降水對鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤水氘特征的影響*

高德強(qiáng) 徐 慶 張蓓蓓 陳 婕 劉世榮

(中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 北京 100091)

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降水對鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤水氘特征的影響*

高德強(qiáng) 徐 慶 張蓓蓓 陳 婕 劉世榮

(中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 北京 100091)

【目的】 分析我國南亞熱帶鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤水的水分來源、不同強(qiáng)度降水在土壤剖面中的時空運(yùn)移過程及對各層土壤水的貢獻(xiàn)率，為研究降水格局變化下鼎湖山自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程及區(qū)域水資源科學(xué)管理等提供科學(xué)依據(jù)。【方法】 利用氘同位素技術(shù)，比較不同降水條件下鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤水δD與潛在水源(大氣降水、淺層地下水)δD，闡明土壤水的水分來源和降水在土壤剖面中的時空分布特征； 運(yùn)用二元線性混合模型計算不同強(qiáng)度降水對各層土壤水的貢獻(xiàn)率?！窘Y(jié)果】 鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林中土壤水δD介于大氣降水δD和淺層地下水δD之間，土壤水主要來源于大氣降水和淺層地下水； 雨后5天內(nèi)，小雨(9.8 mm)對0～10 cm表層土壤水貢獻(xiàn)率最高(31.2%～44.6%)，對10～40 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率次之(24.2%～32.0%)，對40～80 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率較小(8.3%～15.7%)，對80～100 cm深層土壤水貢獻(xiàn)率最小(接近于0)； 雨后5天為中雨(20.0 mm)對0～10 cm表層土壤水貢獻(xiàn)率最大(63.3%～78.9%)，對10～40 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率次之(46.9%～74.0%)，對40～80 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率較小(37.9%～63.0%)，對80～100 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率最小(35.8%～47.5%)； 無論濕季還是干季，大雨(降水量>30 mm)后第1天，該次降水可滲透到80 cm以下深層土壤，且對80～100 cm深層土壤水的貢獻(xiàn)率高達(dá)94.1%。【結(jié)論】 0～10 cm表層土壤水δD與降水δD變化趨勢一致，林中表層土壤水δD主要受降水δD的控制； 降水強(qiáng)度越大，降水從土壤表層向深層土壤滲透速度越快，對80～100 cm深處土壤水δD影響越明顯，降水對各層次土壤水的貢獻(xiàn)率也越大； 土壤剖面中土壤水δD的時空變化特征可指示降水在土壤剖面運(yùn)移過程； 無論小雨還是中雨，80 cm以下深層土壤水δD變化幅度較小，表明鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林植被結(jié)構(gòu)對降水在土壤剖面入滲過程具有顯著的調(diào)控作用。

氘同位素； 大氣降水； 土壤水； 季風(fēng)常綠闊葉林； 鼎湖山； 水分來源

氫氧穩(wěn)定同位素是水分子的組成部分，通過追蹤土壤水氫氧同位素值的時空運(yùn)動“軌跡”，可闡明大氣-植被-土壤的關(guān)系，了解降水在土壤剖面的遷移過程和滯留時間(宋獻(xiàn)方等, 2007; 徐慶等, 2007; 孫曉旭等, 2012; 張翔等, 2015; 馬菁等, 2016)。而且，大氣降水、土壤水、地下水中的氘同位素(δD)值以及大氣降水在土壤剖面中的運(yùn)移過程，可解析土壤水的水分來源及地下水補(bǔ)給機(jī)制，對實現(xiàn)區(qū)域水資源的合理利用和科學(xué)管理具有重要的理論和現(xiàn)實意義(劉君等, 2016)。

