華北山區(qū)油松側(cè)柏降雨前后水分來(lái)源

劉自強(qiáng),余新曉,鄧文平,賈國(guó)棟,賈劍波,婁源海,李瀚之

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

華北山區(qū)油松側(cè)柏降雨前后水分來(lái)源

劉自強(qiáng),余新曉?,鄧文平,賈國(guó)棟,賈劍波,婁源海,李瀚之

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

北京山區(qū)處于季節(jié)性干旱的生態(tài)脆弱地帶,研究其典型樹(shù)種在降雨前后的水分來(lái)源對(duì)干旱區(qū)水分利用具有重要意義。本研究基于氫氧同位素技術(shù),以北京山區(qū)典型喬木樹(shù)種油松和側(cè)柏為研究對(duì)象,測(cè)定分析樹(shù)木枝條、土壤、地下水和降雨等氫氧同位素組成,探明2種喬木樹(shù)種在降雨前后主要水分來(lái)源。結(jié)果表明:不同樹(shù)種在同一時(shí)期的水分來(lái)源不同,同一樹(shù)種在降雨前后水分來(lái)源不同。油松表層根系分布雖少,但在雨前仍能吸收利用含水量較高的表層土壤水,利用率為36.0%;為獲得穩(wěn)定水源,油松在降雨前后都利用發(fā)達(dá)的主根系吸收利用地下深層水分,利用率分別為38.0%和58.2%。側(cè)柏在雨前干旱缺水時(shí)能利用深層水維持正常生理活動(dòng),利用率為71.2%,但分布在土壤表層0～20 cm的側(cè)根系對(duì)降雨反應(yīng)較為敏感,雨后的側(cè)柏主要利用表層土壤水分,利用率為71.6%。試驗(yàn)結(jié)果將對(duì)于干旱半干旱地區(qū)人工造林、樹(shù)種配置和緩解水資源短缺具有重要意義。

油松;側(cè)柏;季節(jié)性干旱;水分來(lái)源;穩(wěn)定氫氧同位素;華北

近年來(lái),在干旱半干旱地區(qū),水資源短缺不僅限制當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,同時(shí)也成為干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)中,限制森林植被多樣性和樹(shù)木生長(zhǎng)的主要因子[1]。北京山區(qū)不僅是華北土石山區(qū)的重要組成部分,也是整個(gè)華北平原和北京市區(qū)的重要生態(tài)屏障;但因其處于干旱生態(tài)脆弱地帶,氣候易旱,降水分布不均,水資源短缺,土層瘠薄。油松(Pinus tabuliformis)和側(cè)柏(Platycladus orientalis)是北京山區(qū)分布面積較廣的典型針葉人工樹(shù)種,能在干旱缺水狀況下形成相對(duì)穩(wěn)定的人工林,表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性。由于其水分利用機(jī)制尚不清楚,因此,探討北京山區(qū)的水分輸入和樹(shù)木水分來(lái)源對(duì)于指導(dǎo)人工造林樹(shù)種選擇和配置及其后期管理具有重要意義。

