氫氧穩(wěn)定同位素在森林霧水研究中的應(yīng)用及展望

王卓娟 宋維峰 張小娟

(西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

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氫氧穩(wěn)定同位素在森林霧水研究中的應(yīng)用及展望

王卓娟 宋維峰 張小娟

(西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

霧水是森林生態(tài)系統(tǒng)中水平降水的重要組成之一，利用靈敏度高且可定量化測(cè)定的穩(wěn)定同位素技術(shù)，分析霧水在森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)中的作用，是目前森林水文研究的熱點(diǎn)。從林冠截留霧水、森林對(duì)霧水的利用情況以及霧水對(duì)森林土壤水、地下水的補(bǔ)給等方面進(jìn)行綜述，以期為運(yùn)用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)研究多霧山地生態(tài)系統(tǒng)和海濱生態(tài)系統(tǒng)中的森林生態(tài)水文效應(yīng)提供參考。

森林；霧水；氫氧穩(wěn)定同位素

森林水文學(xué)的研究始于19世紀(jì)60年代，其核心與熱點(diǎn)之一是森林與水的關(guān)系。在世界上許多地區(qū)，森林生態(tài)系統(tǒng)的水分輸入有易于觀測(cè)的降雨、降雪、地下水、地表水等形式，還有常規(guī)手段較難測(cè)量的霧水、露水、土壤吸附水等水平降水[1]。一般認(rèn)為，森林對(duì)水平降水有較為明顯的作用[2]。水平降水可能是森林生態(tài)系統(tǒng)水分輸入的重要組成部分，有著特殊的生態(tài)水文學(xué)意義。霧水作為水平降水的組成之一，與森林植被之間有著密切的聯(lián)系[3]，且最大霧水多出現(xiàn)在森林邊緣。在多霧的山地生態(tài)系統(tǒng)和海濱生態(tài)系統(tǒng)中，霧水是維持生態(tài)系統(tǒng)水分輸入不可或缺的因素[4]，研究森林植被的水文功能必須考慮霧的影響[5]。在霧高頻發(fā)生的地區(qū)，霧水可以是植物的水源，也可以補(bǔ)給地下水和地表徑流；尤其在某些多霧的干旱區(qū)，大霧的形成可以降低地面水分的蒸發(fā)，同時(shí)霧水是作物生長(zhǎng)的重要水源[6]。

目前，基于氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)探討生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)和植物生理學(xué)等領(lǐng)域的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但應(yīng)用其研究森林霧水走向的報(bào)道相對(duì)較少，我國(guó)此方面的研究更少，是一個(gè)值得深入研究的領(lǐng)域。

1 氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)示蹤森林霧水的理論基礎(chǔ)

具有相同的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)不同的同一元素的不同原子互為同位素。自然界中許多元素都有同位素，依照其是否具有放射性可分為穩(wěn)定性同位素和放射性同位素。絕大部分穩(wěn)定同位素是天然形成的，也有一小部分是放射性同位素衰變的最終產(chǎn)物。同位素間質(zhì)量的微小差異引起其組成上的差異的現(xiàn)象稱作同位素效應(yīng)，其大小一般用同位素分餾來(lái)表示。

氫氧穩(wěn)定同位素被看作是水的“指紋”，為研究森林生態(tài)系統(tǒng)水資源的時(shí)空分布以及水循環(huán)過(guò)程提供了新的觀測(cè)手段[7]。天然存在于水分子中的氫穩(wěn)定同位素有1H(氫)、D(氘)2種，氧穩(wěn)定同位素有16O、17O、18O等3種。自然界中穩(wěn)定同位素的含量極低，用同位素比值的絕對(duì)量表示同位素的差異比較困難，因此國(guó)際上規(guī)定統(tǒng)一采用相對(duì)量來(lái)表示同位素組成，即同位素比率(δ)，其定義為：

式中：x為元素名稱；Rsample為樣品的同位素比值；Rstandard為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素比值。氫氧同位素的標(biāo)準(zhǔn)物一般采用標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水，即SMOW(standard mean ocean water)。δ值表示了樣品的同位素比值相對(duì)于某一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素比值的相對(duì)千分差。當(dāng)δ值大于零時(shí)，表示樣品的重同位素比標(biāo)準(zhǔn)物富集，小于零則比標(biāo)準(zhǔn)物貧化。