國外土壤水氫氧同位素研究起步較早，早在1967年,Zimmermann等(1967)就利用氘同位素研究了德國吉森壤土和施派爾砂土中非飽和土壤的水分運(yùn)動。隨后，一些學(xué)者通過研究不同降水強(qiáng)度下土壤水氫氧同位素值，提出降水補(bǔ)給土壤水有活塞流和優(yōu)先流(Zimmermannetal., 1966; Mathieuetal., 1996; Koenigeretal., 2016)2種途徑，且發(fā)現(xiàn)小量級的降水能夠以優(yōu)先流的形式快速抵達(dá)深層(Gazisetal., 2004)。在我國，對土壤水氘同位素研究較晚，但發(fā)展較快。有關(guān)學(xué)者對土壤水氘同位素特征(徐慶等, 2007; 程立平等, 2012; 馬菁等, 2016)、地下水來源(宋獻(xiàn)方等, 2007; 劉君等, 2016)、降水-土壤水-地下水的補(bǔ)給過程(Lietal., 2007; 劉君等, 2016)開展了研究，徐慶等(2007)研究了四川臥龍自然保護(hù)區(qū)亞高山針葉林3種群落的土壤水氘同位素組成，得出川西亞高山原始暗針葉林植被結(jié)構(gòu)對降水在土壤剖面入滲過程具有顯著的調(diào)控作用(Xuetal., 2012)。

鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林是我國南亞熱帶典型地帶性植被演替頂極群落，研究其森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程對于探討鼎湖山主要森林群落演替動態(tài)、森林經(jīng)營和區(qū)域水資源管理皆具有重要意義。前人對鼎湖山森林水文模型建立(Zhouetal., 2011)、降水量和地表徑流水化學(xué)特征(Dengetal., 2012; 丘清燕等, 2013)、凋落物持水性及降水對森林土壤呼吸的調(diào)節(jié)作用(Zhouetal., 2013; 劉效東等, 2013)、森林結(jié)構(gòu)變化對森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程的影響(Otienoetal., 2014; Lietal., 2007)等進(jìn)行了研究，但是對鼎湖山森林土壤水中氘同位素示蹤研究未見報道。本研究分析鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林中不同強(qiáng)度降水δD及各層土壤水δD的時空動態(tài)變化，定量闡明降水在土壤剖面的運(yùn)移過程及對不同深度土壤水的貢獻(xiàn)率，以期為研究降水格局變化下鼎湖山自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程及區(qū)域水資源科學(xué)管理等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鼎湖山國家級自然保護(hù)區(qū)位于我國廣東省中部肇慶市境內(nèi)，總面積1 155 hm2，最高海拔1 000.3 m。屬典型南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫21.0 ℃，最熱月(7月)均氣溫28.0 ℃，最冷月(1月)均氣溫12.6 ℃。年均空氣相對濕度81.5%，年均降水量1 956 mm，年均蒸發(fā)量1 115 mm，全年干濕季明顯，干季為10月至翌年3月，濕季為4—9月，其中3/4的降水分布在濕季(程靜等, 2015)。研究區(qū)屬南亞熱帶地帶性植被，主要植被類型有馬尾松(Pinusmassoniana)針葉林、馬尾松針闊葉混交林和季風(fēng)常綠闊葉林(羅艷等, 2004)。季風(fēng)常綠闊葉林是鼎湖山近氣候演替頂級群落，喬木層代表性植物有錐栗(Castanopsischinensis)、木荷(Schimasuperba)、厚殼桂(Cryptocaryachinesis)和云南銀柴(Aporusayunnanensis)， 灌木層代表性植物有九節(jié)(Psychotriaasiatica)和栢拉木(Blastuscochinchinensis)，草本層代表性植物有烏毛蕨(Blechnumorientale)和雙蓋蕨(Diplaziumdonianum)。土壤為發(fā)育于砂巖或砂頁巖的赤紅壤，呈暗棕色，酸性較強(qiáng)，土層厚60～100 cm(劉菊秀等, 2003; 吳建平等, 2015)?？葜β淙~厚2～9 cm，腐殖質(zhì)層約10 cm，表土層有機(jī)質(zhì)含量為1.9%～3.3%，pH為4.2～4.5，土壤孔隙度為55.05%，土壤密度為1.01 g·cm-3(劉效東等, 2011)。