森林中的樹(shù)木所利用的水分可能來(lái)自降雨,也可能來(lái)自地表徑流水、土壤水和地下水等水源,在季節(jié)性干旱時(shí)期,不同樹(shù)木的主要水源具有一定的差異[7-8]。在連片白云巖裸露地區(qū),有些喬木在旱季主要利用深層水,在雨后利用降水;而灌木在旱季和雨后都依靠最近的降雨[9-10]。J.W.C.White等[11]也在美國(guó)東北部溫帶森林群落發(fā)現(xiàn)白松(Pinus strobus)在夏季降雨后主要吸收表層土壤水,在旱季少雨時(shí),轉(zhuǎn)向吸收利用地下水或深層土壤水分,而落葉喬木檳榔青(Spondias pinnata)和十二雄蕊破布木(Cordia dodecandra)、常綠喬木黃櫨(Cotinus coggygria Scop)在干旱季節(jié)以吸收淺層土壤水分為主[12]。不同樹(shù)木對(duì)降水的響應(yīng)也不同,對(duì)降水響應(yīng)的差異與其根系分布有關(guān)[13],比如:琵琶柴(Reaumuria songonica)為淺根系植物,對(duì)降水響應(yīng)極為敏感;多枝檉柳(Tamarix ramosissima)的根系分布較深,主要利用地下水,對(duì)降水響應(yīng)較滯后[14]。目前,國(guó)內(nèi)外有許多針對(duì)干旱半干旱地區(qū)植物水分來(lái)源研究[15-20],而對(duì)季節(jié)性干旱的北京山區(qū)研究少見(jiàn)報(bào)道。賈國(guó)棟等[21]以側(cè)柏和栓皮櫟(Quercus variabilis)為例研究北京山區(qū)典型樹(shù)木在旱季、雨季的水分利用機(jī)制;但其只采用二元線性模型計(jì)算水分來(lái)源;鄧文平等[22]只探討了北京山區(qū)雨季降雨后栓皮櫟、側(cè)柏、荊條(Vitex negundo var.heterophylla)的水分來(lái)源狀況,未涉及旱季土壤水分變化時(shí)樹(shù)木對(duì)水分的利用狀況。

本文以典型的北京山區(qū)優(yōu)勢(shì)喬木樹(shù)種油松和側(cè)柏為研究對(duì)象,利用穩(wěn)定氫(H、D)氧(16O、18O)同位素技術(shù),采用多元線性模型定量分析比較樹(shù)木在旱季降雨前后水分來(lái)源及其同位素特征。通過(guò)系統(tǒng)研究,揭示油松和側(cè)柏在旱季的水分利用特征,了解其對(duì)旱季降雨的響應(yīng)機(jī)制,為北京山區(qū)造林樹(shù)種選擇、配置和林分改造提供參考,進(jìn)而為北京山區(qū)植被恢復(fù)與綠化工程建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)——鷲峰國(guó)家森林公園(E 116°05＇,N 40°03＇)。地處北京市西山風(fēng)景區(qū)中部,燕山山系與太行山系相會(huì)最北端處(圖1)。海拔約450 m,多年平均降水量630 m,全年降水分布不均,春季干旱多風(fēng),降水較少,且晝夜溫差和蒸發(fā)量較大;夏季為雨季,主要集中在6—9月,該時(shí)間段的降水量可達(dá)全年降水量的80%,屬于華北暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。該區(qū)森林植被基本以1958年以后營(yíng)造的人工林為主,是喬木灌木的混交林,全園森林覆蓋率85%左右,土層較薄,較深層土壤基本為石礫層和母質(zhì)層。試驗(yàn)區(qū)及樹(shù)木基本概況如表1所示。

圖1　研究區(qū)位置Fig.1 Location of study site

表1　樣地基本概況Tab.1 Condition of experimental plots

2 材料與方法

2.1樣品采集時(shí)間

油松及側(cè)柏枝條、土壤和泉水樣品采集時(shí)間為2012年旱季4月17號(hào)(前30天內(nèi)均沒(méi)降雨)和4月25號(hào)(前3 d內(nèi)降雨總量達(dá)45mm);降雨樣品采集時(shí)間為4月20、21、24號(hào)。

2.2樹(shù)木樣品采集

在2種林地內(nèi)分別選擇3株無(wú)人工干擾的、長(zhǎng)勢(shì)良好且相似的標(biāo)準(zhǔn)木,每株采集3個(gè)樣品。在冠層中部采集非綠色的栓化小枝,為防止枝條水分散失,迅速將樣品放入50 mL的塑料離心管中,用Parafilm膜密封,帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍,保存至同位素測(cè)定。

