林业科学  2007, Vol. 43 Issue (1): 8-14   PDF    
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文章信息

徐庆, 刘世荣, 安树青, 蒋有绪, 林光辉.
Xu Qing, Liu Shirong, An Shuqing, Jiang Youxu, Lin Guanghui.
四川卧龙亚高山暗针叶林土壤水的氢稳定同位素特征
Characteristics of Hydrogen Stable Isotope in Soil Water of Sub-Alpine Dark Coniferous Forest in Wolong, Sichuan Province
林业科学, 2007, 43(1): 8-14.
Scientia Silvae Sinicae, 2007, 43(1): 8-14.

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收稿日期:2006-05-08

作者相关文章

徐庆
刘世荣
安树青
蒋有绪
林光辉

四川卧龙亚高山暗针叶林土壤水的氢稳定同位素特征
徐庆1, 刘世荣1, 安树青2, 蒋有绪1, 林光辉3     
1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林生态环境重点实验室 北京 100091;
2. 南京大学生命科学学院 南京 210093;
3. 中国科学院植物研究所稳定同位素实验室 北京 100093)
摘要: 根据2003年夏季测得的四川卧龙自然保护区亚高山暗针叶林地区3个不同群落的降水、土壤水、浅层地下水(泉水)氢稳定同位素含量(δD),分析土壤剖面各层次土壤水氢稳定同位素的变化规律及其与水分迁移的关系。结果表明:1)土壤表层(枯枝落叶层)水δD受降水δD的直接影响,并且与降水δD有相同的变化趋势;2)A、B、C群落土壤垂直剖面的土壤水δD空间分布形式反映了降水δD的时间变化特征。0~20 cm上层土壤水δD值很低,20~40 cm时迅速升高,50~60 cm时基本稳定,50~60 cm深层土壤水δD受浅层地下水δD的影响增强;3)土壤水δD介于降水δD与浅层地下水δD之间,表明卧龙亚高山暗针叶林土壤水源于降水与浅层地下水。在一次性降水14.8 mm后5天内,降水对枯枝落叶层的贡献率最高为75.49%~99.91%,对0~5 cm土壤水的贡献率次之为66.68%~83.01%,对30~40 cm土壤水的贡献率为24.50%~80.57%, 对50~60 cm土壤水贡献率最低为21.22%~29.17%;4)浅层地下水δD受降水δD的直接影响不明显,变化幅度很小,浅层地下水δD的稳定性说明地下水代表了多年降水的平均状态。
关键词:土壤水    氢稳定同位素    暗针叶林    四川卧龙    
Characteristics of Hydrogen Stable Isotope in Soil Water of Sub-Alpine Dark Coniferous Forest in Wolong, Sichuan Province
Xu Qing1, Liu Shirong1, An Shuqing2, Jiang Youxu1, Lin Guanghui3     
1. Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, State Forestry Administration The Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091;
2. School of Life Science, Nanjing University Nanjing 210093;
3. Laboratory of Quantitative Vegetation Ecology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences Beijing 100093
Abstract: The objective of this paper was to determine the relationships between the behaviors of stable isotope contents (δD) and the patterns of water transportation in precipitation, spring water and soil water. Water samples were taken from 3 community types of sub-alpine dark coniferous forest in the Wolong Nature Reserve of Sichuan Province, China, during the summer of 2003. The results showed: 1) The δD in surface soil (litter layer) water was directly affected by δD of precipitation because they displayed similar dynamics; 2) The distribution pattern of δD for the soil profiles of the 3 communities reflected the change of δD for the precipitation. The δD values were low in the upper soil layer (0~5 cm), increased rapidly in the middle soil layer (30~40 cm), and became stable in the lower soil layer (50~60 cm); 3) Soil water δD in the surface layer seemed to be also influenced by the δD values in shallow underground water; 4) The δD value of soil water ranged between the δD value of precipitation and that of underground water, which indicated that both precipitation and underground water were the sources of soil water in these sub-alpine dark coniferous forests. Within 5 days of a 14.8 mm rain event, the contribution of precipitation to soil water decreased with increase of soil depth: 75.49%~99.97% in the litter layer, 66.68%~83.01% in 0~5 cm, 24.50%~80.57% in 30~40 cm, and 21.22%~29.17% in 50~60 cm, respectively. 5) The δD value of shallow underground water changed little and was not significantly affected by the δD of precipitation. The constant value of δD may suggest that shallow underground water represent the average conditions of precipitation over the years.
Key words: hydrogen stable isotope    soil water    sub-alpine dark coniferous forest    Wolong, Sichuan    

