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期刊：Agricultural and Forest Meteorology
题目：Long-term field observations of the impacts of drought and stand development on runoff in a forested watershed
作者：Shulan Sun, Wenhua Xiang*, Zhonghui Zhao, Xiangwen Deng, Shuai Ouyang, Liang Chen, Yanting Hu, Yelin Zeng, Changhui Peng
DOI：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2025.110519
森林是陆地生态系统的主体，在全球碳循环和水循环方面发挥着十分重要的作用。造林能促进固碳增汇、木材生产和保持水土，是有效缓解气候变化的自然解决方案。然而，大规模的造林和再造林对区域水文过程产生显著影响。目前，针对造林后林分生长发育对径流的调控机制，尤其是这种调控作用是否会随着林分生长达到稳定的阈值，仍缺乏长期定位观测数据的系统研究和精确厘定。同时，全球气候变化加剧了干旱发生的频率和强度，深刻影响森林与水的相互关系。
本研究依托湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站建立的小集水区径流场，利用1997年至2019年长达22年的林分生长和径流定位观测数据，多尺度标准化降水蒸散指数（SPEI），分析杉木林自造林以来林分生长与干旱事件对小集水区径流的影响及驱动因素，为全球变化背景下深入理解森林和水之间的关系、人工林可持续管理提供科学依据。
2. 拟解决的科学问题
（1）杉木林对径流的调控作用是否会随林分生长（如林分年龄、林分生物量、胸高断面积），从早期开放逐渐转变为具有自我调控能力的封闭稳定状态？
（2）径流变化的主导因子在时间尺度上表现出明显的差异，短时间尺度主要受降雨等气候因素驱动，长时间尺度受林分结构调控。
（3）干旱的强度和持续时间如何影响杉木林径流的形成？
3. 重要结果
（1）年径流量差值（与1997年径流量差值）在造林后最初14年内随着林龄增加而扩大，随后开始恢复（图1a）。年径流量与林分生物量之间的关系也表现出类似的变化模式（图1b）。此外，年径流量还随着林分胸高断面积的增加而下降（图1c）。该结果表明造林后对径流的调控在初期处于开放状态，随后随着林分生长逐渐趋于稳定。
图1 杉木人工林年径流随林龄（a）、生物量（b）和胸高断面积（c）的变化。径流差值为年径流减去1997年的径流量。R2表示决定系数，*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001。
（2）采用随机森林模型，从多时间尺度上分析人工林生态系统内径流变化的驱动因子。杉木林内径流量的主导因素在月尺度和年尺度上存在显著差异。在月尺度上，降雨量和土壤含水率（SWC）是径流变化的关键驱动因子（图2a），而在年尺度上，林分生物量则成为主导因素（图2g）。
图2 林分生长和气候因子对月径流量和年径流量的相对重要性及其部分依赖关系。（a）和（g）分别为月径流量和年径流量预测因子的相对重要性排序，柱状图中的数字表示均方误差（MSE）的百分比增加。（b）-（f）展示月径流量与月降雨量、土壤体积含水率（SWC）、气温、生态系统总初级生产力（GPP）以及饱和水汽压差（VPD）的部分依赖关系。（h）-（k）展示年径流量与林分生物量、VPD、年降雨量以及气温的部分依赖关系。
（3）杉木林径流量对干旱的响应具有显著的时间尺度效应，在月尺度上表现尤为明显，下降幅度高达41.2%，而在年尺度上的影响最小，降幅仅为3.7%（图3）。基于Wilcoxon-Mann-Whitney检验结果，当干旱事件持续超过1.2个月且干旱强度达到1.5时，径流量显著下降，下降幅度可达70.0 %至92.3 %。
图3 1997年至2019年（不包括2017年缺失数据）杉木林人工林第Ⅱ号集水区干旱期与非干旱期的降雨量（蓝色柱状）和径流量（橙色柱状）。（a）年尺度；（b）、（c）、（d）、（e）分别表示春、夏、秋、冬四个季节。灰色阴影带表示干旱发生期。虚线分别表示各时间尺度上的平均降雨量（蓝色）和平均径流量（橙色）。
4. 结论
本研究利用长达22年连续定位观测数据，明晰了小集水区径流随杉木林生长发育的动态变化特征。在杉木幼龄林、中林龄阶段（林龄小于14年），径流随林龄增加而下降，随后逐步表现为稳定的调控作用。径流与林分生物量（或胸高断面积）之间呈现出类似的变化趋势，表明杉木林生态系统在早期快速生长阶段对水分消耗逐渐增加，然后对径流到达稳定调控作用。该结果揭示了杉木林对径流的调控作用从造林初期的开放状态到中龄林阶段逐渐转为稳定。
月尺度和年尺度的径流调控因子不同。短时间（月）尺度，径流主要受降雨等气候因子调控，而长时间（年）尺度上，径流主要受林分生长的调控。因此，仅以年尺度来分析森林对水文的调控作用可能会忽视短期气候波动对径流的显著影响，导致对森林水文过程的理解存在偏差。
本研究依托会同杉木林生态站长期定位观测研究数据，多时间尺度分析杉木林径流在不同干旱条件下的动态变化，发现杉木林径流对短期（月度和季节性）干旱更为敏感，确定了干旱显著影响径流产生的关键阈值（干旱持续时间为1.2个月，干旱强度为1.5）。这些结果将深化诠释人工造林与气候变化对区域水文效应影响，为人工林可持续管理、理顺森林与水之间的关系具有重要的理论意义和实践价值。
中南林业科技大学生态环境学院、湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站2021级博士研究生孙淑兰为第一作者，项文化教授为通讯作者，合作作者包括加拿大魁北克大学蒙特利尔分校彭长辉教授等。本研究得到了国家重点研发计划项目（2021YFD2200403和2021YFD220040204）、国家自然科学基金（32071561和32371849）、会同生态站运行项目、国家留学基金委等项目的资助。