第一個(gè)層次：術(shù)。工匠，是掌握一門(mén)技術(shù)的人才。有術(shù)才有匠。這是工匠精神最低層次的要求。這也昭示著高職教育要培養(yǎng)工匠精神，首先應(yīng)該做好技術(shù)訓(xùn)練。

2.3土壤樣品采集

在2種林地內(nèi),沿標(biāo)準(zhǔn)采樣木,選取3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)的各土層采集3個(gè)樣品。用長(zhǎng)1.2 m土鉆取土壤樣品,表層土壤深度40 cm以上每間隔10 cm取土樣,40 cm以下每間隔20 cm取土樣。由于油松林地土層較薄,土壤平均深度在60 cm左右,往下為基巖層;因此油松林地土壤取60 cm處為止。側(cè)柏林地土壤取至120 cm處。為防止蒸發(fā)導(dǎo)致同位素分餾,將所采的一部分土壤樣品放入50 mL的塑料離心管,并用Parafilm膜密封,帶回實(shí)驗(yàn)室后冷凍至同位素測(cè)定,另一部分裝入鋁盒中用烘干稱(chēng)重法測(cè)定土壤含水率。

2.4降雨樣品采集

降雨樣品采集點(diǎn)位于海拔170 m的無(wú)林空曠地,每次降雨采集3次。在采集點(diǎn)放置2個(gè)鐵質(zhì)收集桶,并把放有乒乓球的漏斗置于收集桶上方,減少桶內(nèi)的水分蒸發(fā)分餾。將收集的樣品轉(zhuǎn)移至100mL的塑料試管中,用Parafilm膜密封,冷藏至同位素測(cè)定。

2.5泉水采集

泉水采集點(diǎn)位于金山泉(E 116°04＇,N 40°04＇,位于林地的西北方向1 m處)和妙靈山泉(E116° 05＇,N40°03＇,位于林地的西南方向310m處),每處泉水設(shè)置3個(gè)采集點(diǎn),每個(gè)采集點(diǎn)采集3個(gè)樣品。

2.6室內(nèi)同位素測(cè)定

所采集枝條和土壤樣品利用低溫真空抽提法提取其水分,并用LGR DLI-100液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定抽取的水樣、降雨樣及泉水樣的同位素δD、δ18O值,其δD、δ18O的測(cè)定精度分別達(dá)0.3‰和0.1‰。測(cè)得的水樣中氫氧同位素含量為“與標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水(SMOW)”的千分差:

式中:Rsample為水樣中D或18O的相對(duì)豐度;Rstandard為SMOW中D或18O的相對(duì)豐度。

當(dāng)樹(shù)木具有不同水分來(lái)源時(shí),采用多元線性混合模型計(jì)算多個(gè)δD(δ18O)各自對(duì)樹(shù)木水分利用的貢獻(xiàn)率:

式中:X為樹(shù)木莖干木質(zhì)部水分δD或δ18O的值,‰;c1、c2、c3、c4、…、cn分別表示各潛在水源對(duì)樹(shù)木所利用水分的貢獻(xiàn)率,%;X1、X2、X3、X4、…、Xn分別為各潛在水源水分的δD或δ18O值,‰。