水中的氫氧穩(wěn)定同位素作為一種天然的示蹤物，其在不同環(huán)境條件下的組成不同，通過(guò)分析水中同位素組成的變化，可以探究森林生態(tài)系統(tǒng)中水分氫氧穩(wěn)定同位素時(shí)空變化規(guī)律。由于水蒸氣來(lái)源和同位素分餾機(jī)制的差異，相對(duì)同一地區(qū)的降水而言，大多數(shù)霧水的氫氧同位素較雨水富集[1]。穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)在確保實(shí)驗(yàn)方案可行性的基礎(chǔ)上，利用其靈敏度高、可定量化的優(yōu)點(diǎn)在研究森林霧水等方面不失為有效的工具。通常水分由植物根系吸收且從根向葉片運(yùn)輸過(guò)程中不發(fā)生同位素分餾，因此，通過(guò)對(duì)比植物木質(zhì)部水分與霧水的同位素組成，可以確定森林植被對(duì)霧水的選擇和吸收利用的比例；對(duì)比霧水與土壤水、地下水等水體中的氫氧穩(wěn)定同位素比率，可以推斷它們之間的相互關(guān)系[8]。

2 氫氧穩(wěn)定同位素在森林霧水研究中的應(yīng)用

2.1 森林對(duì)霧水的截留作用

森林生態(tài)系統(tǒng)的水分傳輸是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，其在森林群落尺度上主要集中在林冠層對(duì)降水分配、傳輸規(guī)律和過(guò)程的作用。林冠層是森林生態(tài)系統(tǒng)水分傳輸過(guò)程的開(kāi)始，通過(guò)對(duì)水分的截留和緩沖，減少了林地內(nèi)水分的輸入量，直接影響水分在森林生態(tài)系統(tǒng)中的整個(gè)循環(huán)過(guò)程。林冠截留是調(diào)節(jié)降水分配和水分輸入林內(nèi)的重要過(guò)程，影響林冠截留作用的有降水強(qiáng)度、森林植被結(jié)構(gòu)、天氣條件等多種因素，降水強(qiáng)度對(duì)截留的影響一般是線性的，在同一降水量的情況下，截留量、截留率都隨著降水強(qiáng)度增大而減小，林冠截留量與降水量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而林冠截留率則與降水量呈緊密的負(fù)相關(guān)關(guān)系[9]。

2.1.1 森林霧水的截留 霧水作為森林生態(tài)系統(tǒng)水分輸入的形式之一，在某種程度上彌補(bǔ)了所在地區(qū)降雨量的不足，是森林的重要水源之一[10]。近年來(lái)，霧水對(duì)森林水分的調(diào)節(jié)作用開(kāi)始受到人們的關(guān)注。

霧水通過(guò)林冠層的再分配可分為林冠截留、穿透水、樹(shù)干莖流3部分[11]。霧水截留量受群落結(jié)構(gòu)、霧的頻度和濃度、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度等因子的影響[12-13]。研究表明，復(fù)層林截留霧水的能力大于單層林，針葉林截留霧水的能力強(qiáng)于闊葉林[14]。霧首先形成于最上層林冠，由上層林冠向下沉降于下層林冠的過(guò)程會(huì)滯后3h左右，林冠在干季截留的霧水占全年總截留霧水的86%，可見(jiàn)林冠干季可以截留到較多的霧水[15]。森林邊緣的存在，使林冠截留霧水具有較高的空間變異性[13]，且迎風(fēng)面截留的霧水大于背風(fēng)面；由森林邊緣到林內(nèi)，年霧水截留量在迎風(fēng)面和背風(fēng)面都呈現(xiàn)指數(shù)形式急劇減小，二者在林緣0m處的林冠截留的霧水為41.1mm和24.3mm，分別是林內(nèi)截留霧水的2.5倍和1.5倍；迎風(fēng)面霧水截留在林內(nèi)25m左右處趨于穩(wěn)定，而背風(fēng)面在林內(nèi)15m左右處趨于穩(wěn)定[16]。

