2015年北京市自然科学基金申请书的部分内容。

1. 研究意义

由于降水不足和人为破坏，北京及周边地区植被覆盖较低，常年经受水土流失、土地沙化、扬沙浮尘、城市热岛、雾霾等问题困扰。为了迅速增加植被覆盖、有效改善生态环境，北京于2012年启动了平原地区百万亩造林工程，在城区周边平原规划造林100万亩（北京市园林绿化局, 2012），并已实际完成造林62万亩。与其他造林工程不同：平原造林工程所规划的造林区，集中分布于城区周边的平原地带（大兴、通州、顺义、昌平、房山），且大多为水分条件优越的耕地；同时，为迅速发挥生态功能，平原造林工程多以高大乔木为主，仅少量点缀灌、草（北京市园林绿化局, 2013a）；此外，为快速成林成带，平原造林工程造林密度高，乔木密度可达每亩150株，且多为块状混交、块内树种单一（北京市园林绿化局, 2013b）。平原造林工程在城市平原地带营造了大面积、高密度的人工林，这些人工林在有望改善生态环境的同时，其对北京有限水资源的消耗也引发了普遍的担忧。

水资源短缺是北京生态承载力和可持续发展的最短板（文魁和祝尔娟, 2013）。植被在改善生态环境的同时，也是水资源的主要消耗者，其消耗的水资源可占总降水量的50%以上（王浩等, 2007）。因此，在缺水地区大面积人工造林，不仅可能导致林木成活率低、保存率低以及效益低等问题（贾西安, 2004），而且还可能加剧生态耗水、导致可用水资源减少，最终打破脆弱的水资源供求关系乃至生态系统失衡。土壤水分植被承载力是单位面积土地上的土壤水资源所能承载植被的最大值，它是缺水地区土壤水分与植被生长关系调控、水土资源合理利用以及植被结构优化与可持续发展的核心问题，对于区域植树造林、植被恢复以及生态环境建设均有重要参考价值。

平原造林工程在北京城市周边平原营造了大面积、高密度的人工林，然而：①大面积的人工林能否长期健康生长并持续发挥生态效益？②人工林是否会加剧生态耗水并恶化水资源短缺现状？③“高密度、大乔木”的造林思路是否合理以及如何确定合理造林密度？④造林区土壤水资源所能承载植被的最大值是多少？目前这些问题仍有待解决，而土壤水分植被承载力可以很好的回答上述问题。本项目针对主要平原造林区的主要树种，观测人工林根区土壤水分变化过程，并借助数学模型，模拟人工林下土壤水分的长期变化过程，评价平原造林工程对土壤水分的长期影响；同时，模拟不同造林密度下土壤水分的长期变化，并以不发生土壤水分亏为判定依据，推算最大造林密度及其随造林年限的变化，确定平原造林区的土壤水分植被承载力。研究结果可为平原造林工程所营造人工林的后续管理提供指导，同时为政府部门在植被恢复和生态环境建设相关方面的决策提供依据。

2. 国内外研究现状分析及存在问题

土壤水分植被承载力的研究始于黄土高原。上世纪中后期，我国在黄土高原开展了大规模的植树造林活动，但总体林木成活率低、生长不良、生态效益差。对此，相关学者分析认为，黄土高原水资源短缺，土壤水资源所能承载的植被总量有限，并基于此提出了土壤水分植被承载力的概念。近十年来，国内外相关学者对土壤水分植被承载力进行了较多研究，以下就各方面分别进行综述。

土壤水分植被承载力的概念  土壤水分植被承载力来源于生态承载力、环境承载力、资源承载力、水资源承载力等多个概念，它是干旱、半干旱地区生态承载力和植被承载力的进一步延伸与细化，是给定地区植被健康生长和持续产生生态效益的度量与判定依据（郭忠升和邵明安, 2003a）。土壤水分植被承载力的概念由本世纪初我国学者针对黄土高原提出，它被定义为“以水资源为关键限制因素的地区，单位面积土地上所能持续承载的健康植被的最大值”（郭忠升和邵明安, 2003b）。土壤水分植被承载力的概念提出后，得到了学者的普遍认可，其内涵和外延不断得到补充和完善，目前已成为干旱、半干旱地区植被恢复与生态环境建设的重要研究方向。

