林业科学  2005, Vol. 41 Issue (4): 7-12   PDF    
0

文章信息

徐庆, 安树青, 刘世荣, 蒋有绪, 崔军.
Xu Qing, An Shuqing, Liu Shirong, Jiang Youxu, Cui Jun.
四川卧龙亚高山暗针叶林降水分配过程的氢稳定同位素特征
Hydrogen Stable Isotope Characteristics of the Precipitation Allocation Processes in Sub-Alpine Dark Coniferous Forest in Wolong, Sichuan Province
林业科学, 2005, 41(4): 7-12.
Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(4): 7-12.

文章历史

收稿日期:2005-01-26

作者相关文章

徐庆
安树青
刘世荣
蒋有绪
崔军

四川卧龙亚高山暗针叶林降水分配过程的氢稳定同位素特征
徐庆1, 安树青2, 刘世荣1, 蒋有绪1, 崔军2     
1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091;
2. 南京大学生命科学学院森林生态与全球变化实验室 南京 210093
摘要: 应用稳定氢同位素技术对四川卧龙巴郎山亚高山暗针叶林不同降水条件下3群落类型中降水、林冠穿透水和壤中流的变化动态进行跟踪研究。结果表明:降水δD与降雨量负相关显著(R2= 0.456,p=0.043),降雨氢同位素存在显著的雨量效应。降水δD与林冠穿透水δD差异不显著(p=0.863)。壤中流δD与降水δ D有明显差异(p=0.049),表明壤中流补给来源是降水,但不一定是当日当次降水直接补给。降水量的升高或降低引起壤中流δD升高或降低。当降水量0~10 mm时,影响在降雨后第4天发生;当降水量在10~20 mm时,影响在降雨第2~3天后发生;当降水量在20~30 mm时,影响在降雨1~2天后发生。显示出亚高山暗针叶林对壤中流有显著的调控作用。降水δD与林冠穿透水δD的差值(用ΔδD表示)在3个不同群落中随着降雨量的增大呈现偏正态分布,当降水量在4.91~25.25 mm时,ΔδD>0;当降水量 < 4.91 mm及> 25.25 mm时,ΔδD < 0;当降水量为12.65 mm时,δD最大,这主要是林冠层蒸散过程和大气降水过程相互作用的结果。
关键词: 氢稳定同位素    亚高山暗针叶林    降水分配    卧龙    
Hydrogen Stable Isotope Characteristics of the Precipitation Allocation Processes in Sub-Alpine Dark Coniferous Forest in Wolong, Sichuan Province
Xu Qing1, An Shuqing2, Liu Shirong1, Jiang Youxu1, Cui Jun2     
1. The Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091;
2. Laboratory of Forest Ecology and Global Change, College of Life Science, Nanjing University Nanjing 210093
Abstract: The hydrogen stable isotope method was used to trace the change of precipitation, throughfall and interflow over time under different rainfall density in 3 types of sub-alpine dark conifer forests in Balang Mountain of Wolong Natural Reserve, Sichuan, China. The results showed: there was significantly negative correlation between rainfall ΔδD and precipitation amount; R2 = 0.456, p=0.043, which indicated there existed significant rainfall amount effect on δ Din the precipitation. There was no significant difference between rainfall δ D and throughfall δD, which showed throughfall was from the rainfall. The differences between rainfall δD and interflow δD was significant (p < 0.05), which indicated that interflow derived from rainfalls in different time-lags. The result furt her illustrated that sub-alpine dark conifer played an important role in the reg ulation of interflow. The regulation happened in the fourth day after the 0~10 mm rainfall event; and the regulation happened in the second or third day after the 10~20 mm event, while regulation time was only 1 or 2 days after 20~30 mm event. The change of δD value difference (ΔδD) between rainfall and throughfall with precipitation was in the shape of shi-normal distribution. ΔδD >0, when 4.91 mm≤precipitation < 25.25 mm; ΔδD < 0, when precipitation < 4.91 mm or > 25.25 mm; and the maximum value happened when precipitation amount was 12.65 mm. The differences were the result in interaction between heavy isotope accumulation from evaporation of canopy and the precipitation processes.
Key words: hydrogen stable isotope    sub-alpine dark coniferous forest    precipitation allocation    Wolong    

20世纪50年代初, 稳定同位素技术开始用于生命科学研究(Craig, 1953)。大范围有组织的取样工作始于1961年(Craig, 1961)。20世纪70年代后期和80年代初稳定同位素技术在生态学领域受到重视并取得了一些可喜的成果(Ehleringer, 1989; Wright, 1980),近几十年来,稳定同位素技术在生态学研究领域迅速发展,与遥感技术、数学模型一并被认为是生态学的三大现代技术(林光辉等,1995)。