國(guó)外對(duì)于霧水的研究起步較早，方法也相對(duì)成熟，在林冠截留霧水方面也積累了寶貴的資料。WentFW[17]研究發(fā)現(xiàn)，干旱區(qū)植被具有較小的葉片很大程度上是為了截留更多的霧水；CavelierJ等[18]認(rèn)為，霧截留量與海拔相關(guān)，隨海拔高度的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并受盛行風(fēng)的影響，同時(shí)，林冠截留霧水占森林年水分總輸入的2.4%～60.6%，變化范圍為142～2 293mm。

霧水同位素分析始于1962年GonfiantiniR等區(qū)分霧水和雨水的研究[19]，認(rèn)為霧水比雨水的同位素比率高。之后，相關(guān)研究在美國(guó)，智利等國(guó)家逐漸開(kāi)展起來(lái)。DawsonTE在加利福尼亞北部海岸紅杉(Sequoiasempervirens)林設(shè)置了林地和裸地2塊對(duì)比樣地，認(rèn)為森林明顯能從霧中截獲更多的水分，其在應(yīng)用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)進(jìn)行林冠截留霧水定量化研究方面具有里程碑的意義。基于同位素示蹤原理和二分室混合模型，Dawson T E分析了1992—1994年平均每年輸入森林水分的δ2H，結(jié)果表明，紅杉林34%的水分來(lái)自林冠截留霧水，林內(nèi)霧水輸入量為23%，而裸地為17%；在霧水頻繁的夏季，上層林木從霧水中截留的水分約占水分輸入的8%～43%(平均18.6%)，下層林木截留6%～100%(平均66.5%)；紅樹(shù)林年蒸發(fā)散有13%～45%的水分來(lái)自霧水，且矮小植株的蒸發(fā)散(39%)大于高大植株(19%)；同時(shí)，在厄爾尼諾年(1993年)和干旱年(1994年)植物更依賴于霧水[20]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于霧水同位素的研究主要集中在西雙版納熱帶雨林。森林中霧的發(fā)生對(duì)林冠層具有一定的保溫作用，形成林冠層小氣候，改變了森林生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡狀況。劉文杰等研究表明，最上層林冠直接影響著林內(nèi)霧的形成[15]；在西雙版納熱帶季節(jié)雨林全年林冠共截留霧水(250.3±16.6)mm，占總降水(即穿透霧水、截留霧水、降雨量之和)的(12.1%±0.8%)，全年林冠穿透霧水與年降雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，占全年降水量的(4.9%±1.7%)[21]；雨水偏多的年份，其林冠滴落霧水較少，而雨水偏少的年份，林冠滴落霧水較多[22]；干季熱帶雨林冠層高的喬木冠層截留霧水多，且與風(fēng)速、降溫強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系[22]；從年霧水截留量、月霧水截留量到日霧水截留量，季節(jié)雨林都要多于人工橡膠林[23]。崔軍等[5]基于同位素技術(shù)具有靈敏度高、可定量化的優(yōu)點(diǎn)，在四川臥龍巴郎山高山灌叢陽(yáng)坡設(shè)置了植被結(jié)構(gòu)及周邊微環(huán)境因子差異明顯的3個(gè)樣地，林冠層較復(fù)雜的樣地其周邊風(fēng)速小，對(duì)霧水的截獲能力更強(qiáng)，而對(duì)霧水的截獲使所收集到的穿透水同位素值增大。因此，森林穿透水的氫氧穩(wěn)定同位素值可以靈敏地反映植被水分截留能力的大小。

2.1.2 森林霧水研究的采集方法 由于霧的形成具有特殊性，使關(guān)于霧水的研究具有明顯的區(qū)域性，主要集中在干旱半干旱區(qū)、海岸帶森林及熱帶雨林等地區(qū)。受采集方法和采集器的限制，關(guān)于森林霧水的研究相對(duì)于降雨來(lái)說(shuō)發(fā)展較為緩慢。

