天目山森林生態(tài)系統(tǒng)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響因素

牛曉棟，江 洪,，王 帆

（1.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.南京大學國際地球系統(tǒng)科學研究所，江蘇南京210093）

天目山森林生態(tài)系統(tǒng)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響因素

牛曉棟1，江 洪1,2，王 帆2

（1.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.南京大學國際地球系統(tǒng)科學研究所，江蘇南京210093）

穩(wěn)定同位素技術(shù)是進一步揭示生態(tài)系統(tǒng)碳/水交換對環(huán)境條件變化響應的重要手段。學者將此技術(shù)用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的較多，關(guān)于對森林生態(tài)系統(tǒng)的研究幾乎沒有。利用大氣水汽穩(wěn)定同位素觀測系統(tǒng)和常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)對浙江省天目山常綠落葉闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)進行觀測。以2013年8月1日到2013年10月1日觀測的數(shù)據(jù)為依據(jù)，對天目山森林生態(tài)系統(tǒng)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成（δv）的影響因素及其相互關(guān)系進行了研究。結(jié)果顯示：在森林生態(tài)系統(tǒng)中，大氣降水、環(huán)境溫度、土壤5 cm溫度與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的相關(guān)性顯著（P＜0.05）。土壤5 cm濕度、環(huán)境濕度、平均風速、凈輻射與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的相關(guān)性不顯著。和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相比，森林生態(tài)系統(tǒng)中對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成產(chǎn)生影響的環(huán)境因素有一定差別。圖13參17

森林生態(tài)學；大氣水汽穩(wěn)定同位素組成；森林生態(tài)系統(tǒng)；影響因素；相關(guān)性；天目山

水和水的循環(huán)對于生態(tài)系統(tǒng)具有特別重要的意義。水的主要循環(huán)路線是從地球表面通過蒸發(fā)進入大氣圈，同時又不斷從大氣圈通過降水而回到地球表面。水在蒸發(fā)和凝結(jié)時,組成水分子的氫和氧同位素含量將產(chǎn)生微小的變化，這種現(xiàn)象被稱為同位素分餾作用［1］。生態(tài)系統(tǒng)水分向大氣的輸出包括蒸騰和蒸發(fā)2個過程，統(tǒng)一稱為地表蒸散［2］。利用微氣象法，人們已經(jīng)能夠測定生態(tài)系統(tǒng)水汽通量，但是不能精確量化蒸散通量中的蒸騰和蒸發(fā)對水汽通量變化的相對貢獻。穩(wěn)定性同位素貫穿于生態(tài)系統(tǒng)復雜的生物、物理、化學過程中，能夠在時間和空間尺度上整合反映生物生理生態(tài)過程對環(huán)境變化的響應，并逐漸成為人們深入了解生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化響應的重要工具。20世紀90年代以來，已有學者將穩(wěn)定同位素技術(shù)運用在生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)研究方面［3－6］。隨著激光痕量氣體分析儀技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了大氣水汽穩(wěn)定同位素組成（δv）的原位連續(xù)觀測［7］。結(jié)合Keeling Plot技術(shù)可以更深入地了解生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的過程［8］。近年來，一些學者也運用此技術(shù)成功區(qū)分了地表蒸散量，但大多集中在暖溫帶農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)［9－10］。對森林生態(tài)系統(tǒng)的大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的測定及地表蒸散分割的研究比較少［11］。森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境相較于農(nóng)田有很大不同，因此，研究森林生態(tài)系統(tǒng)中氣象因素對于大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響對于區(qū)分森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散組分有重要的意義。

1 研究方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于浙江天目山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（30°18′30″~30°24′55″N，119°24′47″~119° 28′27″E），面積為4 284 hm2。主峰仙人頂，海拔為1 506 m。氣候具有中亞熱帶向北亞熱帶過渡的特征，受海洋暖濕氣流的影響較深，形成季風強盛，四季分明，氣候溫和，雨水充沛，光照適宜且復雜多變的森林生態(tài)氣候［12］。自山麓至山頂，年平均氣溫為14.8~8.8℃，最冷月平均氣溫3.4~－2.6℃，極端最低氣溫－13.1~－20.2℃，最熱月平均氣溫28.1~19.9℃，極端最高氣溫38.2~29.1℃，無霜期235.0~209.0 d，年雨日159.2~183.1 d，年霧日64.1~255.3 d，年降水量1 390.0~1 870.0 mm［13］，年太陽輻射4 460~ 3 270 MJ·m－2［14］，年相對濕度76%~81%。

