黑河上游森林生态系统水汽交换特征同位素研究

在陆地生态系统中，森林生态系统在区域水循环和生态系统水分再循环中起着极为重要的作用。迄今为止，对森林生态系统不同水体氢氧同位素组成(δD和δ18O)的测定不但在水循环中得到广泛的应用，而且结合植物生理生态特征、土壤条件、水汽通量及气象要素等要素，对森林生态系统水汽交换特征方面的研究已成为热点。因此，本项目拟通过对黑河上游森林生态系统降水、土壤水(浅层/深层)、大气水汽及植物木质部水和叶片水等不同水体δD和δ18O的测定及对土壤蒸发水和植物蒸腾水δD和δ18O的模拟计算，结合土壤含水量、生态系统水汽通量、蒸散发、青海云杉叶片生理生态特征和气体交换特征及气象要素的观测，综合模型模拟计算，研究青海云杉森林生态系统中植物蒸发散的水分来源，并将生态系统蒸散发中植物蒸腾量与土壤蒸发量进行分解，明确黑河上游森林生态系统水汽交换特征，为进一步深入研究干旱区生态系统水分再循环提供理论依据。

在陆地生态系统中，森林生态系统在区域水循环和生态系统水分再循环中起着极为重要的作用，因此对森林生态系统水汽交换特征方面的研究已成为热点。本项目运用同位素和模型模拟相结合的方法，研究了黑河源区青海云杉森林生态系统不同水体的氢氧同位素组成(δD、δ18O)的时空变化，阐明了森林生态系统优势植物(青海云杉、金露梅、珠牙蓼、针茅及豆科)蒸腾的水分来源，并将生态系统蒸散发中植物蒸腾量与土壤蒸发量进行分解，揭示了土壤蒸发和植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率。本研究结果显示：1) 在黑河源区森林生态系统中，由于土壤蒸发、植物蒸腾及植物生理活动等过程的影响，森林生态系统不同水体如植物叶片水、木质部水、浅层土壤水(5cm和10cm)及大气水汽的δD、δ18O之间存在显著差异。其中植物叶片水的δD、δ18O最高，土壤水和植物木质部水次之，大气水汽最负。与植物叶片水和大气水汽的δD、δ18O值相比，土壤水和植物木质部水变化幅度较低。大气水汽的δD-δ18O关系点均居黑河源区当地大气雨水线(LMWL)附近。植物叶片水的δD-δ18O关系点居LMWL的右下方，且随海拔的降低逐渐远离LMWL。土壤水和植物水的δD-δ18O关系点在低温(9月份)和高海拔处(2900m)居LMWL附近，而在温度较高的条件下，δD-δ18O关系点随海拔的降低而逐渐远离LMWL。2) 黑河源区降水是土壤水和植物蒸腾水的主要来源，且植物蒸腾的水分来源因植物种类的不同而存在明显的季节和海拔变化。如草本植物90%以上的水分来源于10cm以上的土壤水；青海云杉在湿季高海拔区(2900-Sep)利用整个土壤剖面的土壤水，在旱季高海拔区(2900-Jun)主要吸收表层土壤水；在低海拔区如2800m和2700m分别吸收利用10cm和20cm以下的土壤水；金露梅在湿季利用浅层土壤水，旱季利用15cm以下的土壤水。3) 在青海云杉森林生态系统中，植物蒸腾对蒸散发的贡献因季节和海拔的不同而有差异。植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献在51%～86%之间，且温度的升高而逐渐降低；土壤蒸发对生态系统蒸散发的贡献率在14%～48%之间，且温度的升高而逐渐增加。土壤蒸发和植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率在冠层和近地面无显著差异。本研究结果说明在黑河上游森林生态系统中，植物蒸腾是生态系统水分损失的主要方式，植物蒸腾水汽是生态系统蒸散发的重要组成部分。