霧水的采集經(jīng)歷了樹(shù)枝(樹(shù)葉)截留、金屬桿(絲網(wǎng))、雨量桶等一系列的收集裝置[24]，但沒(méi)有統(tǒng)一的采集器，目前需要不斷的探索和改進(jìn)；加之同位素測(cè)定技術(shù)靈敏度高，采集的霧水要防止蒸發(fā)等因素引起的同位素分餾現(xiàn)象，采集方法和采集器是今后進(jìn)一步分析研究森林霧水需要解決的一個(gè)重要難題。

現(xiàn)階段基于氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)測(cè)定林冠截留霧水的方法通常采用在森林林下架置圓形漏斗或V型收集槽，再用塑料瓶來(lái)承接截留的霧水，早晨霧最濃重時(shí)采集未蒸發(fā)和未發(fā)生同位素富集作用的林內(nèi)滴落霧水帶回實(shí)驗(yàn)室后迅速冷凍，直至氫氧穩(wěn)定同位素比率的測(cè)定[15，22，25]。

2.2 森林對(duì)霧水的利用

在某些地區(qū)，森林植被能夠直接或間接地吸收利用霧水。植物利用霧水的方式有2種，一是根系吸收由林冠截留滴落至地面的流落水，二是植物葉片直接吸收霧水[26]。大量國(guó)外研究表明，植被可以吸收利用霧水。Aravena R等在智利北部山區(qū)基于氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，桉樹(shù)(Eucalyprusspp.)葉片水同位素組成與霧水相似，認(rèn)為濃濕霧維持著當(dāng)?shù)刂参锏纳L(zhǎng)[27]；Dawson T E[16]發(fā)現(xiàn)林冠截獲的霧水可供紅杉林本身或下層植物根系吸收利用；Feild T S等[28]在哥斯達(dá)黎加研究熱帶云霧林不同生命階段植物水分的利用模式，發(fā)現(xiàn)附生階段吸收隱性降水，喬木階段利用降雨，半附生階段同時(shí)利用隱性降水和降雨；Martorell C等[29]在墨西哥干旱山區(qū)分水嶺附近發(fā)現(xiàn)，具有肉質(zhì)葉的薔薇(Rosaspp.)能從霧水中吸收10%～100%的水分；Burgess S S O等[30]研究表明，海岸帶北美紅杉葉片可以直接吸收霧水，其葉片中6%的水分源于前晚形成的霧水；Corbin J D等[31]在加利福尼亞北部臨海草原研究多年生草本植物發(fā)現(xiàn)，其夏季干旱期所吸收的水分有28%～66%源于霧水。

在干季少雨季節(jié)的西雙版納熱帶雨林，滴落霧水是林下幼樹(shù)和耐陰樹(shù)種主要的水分供應(yīng)者[15]，同時(shí)，與干季林冠滴落霧水的穩(wěn)定性同位素值對(duì)比，雨季的變化范圍較小。王平元等[32]利用三元混合模型計(jì)算得出，半附生階段前期的斜葉榕(Ficusgibbosa)在干季利用的水分約有7%來(lái)源于霧水，約90%依賴于淺層土壤水，而半附生階段后期的斜葉榕幾乎不利用霧水。Liu W J等[33]研究了西雙版納季節(jié)性雨林冠層樹(shù)種在2個(gè)連續(xù)干季的水分利用狀況，發(fā)現(xiàn)常綠種白顏樹(shù)(Gironnierasubaequalis)優(yōu)先利用50 cm以上的土壤水，落葉種絨毛番龍眼(Pometiatomentosa)的主要水分來(lái)源是深層土壤水及淺層地下水，其幼苗可以利用霧水。