地球表面的水通过蒸发、凝聚、降落、渗透和径流形成水循环。由于水分子的某些热力学性质与组成它的氢、氧原子的质量有关,因而在水循环过程中会产生同位素分馏。水中的氢含有H (氢)、D (氘)、T(氚)3种同位素原子。同位素地球化学把同种元素的2种不同同位素原子数目比,称为同位素比值。为了便于比较,国际上规定统一采用待测样品中某元素的同位素比值与标准样品的同种元素的相应同位素比值的相对千分差作为量度,记作为δ 值,如水:

式中:Rsample为样品氢同位素(D/H)比值,Rstandard为标准平均海水氢同位素(D/H)比值,δ值单位为‰。

不同水体在形成的过程中,在不同的物理、化学条件下,它们所含的各种同位素原子数目会发生相应的变化,同位素组成(δ值)也随之改变。利用天然水体的稳定同位素特征去研究水源的形成、运移、混合等动态过程,揭示不同水体的补径排关系和不同水文地质单元的关系,称为稳定同位素示踪,因其变化受环境因素支配,又称为环境同位素示踪。

森林植被对水文过程的影响是其重要生态功能之一,也是学术界广为关注的问题(蒋有绪, 1995)。在研究森林水文过程和森林对其径流影响过程中,已存在于水分子中的稳定氢同位素可以作为良好的示踪剂。随着科学技术的发展,稳定同位素方法被广泛用于研究自然界水循环过程(曹燕丽等,2002石辉等,2003)。国外这方面研究较多(Fahey, 1988; Cormie, 1994; Lisa, 2000; Takashi, 2000; Donald, 2003;Marfia, 2004)。在我国,程汝楠(1988)通过采集地表水、雨水、地下水样品,研究了禹城地区的水分循环,发现降水、河水、地下水中的δD值差异明显。尹观(2000)运用天然水的稳定氢氧同位素示踪技术追溯四川九寨沟水的来源及运移过程,研究九寨沟水循环系统,即大气降水、地表水和地下水的动态转换关系,揭示不同水体的补排和不同水文地质单元之间的水力联系。稳定同位素技术的应用为水循环研究提供了新的手段。

卧龙自然保护区是保护大熊猫等珍贵动植物和高山生态系统的重点保护区之一。它位于长江上游,是岷江的源头地区,对于保持水土、涵养水源、维持生态平衡起着重要作用。关于川西亚高山暗针叶林生态系统水循环的研究,大多采用传统方法观测林中单个水分因子的变化特点,如降水量、降水强度、降水频度、径流、土壤含水率等(马雪华,1983),而对其综合性的研究和分析较少,运用稳定同位素技术研究暗针叶林内降水分配过程目前还是空白。本文试用稳定氢同位素技术研究卧龙自然保护区巴郎山亚高山原始暗针叶林的降水、林冠穿透水和壤中流的转化过程及亚高山原始暗针叶林对水文过程的影响,探讨森林植被结构对水文过程的调控能力,为揭示森林植被对区域洪涝灾害与水资源的调控机制提供科学依据。

1 研究地区概况

研究地位于四川卧龙自然保护区亚高山暗针叶林生态系统定位研究站,巴郎山阴坡(102° 52′—103°24′E,30°45—31°25′N),海拔2 750~2 950 m。根据2001—2003年卧龙生态定位站资料,本研究区年降水量为884.24 mm,降水天数长达200 d以上,年平均相对湿度80.1%。1月平均降水量为5.9 mm,7月平均降雨量为193.1 mm,降雨量集中在5—9月份,占全年降雨量的81.07%。降水量月变化大致呈单峰型分布,具较典型的内陆降水分布特征。气温的季节变化则呈单峰型分布,从3月开始升温,至7月达到最高峰,而后逐渐回落。区内平均气温10.05 ℃,2月平均气温-4.5 ℃,7月平均气温20.4 ℃。

2 研究方法

研究地处于卧龙生态系统定位站亚高山暗针叶林中,沿海拔梯度每隔100 m选择1个固定的典型样地(10 m×10 m),3个样地的群落特征和生境特点见表 1。在暗针叶林附近约30 m处无林地气象站采集降水,在A、B、C 3个样地内采集林冠穿透雨水样,在A样地深1.2 m处,采集壤中流水样。采样时间为2003年7月—9月。采样频率:无雨或者小雨时,5天1次;大雨(≥10 mm,接着以10 mm为梯度)连续采样10天。分3个时段采集样品。采样Ⅰ期:7月28日—8月6日(降水为0~10 mm级);采样Ⅱ期:8月10日—20日(降水为10~20 mm级);采样Ⅲ期:8月30日—9月8日(降水为20~30 mm级)。7月24日、8月24日采集对照样品,收集降水时间为早晨8:00。共采集88个水样,其中降水样20个,穿透水样36个,壤中流水样32个。气象数据由卧龙亚高山暗针叶林生态系统定位站无林地和林内2个气候观测站提供。

