基于氢氧同位素的淡水湿地森林水文过程研究 ——以安徽安庆湿地森林为例

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:imanhuaa
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淡水湿地森林在调节气候、蓄洪防旱、维持生态系统平衡等方面发挥重要作用。在全球降水格局变化背景下,淡水湿地森林水文过程发生改变,造成其生态功能退化,威胁区域生态安全。然而,学术界关于淡水湿地森林水文过程的认识相对不足,特别是对不同类型的湿地森林(不同林型)中大气降水、土壤水、植物水、浅层地下水等水文过程的认识仍然不清楚。为此,本研究以我国长江中下游安徽安庆地区两种类型淡水湿地森林(美洲黑杨纯林、美洲黑杨-池杉-枫香针阔混交林)为研究对象,基于不同量级降水事件前后林中各水体的氢氧稳定同位素组成及野外观测的气象因子、植物群落及土壤结构特征等实测数据,并结合线性混合模型,Mix SIAR模型,结构方程模型及方差分解等分析方法,系统阐明了该地区大气降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源,定量阐明了不同量级降水对不同林型土壤水的贡献率以及各林中优势植物的水分利用格局,解析了淡水湿地森林中各水体之间的转化关系,初步揭示了淡水湿地森林植被和土壤结构对水文过程的调控作用。本论文的主要结果如下:在大气降水氢氧同位素特征及水汽来源方面,运用氢氧稳定同位素技术,测定和分析了安徽安庆地区2015至2017年154个大气降水样品的氢氧同位素组成,并将其与环境因子(日降水量、气温、湿度)建立相关关系,分析影响降水氢氧同位素组成的主要因素。进一步利用降水过量氘(d)值分析研究区大气降水水汽来源,并基于HYSPLIT气团轨迹模型验证其水汽来源结果的可靠性。研究结果表明,安庆地区大气降水δD~δ18O的关系式为δD=(8.08±0.06)δ18O+(10.84±0.48)(R2=0.99,n=154)。降水δD和δ18O均与气温显著负相关(P<0.01),但与日降水量无显著相关关系,表明安庆地区大气降水氢氧稳定同位素呈现显著的反温度效应。大气降水过量氘值接近全球过量氘平均值(10‰),表明该地区水汽主要受海洋水汽主导。HYSPLIT气团轨迹模型结果进一步表明,安庆地区春季的水汽主要来源于我国华北、华南地区的大陆性气团及局地蒸发水汽,降水量较大时也会受到太平洋东南季风的影响;夏、秋、冬季的水汽主要受我国南海气团、印度洋西南季风及太平洋东南季风的影响。在降水对淡水湿地森林土壤水的贡献率方面,基于上述一致的技术,研究不同量级降水对两种类型淡水湿地森林(纯林、混交林)各层土壤水的贡献率大小。在此基础上,通过测定各林中的土壤属性(容重、总孔隙度、田间持水量及质地)和植被生物量(乔木、草本、凋落物及根系的生物量),解析影响降水对各层土壤水贡献率的主要因素。研究结果显示,小雨(7.9 mm)及中雨(18.6 mm)对两种湿地森林土壤水的贡献率无显著差异,大雨(34.1 mm)对混交林土壤水贡献率显著高于纯林(74.3%>62.9%),表明混交林土壤截持强降水能力显著高于纯林。结构方程模型结果进一步表明,土壤属性的差异是导致两种林型降水截持能力不同的主要原因。在淡水湿地森林植物水分利用格局方面,通过比较两种林型中优势植物茎(木质部)水与其潜在水源δD(δ18O),明确林中优势植物的水分来源,并基于贝叶斯混合模型解析不同量级降水后各林中优势植物对各层土壤水的利用比例。进一步通过测定和分析林中的土壤属性(容重,田间持水量及质地)及树种属性(叶片生物量,根系生物量及胸径),揭示影响优势植物水分利用比例的主要因素。研究结果显示,美洲黑杨主要利用深层土壤水(60~100 cm),且美洲黑杨与其它针阔叶树种(池杉及枫香)混交后,对深层土壤水的利用比例减小,但对浅层土壤水(0~40 cm)利用比例增加。方差分解和偏相关分析结果表明,两种林型中美洲黑杨的树种属性的差异是导致这一现象的主要原因。在淡水湿地森林各水体转化关系方面,基于线性拟合分析,发现降水δD(δ18O)与长江水、林冠穿透水、土壤水、植物水及浅层地下水的δD(δ18O)值之间存在显著正相关关系,表明降水是长江水、林冠穿透水、土壤水及浅层地下水的主要补给来源。进一步研究发现,安庆地区长江水与浅层地下水的δD值也呈显著相关,表明二者存在相互转化关系。土壤水除受到大气降水补给外,还受到浅层地下水的补给。另外,研究区淡水湿地森林中优势植物的直接水分来源为土壤水。在淡水湿地森林对水文过程的调控作用方面,通过比较分析三个不同降水事件后,两种林型中林冠穿透水、土壤水及浅层地下水的δD(δ18O)值及地下水位数据,发现小雨(7.9 mm)后,纯林与混交林林冠穿透水δD比降水δD稍贫化,而中雨(18.6 mm)及大雨(34.1 mm)后,各林地林冠穿透水δD与降水δD值基本一致。这一结果表明,降水量较小时,两种淡水湿地森林林冠层对降水有一定的截留作用,随着降水量的增加,林冠层对降水的截留作用逐渐减小,且纯林与混交林林冠层对降水的截留作用无显著差异。两种淡水湿地森林植被结构对降水在土壤剖面入渗过程皆具有一定调控作用,且混交林的调控作用优于纯林。此外,研究区地下水位普遍偏高,且混交林中的地下水位较纯林高,更有利于涵养水源。总之,本研究发现,在安庆淡水湿地森林区,针阔混交林的土壤持水能力、优势植物的水分利用比例及森林植被对水文过程的调控作用均优于纯林。与纯林相比,混交林具有更好的蓄洪防旱能力,为应对长江中下游地区频发的极端降水事件发挥重要作用。建议今后在长江中下游地区进行退化淡水湿地森林植被恢复或人工林建设时,应注意多物种配置。这不仅可以增加人工湿地森林的生物多样性和生态系统稳定性,同时也可提高淡水湿地森林生态系统的水源涵养能力。
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