2 研究方法

2.1 降水事件

2013年7月—2014年8月，鼎湖山自然保護(hù)區(qū)(112°30′39″—112°33′41″ E，23°09′21″—23°11′30″ N)發(fā)生多次降水事件，從中挑選出4次有代表性的降水事件，均為一次性降水后5天內(nèi)無雨(降水<5 mm，忽略不計)，分別代表小雨(5 mm<降水量≤10 mm)、中雨(10 mm<降水量≤20 mm)和大雨(降水量>30 mm)。降水事件Ⅰ： 2014年7月27日降水9.8 mm(7月24日為雨前對照)； 降水事件Ⅱ： 2013年9月7日降水20.0 mm(9月6日為雨前對照)； 降水事件Ⅲ： 2013年7月2日降水36.0 mm(6月30日為雨前對照)； 降水事件Ⅳ： 2013年12月18日降水45.8 mm(12月17日為雨前對照)。

2.2 氘同位素樣品采集

降水： 2013年7月1日—2014年8月4日，在鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林附近a、b、c 3個空曠地(a： 112°32′55.43″ E，23°9′54.74″ N； b： 112°32′24.75″ E，23°10′25.85″ N； c： 112°32′22.34″ E，23°10′25.20″ N)分別放置1個雨量筒(每個雨量筒上部各放一漏斗，每個漏斗中放置1個乒乓球，以防止水分蒸發(fā))，采集3個雨量筒中的降水樣品(每天1次)，每天將3個降水樣品混合。采樣時間為上午7: 00—8: 00。

土壤： 在林中設(shè)置3塊樣地(20 m×20 m)，每塊樣地內(nèi)各挖1個100 cm深土壤垂直剖面，在4次降水事件(9.8、20.0、36.0和45.8 mm)期間采集各土壤剖面各土層(0～10、10～40、40～80和80～100 cm)土壤樣品； 雨后5天內(nèi)，每天采樣1次； 雨前采集1天對照樣品。采樣時間為上午8:00—10:00。

淺層地下水： 采集樣地附近水井(112°32′17.38″ E，23°10′33.99″ N)中的井水及山腳下水井(112°32′54.70″ E，23°9′58.62″ N)中的井水作為淺層地下水，井深約2 m，2013年7月—2014年8月，每隔10天采集1次(無雨時采集，每天將2個井水樣品混合)。

將野外收集的大氣降水樣品、土壤樣品和淺層地下水樣品立即裝入采樣瓶中密封，迅速擰緊蓋子，并用Parafilm封口膜密封。野外置于保溫瓶或保溫箱中低溫(0～5 ℃)保存，帶回實驗室后放入冰箱低溫(-18 ℃以下)保存，供測試用。

2.3 樣品預(yù)處理和氘同位素測定

樣品預(yù)處理： 在清華大學(xué)穩(wěn)定同位素實驗室內(nèi)通過水分真空抽提系統(tǒng)采用蒸發(fā)冷卻方法提取土壤水。

氘同位素測定： 大氣降水、土壤水及淺層地下水樣品δD的測定在清華大學(xué)穩(wěn)定同位素實驗室MAT 253 同位素比率質(zhì)譜儀(Isotope Ratio Mass Spectrometer)和Flash 2000 HT元素分析儀上完成。氘同位素比值用相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(V-SMOW)的千分差(‰)表示：

式中：RSA和RST分別為樣品和V-SMOW中的氘同位素組成。

2.4 降水對各層土壤水貢獻(xiàn)率的計算

通過比較土壤水δD與各潛在水源δD，可以確定土壤水的水分來源。若確定土壤水來源于某2種水源時，采用二元線性混合模型確定每一種來源所占比例。當(dāng)2種水源δD不同時，土壤水δD一定介于二者之間。降水對土壤水的貢獻(xiàn)率可表示為：