土壤水稳定同位素变化受大气降水稳定同位素、地表蒸发以及水分在土壤中的水平和垂直运动等多种因素的影响。近年来,因稳定同位素技术具有很高的灵敏度和准确性,在生态学研究领域得到了广泛的应用,为水循环研究提供了新的手段(林光辉等,1995石辉等,2003孙双峰等,2005)。在国外,有关土壤水稳定同位素的研究较多(Fahey et al., 1988; Takashi, 2000; Donald et al., 2003; Marfia et al., 2004)。国际原子能机构和世界气象组织(IAEA/WMO)也倡导用稳定同位素方法来管理水资源,并已开始利用稳定同位素来研究地下水的移动(Senturk et al., 1970; Frohlich, 1996),并对降水到地下水过程中稳定同位素的变化进行了评估(Cat et al., 1996)。在中国,有关土壤水中稳定同位素变化及其在水文循环中所起的作用却还知之甚少。田立德等(2002)对青藏高原中部土壤水中稳定同位素变化进行了初步报道。尹观等(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。但中国在这方面的研究仍然不足。

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)。卧龙亚高山暗针叶林位于长江上游,是长江重要支流——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。徐庆等(20052006)对卧龙亚高山暗针叶林中降水、穿透水稳定同位素的变化特征已做了初步研究,但对于土壤水稳定同位素的变化研究还未见报道。2003年,在卧龙亚高山暗针叶林中进行了土壤坡面各层次土壤水稳定氢同位素的示踪研究,旨在定量分析降水在卧龙亚高山暗针叶林土壤剖面垂直方向的运移过程及降水对不同深度土壤水的贡献率,以探讨森林植被、地被层和地下层结构对水循环过程的调控能力,为揭示森林植被对区域水资源的调控机制提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于四川卧龙自然保护区邓生亚高山暗针叶林生态系统定位研究站(102° 58′21″ E,30°51′41″ N;海拔2 805 m)附近的岷江冷杉(Abies faxoniana)暗针叶林内。本区属青藏高原气候区,主要受西风急流南支和东南季风的影响。根据2001—2003年卧龙亚高山暗针叶林生态定位站资料,本区气温以12月最低,平均气温-5.2 ℃,7月最高,平均气温20.4 ℃,年均气温4.3 ℃,年相对湿度80.1%。年均降水量884.24 mm,降水天数200 d以上;1月平均降水量5.9 mm,7月平均降雨量193.1 mm,降雨量集中在5—9月份,占全年降雨量的81.07%。风向以北风及东北风为主。年蒸发量772.5 mm,日照时数1 185.4 h。

本研究选择的亚高山暗针叶林是四川卧龙地区中部及西北侧分布最广、蓄积量最大的针叶型森林。林下土壤主要为发育于灰岩、千枚岩、玄武岩等基质的山地棕色暗针叶林土。乔木层高10~35 m,盖度50%~70%。岷江冷杉组成了暗针叶林乔木层的主要树种(盖度40%),少量红桦(Betula albo-sinensis)、糙皮桦(Betula utilis)和铁杉(Tsuga chinensis)构成亚层。灌木层高0.5~10 m,盖度40%~60%,主要有冷箭竹(Bashania fangiana)和华西箭竹(Fargesia nitida)(盖度40%),伴生有陇塞忍冬(Lonicera tangutica)、鞭打绣球(Hemiphragma wall)、桦叶荚NFDB2 (Viburnum betulifolium)和鞘柄拔葜(Smilix sians)等(盖度5%)。草本层高5~60 cm,盖度30%,主要有膨囊苔草(Carex lehmanii)和阔柄蟹甲草(Cacalia latipes)等。地被层厚2 ~6 cm,盖度70%,塔藓(Hylocomium splendens)和山羽藓(Abietinella abietina)等构成较为发达的苔藓层。枯枝落叶层厚3 ~15 cm。

