基于碳氢氧同位素的湖南会同典型杉木人工林植物水分利用机制

Little information is available on the water use mechanism on Cunninghamia lanceolata plantations in subtropical China. Three representative stand types of the plantations: one pure C. lanceolata forest and two mixed C. lanceolata forests with Cinnamomum bodinieri or Alnus cremastogyne in Huitong County of Hunan Province will be studied, compared with Schima superba plantation. We propose a systematic and quantitative study on the water use mechanism of these dominant tree species (C.lanceolata, C.bodinieri, A.cremastogyne and S.superba) in the dry and wet seasons using stable isotopic tracers of carbon, hydrogen, and oxygen. We quantitatively determine plant water sources, water use pattern and efficiency, and water uptake models in relation to different intensity rainfall events. We establish the relationships of isotope values of hydrogen and oxygen to different water sources (i.e., precipitation, throughfall, surface water, soil water, underground water, plant water and evaporation,ect.) and their transformations. Comprehensively statistical analyses of data will be conducted to establish linkages among environmental factors, plant communities, soil structure, ecophysiological characteristics, plant water potential and carbon storage. Results from this project study should have both theoretical and practical significance. In this project, we will determine the water use pattern of C. lanceolata plantations with different forest types in Huitong County and water use mechanism of the four plantation species, develop plant water cycle models for C. lanceolata plantations, and provide scientific evidence for establishing sound policies to optimize plantation structure, improve plantation productivity, and manage the C. lanceolata plantations.

针对中国亚热带杉木人工林植物水分利用机制尚不清楚，本项目以湖南会同典型杉木人工林（杉木纯林；杉木-樟树混交林；杉木-桤木混交林）为研究对象（木荷人工林为对照），运用碳氢氧稳定同位素技术，结合多元线性混合模型等手段，系统和定量地研究干季和湿季林中杉木、樟树、桤木和木荷植物水分利用模式，定量阐明其水分来源、水分利用率、水分利用效率和不同量级降水后植物的吸水模式，建立植物水与潜在水源（降水、穿透水、地表水、土壤水、地下水、蒸发水等）氢氧同位素值的比对关系模型，并结合环境因子、群落及土壤结构、生理生态特征、植物水势和碳储量等数据进行综合分析。本项目的理论和实践意义在于：从本质上揭示湖南会同不同林分类型杉木人工林水分利用格局及杉木、樟树、桤木和木荷植物水分利用机制，创新和发展杉木人工林水循环定量研究模式，为杉木人工林结构优化、生产力提升及科学经营和管理措施的制定提供科学依据。

针对中国亚热带杉木人工林植物水分利用机制尚不清楚，本项目以湖南会同典型杉木人工林（杉木纯林、杉木-樟树混交林、杉木-桤木混交林）为研究对象，以木荷纯林为对照，运用碳氢氧稳定同位素技术，结合多元线性混合模型和贝叶斯模型等方法，确定了不同类型人工林中优势植物杉木、樟树、桤木和木荷水分来源，系统和定量地阐明了干季和湿季林中杉木、樟树、桤木和木荷水分利用率和水分利用效率，揭示气候变化背景下中亚热带典型杉木人工林中优势植物的水分利用机制。研究发现：在干季及湿季，木荷主要利用0～40cm浅层土壤水（32.80～49.73%），樟树、桤木主要利用0～60cm土壤水（44.63～79.33%、48.27～68.00%），而杉木在干季主要利用0～40cm土壤水（50.27～50.63%），湿季则转为利用60～100cm土壤水（53.80～77.60%）。与纯林中杉木相比，混交林中杉木对0～40cm浅层土壤水的利用率显著降低了29.58%，而对60～80cm深层土壤水的利用率显著提高了19.73%，并与阔叶树种（樟树、桤木）表现出水文生态位分化，优化了水分利用格局。此外，生长季木荷水分利用效率较低，均值为45.47μmol·mol-1。混交林中杉木通过改善自身光合能力和林地土壤含水量显著提高水分利用效率（增量为5.99μmol·mol-1），降低对降水格局波动的敏感性，这有利于应对频发的季节性干旱和极端降水事件。因此，建议今后在亚热带杉木人工林营造和退化植被恢复过程中，优先考虑针阔混交模式以促进长期的水土保持和生态系统稳定。本项目的理论和实践意义在于：从本质上揭示杉木、樟树、桤木和木荷植物水分利用机制，创新和发展了杉木人工林水循环定量研究模式，为我国亚热带地区人工林结构优化、生产力提升及科学经营管理措施的制定提供了重要的科学依据。