式中：PC為降水對土壤水的貢獻(xiàn)率；δDSW、δDSG和δDR分別為土壤水、淺層地下水和大氣降水δD(林光輝, 2014)。

2.5 氣象數(shù)據(jù)獲取

溫度、濕度、降水量等氣象數(shù)據(jù)由鼎湖山自然保護(hù)區(qū)氣象觀測站提供。

2.6 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS(SPSS, Inc., Chicago, IL, USA)統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單因素方差分析用來檢驗每次降水事件發(fā)生后隨采樣天數(shù)變化各層土壤水δD的差異。多因素方差分析用來檢驗不同強(qiáng)度降水條件下各層土壤水δD隨采樣天數(shù)變化和降水對各層土壤水貢獻(xiàn)率的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水δD隨采樣時間和土層的動態(tài)變化

4次降水事件各層土壤水δD隨采樣天數(shù)的動態(tài)變化見圖1。由圖1可知，在4次降水事件期間，林中土壤水δD均介于降水δD與淺層地下水δD之間，表明鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤水主要來源于大氣降水與淺層地下水。

圖1 不同降水條件下土壤水δD隨采樣天數(shù)的動態(tài)變化Fig.1 Temporal changes of δD values of soil water at different depths over the sampling period

降水9.8 mm后5天內(nèi)，0～40 cm土層土壤水δD變化明顯，0～10 cm和10～40 cm土壤水δD分別由降雨前的-38.4‰和-39.1‰變?yōu)榻涤旰蟮?36.7‰和-37.4‰，可持續(xù)響應(yīng)3～4天，其中表層(0～10 cm)土壤水δD表現(xiàn)為先升高后降低趨勢，而10～40 cm深處土壤水δD則持續(xù)降低； 40 cm以下土層土壤水δD對降水δD的響應(yīng)不顯著，尤其是80～100 cm深處土壤水δD幾乎不變，表明9.8 mm降水并沒有滲透到80 cm以下土層(圖1)。降水20.0 mm后5天內(nèi)，0～80 cm深處土壤水δD隨降水天數(shù)的增加而不斷升高，80～100 cm深層土壤水δD變化幅度不大，表明降水滲透到0～80 cm土層，但較少滲透到80～100 cm土層(圖1)。濕季(7月2日)降水36.0 mm后，0～10 cm表層土壤水δD隨采樣天數(shù)的增加而不斷升高，雨后第1～2天內(nèi)，80～100 cm深層土壤水δD緩慢上升，后3天其δD基本上保持穩(wěn)定，表明降水已滲透到80 cm深層土壤(圖1)。干季(12月18日)降水45.8 mm后，0～100 cm土壤水δD均隨降水天數(shù)的增加而不斷升高，雨后第1天，0～40 cm深處土壤水δD與降水δD(-104.9‰)比較接近，40～100 cm深處土壤水δD較雨前也有明顯減小，表明降水當(dāng)天已滲透到100 cm深層土壤(圖1)。

3.2 降水對各層土壤水的貢獻(xiàn)率

由圖2可知，在鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林4次降水事件期間，隨著土壤深度增加，降水對各層土壤水的貢獻(xiàn)率逐漸降低。降水9.8 mm后，該次降水對0～10 cm表層土壤水貢獻(xiàn)率最大(31.2%～44.6%)，對10～40 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率次之(24.2%～32.0%)， 對40～80 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率較小(8.3%～15.7%)， 對80～100 cm深層土壤水貢獻(xiàn)率最小(1.6%～3.4%)；降水20.0 mm后，該次降水對0～10 cm表層土壤水貢獻(xiàn)率最大(63.3%～78.9%)， 對10～40 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率次之(46.9%～74.0%)， 對40～80 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率較小(37.9%～63.0%)， 對80～100 cm深層土壤水貢獻(xiàn)率最小(35.8%～47.5%)。在濕季(7月2日)，降水36.0 mm后，降水對0～10 cm表層和80～100 cm深層土壤水的貢獻(xiàn)率分別為69.9%～84.2%和53.4%～61.3%。在干季(12月18日)，降水45.8 mm后，降水對0～10 cm表層和80～100 cm深層土壤水的貢獻(xiàn)率分別為70.8%～94.1%和31.2%～70.7%。

