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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文章历史
- 收稿日期:2006-05-08
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作者相关文章
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)
2. School of Life Science, Nanjing University Nanjing 210093;
3. Laboratory of Quantitative Vegetation Ecology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences Beijing 100093
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(2005;2006)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。
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。
由图 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。
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)。
从图 1、2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。
从图 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。
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。
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//李博. 现代生态学讲座.北京:科学出版社, 161. |
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 |
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 |
孙双峰, 黄建辉, 林光辉, 等. 2005. 稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用. 生态学报, 25(9): 2362-2371. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2005.09.032 |
田立德, 姚檀栋, Tsujimura M, 等. 2002. 青藏高原中部土壤水中稳定同位素变化. 土壤学报, 39(3): 289-294. DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2002.03.001 |
王恒纯. 1991. 同位素水文地质概论. 北京: 地质出版社, 11-26.
|
徐庆, 安树青, 刘世荣, 等. 2005. 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. 林业科学, 41(4): 7-12. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.2005.04.002 |
徐庆, 刘世荣, 安树青, 等. 2006. 川西亚高山暗针叶林降水分配过程中氧稳定同位素特征. 植物生态学报, 30(1): 83-89. DOI:10.3321/j.issn:1005-264X.2006.01.012 |
徐庆, 刘世荣, 安树青, 等. 2006. 卧龙地区大气降水氢氧同位素特征的研究. 林业科学研究, 19(6): 679-686. DOI:10.3321/j.issn:1001-1498.2006.06.002 |
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 |
Craig H. 1961. Isotopic variations in meteoric water. Science, 133: 1702-1703. DOI:10.1126/science.133.3465.1702 |
Donald L P, Jillian W G. 2003. Source partitioning using stable isotopes: coping with too many sources. Oecologia, 236: 261-269. |
Dawson T E, Ehleringer J R. 1991. Streamside trees that do not use stream water. Nature, 350: 335-337. DOI:10.1038/350335a0 |
Dansgaard W. 1964. Stable isotopes in precipitation. Tellus, 16(4): 436-468. DOI:10.3402/tellusa.v16i4.8993 |
Ehleringer J R, Rundel P W. 1988. Stable isotopes in ecological research. New York: Springer-Verlag, 1-15.
|
Fahey T J, Yavitt B, Joyce G. 1988. Precipitation and throughfall chemistry in Pinus contorta ssp.Latifolia ecosystems, South-eastern Wyoming.. Canadian Journal of Forest Research, 18: 337-345. DOI:10.1139/x88-051 |
Frohlich K, Sanjdorj. 1996. Some results on the use of environmental isotope techniques in groundwater resources studies in Mongolia.IAEA editorial staffed. Vienna:Isotopes in Water Resources Management (Volume 2).. IAEA Publ: 171-174. |
Gat J R, Tzur Y. 1966. Modification of the istopic composition of rainwater by processes which occur before groundwater recharge.IAEA editorial staff. Vienna: Isotopes in Hydrology.. IAEA Publ: 49-60. |
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 |
Phillips S L, Ehleringer J R. 1995. Limited uptake of summer precipitation by bigtooth maple (Acer grandidentatum Nutt) and Gambel's oak (Quercus gambelii Nutt). Trees, 9: 214-219. |
Senturk F, Bursali S, Omay Y, et al. 1970. Isotope techniques aoolied to groundwater movement in the Konya plain.IAEA editorial staffed. Vienna : Istope in Hydrology. IAEA Publ: 153-161. |
Sternberg L d S L, Swart P K. 1987. Utilization of freshwater and ocean water by coastal plants of southern Florida. Ecology, 68: 1898-1905. DOI:10.2307/1939881 |
Takashi Satio. 2000. Runoff characteristics in a small mountain basin by the use of hydrogen and oxygen stable isotopes. Limonology, (1): 217-224. |
White J W C, Cook E R, Lawrence J R, et al. 1985. The D/H ratios of sap in trees: implications for water sources and tree ring D/H ratios. Geochimica et Cosmochimica Acta, 49: 237-246. DOI:10.1016/0016-7037(85)90207-8 |