2 研究方法 2.1 野外采样

研究地点设在卧龙亚高山暗针叶林生态系统定位站暗针叶林中,沿海拔梯度每100 m选择1个固定的典型样地(10 m×10 m),共设A、B、C 3个样地。A样地海拔2 750 m (30°51′21″ N,102°58′19″ E),B样地海拔2 850 m(30°51′16″ N,102°58′20″ E),C样地海拔2 950 m(30°51′20″ N,102°58′22″ E)。3个样地群落特征和生境特点见文献(徐庆等,2005)。

在暗针叶林研究地附近约30 m处无林地气象站采集降水,在A样地土深1.5 m处采集泉水(浅层地下水)。共采集9个水样,其中降水样5个,泉水4个。野外收集降水样、浅层地下水(泉水)样后立即装入塑料瓶密封,并在低温(0~5 ℃)实验室保存。收集降水和浅层地下水的时间为早晨8:00。

在A、B、C 3个样地各挖一个典型的土壤垂直剖面, 剖面特征见表 1

表 1 土壤剖面特征 Tab.1 Characteristics of soil profile

2003年8月10—14日,8月16—20日,每天收集土壤剖面枯枝落叶层、腐殖质层(0~5 cm)、淀积层(30~40 cm)和母质层(50~60 cm)土样(10天×4层次×3个坡面=120个)。隔天(8月10、12、14、16、18和20日)收集枯枝落叶层和土壤不同深度(0~5、5~10、10~20、20~30、30~40、40~50和50~60 cm)处土壤样(6天×4层次×3个坡面=72个),立即装入采样瓶密封,低温保存。收集土壤样的时间为早晨8:00—10:00。共采集土样192个。

2.2 样品分析

在南京大学生命科学院同位素实验室内用蒸发冷却的方法提取土壤水。所有水样δD的测定由中国科学院植物研究所稳定同位素实验室Deltaplux XP稳定同位素比率质谱仪完成。δD用高温气体转化方法测定, δD标准误差为±5‰。

氢稳定同位素组成采用千分偏差值(δ)法表示,即根据国际上规定统一采用待测样品中某元素的同位素比值(D/H)与标准物质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δ值(尹观,1988)。

式中:(D/H)sample为样品D/H的比值,(D/H)SMOW为标准平均海水D/H比值,δ值单位为‰。

2.3 贡献率

通过水体δD对比,可知水体的水分来源(Sternberg et al., 1987; Dawson et al., 1991; Sternberg et al., 1991; Gregg, 1991; Phillips et al., 1995)。并可以用简单的两端线性混合模型来确定每一种来源所占的比例(White et al., 1985)。当2种水源δD不同时,该水分δD一定介于二者之间。将具有较大δD值的水源作为富集端,具有较小δD值的水源作为消耗端,则土壤水分中消耗端水源所占的比例为:

式中:PC为土壤水分中消耗端水源所占的比例,δDα、δDc和δDs分别为富集端水源δD、消耗端水源δD和土壤水分δD。

2.4 气象数据处理

气象数据(降水量、温度、湿度和蒸发量等)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。采用林内气象站自计雨量计(DSJ2型,天津气象仪器厂)测量天然降水量(P),并与约300 m外的邓生定位站SM1型标准雨量计做比较。

2.5 数据处理

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 结果与讨论 3.1 暗针叶林土壤剖面垂直结构特点

卧龙自然保护区亚高山暗针叶林位于巴郎山阴坡,水分条件好,整个高度上植被和土壤发育很好,所研究的不同海拔高度A、B、C 3个样地土壤垂直剖面分为4个层次,即枯枝落叶层、腐殖质层、淀积层和母质层。A样地:枯枝落叶层4~7 cm,腐殖层7~10 cm,根系深60 cm。B样地:枯枝落叶层3~10 cm,腐殖层4~7 cm, 根系深46 cm。C样地:枯枝落叶层7~15 cm,腐殖层7~11 cm,根系深61cm。

3.2 不同深度间土壤水δD关系

根据SPSS,对土壤剖面各层次土壤水δD进行ANOVA方差分析,结果表明:A、B、C样地6天及10天的各剖面及各层次土壤水δD差异均不显著(P > 0.05)。因此,A、B、C 3个样地各剖面及各层次土壤水δD均可以作为3个重复使用。

