基于氢氧同位素的川西亚高山森林对水文过程的调控作用研究

论文摘要

森林对水文过程的影响是其重要生态功能之一,森林与水的关系问题是森林水文学和生态学研究的热点。在研究森林植被对水文过程的影响中,已存在于水分子中的氢氧稳定同位素是理想的示踪剂。其优势在于克服传统方法的缺点,综合反映植被和土壤对降水的截留能力,最终把林冠和土壤对水分的截流效应定量化。川西亚高山森林位于长江重要支流——岷江的源头地区,是长江上游森林的主体,对于维持区域小气候、涵养水源和水土保持等具有十分重要的意义。关于川西亚高山森林生态系统水文过程的研究多为定性描述,对林中地表水、蒸发水和植物水研究较少,不同类型森林对水循环过程调控机理研究目前还是空白。本文运用氢氧稳定同位素技术定量研究卧龙亚高山3种类型森林的降水、林冠穿透水、土壤水、溪水、蒸发水和植物水及各水体的关系,以探讨卧龙亚高山不同森林类型优势植物的水分利用格局,阐明不同植被结构对水文过程的调控作用,为揭示亚高山森林植被对区域暴雨径流的调控机制和水资源的保护与合理利用提供科学依据。本研究结果表明:(1)卧龙亚高山不同森林类型中,无林对照样地土壤水δD值与箭竹–冷杉林、杜鹃–冷杉林和川滇高山栎林内土壤水δD值均具有极显著差异(p<0.01);卧龙亚高山箭竹–冷杉林土壤水δD值和杜鹃–冷杉林土壤水δD值差异不显著(p=0.104>0.05)。在卧龙亚高山森林中,一次性降水11.6mm后6天内,降水对枯枝落叶层的贡献率最高(59.53%～98.11%)对40～60cm深处土壤水的贡献率最小(11.83%～41.74%)。不同森林类型土壤水得到降水的补给率具有显著差异,表明卧龙亚高山森林植被结构和土壤结构对降水在土壤中的运移过程具有显著调控作用。(2)卧龙亚高山不同森林类型内优势植物的植物茎(木质部)水δD值介于降水和60～80cm深层土壤水δD值之间,表明优势植物的水分主要来源于降水和60～80cm深层土壤水;降雨11.6mm后,箭竹–冷杉林中,岷江冷杉对该次降水的利用率较低,为6.15%~31.38%,糙皮桦较高,为42.89%~78.89%,冷箭竹最高,为50.10%~90.85%;杜鹃–冷杉林中,岷江冷杉对该次降水利用率为12.51%~36.14%,糙皮桦为35.96%~81.10%,大叶金顶杜鹃为44.95%~87.26%;在川滇高山栎林中,川滇高山栎和高山柳对该次降水的利用率分别为58.93%~94.11%和7.45%~49.58%。深根植物岷江冷杉对降雨的依赖程度较低,更多的依赖深层土壤水,浅根植物冷箭竹对降水的依赖程度较高,大叶金顶杜鹃对降水的依赖程度介于二者之间,川滇高山栎对降水的依赖程度高于高山柳。(3)卧龙地区亚高山森林内蒸发水氢氧同位素间显著线性相关(p=0.000),且蒸发水的δD和δ(18)~O值在不同类型森林内变幅不同。无林地内蒸发水比不同类型森林内蒸发水富集重同位素,表明无林地土壤水蒸发较强,卧龙亚高山不同类型森林对林内水分的蒸发散失具有一定的调控作用。(4)卧龙亚高山森林(箭竹–冷杉林和川滇高山栎林)中地表径流(溪水)的δD(δ(18)~O)表现出相当稳定性,其中箭竹–冷杉林地表径流δD(δ(18)~O)介于–88.814‰～–95.559‰(–11.257‰～–13.076‰)之间;川滇高山栎林地表径流δD(δ(18)~O)介于–47.129‰～–80.264‰(–9.415‰～–11.121‰)之间;大气降水δD(δ(18)~O)介于–66.806‰～–156.168‰(–8.556‰～–17.731‰)之间;表明卧龙亚高山森林地表径流的δD(δ(18)~O)受雨水直接影响都很小。箭竹–冷杉林地表径流(S1)δD(δ(18)~O)的波动小于川滇高山栎林地表径流(S2)δD(δ(18)~O)的波动,表明S1的δD(δ(18)~O)受降水的直接影响更小。降水对地表径流δD(δ(18)~O)影响与降水强度有关。当降水量在0～10mm时,降水对地表径流的影响甚微,降水δD(δ(18)~O)的降低引起地表径流δD(δ(18)~O)降低,这种影响在降雨第4天才滞后发生。当降水量在10～20mm时,降水δD(δ(18)~O)的升高或降低引起地表径流δD(δ(18)~O)降低,这种影响在降水第2～3天滞后发生。当降水量在20～30mm时,地表径流δD(δ(18)~O)随雨水的δD(δ(18)~O)变化有微弱变化,这种影响在降雨当天或第2天发生。表明川西亚高山森林对地表径流(溪水)具有明显的调控作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 表目录
• 图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及评述
• 1.2.1 稳定同位素示踪基本原理
• 1.2.2 林冠穿透水
• 1.2.3 地表水
• 1.2.4 土壤水和壤中流
• 1.2.5 地下水
• 1.2.6 植物水分利用来源和策略研究进展
• 1.3 研究目标和主要研究内容
• 1.3.1 关键的科学问题与研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究技术路线
• 第二章 研究地区概况
• 2.1 研究区自然条件概况
• 2.1.1 地形地貌条件
• 2.1.2 气候条件
• 2.1.3 土壤类型
• 2.1.4 植被特点
• 2.1.5 研究地区位置分布图
• 2.2 研究样地设置
• 第三章 降水在卧龙亚高山森林土壤剖面中的迁移过程
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料与研究方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 野外采样方法
• 3.2.3 样品测试方法
• 3.2.4 贡献率
• 3.2.5 数据处理
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 土壤水氢氧稳定同位素特征
• 3.3.2 卧龙亚高山森林土壤水的时间格局
• 3.3.2.1 采样期间研究地区降水量的变化
• 3.3.3 降水对不同深度土壤水的贡献率
• 3.3.4 不同季节降水对卧龙亚高山针叶林土壤水的贡献率
• 3.3.5 不同类型森林下土壤剖面水分的迁移规律
• 3.4 小结
• 第四章 卧龙亚高山不同群落类型优势植物水分利用策略
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料和研究方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 样品测试方法
• 4.2.3 数据处理
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 植物水氢氧同位素特征
• 4.3.2 植物水氢稳定同位素与土壤水氢同位素的关系
• 4.3.3 不同森林类型中的优势植物对该次降水的利用率
• 4.3.4 植物的根系分布
• 4.4 小结
• 第五章 卧龙亚高山不同类型森林对地表径流的调控作用
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料和研究方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 样品测试方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 降水和穿透水氢氧同位素特征
• 5.3.2 地表径流（溪流水）的氢氧同位素特征
• 5.3.3 卧龙亚高山不同森林类型蒸发水的氢氧同位素特征
• 5.3.4 降水对地表径流（溪流水）的影响
• 5.3.5 不同降水条件下地表径流对降水的响应
• 5.4 小结
• 第六章 结论与讨论
• 6.1 结论
• 6.2 讨论
• 6.3 展望
• 参考文献
• 在读期间的学术研究
• 致谢