桉树种植对区域生态水文过程影响的模型开发与应用

Severe droughts hit southwest China in recent years. The public opinion attributes the droughts to the growth of eucalyptus in these areas, and argues that the water use of eucalyptus affects regional water resources, leading to more severe hydrological drought. Such opinions also impact the policy making about regional eucalyptus management. However, most opinions are lack of sound scientific evidences. The studies about the ecohydrologcial impacts of eucalyptus growth mainly focused on the experiments, rather than the models. Therefore, our project aims to develop a distributed ecohydrological model to simulate how eucalyptus affects regional ecohydrology. The process of model development follows a “two-step” framework: first, an 1-D eucalyptus water use model will be developed at individual tree scale. The model will use new technologies to simulate the processes of eucalyptus growth, root water uptake, water stress and hydraulic redistribution. The model can be used to simulate how different kinds of eucalyptus use water under various climate and site conditions. Second, a 3-D distributed ecohydrological model will be developed by coupling the 1-D eucalyptus water use model into a land surface-hydrological model, ParFlow.CLM. The 3-D coupled model describes the complex interactions between eucalyptus water use and regional water and energy cycles, and discusses the issues of spatial and temporal scaling. The model will be parallelized to utilize the paralleled supercomputer environments to enhance the simulation efficiency. A case study will be conducted by applying the coupled model in the Chuxiong region of Yunnan Province to simulate the temporal and spatial impacts of eucalyptus growth on regional ecohydrological processes. The model results will provide scientific and technologic supports to policy-making and management of regional eucalyptus growth.

我国西南地区近年发生特大干旱，不少社会舆论认为该地区广泛种植的桉树影响了当地水资源，加剧了旱情。类似观点也影响着桉树管理政策的制定。然而多数观点缺乏切实的科学依据。目前相关科学研究集中在实验观测方面，而模型研究很少。本项目拟开发分布式生态水文模型，模拟桉树种植对区域生态水文过程的影响。模型开发采用“两步走”思路：第一步，在植被个体尺度上，开发一维桉树用水模型。运用新方法描述植物生长、根系吸水、水分胁迫、水力再分配等过程，模拟在不同气象因素和立地条件下，不同种类桉树的用水特征。第二步，将桉树用水模型与陆面模型和水文模型ParFlow.CLM相耦合，构建分布式生态水文模型，描述桉树用水与区域内水分和能量循环之间复杂的交互作用，探讨耦合模型时空尺度转化问题。对耦合模型进行并行化，提高模型运算效率。最后将耦合模型应用到云南省楚雄州，定量研究桉树种植在时空上对区域生态水文过程的影响，为区域桉树种植的管理决策提供科学和技术支持。

我国西南地区近年多发特大干旱，不少社会舆论认为该地区广泛种植的桉树影响了当地的水资源，加剧了旱情。类似观点也影响着桉树人工林管理政策的制定。然而多数观点缺乏切实的科学依据。目前的相关研究集中在实验观测方面，模型研究很少。因此本项目开发了两个模型，即一维桉树用水模型和三维分布式生态水文模型。将桉树用水过程和桉树生长过程相耦合，构建了具有一定普适性、且物理机制完善的一维桉树用水模型，用于模拟不同气象和立地条件下，不同种类桉树的用水过程。一维桉树用水模型在国内外多个桉树天然林和人工林站点进行校验。将一维桉树用水模型和分布式水文模型以及陆面模型相耦合，形成三维分布式生态水文模型，为揭示桉树用水与区域水分和能量循环的相互关系提供了新的途径。针对耦合模型模拟过程多、模型庞大的特点，运用MPI（Message Passing Interface）实现并行计算，提高模型计算效率。模型在多个地区（雷州半岛、云南楚雄州、巴西西南部、澳大利亚Pemberton地区、澳大利亚Tumbarumba站点和美国加利福利亚Tonzi站点）进行应用，在模拟桉树用水和生长过程中均取得较好的效果。研究揭示了在澳大利亚和加利福利亚地区，桉树需要利用深层土壤水或地下水才能在炎热干旱的夏季存活。在巴西西南部的模型结果发现，当水肥资源充沛的时候，桉树的生物量主要用于茎和叶的生长，而当资源匮乏时，桉树会优先满足根的发展。在我国雷州半岛和云南楚雄州，当地当年降水基本能维持桉树的用水需求，桉树用水对当地水资源，特别是地下水水资源的影响不大。另外，三维模型的研究显示了植物用水季节性变化和水力再分配现象对区域生态水文过程有明显影响，特别是在干旱半干旱地区或者干旱季节，其影响更为显著。今后的水文模型、陆面模型和气候模型的开发和改进考虑这些影响。