3 結(jié)果與分析

3.1降雨前后土壤含水量、根系特征分析

降雨前后油松和側(cè)柏林地的土壤含水量不同(圖2),油松林地的各層土壤含水量均大于側(cè)柏,油松和側(cè)柏林地土壤的平均含水量分別為7.44%和2.17%。這可能與林地土壤本身的性質(zhì)有關(guān)。油松林地土壤質(zhì)地均勻,土壤表層被難以分解的枯枝落葉層覆蓋,減少了水分蒸發(fā)。油松的粗根系在深層較為發(fā)達(dá),細(xì)根在20～40 cm分布較為集中。側(cè)柏粗細(xì)根系在整個(gè)土壤層分布較為均勻,表層細(xì)根系所占比例較大(圖3)。降雨前,隨著土壤深度的增加,油松林地土壤含水量逐漸升高,這可能是因?yàn)楹导颈韺油寥赖恼舭l(fā)比較強(qiáng)烈,帶走大量水分;降雨在油松土壤中入滲,30 cm處土壤含水量達(dá)到最大值,比5 cm處土壤含水量高42.8%,結(jié)合油松根系特征,推測(cè)出油松可能在30 cm處吸收利用的水分較少或表層土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈所致。降雨前,在側(cè)柏林地土層0～40 cm范圍內(nèi),含水量在20 cm處出現(xiàn)一個(gè)峰值為3.05%,在40 cm處土壤及以下深度,含水量基本保持不變;降雨后的側(cè)柏林地土層0～20 cm處含水量本應(yīng)隨著降雨入滲升高,但卻較雨前低,結(jié)合側(cè)柏根系分布來(lái)看,這可能由于表層土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈或側(cè)柏大量利用該層土壤水分。

圖2　降雨前后油松、側(cè)柏林地土壤含水量變化Fig.2 Variation of soil water in Pinus tabuliformis and Platycladus orientalis stands before and after rainfall

3.2不同水體的δD的變化

圖3　油松和側(cè)柏的根系分布特征Fig.3 Characteristics of root distribution in Pinus tabuliformis and Platycladus orientalis stands

圖4　不同水體δD同位素值變化Fig.4 Variation ofδD values in differentwater sources

降雨在土壤中的入滲過(guò)程非常復(fù)雜,受到很多因素的影響,不僅與氣候條件、土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)等土壤條件有關(guān),還與土壤前期含水量以及植被覆蓋度有關(guān)[23]。如圖4所示,降雨前后,油松和側(cè)柏林地土壤水的δD值不同,二者對(duì)降雨的響應(yīng)也不同。隨著土層的變淺,油松和側(cè)柏林地土壤水δD值增大,這是因?yàn)橥寥辣韺铀终舭l(fā)強(qiáng)度較大導(dǎo)致同位素分餾,使重同位素出現(xiàn)富集。油松林地各層土壤水的δD值在降雨后都有所變化,表明降雨對(duì)土壤同位素值有直接的影響。0～20 cm土層,土壤δD值在-44.0‰左右變動(dòng),結(jié)合該層土壤含水量變化,說(shuō)明降雨使該層含水量達(dá)到飽和;在20～50 cm層土壤,隨著土壤深度的增加,土壤水的δD值減小,這是由于降雨在該層入滲的水分減少。側(cè)柏林地土壤水的δD值在降雨后比降雨前大;在降雨后,隨著土壤深度的增加,降雨入滲減少,土壤水的δD值趨于穩(wěn)定。本次試驗(yàn)所取的地下水非常穩(wěn)定,其同位素值降雨前后基本不變。鄧文平等[24]研究鷲峰地區(qū)氫氧穩(wěn)定同位素特征也發(fā)現(xiàn),泉水的同位素特征值比較穩(wěn)定,主要分布在地區(qū)降雨線的右下方與雨季降雨線的交點(diǎn)附近。

3.3直接對(duì)比法判斷樹(shù)木水分來(lái)源

利用直接相關(guān)比較的方法,對(duì)比樹(shù)木木質(zhì)部莖干水δD與各潛在水源的δD的值。直接相關(guān)法就是對(duì)比圖中各潛在水源與莖干水分同位素值所處位置,若枝條水分與某種潛在水源的同位素值處同一區(qū)域或有交叉部分,就認(rèn)為樹(shù)木利用該水源,二者的曲線距離可以判斷樹(shù)木利用水分的比例[25]。如圖5所示,降雨前后,2種樹(shù)木的莖干水與各潛在水源δD變化曲線的交點(diǎn)各不相同,說(shuō)明2種樹(shù)木在降雨前后吸收利用的水分來(lái)源不同。