3.3 不同深度土壤水中δD的变化

图 1(a)为2003年8月9日降水15.7 mm后,10、12、14及20日枯枝落叶层和各层次土壤水δD的变化。从图 1(a)可以看出,降水第2天,枯枝落叶层水δD值较低(δD=-82.017‰)。0~20 cm土壤水δD值低且变化幅度小(-83.543‰ ~-82.017‰)。20~50 cm土壤水δD值迅速升高,变化幅度较大(-80.924‰ ~-70.378‰)。8月9日降水δD为-83.344‰,雨后第2天,土壤上层0~20 cm土壤水δD对应于这次降水过程,表明该次降水在第2天到达20 cm的深度,而且这次形成的降水还没有渗入30~60 cm的深度。在第4天,0~20 cm土壤水δD值变化幅度小(-79.943‰ ~-84.057‰);30~50 cm土壤水δ D值迅速升高,变化幅度较大(-69.262‰ ~ -80.246‰);继续往下,50~60 cm土壤水δD为-67.877‰。从图 1(a)可见,在8月10、12、14和20日4天,50~60 cm土壤水δD平均值为-68.283‰, δD最低值为-69.47‰,δD最高值为-67.786‰,标准误差为0.401,在δD试验标准误差±5‰范围内,表明一次降水15.7 mm后(雨后有小雨),50~60 cm土壤水δD趋于稳定。

图 1 3个样地不同深度土壤水δD均值变化 Fig. 1 δD average of soil water in different depth in three plots

图 1(b)可见,8月15日降水14.8 mm后第2天枯枝落叶层水δD为-82.173‰,0~20 cm土壤水δD较低且变化幅度较小(-82.173‰ ~ -84.351‰),向下到30~50 cm土壤水δD迅速升高,且变化幅度较大(-82.127‰ ~ -70.382‰),到50~60 cm土壤水δD值趋于稳定,8月14、16、18及20日4天中,50~60 cm土壤水δD均值为-67.867‰, 最低值为-68.735‰, 最高值为-67.511‰,标准误为0.318,在δD试验标准误差±5‰范围内,表明降水14.8 mm后(雨后无雨),50~60 cm土壤水δD趋于稳定,接近于浅层地下水δD值。

可见,不同深度(层次)土壤水δD的空间分布实际上很好地记录了降水从地表向地下渗浸的过程,用土壤水稳定同位素的变化来研究水分在土壤中的迁移过程不失为一种有效的方法。

土壤水δD受降水δD的影响,在土壤上层最明显,沿土壤坡面由上向下,这种影响越来越弱。δ D的波动为0~20 cm上层土壤最明显,20~50 cm时δD迅速升高,50~60 cm以下时δD趋于稳定。50~60 cm土壤水为前期降水和浅层地下水的混合。造成这种变化的可能原因为:1)浅层地下水与接近地下水的土层间水分交换相当活跃,造成接近浅层地下水面的土壤水受浅层地下水的影响较大,因此δD变化较小;2)降水从地表向地下渗透的过程中,新降水并没有完全替代深层土壤中原有的水分。

3.4 地表层土壤水δD随采样时间的变化

测量森林中枯枝落叶层和表层土壤水δD的一个主要目的是研究地表层蒸发对枯枝落叶层水和表层土壤水δD的影响。由于暗针叶林中同一植被类型3个不同海拔高度A、B和C样地枯枝落叶层和各层次土壤水δD差异不显著,因此,A、B和C 3个样地枯枝落叶层水δD和各层次土壤水δ D可以作为3个重复使用。

图 2给出2003年夏季卧龙暗针叶林中土壤坡面结构中枯枝落叶层、腐殖层(0~5 cm)、淀积层(30~40 cm)和母质层(50~60 cm)土壤水δD随采样时间的变化。从图 2可以看出,枯枝落叶层水δD和0~5 cm表层土壤水δD的波动幅度小于降水δD,但林中枯枝落叶层和0~5 cm表层土壤水δD变化与降水δD的变化趋势一致,显示出枯枝落叶层和0~5 cm表层土壤水中δD受降水δD控制。

图 2 不同水分δD值日变化 Fig. 2 Daily dynamic of δD value of various water

在8月15日降水(降水量为14.8 mm)以后的数天内,几乎无雨(降水量极小,可以忽略不计,见图 3),所以枯枝落叶层和0~5 cm表层土壤水δD在此后数天内主要受8月15日降水的影响。8月15—19日,随林外、林内蒸发量增高,枯枝落叶层水和0~5 cm表层土壤水δD逐渐升高,但变化幅度不大,枯枝落叶层水δD与8月15日降水δD较接近(图 2)。