土壤水分植被承载力的表征  根据植被类型不同，土壤水分植被承载力的表征方式也有所不同，目前主要有3种量化方法。对自然或人工草地，通常以单位面积土地上的植物总生物量或地上部生物量表征土壤水分植被承载力（王延平和邵明安, 2012）；对于分蘖密集的低矮灌木，通常用单位面积土地上的灌木密度或灌木丛数表征土壤水分植被承载力（郭忠升和邵明安, 2003b; 郭忠升和邵明安, 2003a）；而对于高大灌木或乔木，则普遍认为以植物叶面积指数表征土壤水分植被承载力更为适宜（王彦辉等, 2006; Xia and Shao, 2008; 田有亮等, 2008; 刘建立等, 2009）；此外，也有学者使用覆盖度表征乔木或灌—草复合植被的土壤水分植被承载力（毕华兴等, 2007）。可见，目前土壤水分植被承载力尚没有统一的量化方法，其各种量化指标之间缺乏相互比较和换算的依据。

土壤水分植被承载力的内涵  同一植被的植被量与耗水量成显著的正相关关系，即植被量越大其耗水越多。土壤水分植被承载力的核心问题是研究给定地区植被量的阈值（最大值），在该阈值处土壤水分消耗等于土壤水分补充，从而维持土壤水分平衡，并避免土壤水分过度消耗和植被退化（郭忠升和邵明安, 2003b）。因此，土壤水分植被承载力研究的实质是土壤水分的动态变化与收支平衡。干旱、半干旱地区通常土层深厚、地下水较深、总降水量和单次降水量有限，因此该地区土壤水分收入主要来自于降水入渗，而土壤水分支出主要为植被蒸散耗水。但事实上，降水入渗仅为总降水量的一部分，实际入渗量是降水特征、冠层截留、地表径流、土壤入渗等多个因素和过程综合作用的结果（王延平和邵明安, 2012）。而植被蒸散耗水包括植物蒸腾和棵间土壤蒸发，它同样受大气蒸发力、植被类型、植被量、植被生长阶段、土壤湿度、土壤导水能力等因素影响（刘建立等, 2009）。因此，土壤水分植被承载力的主要研究内容是土壤水分补充规律（降水再分配规律）和土壤水分消耗规律（植被蒸散耗水规律），但实际研究内容和研究范围被大幅扩展，涉及多个方面和多个过程。

土壤水分植被承载力的研究方法  土壤水分植被承载力研究包括根据水量平衡原理精确计算（郭忠升和邵明安, 2003a; 郭忠升和邵明安, 2003b）和根据模型模拟结果粗略估算（田有亮等, 2008; 王延平和邵明安, 2012）两种方法。水量平衡法能精确反映各类特定地形条件下某种植被类型的土壤水分植被承载力，但费时、费力、费钱；模型估算法可节省时间、人力、经费，但精确度和准确性难以保证（王延平和邵明安, 2012）。水量平衡法的依据为土壤水量平衡公式，即植物根层土壤水分变化=土壤水分收入–土壤水分支出=降水入渗量–植被蒸散量=（降水量–冠层截留量–径流量）–（植物蒸腾量+棵间蒸发量）（郭忠升和邵明安, 2003b）。水量平衡法对上述平衡公式中的各个分项，分别使用仪器设备进行手动或自动观测，从而计算土壤水分植被承载力。而模型估算法则主要通过相关模型对水量平衡公式中的部分分项进行间接计算，如通过Penman-Monteith公式，由太阳辐射、气温、相对湿度等参数间接计算植被蒸散量等，从而估算土壤水分植被承载力（王延平和邵明安, 2012）。目前，土壤水分植被承载力的研究仍以水量平衡法为主，其中分层土壤剖面含水量和植物蒸腾量是观测的重点。

