基于陆面过程模型的热带人工橡胶林扩张对区域蒸散发的影响研究

The rapid expansion of rubber plantation in Xishuangbanna prefecture has caused seriously negative environmental and hydrological problems, such as vegetation drought, soil erosion and well drying. Due to a lack of accurately characterizing the special physiological and ecological features and the artificial management processes, the mechanism that why the evapotranspiration of artificial rubber trees is higher than that of natural tropical rainforest trees and the spatial heterogeneity of regional evapotranspiration caused by rapid rubber expansion are unclear. This project intends to develop new modules for characterizing special physiological and ecological features such as phenology and xylem hydrology conductance, and artificial management processes such as fertilization and latex tapping of rubber trees based on a land surface model EALCO to improve the simulation accuracy of rubber evapotranspiration and explore the impact of rubber forest expansion on regional evapotranspiration. The project aims to improving the understanding of the mechanism of evapotranspiration of rubber plantation and providing theoretical guidance for sustainably utilizing water resources in the context of rapid rubber expansion.

快速扩张的人工橡胶林对我国西双版纳地区的生态和水文环境造成了植被干旱、水土流失、水井干涸、冬季雾量降低等严重的负面影响。由于缺乏对橡胶树特殊生理生态特征和人工管理过程的量化表征，人工橡胶林高于天然热带雨林的蒸散发机理以及快速扩张的人工橡胶林导致区域蒸散发的分异格局尚不明确。因此，本项目拟基于已在不同国家和流域充分校验的陆面过程模型EALCO，发展能够表征橡胶树物候、茎干导水等特殊生理特征和施肥、割胶等人工管理过程的蒸散发模块，以提高模型对橡胶林蒸散发的模拟精度，并以现阶段西双版纳橡胶林扩张范围作为模拟情景，探究橡胶林扩张对区域蒸散发耗水的影响。本项目的开展旨在深化认识热带橡胶林蒸散耗水的过程机制，为橡胶林扩张背景下区域水资源可持续利用提供理论指导。

植被变化对蒸散发的影响是生态水文学的前沿热点问题。过去几十年来我国西双版纳地区橡胶人工林快速扩张，对当地的生态和水文环境造成了一定的影响。由于现有陆面模式缺乏对橡胶林的陆面过程表征，橡胶林扩张导致的蒸散发耗水效应仍不明确。本项目针对橡胶人工林，依托西双版纳橡胶林通量站，开展生态、遥感和水文观测，在此基础上：（1）发展了一种基于节点变量-阈值优化的人工林树种分类算法，树种分类精度高于决策回归树，并基于分层分类算法提取了西双版纳橡胶人工林的空间分布，分类精度达92.13%；（2）基于日尺度长时序遥感数据反演了橡胶人工林四个关键物候期，发现落叶开始具有推迟现象而复叶开始具有提前现象；基于物候过程模型对橡胶林落叶物候机制进行了探究，发现低温是控制橡胶林落叶的主要驱动因素；（3）对已有高空间分辨率蒸散发产品在澜湄流域进行了精度评估，发现没有哪一种产品能够在所有土地覆被类型上表现最佳；基于MOD16算法，引入土壤湿度进行干湿土壤分离，改善了热带雨林和人工橡胶林蒸散发的模拟精度；基于陆面过程模型EALCO，通过耦合遥感物候和扩展灌草层辐射传输过程，模拟了橡胶林蒸散发，扩展后日尺度潜热RMSE下降了4.14瓦/平方米；分析了橡胶林扩张和不扩张情景下的蒸散发耗水效应，发现橡胶林扩张后导致区域年均蒸散发耗水增加约5.00立方公里，且这种增加在雨季对区域水资源和灾害安全的影响是正面的，而在干季对区域水资源和灾害安全的影响是负面的。本项目结果有助于深化认识热带橡胶林蒸散耗水的过程机制，为区域水资源可持续利用提供科学参考。