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西班牙森林水循环研究（1990-2020），发现气候变化与林分结构变化均影响绿水和蓝水，其中叶面积指数增长对绿水增量贡献更显著，基面积减少短期可提升蓝水，支持通过管理措施优化水资源分配。
Jesús Sánchez-Dávila|Miquel De Cáceres|Jordi Vayreda|Javier Retana
CREAF，Bellaterra，E08193，Cerdanyola del Valles，西班牙
摘要
许多地区的森林水循环正受到气候变化的影响，通常表现为降水量减少和温度升高，这导致绿色水（蒸散作用）增加而蓝色水（地表径流+排水）减少。此外，由于传统土地利用方式的废弃，森林扩张和开发在许多农村地区成为主导趋势。林分叶面积的增长进一步加剧了绿色水的增加，并减少了蓝色水的可用性。然而，气候变化与林分结构变化之间的相互作用在较大尺度上尚未得到充分理解。我们利用全国性的森林清查数据（1990–2020年）对西班牙的森林水循环进行了建模，分析了林分水平上的气候和森林结构趋势。通过三次清查调查，我们评估了不同森林类型的绿色水和蓝色水变化，并比较了受管理森林和未受管理森林的情况。结果显示，随着时间的推移，绿色水有所增加，而蓝色水则减少。叶面积指数（LAI）的增长（包括树木和灌木）对绿色水的影响大于气候变化。这些因素，加上最近（2010–2020年）降水量下降，也显著减少了蓝色水。虽然林分基面积的减少在短期内改善了蓝色水的产量，但由于LAI会随时间恢复，这种效果并不持久。本研究表明，在区域尺度上，林分结构的变化对水循环的影响可能与气候变化相当，甚至更为重要。此外，我们的结果支持这样一种观点：通过管理或干扰减少林分基面积可以增加蓝色水的产量，尤其是当这种减少幅度较大且持续存在时。
引言
森林为人类提供了众多生态系统服务，其中最重要的是水资源供应（Millennium Ecosystem, 2003）。降落到森林中的水分会分为不同的组成部分。首先，森林通过树冠截留作用保留水分。剩余的水分从地表蒸发，渗入土壤，或以地表径流的形式流出。渗入土壤的水分可以被植物根部吸收并通过蒸腾作用返回大气，或者渗透到根部无法到达的区域，从而增加地下水位。返回大气的水分称为蒸散作用（ET）或绿色水（截留+蒸腾+土壤蒸发），而流出森林流域的水分称为蓝色水（地表径流+深层排水）（Falkenmark和Rockstr?m, 2006）。在林分尺度上，绿色水和蓝色水之间通常存在权衡：当绿色水增加时，蓝色水往往会减少。在湿润的生物群落中，绿色水约占水分平衡的40-70%；而在干燥的生物群落中，这一比例可达80-100%（Qubaja等人，2020；Schlesinger和Jasechko，2014）。
近几十年来，全球许多地区的温度升高和降水模式的变化产生了协同效应（Masih等人，2014；Spinoni等人，2015；Sun等人，2021）。气象干旱减少了土壤中的水分输入，而温度升高则增加了潜在的蒸散量（PET），导致土壤干旱和植物水分胁迫。然而，森林水循环的不同组成部分受到的影响并不相同。因此，即使在气象干旱期间，只要土壤中有水分，树木在较高温度或PET条件下也会增加蒸腾作用，从而可能增加绿色水。另一方面，在这些条件下，由于降雨量减少和蒸散作用增加，蓝色水会减少（Mastrotheodoros等人，2020）。
森林分布和结构的变化会对水循环产生重大影响。过去几十年里，由于放弃了传统的放牧和木材采伐等做法，北半球的许多地区的森林面积一直在扩大（Garbarino等人，2020；Navarro和Pereira，2012；Palmero-Iniesta等人，2021）。传统做法的废弃也导致过去几十年森林树木的大小和密度普遍增加（M?nkk?nen等人，2022；Spiecker等人，2012；Vayreda等人，2012）。这种森林扩张和林分发展的趋势由于更大的树冠叶面积而增加了绿色水，从而提高了截留和蒸腾通量（Jaramillo等人，2018）。在局部尺度上，通过对不同林分密度和间伐处理的比较，研究了林分结构变量对水循环的影响（Kurzweil等人，2021；Molina等人，2021）。这些研究表明，要增加蓝色水产量，需要大幅减少林分基面积（>30%）（Kurzweil等人，2021）。然而，过度间伐（>50%）会促进下层植物的生长，从而竞争水分，进而减少水分产量（Molina等人，2021）。