表 1 四川卧龙亚高山暗针叶林3个样地群落特征和生境特点 Tab.1 The characteristics of communities and habitats of sub-alpine dark coniferous forest of Wolong, Sichuan

所有水样δD的测定由中国科学院北京植物所生态中心稳定同位素实验室DELTA plus XP和Thermo Finnigan TC/EA 2气体质谱仪完成的。δD用高温气体转化方法测定,标准误差为±3‰。

数据处理运用SPSS统计分析软件,并进行回归分析、F检验和均值比较。

3 结果与分析 3.1 降水δD与降雨量的关系

随着降雨量的增加,降水δD逐渐降低。8月30日降雨量最大,达28.26 mm, 降水δ D为-136.40‰,8月30日至9月8日,连续5场大雨(>10 mm),降水δD迅速下降,至9月8日,降雨量为11 mm,降水δD下降为-156.17‰(表 2)。将降水δD与降雨量进行线性回归分析,结果表明,降水δD与日降雨量之间呈显著的负相关关系(R2=0.456,p =0.043)。降水δD(y)与日降雨量(x)之间的线性回归方程为:y=-2.024x-81.28,样本数为20,标准误差为29.11,F= 4.73,表明卧龙巴朗山亚高山暗针叶林降水δD与日降雨量之间表现较强的雨量效应特征。这一雨量效应在多数热带林和降水比较丰沛的地区表现的比较明显。雨滴下降过程中,与环境水汽进行同位素交换或蒸发作用可能是形成这种现象的原因。

表 2 降水δD、穿透水δD和降雨量随采样时间的变化 Tab.2 The change of rainfall δD, throughfall δD and precipitation amount over time
4.2 降水δD与林冠穿透水δD的关系

卧龙巴朗山亚高山暗针叶林3个不同群落类型降水δD与林冠穿透水δD呈显著线形相关(如图 1),但同一植被类型3个不同海拔高度A、B和C 3个样地之间林冠穿透水δD差异不显著,p =0.99> 0.05。根据SPSS分析软件统计分析表明:降雨量和降水δD与林冠穿透水δD的差值(用ΔδD表示)差异显著,p < 0.05。不同海拔高度样地A、B和C中ΔδD差异不显著,p>0.05。

图 1 降水δD与林冠穿透水δD相关性 Fig. 1 The correlation between rainfall δD and throughfall δD

图 2可以看出,A、B、C 3个群落中的降水与林冠穿透水的差值(ΔδD)随着日降雨量的增大呈偏正态结构(如图 3)。当4.91 mm≤降水量 < 25.25 mm时,A、B、C 3个群落的ΔδD>0;当降水量 < 4.91 mm和降水量>25.25 mm时,ΔδD < 0, 且当降水量为12.65 mm时,ΔδD值最大。这是当时冠层蒸散过程和降水过程相互作用决定的,受气象和环境因子影响,地面水分对大气降水组成的改造能力不同,使得雨滴中氢氧同位素组成发生改变,如:降雨量多少、蒸发量大小、空气湿度大小、林冠的大小等都可能改变氢同位素组成(尹观,1988Paul et al., 2000)。从亚高山暗针叶林生态系统提供的气象数据看,当降雨量为12.65 mm时, 蒸发量为最大,林内蒸发量为1.1, 林外蒸发量为4.4, 温度也最高13 ℃(如图 2图 3)。

图 2 降水δD与林冠穿透水δD的差值(ΔδD)随降水量的变化 Fig. 2 The change of different value between rainfall δD and throughfall δD over precipitation
图 3 温度和湿度随降水量的变化 Fig. 3 The change of temperature and humidity with precipitation amount

温度高时,水的蒸发速度很快,水汽之间的同位素分馏就会出现不平衡,这时整个生态系统水体的同位素分馏主要受动力同位素效应支配,大气降水的水滴与空气中的水滴发生交换,使得大气降水δD值升高,造成ΔδD>0。当温度低时,水的蒸发速度很慢,在水汽界面处已处于同位素平衡状态。如果水的蒸发是在开放条件下,即液相得到足够的补充,则可以认为其同位素组成保持不变,这时蒸汽相和液相的分馏系数(α)就等于轻、重同位素水分子的蒸汽压之比,ΔδD < 0(尹观, 1988; Paul et al., 2000)。