降雨前,油松木質(zhì)部莖干水與土壤水的δD變化曲線在15 cm處有交點(diǎn),說(shuō)明油松主要吸收利用10～20 cm土層的水;而降雨后,油松莖干水與土壤水δD變化曲線在40～50 cm處有交點(diǎn)并與地下水δD值相近,說(shuō)明油松在降雨后可能吸收利用40～50 cm土層的水和地下水。

與油松不同,降雨前,側(cè)柏木質(zhì)部莖干水與土壤水的δD變化曲線在40～50 cm處有交點(diǎn)并與地下水δD值相近,說(shuō)明側(cè)柏在降雨前可能吸收利用40～50 cm土層的水和地下水;降雨后,側(cè)柏莖干水與土壤水的δD值變化曲線在20 cm處有交點(diǎn),說(shuō)明在降雨后側(cè)柏主要吸收利用20 cm土層的水。

3.4多元線性模型分析水分來(lái)源

圖5　降雨前后油松、側(cè)柏潛在水分來(lái)源比較Fig.5 Potentialwater sources in Pinus tabulaeformis and Platycladus orientalis stands before and after rainfall

根據(jù)同位素質(zhì)量守恒原理,利用多元線性混合模型,采用Iso-Source軟件分析處理樹(shù)木莖干水分的可能來(lái)源。Iso-Source軟件能分析多個(gè)潛在水源,筆者根據(jù)側(cè)柏林地深層土壤同位素的相似性,結(jié)合同位素值變化,將80～120 cm這層與地下視為一層。潛在水源的同位素值取各深度所測(cè)的平均值,將樹(shù)木莖干水分同位素值視為潛在水源的混合值。為準(zhǔn)確分析樹(shù)木水分來(lái)源,量化各潛在水源貢獻(xiàn)率,將各潛在水源的D和18O同位素同時(shí)輸入Iso-Source軟件分析處理。

計(jì)算得出(表2):降雨前,油松主要吸收利用土壤表層0～10 cm和地下的水分,這2層水源的的貢獻(xiàn)率相似,分別為36.0%和38.0%;側(cè)柏主要吸收利用地下水和0～10 cm土層的水,這2層的貢獻(xiàn)率分別是71.2%和12.5%。降雨后,油松主要吸收利用地下水,貢獻(xiàn)率是58.2%;側(cè)柏主要吸收利用土壤表層0～10 cm和10～20 cm的水分,貢獻(xiàn)率分別為48.8%和22.8%。

4 討論

土壤水分主要來(lái)自降水,降水量的不同使土壤水分處于不斷變化的狀態(tài)[25]。結(jié)合土壤同位素特征分析土壤含水量,可以提供降雨在土壤中的遷移信息。本研究中,林地土壤含水量和同位素值都表現(xiàn)出垂直變化。2林地土壤水分含量在降雨前表現(xiàn)出極大的不同,油松和側(cè)柏林地土壤的平均含水量分別為7.44%和2.17%,受降雨和土壤本身性質(zhì)的影響,降雨后2林地土壤含水量變化規(guī)律也不相同,說(shuō)明側(cè)柏和油松林地土壤對(duì)降雨的響應(yīng)不同。降雨在入滲和蒸發(fā)過(guò)程中的分餾程度也存在差異,林地0～30 cm土壤水δD值受降水的影響明顯,30 cm以下土壤水δD值的變化表現(xiàn)出一定的滯后性;干旱季節(jié)干旱缺水,降雨后的林地土壤仍受強(qiáng)烈蒸發(fā)影響,隨著土壤深度的變淺,2林地的重同位素出現(xiàn)富集,同位素特征值變大。王仕琴等[26]研究華北平原降雨入滲過(guò)程,也得出降雨在入滲過(guò)程會(huì)因土壤質(zhì)地不同導(dǎo)致入滲速度和失熵系數(shù)不同,土壤深度從下到上同位素值趨于富集。徐慶等[27]在研究臥龍亞高山暗針葉林中土壤水氫穩(wěn)定同位素時(shí)也發(fā)現(xiàn),土壤水δD在表層變化最大,向下變化幅度越來(lái)越小,60 cm以下土壤水δD趨于穩(wěn)定,并逐漸接近地下水δD值。