常綠落葉闊葉混交林是天目山精華植被［12］，分布于海拔850~1 140 m,常綠喬木主要有細葉青岡Cyclobalanopsis gracilis，石櫟Lithocarpus glaber和交讓木Daphniphyllum macropodum等，落葉喬木有青錢柳Cyclocarya paliurus，化香Platycarya strobilacea，楓香Liquidambar formosana，天目木姜子Litsea auriculata和短柄枹Quercus glandulifera等。灌木有柃木Eurya japonica，箬竹Indocalamus tessellatu和馬銀花Rhododendron ovatum等，另外混有針葉林柳杉Cryptomeria fortunei林、金錢松Pseudolarix amabilis林及黃山松Pinus taiwanensis林等，組成多種較復雜的森林類型。土壤為山地黃壤，土層深度約為100 cm。pH 5.0~6.0，枯枝落葉層厚為10~20 cm。試驗地在研究區(qū)的1塊常綠落葉闊葉混交林樣地（30°20′59″N，119°26′13.2″E）內(nèi)，海拔為1 139 m，樣地面積為20 m×20 m，主要喬木有小葉青岡Cyclobalanopsis myrsinifolia，交讓木，小葉白辛樹Pterostyrax corymbosus，短柄枹，青錢柳Cyclocarya paliurus，天目槭Acer sinopurpurascens，秀麗槭Acer elegantulum和糙葉樹Aphananthe aspera等，林齡為140 a，郁閉度0.7，林分密度3 125株·hm－2。林分為復層結(jié)構(gòu)，分3層，15.0 m以上的喬木約占3.2%，第2層8.0~ 14.0 m的喬木約占43.2%，其余的喬木均在8.0 m以下。優(yōu)勢樹種為小葉青岡、交讓木和小葉白辛樹等。據(jù)2012年調(diào)查，小葉青岡活立木平均高度為9.2 m,胸徑24.1 cm;交讓木活立木平均高度為5.1 m，胸徑7.8 cm；小葉白辛樹活立木平均高度為11.2 m，胸徑20.2 cm。小喬木或灌木主要有紅脈釣樟Lindera rubronervia，微毛柃Eurya hebeclados，莢蒾Viburnum dilatatum，大青Clerodendrum cyrtophyllum，浙江大青Clerodendrum kaichianum，野鴉椿Euscaphis japonica，山胡椒Lindera glauca，雞毛竹Shibataea chinensis，紫竹Phyllostachys nigra，牛鼻栓Fortunearia sinensis和四照花Dendrobenthamia japonica var. chinensis等。

1.2 觀測方法

1.2.1 大氣水汽穩(wěn)定同位素組成δv的原位連續(xù)觀測 試驗地建有40 m高的微氣象觀測塔，觀測塔搭載有由三維超聲風速儀（CAST3，Campbell Inc，美國）和開路CO2/H2O分析儀（Li-7500，LiCor Inc.，美國），7層CO2/H2O廓線觀測系統(tǒng)，大氣水汽穩(wěn)定同位素分析系統(tǒng)，以及常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)。利用LGR水汽同位素分析儀（WVIA）對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成進行原位連續(xù)觀測。該系統(tǒng)采用離軸積分腔輸出光譜技術(shù)，可以實現(xiàn)對環(huán)境中水汽濃度，δ18O，δD的原位連續(xù)觀測［15］，借助于外擴構(gòu)件可以測量5個不同高度的大氣水汽濃度及大氣水汽穩(wěn)定同位素組成。本試驗地的系統(tǒng)的5個高度分別設在2,4,8,16和32 m，取16 m高度的通道值代表森林生態(tài)系統(tǒng)的地表蒸散總量的大氣水汽穩(wěn)定同位素組成。數(shù)據(jù)采集頻率為6 min·次－1·通道－1，采樣頻率為0.1 Hz，輸出結(jié)果以相對于國際原子能機構(gòu)推薦的δv-SMOW值表示，δ18O的測量精度為（δ18O）＜±0.2‰，所采數(shù)據(jù)最后經(jīng)校準并標準化后統(tǒng)一使用。本研究中的穩(wěn)定同位素組成值均為δ18O。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)的觀測 常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)由錦州陽光氣象科技有限公司安裝，包括7層風速，7層大氣溫度和濕度。安裝高度分別為2，7，11，17，23，30和38 m。溫濕度采用17 m的數(shù)據(jù)為準。土壤溫度和濕度觀測深度為5，50和100 cm。土壤熱通量測量深度為3和5 cm。降雨量和凈輻射值由距離試驗地500 m的自動氣象站提供。常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器隔30 min自動記錄平均風速、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤溫度、土壤濕度等常規(guī)氣象信息。自動氣象站數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器隔10 min自動記錄降雨量、凈輻射等信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響