3.3 降水δD与壤中流的关系

图 4可以看出,降水强度对壤中流δD的影响微弱。降水量在0~10 mm时开始采样,即采样Ⅰ期(7月28日—8月6日),降水对壤中流的影响甚微。壤中流δD值接近降水δ D的平均值。降水δD的降低引起壤中流δD降低,这种影响在降雨第4天才滞后发生。降水量在10~20 mm时,即采样Ⅱ期(8月10日—8月19日),在降水量、日平均降水量较大和降水连续性较高时,如第Ⅱ采样期间,前6天几乎每日下一场雨,降水δD的升高或降低引起壤中流δD降低,这种影响在降雨第2~3天滞后发生。降水量在20~30 mm时,即采样Ⅲ期(8月30日—9月8日),前3天也是每天一场雨,壤中流δD变化曲线随雨水的δD变化曲线变化而有微弱变化,这种影响在降雨当天或第2天发生。从图 4可以看出,8月30日-9月8日,连续降大雨5天(降水量≥10mm),8月30日降水量最大,增加到28.26 mm时,降水δD值减小,这是由于降水中重同位素已优先降落,云团中留下的为轻同位素,故导致后来降水δ D值减小。

图 4 降水量、降水δD和壤中流δD随日期的变化 Fig. 4 The change of precipitation amount, rainfallδD and interflowδD over date

壤中流对雨水的反应,可以用降雨前土壤浅层非饱和带降水(旧水)被置换速度的差异来解释。前期研究(顾慰祖,1992)表明,壤中流中往往含有非本次降水的成分,土壤非饱和带壤中流中一定含非本次降雨的成分,且此成分在降雨径流过程中存在时程变化;对不同径流组成的流量过程,非本次降雨所占比重不同。留存于土壤水中的非本次降水(“旧水")因新的降水事件而被裹挟、置换或驱替,并与本次降水(“δD新水")共同构成壤中流。任何降雨产流可以分解为土壤非饱和带旧水、本次降水和地下水。Takashi (2000)在使用氢氧同位素技术研究某山地小流域的径流特征时,把径流组成分解为事件水(event water)、事前水(pre-event water)、地下水(ground water)。一定强度降雨发生时,径流最先受本次降水即事件水的影响,本次降水形成坡面流或者部分渗入地下融入壤中流,因此本次降水在雨后还会有一部分存留在土壤中慢慢释放出来;事前水即土壤旧水在降雨发生时则被本次降水形成的壤中流挤压出来而影响径流组成;壤中流比较稳定,受降雨的影响很微弱。

3.4 穿透水δD与壤中流δD的关系

图 5可以看出,随日降雨量的增加,穿透水δD随降水δD升高(或降低)而升高(或降低),几乎同步波动。根据SPSS统计分析软件ANOVA方差分析表明,降水δ D与壤中流δD差异显著(p=0.049);穿透水δD与壤中流δD差异显著(p =0.033)。降水δD与穿透水δD差异不显著(p=0.863)。进一步研究表明,主要来自于大气降水的穿透水对壤中流的补给格局与降水对壤中流的补给格局相同,有补给但不一定是当日当次的直接补给,壤中流中含有非本次降水补给的成分。

图 5 穿透水δD与壤中流δD的变化 Fig. 5 The change of throughfallδD and interflowδD over precipitation amount
4 结论

卧龙地区巴朗山亚高山暗针叶林夏季降水δD与降雨量负相关显著(R2= 0.456,p < 0.05)。降水δD与林冠穿透水δD差异不显著,降水δD与壤中流δD,穿透水δD与壤中流δD差异显著,从而说明林冠穿透水主要来源于当次降水。而壤中流一定含非本次降雨的成分,是“旧水”和“新水”的混合。

3个不同群落中的降水δD与林冠穿透水δD的差值(ΔδD)随着降雨量的增大呈偏正态结构,当4.91≤降水量 < 25.25 mm时,ΔδD >0;当降水量>25.25 mm及降水量 < 4.91 mm时,ΔδD < 0, 当降水量为12.65 mm时,ΔδD值最大,表明影响穿透水同位素值的因素不仅仅是水分蒸发和植被对降水的截留,而应是多种因素(温度、湿度、蒸发等)的综合效应。