研究選取的北京山區(qū)典型喬木——油松和側(cè)柏,2種樹(shù)木在降雨前后利用水分的差異較大:側(cè)柏在雨前利用深層水分,在雨后利用淺層水分,油松在雨后利用深層水,在雨前利用淺層水和深層水。這可能與2種樹(shù)木的根系在土壤的非均勻分布和根系活力有關(guān)。樹(shù)木根系分布影響水分的吸收范圍,側(cè)柏的主根不發(fā)達(dá),側(cè)根較發(fā)達(dá)[28-29]。干旱季節(jié)降雨前土壤表層缺水較深層更為嚴(yán)重,為維持植物正常的生理活動(dòng),側(cè)柏利用深層水分;降雨后,表層土壤含水量得到補(bǔ)充,分布在土壤表層豐富的側(cè)根系對(duì)降雨反應(yīng)較為敏感,使其在雨后這種適宜條件下主要利用表層土壤水分。而油松根系具有明顯垂直主根和副主根,且粗壯發(fā)達(dá),垂直主根深入土層基本都在1 m以上,有的幾乎達(dá)到母質(zhì)層,水平根分布30 cm左右深度的土壤中[30]。樹(shù)木的根系會(huì)根據(jù)水分條件,選擇較容易獲得的、穩(wěn)定的、充足的水分來(lái)應(yīng)對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)所需水分。在雨前干旱缺水的生境中,油松表層土壤的根系分布雖少,但含水量較高,油松仍能利用土壤淺層水;為適應(yīng)干旱缺水的環(huán)境,維持較強(qiáng)的蒸騰強(qiáng)度,在降雨前后都利用深層土壤水分,這種水分利用策略可能是油松對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果。劉增文等[31]在研究油松蒸騰耗水及林地水分動(dòng)態(tài)特征時(shí)也認(rèn)為油松在40～60 cm和130～150 cm處分別出現(xiàn)2個(gè)土壤水分強(qiáng)烈吸收層,這與本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符;因此,深層土壤是油松在北京山區(qū)旱季的穩(wěn)定水源。李鵬菊等[32]在研究西雙版納石灰山熱帶季節(jié)性濕潤(rùn)林植物時(shí)發(fā)現(xiàn),植物的根系吸收土壤中的穩(wěn)定水源,是樹(shù)木長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果。但樹(shù)木根系與樹(shù)木利用水分的定量關(guān)系,仍需待進(jìn)一步研究。

表2　各潛在水源對(duì)樹(shù)木莖干水貢獻(xiàn)率Tab.2 Contribution of each possible water source for plant stems

5 結(jié)論

降雨前油松和側(cè)柏林地的土壤含水量不同,側(cè)柏的各層土壤含水量均小于油松,其平均含水量分別為7.44%和2.17%。降雨前,油松林地土壤含水量隨著深度的增加而升高;側(cè)柏林地土壤含水量在20 cm處出現(xiàn)一個(gè)峰值,為3.05%,但在40 cm處及以下深度,含水量基本保持不變。得到降雨補(bǔ)充后,油松林地土壤含水量在25 cm處達(dá)到一個(gè)峰值,側(cè)柏林地的各層土壤含水量均高于降雨前,表層土壤的含水量比雨前增加了186.3%。