4次降水事件后5天內(nèi)，土壤水δD、降水對各層土壤水貢獻(xiàn)率的多因素方差分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，降水事件(降雨量大小)是影響土壤水δD、降水對各層土壤水貢獻(xiàn)率的主要影響因子(P<0.01)。

圖2 降水對各層土壤水的貢獻(xiàn)率隨采樣時間的動態(tài)變化Fig.2 Temporal changes of the contribution of precipitation to soil water at various soil layers over the sampling period

表1 土壤水δD、降水對各層土壤水貢獻(xiàn)率與土壤層次、降水事件和采樣天數(shù)的關(guān)系Tab. 1 Effects of soil layer, rain event, and day of rain on the stable isotope rate (δD) of soil water and the rain contribution to soil water in monsoon evergreen broad-leaved forest in Dinghushan National Nature Reserve

4 討論

4.1 土壤水的水分來源

在鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林，無論小雨、中雨，還是大雨，土壤水δD皆介于降水δD和淺層地下水δD之間，表明其林中土壤水主要來源于大氣降水和淺層地下水(圖1)，劉文杰等(2006)研究發(fā)現(xiàn)西雙版納熱帶雨林淺層土壤水主要來源是霧水和雨水，徐慶等(2007)研究發(fā)現(xiàn)川西臥龍亞高山暗針葉林土壤水主要來源于降水和淺層地下水，與本研究的結(jié)論相一致； 就氣候條件而言，鼎湖山和臥龍地區(qū)均屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，二者氣候條件相似，干濕季明顯。

4.2 土壤水δD隨采樣時間及土層的動態(tài)變化

鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林0～10 cm表層土壤水δD主要受降水δD控制，與徐慶等(2007)、 Xu等(2012)研究結(jié)果一致，沿土壤剖面由上向下，0～10 cm表層土壤水δD與降水δD接近，10～80 cm深處土壤水δD隨采樣天數(shù)增加變化幅度增大，80 cm以下深處土壤水δD與淺層地下水δD接近(王銳等, 2014)。隨土層深度增加，土壤水δD波動幅度越來越小，當(dāng)降水≤10 mm時，80～100 cm深處土壤水δD基本趨于穩(wěn)定，可見小于10 mm的降水對林中80 cm以下深處土壤水的補(bǔ)給較少，這在一定程度上說明，在鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林中，植被結(jié)構(gòu)和土壤結(jié)構(gòu)對降水在沿土壤剖面下滲過程具有一定調(diào)控作用。