受亚高山暗针叶林对大气降水分配和水文过程的调节作用,壤中流δD相对稳定;壤中流δD及其变化动态与降水有明显差异,表明其补给来源受降水的影响,但不一定是当日当次降水直接补给。这显示出亚高山暗针叶林植被结构对壤中流有显著的调控作用。不同的降水强度对同一植被类型壤中流的δD的影响微弱。当降水量0~10 mm时,降水对壤中流的影响甚微,壤中流δD值接近降水δD的平均值,降水δD的降低引起壤中流 δD降低,这种影响在降雨第4天才滞后发生;当降水量在10~20 mm时,在降水量、日平均降水量较大和降水连续性较高时,降水δD的升高或降低引起壤中流δD升高或降低,这种影响在降雨第2~3天滞后发生;降水量在20~30 mm时,壤中流δD变化曲线随雨水的δD变化曲线变化,这种影响在降雨当天或第2天发生。

参考文献(References)
曹燕丽, 卢琦, 林光辉. 2002. 氢稳定性同位素确定植物水源的应用与前景. 生态学报, 22(1): 110-117.
程汝楠. 1988.应用天然同位素示踪水量转换.见: 刘昌明, 任鸿遵主编.水量转换——实验与计算分析.北京: 科学出版社, 33-50
顾慰祖. 1992. 集水区降雨径流响应的环境同位素实验研究. 水科学进展, 3(4): 247-254.
林光辉, 柯渊. 1995.稳定同位素技术与全球变化研究.见: 李博主编.现代生态学讲座.北京: 科学出版社, 161-188
蒋有绪. 1995. 世界森林生态系统结构与功能的研究综述. 林业科学研究, 8(3): 314-321. DOI:10.3321/j.issn:1001-1498.1995.03.012
马雪华. 1993. 森林水文学. 北京: 中国林业出版社.
石辉, 刘世荣, 赵晓广. 2003. 稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用. 水土保持学报, 17(2): 163-166. DOI:10.3321/j.issn:1009-2242.2003.02.045
尹观. 1988. 同位素水文地球化学. 成都: 成都科技大学出版社.
尹观, 范晓, 郭建强, 等. 2000. 四川九寨沟水循环系统的同位素示踪. 地理学报, 55(4): 487-494. DOI:10.3321/j.issn:0375-5444.2000.04.011
王恒纯. 1991. 同位素水文地质概论. 北京:地质出版社: 11-26.
Craig H. 1953. The geochemistry of stable carbon isotopes. Geochima Cosmochemica Acta, 53-92
Craig H. 1961. Isotopic variations in meteoric water. Science, 133: 1702-1703. DOI:10.1126/science.133.3465.1702
Dansgard W. 1964. Stable isotopes in precipitation. Tellus, 16(4): 436-468. DOI:10.3402/tellusa.v16i4.8993
Donald L Phillips, Jillian W Gregg. 2003. Source partitioning using stable isotopes:coping with too many sources. Oecologia, 236: 261-269.
Ehleringer J R, Nagy K A (eds). 1988. Ecological Studies.Vol.68.Stable isotopes in Ecological Research. Springer-Verlag, Heidelberg, 1-15
Fahey T J, Yavitt B, Joyce G. 1988. Precipitation and throughfall chemistry in Pinus contorta.L. ecosystems, southeastern Wyoming.. Can J For Res, 18: 337-345. DOI:10.1139/x88-051
Marfia A M, Krishnamurthy R V, Atekwana E. 2004. A isotopic and gepchemical evolution of ground and surface waters in a karst dominated geological setting: a case study from Belize, Central America. Applied Geochemistry, 19: 937-946. DOI:10.1016/j.apgeochem.2003.10.013
Paul G, Martin W. 2000. Effects of evaporative enrichment on the stable isotope hydrology of a central Florida (USA) river. Hydrological processes, 14, 1 465-1 484
Stratton L C, Guillermo G, Frederick C M. 2000. Temporal and spatial partitioning of water resources among eight woody species in a Hawaiian dry forest. Oecologia, 124: 309-317. DOI:10.1007/s004420000384
Wright C E. 1980. Surface water and groundwater interaction. UNESCO, 53.
Takashi Satio. 2000. Runoff characteristics in a small mountain basin by the use of hydrogen and oxygen stable isotopes. Limonology, 1: 217-224. DOI:10.1007/s102010070009
Taylor S Feild, Todd E Dawson. 1998. Water sources used by Didymopanax pittieri at different life stages in a tropical cloud forest. Ecology, 37(9): 235-238.
Zeigler H, Osmond C B, Stickler W, et al. 1976. Hydrogen isotope discrimination in higher plants: correlation with photosynthetic pathway and environment. Planta, 128: 35-92. DOI:10.1007/BF00397176