不同樹(shù)種在同一時(shí)期的水分來(lái)源不同,同一樹(shù)種在降雨前后的水分來(lái)源不同,并表現(xiàn)出各自對(duì)生境的適應(yīng)性。雨前,油松吸收利用土層0～10 cm和深層水分,貢獻(xiàn)率分別為36.0%和38.0%;側(cè)柏利用深層水的貢獻(xiàn)率達(dá)71.2%。雨后,油松利用深層水的貢獻(xiàn)率達(dá)58.2%;側(cè)柏吸收0～20 cm土層的水分,貢獻(xiàn)率達(dá)71.6%。從2種樹(shù)木的水分來(lái)源來(lái)看,2種樹(shù)木在同一時(shí)期利用不同土壤層次的水分,在造林樹(shù)種選擇時(shí)若進(jìn)行混交,能緩解季節(jié)性干旱區(qū)物種間的水分競(jìng)爭(zhēng),這對(duì)于北京山區(qū)人工造林、樹(shù)種配置和緩解水資源短缺具有重要的參考價(jià)值。

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W ater sources of Pinus tabuliformis and Platycladus orientalis before and after rain in northern China

Liu Ziqiang,Yu Xinxiao,DengWenping,Jia Guodong,Jia Jianbo,Lou Yuanhai,Li Hanzhi

(Beijing Forestry University,Key Lab.of Soil&Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education,100083,Beijing,China)

[Background]Mountains in Beijing are in an ecologically fragile area with seasonal drought; therefore,study ofwater source of typical tree species before and after the rain in arid areas is of great significance.[M ethods]By taking Pinus tabulaeformis and Platycladus orientalis in mountains in Beijing as subject,we employed the hydrogen and oxygen isotope technique and measured the isotopic composition in branches of trees,soil,groundwater and rainfall in order to clarify their water source before and after the rain.[Results]The results showed that the soilmoisture content and the isotope of the two species showed a vertical change.P.tabuliformis and P.orientalis forest soil were different in soilmoisture content before rainfall.Soilmoisture content in Platycladus orientalis layerswas lower than that in Pinus tabulaeformis.The average soilmoisture content was 7.44%and 2.17%,respectively. After the rainfall,soilmoisture content in the stands of two typical specieswere higher than before,the average soil moisture content in the P.orientalis stand increased by 46.1%compared to that before rainfall,while it increased by 38.7%for P.tabuliformis.The intense evaporation of surface soil water caused the isotope fractionation and enrichment heavy isotopes.Decreasingwith soil depth,soilwaterδDin P.tabuliformis and P.orientalis stands showed a tendency to increase,and the heavy isotope was enriched.Different plant species had different water sources in the same season,and the same plant species had differentwater sources before and after the rain,showing an adaptation to their habitats.P. tabuliformis had fewer roots in surface soil,but still absorbed a high amount of topsoil water before rainfall,with a utilization rate of 36.0%;in order to obtain a stable water supply,P.tabuliformis used the developed deep roots to absorb underground water with a utilization rate of38%and 58.2%,before and after rain,respectively.P.orientalis used deep soilwater tomaintain normal physiological activities, and the utilization ratewas71.2%.The lateral root in the surface layer soil of0-20 cm was sensitive to rainfall,and P.orientalis mainly used surface soil moisture with a utilization rate of 71.6%. [Conclusions]Our results have great significance for artificial afforestation,tree species configuration and alleviation of the water resource shortage in arid and semi-arid areas.

pinus tabuliformis;platycladus orientalis;seasonal drought;water source;stable hydrogen and oxygen isotopes;northern China

S157.1

A

1672-3007(2016)02-0111-09

10.16843/j.sswc.2016.02.015

2015-04-21

2015-10-23

項(xiàng)目名稱(chēng):國(guó)家自然科學(xué)基金“基于穩(wěn)定同位素的典型森林生態(tài)系統(tǒng)水、碳過(guò)程及其耦合機(jī)制研究”(41430747)

劉自強(qiáng)(1991—),男,碩士研究生。主要研究方向:森林水文及同位素水文。E-mail:liuzistrong@163.com

簡(jiǎn)介:余新曉(1961—),男,博士,教授。主要研究方向:森林水文與水土保持。E-mail:yuxinxiao111@126.com