林业科学  2018, Vol. 54 Issue (10): 11-19 |
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土壤水是联系大气降水、地表水和地下水的纽带, 是生物地球化学循环中的关键环节(马菁等, 2016)。20世纪60年代, 国际上有学者就开始运用氢氧稳定同位素技术研究自然界的水循环(Zimmermann et al., 1966)。随后, 学者们相继开展利用稳定同位素技术研究土壤水分运移及其与降水和地下水的关系等, 如Mathieu等(1996)将水中氢氧稳定同位素的自然变化应用于西非巴罗戈盆地黏土土壤渗透及小流域地下水补给研究中; Gazis等(2004)研究新罕布什尔州汉诺威附近6个地区的降水和土壤水分的氢氧同位素组成, 揭示了有关土壤水分运动的机制; Yidana等(2016)建立了土壤水氢氧同位素剖面分布的数值模型; Mueller等(2014)在瑞士中央阿尔卑斯山山谷地带研究了斜坡地带土壤水分的运移特征。尽管在我国对土壤水氢氧同位素示踪研究起步较晚, 但发展迅速, 诸多学者研究了不同地区土壤水氢氧同位素特征(田立德等, 2002; 徐庆等, 2007; 程立平等, 2012; 张翔等, 2015; 陈婕等, 2017), 根据土壤水氢氧同位素特征及时空变化, 了解了土壤剖面中水分的分布状况, 并分析研究了水分在土壤剖面中的滞留时间(宋献方等, 2007; 孙晓旭等, 2012)及降水-土壤水-地下水等水体的相互补给过程(Li et al., 2015; Tian et al., 2008; Song et al., 2009; 王仕琴等, 2009)。通过比较土壤水与其潜在水源中的氘同位素值, 可判断土壤水的水分来源(徐庆等, 2007; 高德强等, 2017a)并推断植被结构对降水在土壤剖面的入渗过程是否具有调控作用(Xu et al., 2012)。
淡水湿地森林是指长期或周期性被水淹没的淡水木本植物群落, 在调节小气候、净化水质、蓄洪防旱和降解化学污染物等方面具有重要作用, 是区域水文过程中的重要组成部分(潘云芬等, 2007; 高德强等, 2017b)。长江三角洲地区是中国第一大经济区, 经济发展带来了诸多生态问题, 而关注该流域水资源与生态问题, 需更多地围绕水循环的生态影响进行评价(张秋霞等, 2014)。而目前利用氢氧同位素研究长三角地区的水文过程及水资源的研究主要集中在大气降水(王涛等, 2013; 董小芳等, 2017; 张蓓蓓等, 2017; 马迎宾等, 2018)、湖水(徐敬争等, 2016)、径流(王轶凡等, 2017)及地下水(林晓波, 2007; 李云, 2010; Chen et al., 2014)等方面, 但关于浙江绍兴淡水湿地森林土壤水氘同位素示踪的研究还未见报道。
浙江绍兴汤浦水库位于长三角地区, 属于国家一类水标准, 是绍兴市及周边地区饮用水的主要来源地, 流域内水资源及森林资源丰富, 研究该区域水循环对于保护区域森林资源及水源具有重要意义, 并且可为研究长三角地区的区域水循环提供理论基础。本研究探讨不同量级降水后浙江绍兴汤浦水库库区3种淡水湿地森林(阔叶林、针阔混交林和针叶林)土壤水氘同位素特征及降水对土壤水的贡献率, 以期为定量研究该区域淡水湿地森林生态系统水循环过程及为湿地森林植被恢复和重建提供科学依据。
1 研究区概况汤浦水库(120°42′10″—120°47′50″ E, 29°47′50″— 29°51′20″ N)位于我国长三角地区的浙江省绍兴市柯桥区, 处于会稽山脉内部, 库区控制流域集雨面积460 km2。该地区属于亚热带季风气候:温暖适中, 气候湿润。平均降水量高达1 400 mm, 年均气温16.5 ℃, 无霜期较长, 一年平均238天。研究区土壤属于红黄壤, 该流域内植物资源丰富, 森林覆盖率高。水库入口的水源保护区建有起到水源入库之前自净作用的人工湿地生态系统(120°42′10.89″ E, 29°47′33.95″ N), 以耐湿耐涝的植物为主, 主要乔木有池杉(Taxodium ascendens)、河桦(Betula nigra)、柳叶栎(Quercus phellos)、北美枫香(Liquidambar styraciflua)、美洲黑杨(Populus deltoides)和水紫树(Nyssa aquatica)等; 乔木林内野生草本植物较多, 主要有结缕草(Zoysia japonica)、喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)、早熟禾(Poa annua)、地榆(Sanguisorba officinalis)和酸模(Rumex acetosa)等。
