基于同位素技术的森林生态系统水分通量解析

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利用大气水汽δ18O原位连续观测系统对北京山区侧柏林分大气水汽δ18O进行连续观测,重点探讨该地区大气水汽δ8O不同时间尺度(日、季节)上的变异特征及影响因子。结合LGR液态水同位素分析仪以及长期连续样品采集,获得北京山区侧柏林分土壤水、植物枝条木质部水以及系统蒸散水汽与降雨δ18O观测数据,重点探讨北京山区侧柏林分SPAC系统内水δ8O的变异特征及影响因子。根据利用δ18O区分生态系统植物蒸腾和土壤蒸发的基本原理,对北京山区侧柏林植物蒸腾与土壤蒸发进行区分,并结合树干液流计推算生态系统水分通量。主要研究结论如下(1)侧柏林大气水汽浓度、大气δ18O日内波动明显,日间变化差异较大,整体上0.05m与18m处大气水汽浓度、大气δ18O变化趋势一致。整个观测期内,大气水汽浓度呈现“倒U”型,54%的观测数据显示0.05m处大气水汽浓度大于18m处观测水汽浓度,72.2%的观测数据显示0.05m水汽6180高于18m处大气水汽δ180,符合大气水汽δ18O随着高度增加逐渐减小的规律。(2)通过大气水汽δ18O与相应的水汽浓度倒数之间的关系曲线和拟合方程,发现二者的线性相关关系较为显著,这说明利用Keeling Plot曲线方法在侧柏林分中是可行的,估算系统蒸散6ET值是可信的。(3)在影响大气水汽δ18O的诸多因素中,降雨对研究区大气水汽δ18O有明显的影响,大气水汽δ18O的波动尤其是大气水汽8180的下降与降雨过程密切相关,在全年观测阶段内,尽管大气水汽浓度与大气水汽δ18O存在一定的正相关关系,大气水汽δ18O(0.05m和18m)与大气气温、大气水汽压亏缺VPD呈现出较为明显的负相关关系。(4)侧柏林表层土壤水δ180日内保持稳定,季节变化中表层土壤水(0-5cm、5-10cm、10-20 cm)618O变化明显,整体可分3个阶段,表层土壤水618O阶段I>阶段II>阶段III,表层土壤水δ18O变幅阶段II>阶段I>阶段III。观测期内土壤蒸发水汽δE-5cm大于8E-10cm,土壤蒸发过程存在显著的同位素分馏效应,表层土壤水分同位素显著富集,土壤蒸发水汽δ180显著贫化。(5)在影响土壤蒸发水汽6E的诸多因子中,h>70时,表层土壤蒸发水汽δ180开始出现较为快速的下降,h>90%时,表层土壤蒸发水汽δ18O出现明显异常,因此,当h较大或者接近饱和时,如夜间,Craig-Gordon模型所模拟的结果将会失真。观测期内,空气湿度、大气水汽浓度与土壤蒸发水汽6E呈负相关关系。(6)枝条水δ18O日内保持稳定。随着时间的推移,4种植物枝条水618O逐步降低,4种植物枝条水δ’8O之间的差异逐渐减小。季节变化中,4种植物枝条水δ’8O与表层土壤水6’8O的趋势一致,整体上,枝条水δ’8O灌木>乔木,枝条水δ’80变幅灌木>乔木,3个阶段中,无论乔木还是灌木,枝条水δ180阶段I>阶段II>阶段III,枝条水8180变幅阶段II>阶段I>阶段III。(7)在影响植物枝条水818O因素中,降雨及雨水818O对其影响是显而易见的,植物枝条水8D-818O关系曲线中可知,侧柏植株枝条水8D-δ18O关系曲线斜率与截距均明显大于灌木植物枝条水δ18O关系曲线,暗示不同的斜率和截距也反映出本地区降水过程中经历了不同的蒸发过程。(8)观测期内,植被蒸腾占蒸散比例呈现由低后上升至稳定的过程,阶段I为DAY90-DAY180,本阶段植被蒸腾占蒸散比例较低,可能是由于处于植物生长阶段前期,植物生长缓慢。阶段II为DAY180-DAY210,植被蒸腾占蒸散比例逐步上升,阶段Ⅲ为DAY210-DAY300,植被蒸腾占蒸散比例维持稳定,本阶段植被生长进入旺盛季节,导致该阶段植被蒸腾占蒸散比值较高。(9)植被蒸腾占蒸散比例均值为78.30%,DAY107-DAY283观测期内,采样当天侧柏日蒸腾量T日介于0.12mm-1.42mm,12:00-15:00林分蒸腾总量T12:00-15:00介于0.01mm-0.46mm,通过对侧柏林分T12:00-15:0/T日比值发现,DAY107, DAY118T12:00-15:0/T日比值较小,随着时间推移,植物蒸腾逐渐增强,尤其是12:00-15:00时期植物处于全天中更加强烈的蒸腾时期,导致DAY132-DAY283阶段T12:00-15:o/T日比值较高,约占当日植物蒸腾总量的36%。
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