試驗采用2013年8月1日到2013年10月1日的數(shù)據(jù)。大氣水汽穩(wěn)定同位素組成采取了2 m和16 m等2個高度，排除了高度對于同位素值的影響，1 h計算1個平均值，1 d共有24個同位素值。由于試驗地郁閉度較高，降水量值存在偏低現(xiàn)象，但不影響試驗結(jié)果。結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同高度大氣水汽的穩(wěn)定同位素值（小時平均）以及降水的變化Figure 1 Time series of atmospheric water vapor δv（hourly）at two different heights and precipitation

對圖1進行分析：整體來看，試驗地大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化趨勢與降水量有明顯關(guān)系。每次降水過后，高低2層大氣水汽穩(wěn)定同位素組成都明顯降低。比如8月22日，9月11日，9月24日3次比較大的降水過后，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成都明顯降低。這可能是因為降水過程中，水汽的冷凝消耗了森林生態(tài)系統(tǒng)中的大量水蒸氣中的δ18O，使得大氣水汽中的同位素組成也隨之降低。

2.2 環(huán)境溫度對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響

從圖2可以看出：森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境溫度的變化趨勢與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化趨勢不一致。當環(huán)境溫度下降時，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成上升，當環(huán)境溫度上升時，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成呈下降趨勢，9月開始尤其明顯。對兩者進行回歸分析，從圖3我們可以看到環(huán)境溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的擬合曲線：y=－0.347 7x－13.879 0,R2=0.212 3,F=15.907 0,P=0.000 2。說明森林生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成有極顯著的相關(guān)性。分析原因可能為：環(huán)境溫度對于葉片蒸騰和土壤水的蒸發(fā)都有很大影響，進而影響到同位素分餾作用，而大氣水汽穩(wěn)定同位素組成主要包括大氣本底的水汽同位素組成和葉片蒸騰的水汽同位素組成以及土壤水蒸發(fā)的水汽同位素組成［4］，因而環(huán)境溫度的變化會引起大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化。

圖2 氣溫和大氣水汽同位素組成的變化Figure 2 Variation of air temperature and atmospheric water vapor δv

圖3 環(huán)境溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系Figure 3 Relationship between air temperature and atmospheric water vapor δv

2.3 土壤5 cm溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系

土壤5 cm深度處為土壤蒸發(fā)面［17］，此處的溫度可能會影響到土壤蒸發(fā)面液態(tài)水的蒸發(fā)，進而影響到土壤蒸發(fā)水汽的同位素組成，因此選取土壤5 cm深度的溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成作相關(guān)性分析。對圖4進行分析，土壤溫度的變化趨勢和圖2中環(huán)境溫度的變化趨勢類似，土壤5 cm溫度最大值為8月2日22.49℃，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成為－19.47‰，土壤5 cm溫度最小值為9月20日13.38℃，大氣水汽同位素組成為－15.24‰。圖5是土壤5 cm溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的擬合曲線及方程，擬合方程為:y=0.135 6x2－5.381 8x+31.917,R2=0.336 9,F=14.732,P＜0.000 1，兩者相關(guān)性極顯著。

2.4 環(huán)境相對濕度對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響

圖4 土壤5 cm溫度與大氣水汽同位素組成的變化Figure 4 Variation of the soil temperature at 5 cm and atmospheric water vapor δv

圖5 土壤5 cm溫度與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系Figure 5 Relationship between soil temperature at 5 cm and atmospheric water vapor δv

