积显著扩大。以水文为导向的森林经营是一门古老但不断发展的研究领域，旨在通过森林管理改善水资源状况。疏伐是一种常见的营林干预措施，用于降低林分密度和竞争。本研究假设，森林疏伐对水文响应的影响将因具体疏伐方式（均匀伞伐系统USS和群团择伐系统GSS）以及不同气候变化情景而异。然而，研究人员也预期轻度疏伐干预不会显著改变产水量。本研究的主要目标是利用区域水文生态模拟系统（RHESSys）模型以及在西班牙比利牛斯山中部的圣萨尔瓦多集水区收集的水文气候数据系列，评估两种对比性森林疏伐策略和三种气候变化情景下生态水文响应的敏感性。研究人员分析了两种疏伐方式对关键生态水文变量的影响，包括叶面积指数（LAI）、蒸散发（ET）、平均径流和最大径流（洪峰流量）。结果表明，两种疏伐方式均降低了LAI和ET，并增加了年均和最大径流量。在温和气候情景下，GSS显著增加了平均和峰值径流。极端气候情景削弱了疏伐的水文效益。空间配置（而不仅仅是疏伐强度）驱动着集水区的响应。以水文为导向的林业可以增强社会-生态韧性。
一、研究背景与科学问题
在地中海盆地，水资源短缺因降水年际变幅大、土地弃耕后自然植被恢复、持续的气候变化以及用水需求激增而日益严峻。已有研究证实，近几十年来河流径流量显著下降，例如在阿尔卑斯山地区观测到蒸散发（ET）增加约6%同时蓝水减少约5%，而在西班牙中部比利牛斯山地区，植被恢复导致河流径流下降了40%。自20世纪中期以来，地中海山区大规模的土地弃耕引发了广泛的自然植被恢复，森林覆盖面积显著扩大。虽然森林最重要的生态系统服务之一是调节和提供水资源，但缺乏积极管理的森林往往伴随着灌木入侵、植被密度增大，进而导致野火风险升高、森林结构退化、可用水量减少以及传统土地利用方式的衰退。相比之下，受管理的森林生态系统在地中海山地环境中发挥着关键作用，有助于边坡稳定、土壤保持、植被覆盖维持、水文情势调节以及乡村生计和基础设施的支撑。
以水文为导向的森林经营是一个历史悠久但不断发展的研究领域。疏伐作为一种常见的营林措施，通过降低林分密度和竞争来促进留存木生长。然而，关于疏伐如何改变森林结构与水分可利用性的关系仍存在巨大不确定性。现有研究表明，关于疏伐与径流关系的科学知识尚不足以制定稳健的管理策略，尤其是在湿润的地中海山区，关于森林疏伐对径流、洪峰和洪水影响的研究更为匮乏。因此，推进对湿润地中海山区森林管理干预（尤其是疏伐）下森林-水分动态的理解和量化，仍然是一项关键的研究优先事项。
二、研究方法概述
研究人员采用区域水文生态模拟系统（RHESSys）模型进行模拟分析。该模型是一个基于GIS的水文生态建模框架，能够模拟碳、水和养分通量。研究区位于西班牙中部比利牛斯山的圣萨尔瓦多集水区（面积92公顷），该集水区自1999年以来一直受到长期监测。研究人员使用了2001–2022年的气象和水文数据作为基准期，并根据CMIP6气候变化情景（SSP1–2.6、SSP2–4.5和SSP5–8.5）生成了2023–2099年的未来气候序列。森林管理方面，设置了两种对比性疏伐方案：均匀伞伐系统（USS）和群团择伐系统（GSS），两者疏伐强度均为30%（对应冠层覆盖度FCC减少20%），同时设置无管理（NM）对照情景。模型在固定植被模式下运行，以隔离管理干预的直接水文效应。模型校准期为2018–2020年，验证期为2020–2022年，性能指标包括纳什-萨特克利夫效率系数（NSE）、均方根误差（RMSE）、RMSE-标准差比（RSR）和百分比偏差（PBIAS）。
三、研究结果
3.1 圣萨尔瓦多集水区的水文背景
