基于氢氧同位素技术的植被-土壤系统水分运动机制研究

森林植被在我国生态安全和水资源安全中具有重要作用。在全球变化背景下，水分匮乏已成为森林植被生长的重要制约因素，因此，定量揭示森林植被水分来源，成为水文学、生态学和水土保持学有待解决的关键科学命题。项目依托首都圈森林生态系统定位观测研究站，以华北土石山区典型森林植被为研究对象，基于同位素技术，从多时间尺度研究植被-土壤系统各种水分氢氧同位素的时间变化规律，分析其主要驱动机制；研究土壤-植被系统对降水的动态响应机制，揭示植被水对各层土壤水变化的响应规律；基于N-CLM模型和IsoSource模型以及野外控制性试验的方法，定量区分不同土层对森林植被生长所需水分的贡献；从不同立地条件和季节出发，通过系统研究华北土石山区典型森林植被对各土层水分利用规律，构建森林植被对土壤水分利用的主要模式。项目不仅推动我国同位素水文学向纵深发展，并可为当前华北土石山区退化森林植被恢复与重建、经营与维护提供理论依据。

水资源短缺已成为制约干旱和半干旱地区经济和社会发展的瓶颈问题，同时也是限制干旱和半干旱生态系统中森林植被分布和生物多样性的关键因子。北京山区是北京市区的重要生态屏障，不仅易干旱，而且也处于严重缺水的状态。因此，为了揭示本区域森林植被如何在有限的水资源分布和水分输入的情况下正常的生长发育，需要对森林植被在不同季节利用水分模式进行探索和检验，最终得出森林植被-土壤系统水分运动机制。本研究选取北京山区的典型森林生态系统，通过对降雨影响下土壤水和植物水同位素特征的分析，分析土壤水和植物水的动态变化和水分运动机制，基于N-CLM和IsoSource模型，定量评估森林生态系统用水来源，提出其水分利用模式。主要研究结果如下：（1）研究区大气降水线方程为δ2H = 6.42δ18O-5.91（R² = 0.90，n=52），斜率和截距均小于全球大气降水线，研究区氘盈余d变化表现为冬半年较高，夏半年较低；大气降水δ18O和温度、降水量均呈一定的负相关关系，且具有一定的季节变化特征；降雨δ18O与树干流δ18O、穿透雨δ18O的关系为当降雨量12.4 mm时，Δ>0，当降雨量小于9.0 mm，Δ<0，叶面积指数与各典型森林生态系统的林内穿透雨δ18O呈微弱的正相关关系；（2）土壤水样品的δ18O和δ2H的变化具有一定的规律性，其平均值整体随土壤深度的增加而减小，深层土壤在长时间尺度上保持相对稳定，而上层土壤则受环境因子影响较大。地下水的δ18O和δ2H随时间变化很小，常年保持稳定；（3）植物水样品的则因植物不同而有所差异，侧柏、栓皮栎和林下灌木的δ18O和δ2H的平均值分别为-6.95‰、-6.54‰、-6.69和-67.99‰、-67.91‰、66.07‰，整体较为接近，而刺槐和油松的δ18O和δ2H的平均值分别为-4.97‰、-4.92‰和-71.25‰、-73.16‰，其整体较为接近，但较之侧柏、栓皮栎和林下灌木则整体偏小；（4）不同森林生态系统在旱季土壤剖面δ2H受降水影响明显，在雨季则相对稳定；在北京山区前期降水必须达到一定的阈值才能被植被所大量利用，降水低于4.6 mm，对植被的补给作用有限，而大于12.1 mm，则可以对土壤和植被进行充分补给；（5）不同森林生态系统的水分利用模式具有明显的季节差异，其在旱季受前期降水影响较大，而在雨季受其影响则相对较小。