4.3 降水在土壤剖面的垂直遷移運(yùn)動

土壤水δD的時空動態(tài)變化特征受當(dāng)次降水δD和降水量大小的影響，而降水δD對土壤水δD和滲透量的影響又取決于降水和蒸發(fā)的強(qiáng)度(Xuetal., 2012)。表層土壤水δD受蒸發(fā)和前期降水的綜合影響，而隨著土層深度增加，土壤水蒸發(fā)速率降低(Gazisetal., 2004)，40 cm以下土壤很少受蒸發(fā)的影響(Jiaetal., 2013)，主要受前期降水(Songetal., 2009)和淺層地下水(Xuetal., 2012)影響。深層土壤常保留著前期降水，本次降水從地表向地下滲透的過程中并沒有完全替換土壤中保留的前期降水(田立德等, 2002; 徐慶等, 2007; Xuetal., 2012)。同等降水強(qiáng)度下，隨著土層深度增加，這種替換速度越來越慢，降水對該層土壤水的影響作用越來越小(圖1)。無論干季還是濕季，降水強(qiáng)度越大，置換速度越快，降水對深層(80～100 cm)土壤水的影響越明顯(圖1c、圖1d)。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降水≤10 mm時，鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林中 0～80 cm深處土壤水δD在垂直方向上變化幅度較大，而80～100 cm深處土壤水δD變化幅度小，較穩(wěn)定，這主要是因為表層土壤水同位素值的變化受蒸發(fā)和混合作用共同影響，而深層土壤水δD的改變僅由混合作用引起，與周海等(2014)、Xu 等(2012)結(jié)論相一致。降水在土壤剖面入滲主要通過活塞流和優(yōu)先流2種途徑來補(bǔ)給土壤水(Mathieuetal., 1996; Xuetal., 2012)。降水≤10 mm時，雨后形成的土壤“新水”逐漸替代先形成的土壤“舊水”并將其向下推移，土壤水δD隨采樣時間動態(tài)變化過程體現(xiàn)了活塞式下滲的特征(Gazisetal., 2004)； 降水>10 mm時，土壤水δD隨土層深度發(fā)生的遞增變化說明降水主要通過優(yōu)先流的方式向下入滲(Germannetal., 1984)。土壤水δD變化受大氣降水、地表蒸發(fā)、土壤水的水平遷移和垂直運(yùn)動、土壤結(jié)構(gòu)、植被類型以及人類活動等多種因素的影響(馬雪寧等, 2012; 程立平等, 2012)，因此，通過對比不同降水條件下不同深度土壤水δD變化可以獲得土壤水分垂直遷移運(yùn)動機(jī)制的有效信息(Gazisetal., 2004; Songetal., 2009; Xuetal., 2012)，從而確定降水在土壤剖面的垂直遷移運(yùn)動過程規(guī)律及地下水補(bǔ)給路徑(Mathieuetal., 1996; Brooksetal., 2009; Xuetal., 2012)。

4.4 降水對各層土壤水的貢獻(xiàn)率

本研究發(fā)現(xiàn)，無論小雨、中雨還是大雨，降水對0～10 cm表層土壤水貢獻(xiàn)率最大。20 mm降水后5天內(nèi)，對0～10 cm表層土壤水貢獻(xiàn)率是9.8 mm降水的2倍左右，可見天然降水量雙倍增加，降水對表層土壤水的貢獻(xiàn)率也成雙倍增加。而20 mm降水對80～100 cm深處土壤水貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于9.8 mm，這是因為9.8 mm降水并沒有滲透到80 cm以下深層土壤。

同一降水強(qiáng)度下(如降水>30 mm)，降水對土壤水的影響程度隨土層深度的增加而降低； 隨著采樣天數(shù)的推移，降水對各層土壤水的貢獻(xiàn)率逐漸降低。降水強(qiáng)度越大，降水能夠影響到的土壤深度增大，降水對各層土壤水的貢獻(xiàn)率越高。徐慶等(2007)發(fā)現(xiàn)，一次性降水14.8 mm后5天內(nèi)，降水對亞高山暗針葉林枯枝落葉層和0～5 cm土壤水的貢獻(xiàn)率較高，分別為75.5%～99.9%和66.9%～83.0%。本研究4次強(qiáng)度降水對表層(0～10 cm)土壤水的貢獻(xiàn)率較高，其中20.0 mm降水發(fā)生后5天內(nèi)，降水對表層土壤水的貢獻(xiàn)率顯著低于降水對亞高山暗針葉林中枯枝落葉層和0～5 cm土壤水的貢獻(xiàn)率，這是因為鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林對降水在地表及土壤剖面入滲的調(diào)控作用大于川西亞高山暗針葉林?？梢?，植被類型對降水在土壤中的入滲過程有重要作用，降水對各層土壤水貢獻(xiàn)率的變化規(guī)律也能很好地記錄降水從土壤表層向深層入滲的過程(李暉等, 2008; Xuetal., 2012)

5 結(jié)論

1) 鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林0～10 cm表層土壤水δD與降水δD變化趨勢一致，其表層土壤水δD主要受大氣降水δD控制。

