森环森保所在森林垂直结构影响蒸腾模型及用于“以水定林”上取得新进展

图1：以蒸腾耗水为约束的林分结构优化理论框架

图2：气候变暖与土壤水分变化情景下3个华北落叶松林固定样地的林分结构的精准优化

在我国西北旱区大规模恢复森林改善环境的同时，也面临过度耗水导致的生长衰退问题，气候变化影响加剧使这一矛盾更加复杂和尖锐。因此，亟需基于水资源的植被承载力，因地制宜地优化林分结构，推进林水协调发展，这是国家实施“以水定林”方略的核心科技需求。山地森林的垂直结构受立地环境和植被特征的共同调控，直接影响蒸腾耗水及其组分的垂直层次分配。因此，科学揭示和准确量化森林垂直结构动态与蒸腾耗水的耦合机制，是指导林分结构优化实现林水协调管理的核心科学问题。

华北落叶松作为我国北方旱区生态修复的关键造林树种，在发挥重要生态功能的同时，存在着历史形成的过密林耗水过多与区域水资源承载力有限的尖锐矛盾，面临着生长衰退、土壤干化、减少产流及林分不稳定等多重挑战。为应对气候变化带来的不确定性，实现该树种人工林的健康发展，亟需深入研究理解森林生态系统分层结构（乔木层、灌木层和草本层等）动态及其精准调控影响蒸腾耗水的内在机制，从而为林分密度优化及适应性管理提供坚实的理论依据。

为此，中国林科院森环森保所森林生态水文与流域管理研究团队依托宁夏六盘山森林生态系统定位观测研究站，基于72块林分结构调查样地和3块生态水文长期监测样地的多年数据，定量揭示了立地条件与植被特征对华北落叶松林垂直结构动态的调控作用以及由此影响各垂直分层蒸腾的机制。构建了耦合立地特征、林分结构、环境因子共同影响森林分层蒸腾的机理性模型，进而提出了以蒸腾耗水量为约束条件的林分结构优化理论框架（图1）。

主要研究结果如下：华北落叶松林总蒸腾量的组分呈明显的垂直分层特征，乔木层的贡献最大（占比68.3%~72.6%），但灌木层与草本层的贡献也不可忽视（可达27.4%~31.7%）。立地环境（海拔和坡向）与林分结构（密度和林龄）共同调控了叶面积指数在乔木层、灌木层和草本层的分配，而各层蒸腾受环境因子（潜在蒸散、土壤相对含水量）、分层叶面积指数及上层遮荫的共同影响。以分层叶面积指数为纽带，构建了耦合立地特征（海拔和坡向）、林分结构（密度、林龄、分层叶面积指数）与环境条件（气象、土壤水分）的多因子分层蒸腾机理模型，可定量解析在不同立地条件和林分特征下的蒸腾耗水量及其在各作用层的分配动态。

基于上述耦合模型，在具有不同立地与林分特征的3块长期监测样地进行了多情景模拟，得到以下管理启示：1）在维持相同的较低林分日蒸腾量时（如0.8 mm·d⁻¹），可计算确定各样地需要的林分密度阈值，表明其因立地条件和林分属性不同而差异明显。2）各样地的林分蒸腾量均在林龄约45年时达到峰值，表明森林节水管理存在林龄的关键窗口期。3）在气候变暖与土壤水分变化情景下，为维持原有蒸腾水平，不同立地的森林所需的最佳密度与垂直分层结构存在明显差异（图2）。这些结果表明，为实现林水协调管理，林分结构优化不能简单的“一刀切”，不能仅依据单一密度指标的调控标准，而是需要根据立地条件、林分结构、土壤水分状况及节水经营目标采取差别化的精准调控，并格外注意在森林蒸腾耗水最多的生长阶段及时开展密度调控。

该研究定量揭示了林分垂直结构与蒸腾耗水的动态耦合机制，为因地因林实施精准化、差别化的“以水定林”管理提供了决策框架和定量决策工具。这项工作得到了“十四五”国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目等的联合资助，以“How vertical stand structure shapes transpiration in larch plantations: Implications for the integrated forest-water management”为题，于2026年1月6日线上发表在国际期刊《Agricultural Water Management》。该论文通讯作者为刘泽彬副研究员，第一作者为于松平博士（现为西南林业大学讲师）。