2 研究方法 2.1 样地设置选择3种不同类型的淡水湿地森林作为试验样地:美洲黑杨-北美枫香-柳叶栎阔叶林、池杉-柳叶栎-河桦针阔混交林和池杉针叶林。3种林地内只有乔木和草本, 草本层盖度较高, 均达到80%以上。3种林地的林分类型、植物组成及土壤特征等调查结果见表 1。
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降水:在林外空地放置3个雨量筒, 每次降水后采集, 如降水发生在晚上, 则在第2天上午7:00采集作为前1天大气降水样品, 将3个雨量筒中的降水样品混合。2015年7月至2017年12月共采集266次降水, 其中降水量≤10 mm的降水频率高达51.5%, 10 mm＜降水量≤20 mm的降水频率为28.6%, 降水量＞30 mm的降水频率为19.9%。从所有降水中选择3个降水事件:7.5 mm的小雨(0 mm＜降水量≤10 mm), 2017年7月10日降水; 14.5 mm的中雨(10 mm＜降水量≤20 mm), 2017年5月22日降水; 35.0 mm的大雨(降水量＞20 mm), 2016年9月16日降水。
土壤及枯枝落叶:在3种林分内各挖3个0~100 cm土壤剖面, 共分5层(0~20, 20~40, 40~60, 60~80和80~100 cm)采集土壤样品, 在每一土壤剖面表层收集枯枝落叶, 在每个降水事件前采集对照样品, 降水后每天采样1次, 连续采集9天。
浅层地下水:在3种林分内各打一口水井, 每月采集3次(每隔10天采集1次)井水样品。
所有采集的水样立即装入采样瓶并迅速密封, 置于0~-5 ℃冰箱低温保存, 固体样品(植物、土壤、枯枝落叶)置于-16~-18 ℃低温保存。
2.3 氘同位素测试所有水样品氘同位素的测定在清华大学地学中心稳定同位素实验室进行。固体样品测试前进行预处理试验, 即提取土壤水和枯枝落叶水(真空蒸发冷凝法)。利用MAT 253同位素比率质谱仪和Flash 2000 HT元素分析仪测定分析所有样品(土壤水、大气降水、浅层地下水、枯枝落叶水)δD值, 测定精度 < 1 ‰。氘同位素比值用相对维也纳标准平均海洋水(V-SMOW)的千分差(‰)表示:
| $ \delta {\text{D}} = ({R_{\text{s}}}/{R_{{\text{d}}}} - 1) \times 1000‰ 。$ |
式中:Rs和Rd分别为水体样品和V-SMOW中氘同位素比率(D/H)。
2.4 降水对各层土壤水贡献率计算根据土壤水氘值与所有潜在水源氘值比较, 如果确定为2种水源补给土壤水时, 采用二元线性混合模型计算2种水源占各层土壤水的比例:
| $ P = (\delta {{\text{D}}_{{\text{SW}}}} - \delta {{\text{D}}_{{\text{SG}}}})/(\delta {{\text{D}}_{\text{R}}} - \delta {{\text{D}}_{{\text{SG}}}}) \times 100\% 。$ |
式中:P为降水对土壤水的贡献率; δDSW、δDSG和δDR分别为土壤水δD、浅层地下水δD和大气降水δD。
2.5 数据分析利用Excel软件对数据进行整理, 采用SPSS统计分析软件对数据进行统计分析, 运用Origin软件作图。
3 结果分析 3.1 淡水湿地森林土壤水δD随采样时间的动态变化在3次降水事件(不同量级降水)后9天内, 林中土壤水δD值的时空动态变化如图 1所示。从图 1可以看出, 阔叶林、针阔混交林和针叶林中土壤水及枯枝落叶水δD值均介于降水δD和浅层地下水δD之间, 表明汤浦水库库区湿地森林中的土壤水主要来源于大气降水和浅层地下水, 且降水量越大, 阔叶林、针阔混交林和针叶林各层土壤水δD对降水δD的响应越明显, 降水后9天内土壤水δD值向雨前对照变化。
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图 1 不同降水条件下3种淡水湿地林分土壤水δD值随采样时间的动态变化 Figure 1 Variation of δD values in soil water of the three freshwater wetland stands following different rain with sampling times |