2.3 森林霧水與土壤水及地下水的關(guān)系

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于霧水補(bǔ)給到各種水體內(nèi)的時(shí)段、受補(bǔ)給區(qū)域的海拔高程以及水分滯留時(shí)間等的不同，從霧水到土壤水再到地下水，各水體中的氫氧穩(wěn)定同位素的組成存在一定的差異。土壤水在不同界面的水分傳輸過(guò)程起到過(guò)渡作用，土壤水和地下水的相互作用增加了森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水蓄庫(kù)的調(diào)蓄能力[34]。霧水可以增加植物和土壤的水分供應(yīng)量[29]。Ingraham N L等[35]的研究表明，霧水參與了土壤水和地下水的水分補(bǔ)給。Scholl M A等[36]分析夏威夷Maui島上的森林集水區(qū)水源補(bǔ)給時(shí)指出，霧水可以補(bǔ)給高海拔處分水嶺附近森林溪流和土壤水。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于森林霧水在水循環(huán)方面的研究較少。劉文杰等[15]通過(guò)分析2002—2003年西雙版納熱帶季節(jié)雨林內(nèi)的雨水、林冠滴落的霧水、淺層土壤水和地下水的穩(wěn)定性同位素表明，淺層土壤水是林內(nèi)多種植被的水分供應(yīng)源，其穩(wěn)定性同位素值介于霧水和雨水之間，其來(lái)源主要是霧水和雨水，但在干季淺層土壤水中包含更多的霧水，補(bǔ)給絕大部分來(lái)自霧水；地下水的穩(wěn)定性同位素值在干季和雨季與雨水沒(méi)有顯著差別，表明霧水對(duì)地下水的補(bǔ)給不明顯或無(wú)補(bǔ)給。李鵬菊[25]研究石灰山熱帶季節(jié)性濕潤(rùn)林內(nèi)干季時(shí)植被水分利用情況發(fā)現(xiàn)，植被吸收利用的是土壤水及地下水，但部分土壤水來(lái)源于霧水，植物通過(guò)利用土壤水間接利用霧水。

3 展 望

1) 現(xiàn)階段穩(wěn)定同位素的研究雖已取得了快速發(fā)展，但缺乏理論框架，尤其在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，缺乏系統(tǒng)性研究，穩(wěn)定同位素技術(shù)的研究還需要不斷探索。

2) 與傳統(tǒng)森林水文研究方法相比，同位素技術(shù)具有靈敏度高、可定量化的優(yōu)點(diǎn)，其在森林水文研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)用氫氧同位素技術(shù)對(duì)于霧水的定量化研究主要局限于測(cè)定滴落到地表的霧水量，對(duì)植被、地下水和地表徑流的補(bǔ)給作用的報(bào)道較少，且多數(shù)以定性分析為主。今后應(yīng)當(dāng)在森林生態(tài)系統(tǒng)層面上進(jìn)行多因子研究，將林冠對(duì)霧水的截留能力、森林對(duì)霧水的利用以及霧水對(duì)土壤水和地下水的補(bǔ)給定量化，克服傳統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)高估計(jì)實(shí)際上并不多的霧水，著眼于多時(shí)空尺度的綜合研究，闡明森林霧水形成與發(fā)展的過(guò)程和機(jī)理。

3) 現(xiàn)階段的研究中，水平降水的測(cè)定較為困難，樣品采集方法和采集器的研究和設(shè)計(jì)尤為重要，除霧水外其余水汽凝結(jié)物的同位素技術(shù)研究目前尚屬空白，今后應(yīng)利用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)，深入研究水平降水在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用，為增強(qiáng)地區(qū)水資源的合理利用，揭示水平降水對(duì)森林分布及其動(dòng)態(tài)變化的影響具有一定的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

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(責(zé)任編輯 曹 龍)

Application of Oxyhydrogen Stable Isotope Technology on Research of Fog Water in Forest

WANG Zhuo-juan，SONG Wei-feng，ZHANG Xiao-juan

(College of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

Fog is one of the important parts of horizontal precipitation in forest ecosystem. Based on stable isotope technique with high sensitivity and quantification is the focus research of forest hydrology to analyze the role of fog water in the water cycle in forest ecosystem. The paper summarized the canopy interception fog, forests utilization of fog water and fog water recharge soil water and groundwater, provided a reference for the use of hydrogen and oxygen stable isotope technique to study the foggy mountain ecosystem and coastal ecosystem in the forest hydrological effects.

forest; fog water; oxyhydrogen stable isotope

2014-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371066)資助。

宋維峰(1967—)，男，博士，教授。研究方向：森林水文、生態(tài)環(huán)境工程。Email：songwf85@126.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.04.019

S715

A

2095-1914(2015)04-0106-05

第1作者：王卓娟(1988—)，女，碩士生。研究方向：森林水文、土壤侵蝕。Email:wzhuojuan0228@163.com。