基于1999–2024年共25年的水文气象数据分析表明，年均降水量约为915 mm，年均径流量为260 mm，径流系数介于0.02至0.70之间，平均值为0.26，反映了强烈的气候变率和森林环境水文过程的复杂性。降水呈现典型的地中海季节分布模式，秋季降水最多但难以立即产生径流，而冬末至春季（2月至5月）是水文响应最显著的时期，夏季则干旱少雨。
3.2 模型校准与验证
RHESSys成功模拟了圣萨尔瓦多集水区径流的年际和季节变化，校准期NSE为0.56，验证期NSE提升至0.67，对高流量和低流量均有较好的拟合效果，表明模型在再现径流动态方面具有稳健性。
3.3 生态水文指标结果
在所有气候情景下，两种疏伐方式均导致叶面积指数（LAI）和蒸散发（ET）降低，年均径流和最大径流增加。克鲁斯卡尔-沃利斯检验显示，在所有气候情景下，不同管理情景间的LAI和ET差异显著；在SSP1–2.6和SSP2–4.5情景下，平均径流和最大径流也存在显著差异；但在最极端的SSP5–8.5情景下，平均径流和最大径流在不同管理情景间不再有统计学显著差异。
邓恩配对检验进一步揭示：GSS处理在所有气候情景下均使ET显著低于NM；在SSP1–2.6和SSP2–4.5情景下，GSS显著增加了平均径流（分别增加11.2%和11.3%）和最大径流（分别增加9.6%和9.6%）。相比之下，USS虽使LAI显著降低，但未在任何气候情景下引起ET、平均径流或最大径流的显著变化。尽管两种疏伐方式的名义疏伐强度相同（均为30%），但GSS产生了更强的生态水文效应，这表明空间配置而非单纯的疏伐强度决定了集水区的响应。
四、讨论与结论
讨论部分指出，本研究的发现强化了森林管理实践在调节集水区尺度生态水文响应中的关键作用。两种疏伐方式均降低了LAI，但只有GSS引起了ET和径流的显著变化，这凸显了水文响应对森林管理干预的韧性，以及在中度气候强迫下考虑管理具体特征的重要性。GSS下更明显的LAI降低可归因于其空间集中的采伐模式，这种模式会引发更剧烈的森林结构和微气候条件改变。ET的降低与减少蒸腾表面积和冠层覆盖度从而降低大气水分需求的假说一致。径流增加的结果也与早期研究相符，即随着森林覆盖度的降低，产水量通常会增加。值得注意的是，GSS与最大径流的显著增加相关联，这提示在陡峭或易侵蚀的集水区评估疏伐干预时应始终考虑洪峰生成的变化。在SSP2–4.5这一被认为最可能的中期气候演变轨迹下，两种经营体系的分化最为明显，GSS产生了显著的生态水文效应而USS未产生，这表明干预的空间配置对于理解植被结构变化如何转化为集水区尺度的生态水文响应至关重要。从管理角度看，这意味着仅凭胸高断面积处方可能不足以预测营林干预的生态水文结果，空间设计应得到明确考虑。在极端气候情景（SSP5–8.5）下，疏伐效果减弱或不显著，表明极端气候强迫可能压倒管理干预的效果。
结论部分翻译如下：本研究表明，当通过结构化营林体系（如均匀伞伐系统USS和群团择伐系统GSS）实施森林疏伐时，能够改变湿润地中海山地环境的植被结构，其对集水区尺度水文响应的影响取决于营林方式和主导气候条件。模拟结果显示，两种处理均使叶面积指数（LAI）显著降低，而蒸散发（ET）和径流的响应则在两种处理间存在差异。与研究人员的初始假设（中度疏伐干预不会显著改变产水量）一致，USS相对于无管理（NM）情景未产生ET或径流的统计显著变化。相比之下，在较温和的气候情景下，GSS显著降低了ET并增加了平均和最大径流。这一对比支持了研究假设，并与先前实验观察结果一致，即空间异质性干预对森林-大气相互作用的影响强于同等强度的空间均匀干预。