从图 1中可以看出, 降水7.5 mm(小雨)后9天内, 3个林地0~60 cm深处土壤水δD值随采样天数的增加逐渐降低; 3个林地0~40 cm土壤水δD值较雨前对照明显升高, 针阔混交林40~60 cm土壤水δD值比阔叶林和针叶林升高的多, 7.5 mm的降水可入渗到60 cm土层; 但60~100 cm深层土壤水δD值基本稳定, 表明该次降水很少入渗到60~100 cm深层土壤; 枯枝落叶水的δD值接近0~20 cm表层土壤水δD值。降水14.5 mm(中雨)后第1天(图 1), 3个林地中0~100 cm深处的土壤水δD值较雨前对照有明显变化, 表明该次降水能渗透到100 cm深处的土层, 降水δD对上层土壤水δD影响较大, 土壤深度越大, 影响越小; 雨后9天内, 3种林地土壤水δD值均随采样天数的增加逐渐升高, 并且逐渐接近雨前对照土壤水δD值。降水35.0 mm(大雨)后第1天(图 1), 3个林地0~100 cm土壤水δD值明显接近降水δD值, 表明35 mm降水当天能入渗到100 cm深度土层, 且对各层土壤水δD值影响皆较大, 其中0~20 cm表层土壤水δD值趋近于降水δD值(-75.1‰); 雨后9天内, 3种林地各层土壤水δD值随采样天数增加而逐渐升高, 但还未恢复到雨前对照值。
3.2 降水对淡水湿地森林各层土壤水的贡献率在3次不同量级降水发生后9天内, 降水对3种林地各层土壤水的贡献率随采样时间呈下降趋势(图 2)。降水第1天, 降水对3个类型湿地林分枯枝落叶层的贡献率最大。7.5, 14.5和35.0 mm降水后9天内对土壤水的贡献率分别为0~42.2%, 0~79.1%和7.3%~93.9%。
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图 2 不同量级降水对3种淡水湿地森林各层土壤水的贡献率 Figure 2 Contribution rate of different magnitude of rainfall to soil water in each layer of the three freshwater wetland forests |
降水7.5 mm(小雨)后9天内(图 2), 降水对各林地枯枝落叶层贡献率最大(4.2%~46.4%), 0~ 20 cm表层土壤水次之(6.1%~42.2%); 降水对3种林地0~40 cm土壤水贡献率随采样天数增加呈递减趋势; 降水对阔叶林、针阔混交林40~60 cm土壤水的贡献率高于针叶林, 7.5 mm降水对针叶林土壤水的贡献率在雨后第3天降为0, 阔叶林在雨后第6天降为0, 针阔混交林则是在雨后第8天降为0。可见小雨(降雨量≤10 mm)在针阔混交林土壤中存留时间最长, 对3个林地中80~100 cm深层土壤水的贡献率皆为0, 表明小雨(7.5 mm)没有入渗到80 cm以下土层。降水14.5 mm(中雨)后第1天(图 2), 降水对3个林地的枯枝落叶层的贡献率最大, 分别为75.2%(阔叶林), 85.4%(针阔混交林)和65.3%(针叶林); 该次降水后9天内, 降水对阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤水的贡献率分别为0~70.3%, 0~79.1%和0~58.4%;该次降水对针阔混交林20~100 cm土壤水的贡献率降为0所需时间最长, 阔叶林次之, 针叶林最短, 表明中雨在针阔混交林土壤中存留时间最长。降水35.0 mm(大雨)后9天内(图 2), 降水对3个林中枯枝落叶层水的贡献率最大, 0~20 cm土壤水贡献率次之, 降水后第9天降水对3个林地土壤水的贡献率为7.3%~29.3%, 表明大雨能在0~100 cm土壤中至少存留9天以上。
3.3 不同类型淡水湿地森林土壤水δD及降水对土壤水贡献率与各影响因子的关系3种淡水湿地森林在3个不同量级降水后9天内, 各层土壤水δD值及降水对各层土壤水贡献率的重复测量数据方差分析结果如表 2所示。不同土层、不同降水事件后9天内土壤水δD值均存在极显著差异(P＜0.001), 不同类型湿地林分土壤水δD值差异显著(P=0.003)。降水事件是影响该湿地森林土壤水δD值的最主要因子(表 2, 图 1), 其次是采样天数、土壤层次及森林类型。影响降水对汤浦水库库区3种湿地森林土壤水贡献率的因素较多, 其中降水事件是最主要的影响因子(F=84 539.49, P＜0.001), 土壤层次、采样天数的影响次之(P＜0.001), 随着降水量的减小、采样天数的增加和土壤深度的增加, 降水对土壤水的贡献率均显著减小(表 2, 图 2)。