2) 降水強(qiáng)度越大，降水從土壤表層向深層土壤滲透速度越快，對80～100 cm深處土壤水δD影響越明顯，降水對土壤水的貢獻(xiàn)率也越高； 隨采樣天數(shù)的推移，深層土壤水δD變化幅度和降水對土壤水的貢獻(xiàn)率均降低。

3) 不同降水條件下不同深度土壤水δD的空間分布形式反映了降水在土壤剖面的運(yùn)移過程，小雨(5 mm<降水量≤10 mm)后，80 cm以下深層土壤水δD幾乎保持穩(wěn)定，表明鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林植被結(jié)構(gòu)對降水在土壤剖面入滲過程具有一定調(diào)控作用。因此，在評估全球氣候變化(尤其是降水格局變化)條件下南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)效益時，應(yīng)充分考慮其林中植被結(jié)構(gòu)對土壤水分運(yùn)移過程的影響。

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(責(zé)任編輯 于靜嫻)

Effects of Precipitation on Characteristics of Deuterium Isotope in Soil Water in a Monsoon Evergreen Broad-Leaved Forest in Dinghushan National Nature Reserve

Gao Deqiang Xu Qing Zhang Beibei Chen Jie Liu Shirong

(InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,CAFBeijing100091)

【Objective】 In order to provide scientific evidences for understanding the process of water cycle of forest ecosystem and managing regional water resources under the varying precipitation pattern in Dinghushan National Nature Reserve in the south subtropical zone of China. 【Method】 In this study, theδD of soil water and the potential water sources including precipitation and shallow underground water were analyzed to determine the source of soil water and the distribution of different intensity precipitation in the soil profile of the monsoon evergreen broad leaved forest in Dinghushan National Nature Reserve, using deuterium isotope technique. The contribution of precipitation in each layer of the soil profile was calculated by binary linear mixed model. 【Result】 The soil waterδD was found between thoseδD values of precipitation and shallow underground water, indicating that precipitation and shallow underground water were the sources of soil water in the monsoon evergreen broad-leaved forest in Dinghushan National Nature Reserve. After a 5-day small rainfall (9.8 mm), the contribution rate to surface soil layer (0 - 10 cm) was the highest (31.2%-44.6%) , followed by the layer of 10-40 cm (24.2%-32.0%) and the soil layer of 40-80 cm (8.3%-15.7%) , and the soil layer of 80-100 cm was the lowest, close to zero. With a moderate rainfall event of 20.0 mm, the contribution rate to surface soil (0-10 cm) was the highest (63.3%-78.9%) , followed by the soil layer of 10-40 cm (46.9%-74.0%) and the layer of 40-80 cm (37.9%-63.0%) , and the soil layer of 80-100 cm was the lowest (35.8%-47.5%). The precipitation infiltrated the deep soil (>80 cm) and the contribution to the soil layer of 80-100 cm under heavy rainfall (>30 mm) was 94.1% during the same day either in the wet season or in the dry season. 【Conclusion】 The results showed thatδD of surface soil water (0-10 cm) was mainly controlled by rainfallδD. The faster the precipitation moving from the soil surface to the deep soil, the more obvious the effect of soilδD on the depth of 80-100 cm and the greater the rain contribution to the soil water at all levels with increasing the precipitation intensity. Deep soil water (80-100 cm)δD value was basically kept stable under the small rainfall event of ≤20 mm. The results illustrated that vegetation structure of the monsoon evergreen broad-leaved forest in. Dinghushan National Nature Reserve played an significant role in regulation of the precipitation infiltration in the soil profile.

deuterium isotope； precipitation； soil water； monsoon evergreen-broad leaved forest； Dinghushan National Nature Reserve； water source

10.11707/j.1001-7488.20170401

2017-01-09；

2017-03-08。

國家自然科學(xué)基金項目(31290223，31670720，31170661);林業(yè)公益行業(yè)專項(201504423);院重點(diǎn)基金(CAFYBB2017ZB003)。

S792.17； S792.99； S793.9

A

1001-7488(2017)04-0001-08

*徐慶為通訊作者。