图 3 蒸发量和降水量日变化 Fig. 3 Daily dynamics of evaporations and precipitations
3.5 降水对不同深度土壤水的贡献率

图 12可以看出,在卧龙亚高山暗针叶林中,土壤水δ D介于降水δD与浅层地下水δD之间,表明土壤水主要来源于降水与浅层地下水。

8月15日降水14.80 mm后5 d内,降水对暗针叶林中土壤坡面结构中枯枝落叶层、腐殖质层(0~5 cm)、淀积层(30~40 cm)和母质层(50~60 cm)的贡献率列在表 3中。从表 3可以看出,在一次性降水14.8 mm后,降水对暗针叶林中枯枝落叶层的贡献率最高(75.49%~99.91%),对0~5 cm深处土壤水的贡献率次之(66.68%~83.01%), 对30~40 cm深处土壤水的贡献率较低(24.50%~80.57%),对土壤坡面下层50~60 cm深处土壤水的贡献率最低(21.22%~29.17%)。而浅层地下水对50~60 cm深处土壤水的贡献率较高(70.83%~77.28%),进一步表明50~60 cm深处土壤水为降水、浅层地下水的混合体。

表 3 14.8 mm降水对不同深度土壤水的贡献率 Tab.3 Contribution rate of precipitation 14.8 mm on soil water in different layers
3.6 土壤水δD与浅层地下水、河水δD的关系

图 4可以看出,A样地从地表层土壤水到150 cm浅层地下水(泉水),氢稳定同位素的变化很大。表层(0~5 cm)土壤水δD与降水δD的变化趋势相当一致;而深层(50~60 cm)土壤水、浅层地下水δD的变化相当小,并且对降水δD变化的直接响应也很弱。降水对深层土壤水和浅层地下水δD的影响微弱, 可以用土壤浅层非饱和带在降雨前就已存在的非本次降水(旧水)被置换速度的差异来解释。前期研究(顾慰祖,1992)已经发现:地表径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(“新水”)共同构成地表径流(顾慰祖,1992)。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(preevent 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因活塞流——即因本次降水的作用而导致的壤中流被挤压出来影响径流组成;地下水和河水则比较稳定,受降雨的影响很微弱。

图 4 δD值日变化 Fig. 4 Daily dynamic of δD value

深层土壤水、浅层地下水、河水最终受降水的影响,但降水对深层土壤水、浅层地下水、河水的直接影响并不十分显著。深层土壤水和浅层地下水δD的稳定性说明深层土壤水、地下水代表了多年降水的平均状态,而不是一个夏季降水的总和。卧龙亚高山暗针叶林深层土壤水、地下水在水量平衡中起着重要作用。深层土壤水、壤中流和地下水对一个地区水中稳定同位素的变化起着显著的缓冲作用,使得深层土壤水、地下水,以至于河水δD随时间的变化远小于降水。

4 结论

1) 卧龙亚高山暗针叶林枯枝落叶层和腐殖层较厚,表层土壤水δ D表现出与降水δD一致的变化趋势,显示出表层土壤水δD受降水δD控制。

2) 卧龙亚高山暗针叶林3个不同群落中土壤水δD介于降水与浅层地下水δD之间。表明卧龙亚高山暗针叶林土壤水主要源于降水与浅层地下水。在一次性降水14.8 mm后5天内,降水对土壤坡面枯枝落叶层的贡献率最高(75.49%~99.91%),对上层腐殖质层0~5 cm的贡献率次之(66.68%~83.01%),对30~40 cm淀积层的贡献率较低(24.50%~80.57%),对50~60 cm母质层贡献率最低(21.22%~29.17%)。

3) A、B、C群落中土壤垂直剖面土壤水δD的空间分布形式反映了降水δD的时间变化特征。土壤剖面中不同层位土壤水δ D在表层变化最大,向下变化幅度越来越小,60 cm以下土壤水δ D趋于稳定,并逐渐接近地下水δD值。

4) 浅层地下水δD受降水δD的直接影响不明显,变化幅度很小,浅层地下水δD的稳定性说明浅层地下水代表了多年降水的平均状态,而不是一个夏季降水的总和,该地区地下水在水量平衡中起着重要作用。地下水对一个地区水中稳定同位素的变化起着显著的缓冲作用。

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