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浙江绍兴汤浦水库库区3种淡水湿地森林(阔叶林、针阔混交林和针叶林)的土壤水δD值均介于降水δD值和浅层地下水δD值之间(图 1), 表明该区淡水湿地森林土壤水主要来源于大气降水和浅层地下水。徐庆等(2007)研究四川卧龙暗针叶林土壤水发现该区林中土壤水分来源于降水与浅层地下水, 其研究结果与本研究结果基本一致; 张翔等(2015)研究鄱阳湖湿地土壤水稳定同位素变化特征发现, 该地区湿地土壤水主要受降水和周边地表水的影响, 本研究结果与其有一定差异, 后续将继续研究汤浦水库库区淡水湿地森林地表水、土壤水和浅层地下水的补给关系, 以揭示长三角地区地区湿地森林土壤水补给方式的差异及机制。
4.2 降水后土壤水δD的动态变化降水δD值对汤浦水库库区淡水湿地森林中的枯枝落叶水δD值的影响最大, 表层(0~20 cm)土壤水δD值次之, 量级较大的降水对枯枝落叶层和表层土壤水影响更大, 这与Xu等(2012)研究暗针叶林枯枝落叶水和表层土壤水结果一致; 王锐等(2014)研究黄土塬区、肖雄等(2016)研究青海湖流域土壤水氘同位素组成时也发现降水对表层土壤水的影响最大, 表明不同地区降水均对表层土壤水影响较大。大气降水会影响土壤水δD值变化(马雪宁等, 2012; 程立平等, 2012), 结合图 1和表 2可知, 不同降水事件是影响湿地森林土壤水δD值的主要因子, 表明在不同研究区域, 降水事件对土壤水δD值的影响皆较大(田日昌等, 2009; 田超等, 2015)。在不同量级降水后, 随着采样天数增加, 该库区3种淡水湿地森林中各层土壤水δD值(小雨后0~60 cm土层)变化不同(图 1), 这与3个林地的植被类型有关, 不同的湿地森林植被覆盖下, 降水入渗后的土壤水同位素值不同(侯士彬等, 2008)。降水量级变化会引起森林土壤水δD值的变化, 同时森林植被结构对壤中流有调控作用(徐庆等, 2005; Xu et al., 2012)。3种类型淡水湿地森林土壤水δD值对降水δD的响应不同(图 1, 表 2), 这在一定程度上说明, 淡水湿地森林的植物结构对降水在土壤剖面中的入渗过程具有一定调控作用。
4.3 降水对土壤水的贡献率从3个不同量级降水事件可以看出, 降水对汤浦水库库区湿地森林的枯枝落叶层和表层(0~20 cm)土壤水贡献率较大, 例如中雨(14.5 mm)对枯枝落叶层(厚度1 cm)和表层(0~20 cm)土壤水贡献率分别为0~82.4%和0~79.1%(9天内)。徐庆等(2007)研究一次性降水(14.8 mm)对川西亚高山暗针叶林中枯枝落叶层(厚度5~15 cm)和0 ~5 cm表层土壤水的贡献率分别高达75.5% ~99.9%和66.7% ~83.0%(5天内), 可见, 中雨对不同地区森林中枯枝落叶层和表层土壤水的贡献率皆较高, 这与森林类型、枯枝落叶厚度及表层采样深度不同有关。降水对土壤水的贡献率具有明显的变化规律, 降水事件(不同量级降水)是影响降水对3个林地各层土壤水贡献率的主要因子。有学者研究得出不同量级的大气降水对壤中流的贡献是动态变化的(肖雄等, 2016), 虽然研究地区不同, 但是不同量级降水对土壤水的影响皆比较明显。降水对各层土壤水的贡献率还能够反映植被类型对降水入渗的影响(徐庆等, 2007; 李晖等, 2008), 高德强等(2017a)研究降水对鼎湖山季风常绿阔叶林土壤水氘特征的影响也发现, 季风常绿阔叶林对降水在地表及土壤剖面入渗具有调控作用。本研究小雨(7.5 mm)和中雨(14.5 mm)后9天内, 降水对3个林地土壤水的贡献率有所不同, 结合林地土壤水δD值特征, 进一步表明植被类型对降水在土壤剖面的入渗过程是有影响的, 根据降水对土壤水的贡献率可知, 降水在湿地森林的针阔混交林内滞留时间最长(图 2, 表 2), 阔叶林次之, 针叶林最短, 表明针阔混交林的调控作用优于阔叶林优于针叶林, 即混交林的调控作用优于纯林。
5 结论浙江绍兴汤浦水库库区淡水湿地森林土壤水主要来源于大气降水和浅层地下水, 单次降水量越大, 降水δD值对土壤水δD值的影响越大。小雨后0~60 cm土壤水δD对降水有响应, 中雨和大雨后0~100 cm土壤水δD对降水均有响应。一次性降水对土壤水的贡献率随土层深度及采样天数的增加逐渐降低, 大雨对各层土壤水的贡献率(雨后9天内)为7.3%~93.9%;小雨和中雨后9天内, 降水对各林地土壤水的贡献率逐渐减小至0或接近0, 其中降水在针阔混交林各层土壤中滞留时间最长。汤浦水库库区3种不同林型湿地森林(阔叶林、针阔混交林和针叶林)对小雨和中雨在土壤剖面中的入渗过程具有一定的调控作用, 且混交林(阔叶林和针阔混交林)的调控作用优于纯林(针叶林), 因此, 建议今后在长三角地区进行人工淡水湿地森林植被恢复和构建中应考虑多树种混交种植。
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表1(Table 1)