對圖6和圖7進行分析：試驗地的相對濕度值很高，最小值出現(xiàn)在9月28日，為54%，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成為－17.97‰；達到相對濕度最大值100%的天數(shù)有20 d，期間大氣水汽穩(wěn)定同位素組成最大值出現(xiàn)在9月23日的－14.79‰，最小值為8月28日的－25.04‰。對兩者擬合，得到y(tǒng)=－0.032 6x－17.151 0，R2=0.022 0，F(xiàn)=0.660 5，P=0.520 4，兩者相關(guān)性不顯著。

圖6 環(huán)境相對濕度與大氣水汽同位素組成的變化Figure 6 Variation of the air relative humidity and atmospheric water vapor δv

圖7 環(huán)境相對濕度與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系Figure 7 Relationship between air relative humidity and atmospheric water vapor δv

2.5 土壤5 cm濕度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系

對圖8和圖9進行分析：圖8可以看到土壤5 cm相對濕度最大值為8月23日43.84%，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成δv為－20.97‰；土壤5 cm相對濕度最小值為25.91%，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成因自然原因缺失，但這不影響我們探討兩者之間的關(guān)系。圖9為兩者擬合曲線及方程：y=0.038 1x2－2.941 3x+ 35.928,R2=0.075 3,F=2.360 8,P=0.103 4，兩者相關(guān)性不顯著。

圖8 土壤5 cm濕度和大氣水汽同位素組成的變化Figure 8 Variation of the soil relative humidity at 5 cm and atmospheric water vapor δv

圖9 土壤5 cm相對濕度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系Figure 9 Relationship between soil relative humidity at 5 cm and atmospheric water vapor δv

2.6 平均風速對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響

對圖10進行分析：平均風速最大值為9月 18日2.56 m·s－1，相應大氣水汽穩(wěn)定同位素組成為－15.18‰；平均風速最小值為8月24日和8月25日0 m·s－1，相應大氣水汽穩(wěn)定同位素組成分別為－21.69‰和－22.97‰。圖11為兩者擬合后的結(jié)果：y=0.594 2x－20.509 0,R2=0.017 9,F=1.072 9,P= 0.304 5，表明兩者相關(guān)性不顯著。

圖10 17 m風速和大氣水汽同位素組成的變化Figure 10 Variation of the wind speed at 17 m and atmospheric water vapor δv

圖11 風速和大氣水汽同位素組成的關(guān)系Figure 11 Relationship between the average wind speed and atmospheric water vapor δv

2.7 凈輻射對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響

對圖12進行分析：是每日平均瞬時凈輻射值同大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化趨勢，圖13是兩者的擬合曲線：y=－0.826 1 ln x－16.364 0,R2=0.046 0,F=1.661 8,P=0.198 7，兩者相關(guān)性不顯著。

圖12 日平均凈輻射和日平均水汽同位素組成的變化Figure 12 Variation of the average daily net radiation and the average daily water vapor δv

圖13 凈輻射和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系Figure 13 Relationship between net radiation and water vapor δv