土壤水分植被承载力的影响因素  凡是影响土壤水分收入与支出的因素均会影响土壤水分植被承载力的大小。这些因素包括气候特征（降雨量、雨强、大气蒸发力、地下水位）、地形地貌（坡度、坡向、坡位）、土壤属性（类型、质地、入渗能力）、植被条件（种类、组成、发育阶段、管理措施）等（Gómez-Plaza et al., 2001; Klöckingand Haberlandt, 2002）。土壤水分补给量是决定土壤水分植被承载力大小的物质基础，在相同条件下，土壤水分补给量越大则可承载植被越多，因此降水量多少是影响土壤水分植被承载力的最关键因素（郭忠升和邵明安, 2003a）。此外，通常情况下，同一地区不同类型植被其承载力大小为草地>灌木>乔木（Chen et al., 2007），因此在缺水地区应尽量避免或减少栽种高大乔木。不仅如此，不同植物、甚至同种植物其植被承载力同样差异明显，尤其是在低含水量阶段差异巨大（魏永胜, 2005）。例如，豆科牧草比禾本科牧草具有更发达的根系和更强的耐旱能力，因此具有更高的植被承载力（魏永胜, 2005）；苜蓿耐旱品种具有具特殊耐旱机制和抗旱能力，因此其植被承载力通常高于不耐旱品种（魏永胜,2005）。地形地貌方面，刘建立等（2009）研究发现，下坡位的土壤水分植被承载力通常高于上坡位，同时坡度越大则土壤水分植被承载力越低；王延平和邵明安（2012）研究发现，阳坡的土壤水分植被承载力通常小于阴坡。综上，土壤水分植被承载力的影响因素较多，但在给定地区和给定条件下，土壤水分植被承载力主要取决于植被类型。

土壤水分植被承载力的研究结果  自土壤水分植被承载力的概念正式提出后，国内外研究人员在不同地区对其开展了较多研究（Grayson et al., 1997; Domingo etal., 2001; Laio et al., 2001; Klöcking and Haberlandt, 2002; Porporato et al., 2002; Chenet al., 2007），其中尤其以我国学者在黄土高原开展的研究工作最为系统、广泛、深入。在黄土高原：王延平和邵明安（2012）研究发现，陕西延安地区苜蓿的承载力为地上部生物量2600–3500 kg hm^–2；Xiaand Shao（2008）通过模型估算得出，陕西榆林地区柠条的承载力为3.46 t hm^–2、沙柳为4.23 t hm^–2、苜蓿为1.57 t hm^–2；王延平和邵明安（2009）研究指出，陕西米脂地区杏树的承载力在台地上为生物量3728 kg hm^–2、在坡地上为2423 kg hm^–2；郭忠升和邵明安（2006）研究报道，宁夏固原地区拧条的承载力为8115丛hm^–2；刘建立等（2009）研究认为，宁夏固原地区阴坡华北落叶松的承载力为叶面积指数1.45–4.83，而阳坡草地的承载力为0.37–0.47；毕华兴等（2007）研究得出，山西临汾地区油松、刺槐、灌草的承载力分别为覆盖率54%、51%、100%；马玉玺等（1990）综合认为，黄土高原年降雨量大于500 mm的地区，其刺槐造林密度不应大于每亩150株。综上可见，土壤水分植被承载力在时间和空间上具有高度的变异性（Fernandez et al., 2002），其结果在不同时间和不同地区差异极大，因此有必要针对特定地区和特定时间分别进行研究。

土壤水分植被承载力模型  目前尚没有专门的土壤水分植被承载力过程模型，因此研究中通常借用其它土壤水分过程模型，包括WinEPIC (Williams, 1990)、SVAT (Calvet et al., 1998)、SWAT (Singh and Woolhiser, 2002)、CERES (Hasegawa et al., 2000)、Mike-SHE (Refshaard et al., 1995)等，但这些模型通常需要较多的参数和复杂的过程，而且在模型使用前需针对研究区进行适用性验证。因此，建立专门的土壤水分植被承载力模型十分必要。郭忠升和邵明安（2004）通过测定拧条的林冠截留、地表径流、土壤水分以及植物生长，初步建立了土壤水分植被承载力数学模型，但该模型没有考虑立地条件、植被类型、生长发育阶段、生物量及其构成等因素；田有亮等（2008）建立了基于水量平衡原理的土壤水分动态模型，并模拟植被在不同叶面积指数下的土壤水分动态变化、以及在保证植物生存前提下的土壤水分亏缺值，可对具体区域的土壤植被承载力进行评价；王延平和邵明安（2009）根据立地条件与连续3年的降雨、林冠截留、地表径流、土壤水分的观测结果，推算得出了自然降水与土壤水分以及林地生产力的关系，用于推算地区土壤水分植被承载力；Xia and Shao（2008）建立了一个基于水文过程和生物地球化学过程的土壤水分植被承载力定量预测模型，该模型能够在给定初始条件下计算小流域所能承载的最大植被密度。综上，土壤水分植被承载力模型目前仍不成熟，仍需开展大量研究。