气候变化和森林林分结构及物种组成的变化以复杂的方式相互作用。蒸散需求的增加通常会增加ET，但基面积的增加或向耗水物种组成的转变可能会使ET增加得更多（Caldwell等人，2016）。由于森林管理或自然干扰导致的林分基面积减少会降低叶面积，从而减少降雨截留和林分蒸腾（Ameztegui等人，2017）。然而，降水量减少无论基面积如何都会降低总蓝色水产量（Kurzweil等人，2021）。此外，树基面积的减少往往会导致剩余树木的蒸腾增加和/或灌木下层覆盖度的增加，从而抵消间伐对水分平衡的影响（Molina等人，2021）。因此，理解气候和林分结构变化及其对森林水循环的综合影响仍然是一个具有挑战性的课题。
近几十年来，由于PET的增加和降水量减少，地中海地区的气候变得更加干燥（García-Herrera等人，2019；Hanel等人，2018）。此外，该地区的人类活动压力减小，导致森林面积在景观尺度上增加（Vadell等人，2016），林分级别的树木密度和大小增加（Vayreda等人，2012），以及下层灌木覆盖度普遍增加（Martín-Alcón等人，2015）。所有这些结构变化都通过增加树冠叶面积来增加森林的蒸散作用（De Cáceres等人，2015）。在这项研究中，我们采用生态水文学建模方法，利用重复的森林清查数据（约1990年至2020年）分析了西班牙森林水循环的变化。我们提出了以下问题：1）过去几十年里，西班牙森林水循环的各个组成部分发生了哪些变化？2）气候和林分结构对绿色水和蓝色水循环变化有何影响？3）减少基面积是否能在短期内改善蓝色水的供应？具体来说，我们想了解气候和林分结构变化作为驱动绿色水和蓝色水变化的因素的作用。此外，为了评估减少基面积的效果，我们比较了清查样地中基面积增加或减少对绿色水和蓝色水成分的影响。
章节摘录
森林清查数据
我们在西班牙的森林区域进行了研究，排除了巴利阿里群岛和加那利群岛。我们使用了西班牙国家森林清查（SFI）的重复永久性野外样点数据，以表征研究区域内及随时间变化的树种组成和林分结构变量。SFI覆盖了西班牙的森林区域，样点密度约为1个样点/平方公里。SFI野外样点包含四个同心圆形子样点，半径分别为5米、10米、15米和25米。我们对树木进行了识别
过去几十年水循环各组成部分的变化
根据事后Bonferroni检验的结果，在SFI2-4期间，所有功能组的绿色水均显著增加（图1）。SFI2-3期间的增加幅度（从365毫米增加到425毫米）大于SFI3-4期间（从425毫米增加到440毫米），其中温带落叶林和地中海落叶林之间没有显著差异。同样，在过去几十年里，所有功能组的蓝色水量和百分比都普遍减少
西班牙森林的水循环变化
我们的结果显示，在过去几十年里，西班牙所有功能组的森林蓝色水都减少了，只有少数地区除外。相反，同一时期绿色水有所增加，且模式相似。这些模式也在其他森林地区被观察到，如北美的海洋性温带森林、中国或欧洲的阿尔卑斯山和北方地区（Caldwell等人，2016；Jaramillo等人，2018；Liu等人，2016；Mastrotheodoros等人，2020）
CRediT作者贡献声明
Jesús Sánchez-Dávila：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，数据分析，概念化。Miquel De Cáceres：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，概念化。Jordi Vayreda：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念化。Javier Retana：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了西班牙科学与创新部项目“GREEN-RISK”（PID2020-119933RB-C21/AEI/10.13039/501100011033）和“BOMFORES”（PID2021-126679OB-100/AEI/10.13039/501100011033）的支持。J. Sanchez-Davila获得了西班牙科学与创新部提供的博士前奖学金（PRE2021-099959）。