3 討論

本研究結(jié)果表明：森林生態(tài)系統(tǒng)中降水量、環(huán)境溫度、土壤5 cm溫度對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成δv的影響較大。降水過后，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成會明顯降低。這與石俊杰等［10］在玉米田生態(tài)系統(tǒng)，袁國富等［9］在小麥生態(tài)系統(tǒng)得到的結(jié)論一致。環(huán)境溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成相關(guān)性極顯著。但在本實驗中呈現(xiàn)的是負相關(guān)，而石俊杰等［10］在玉米田生態(tài)系統(tǒng)得到的結(jié)論是兩者呈線性正相關(guān)。原因可能比較復雜，位于亞熱帶的天目山森林生態(tài)系統(tǒng)和北方的玉米田生態(tài)系統(tǒng)相比大氣環(huán)境都有很大的不同，植被因素也不容忽略，導致環(huán)境溫度對于土壤水分的蒸發(fā)和植被葉片蒸騰的影響作用不同，對于生態(tài)系統(tǒng)的大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響也有很大不同。在計算土壤蒸發(fā)水汽的Craig-Gordon模型中，土壤5 cm處可以作為土壤液態(tài)水蒸發(fā)面［17］，理論上此處的溫度和濕度對土壤蒸發(fā)水汽同位素組成有影響。結(jié)果土壤5 cm溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成相關(guān)性極顯著，符合預期。對于環(huán)境相對濕度而言，在森林生態(tài)系統(tǒng)中它和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的擬合的結(jié)果相關(guān)性不高。原因可能為天目山森林生態(tài)系統(tǒng)常年濕度在75%以上，在試驗選取的時間8月和9月有20 d的相對濕度達到了100%，作為單因子對于大氣水汽同位素組成δv的影響不顯著。平均風速和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的線性關(guān)系方程的相關(guān)系數(shù)值為0.017，表明兩者之間相關(guān)性不顯著。凈輻射作為生態(tài)系統(tǒng)能量流通、轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)量度，本研究也探討了它與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系，結(jié)果顯示兩者相關(guān)性不高，這與石俊杰等［10］在玉米田生態(tài)系統(tǒng)得到的結(jié)論也不一致。通過分析森林生態(tài)系統(tǒng)中各氣象要素對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響，和以前的一些論文做對比，我們發(fā)現(xiàn)：試驗結(jié)果有一些不一致，在森林生態(tài)系統(tǒng)中就單氣象因素對大氣水汽穩(wěn)定同位素組成做相關(guān)性分析，結(jié)果顯示一些因素是不顯著的，這可能是因為和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相比，森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境更加復雜，各因子相互作用影響也更為復雜。當然本研究為以后探討各因素之間如何相互作用共同影響森林生態(tài)系統(tǒng)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成作了一定的基礎(chǔ)，也為今后在天目山森林生態(tài)系統(tǒng)中利用大氣水汽穩(wěn)定性同位素觀測技術(shù)和Keeling曲線區(qū)分地表蒸散提供了一定的補充。

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Stable isotope composition for atmospheric water vapor in the forest ecosystem of Mount Tianmu

NIU Xiaodong1,JIANG Hong1,2,WANG Fan2
（1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration,Zhejiang A &F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.International Institute for Earth System Science,Nanjing University,Nanjing 210093,Jiangsu,China）

Stable isotope techniques,one of the most effective techniques for understanding carbon and water relationships in terrestrial ecosystems,are commonly used domestically in agricultural but not in forest ecosystems.To establish long-term continuous observations with flux towers in forest ecosystems and to reveal stable isotopic composition of atmospheric water vapor for regional characteristics in ecosystem water balance research,a subtropical evergreen and deciduous broadleaf mixed forest observation tower was established for Mount Tianmu in Zhejiang Province.The tower detected hydrogen and oxygen isotopes and had an in situ measurement system based on Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy （TDLAS）.Also multi-layer gradients for temperature and humidity,wind speed,and radiation using conventional meteorological instruments were operational from December 2012 onward.Based on data observed from August to September 2013,the stable isotope composition of atmospheric water vapor influencing factors and their relationships were analyzed.Results showed that atmospheric rainfall,air temperature,soil temperature at 5 cm soil depth were important environmental factors in the forest ecosystem in Mount Tianmu;the air temperature and water vapor stable isotopecomposition were fitted in a linear relationship,while the soil temperature at 5 cm soil depth were fitted in a polynomial relationship with water vapor stable isotope composition,and also the statistics showed that the correlation was admirable.Thus,compared to agricultural ecosystems,water vapor stable isotope composition factors in this forest ecosystem had little influence.［Ch,13 fig.17 ref.]

forest ecology;stable isotopic composition of atmospheric water vapor;forest ecosystem;influencing factors;relativity;Mount Tianmu

S718.51

A

2095-0756（2015）03-0327-08

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.03.001

2014-03-22；

2014-12-02

國家自然科學基金資助項目（61190114和41171324）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20110091110028）；科技部國家科技基礎(chǔ)條件平臺項目（2005DKA32300）；浙江省重點科技創(chuàng)新團隊資助項目（2010R50030）

牛曉棟，從事森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量及大氣水汽穩(wěn)定同位素觀測研究。E-mail:764854761@qq.com。通信作者：江洪，教授，博士，博士生導師，從事全球變化生態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水循環(huán)研究。E-mail:jianghong_china@hotmail.com