森林生態(tài)系統(tǒng)水汽穩(wěn)定同位素組成范文

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1研究方法

1.1試驗(yàn)地概況研究區(qū)位于浙江天目山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站（30°18′30″~30°24′55″N，119°24′47″~119°28′27″E），面積為4284hm2。主峰仙人頂，海拔為1506m。氣候具有中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的特征，受海洋暖濕氣流的影響較深，形成季風(fēng)強(qiáng)盛，四季分明，氣候溫和，雨水充沛，光照適宜且復(fù)雜多變的森林生態(tài)氣候［12］。自山麓至山頂，年平均氣溫為14.8~8.8℃，最冷月平均氣溫3.4~－2.6℃，極端最低氣溫－13.1~－20.2℃，最熱月平均氣溫28.1~19.9℃，極端最高氣溫38.2~29.1℃，無(wú)霜期235.0~209.0d，年雨日159.2~183.1d，年霧日64.1~255.3d，年降水量1390.0~1870.0mm［13］，年太陽(yáng)輻射4460~3270MJ•m－2［14］，年相對(duì)濕度76％~81％。常綠落葉闊葉混交林是天目山精華植被［12］，分布于海拔850~1140m,常綠喬木主要有細(xì)葉青岡Cy-clobalanopsisgracilis，石櫟Lithocarpusglaber和交讓木Daphniphyllummacropodum等，落葉喬木有青錢柳Cyclocaryapaliurus，化香Platycaryastrobilacea，楓香Liquidambarformosana，天目木姜子Litseaauric-ulata和短柄枹Quercusglandulifera等。灌木有柃木Euryajaponica，箬竹Indocalamustessellatu和馬銀花Rhododendronovatum等，另外混有針葉林柳杉Cryptomeriafortunei林、金錢松Pseudolarixamabilis林及黃山松Pinustaiwanensis林等，組成多種較復(fù)雜的森林類型。土壤為山地黃壤，土層深度約為100cm。pH5.0~6.0，枯枝落葉層厚為10~20cm。試驗(yàn)地在研究區(qū)的1塊常綠落葉闊葉混交林樣地（30°20′59″N，119°26′13.2″E）內(nèi)，海拔為1139m，樣地面積為20m×20m，主要喬木有小葉青岡Cyclobalanopsismyrsinifolia，交讓木，小葉白辛樹Pterostyraxcorymbosus，短柄枹，青錢柳Cyclocaryapaliurus，天目槭Acersinopurpurascens，秀麗槭Acerelegantulum和糙葉樹Aphanantheaspera等，林齡為140a，郁閉度0.7，林分密度3125株•hm－2。林分為復(fù)層結(jié)構(gòu)，分3層，15.0m以上的喬木約占3.2%，第2層8.0~14.0m的喬木約占43.2%，其余的喬木均在8.0m以下。優(yōu)勢(shì)樹種為小葉青岡、交讓木和小葉白辛樹等。據(jù)2012年調(diào)查，小葉青岡活立木平均高度為9.2m,胸徑24.1cm;交讓木活立木平均高度為5.1m，胸徑7.8cm；小葉白辛樹活立木平均高度為11.2m，胸徑20.2cm。小喬木或灌木主要有紅脈釣樟Lin-derarubronervia，微毛柃Euryahebeclados，莢蒾Viburnumdilatatum，大青Clerodendrumcyrtophyllum，浙江大青Clerodendrumkaichianum，野鴉椿Euscaphisjaponica，山胡椒Linderaglauca，雞毛竹Shibataeachinensis，紫竹Phyllostachysnigra，牛鼻栓Fortuneariasinensis和四照花Dendrobenthamiajaponicavar.chinensis等。

1.2觀測(cè)方法

1.2.1大氣水汽穩(wěn)定同位素組成δv的原位連續(xù)觀測(cè)試驗(yàn)地建有40m高的微氣象觀測(cè)塔，觀測(cè)塔搭載有由三維超聲風(fēng)速儀（CAST3，CampbellInc，美國(guó)）和開路CO2/H2O分析儀（Li-7500，LiCorInc.，美國(guó)），7層CO2/H2O廓線觀測(cè)系統(tǒng)，大氣水汽穩(wěn)定同位素分析系統(tǒng)，以及常規(guī)氣象觀測(cè)系統(tǒng)。利用LGR水汽同位素分析儀（WVIA）對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成進(jìn)行原位連續(xù)觀測(cè)。該系統(tǒng)采用離軸積分腔輸出光譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中水汽濃度，δ18O，δD的原位連續(xù)觀測(cè)［15］，借助于外擴(kuò)構(gòu)件可以測(cè)量5個(gè)不同高度的大氣水汽濃度及大氣水汽穩(wěn)定同位素組成。本試驗(yàn)地的系統(tǒng)的5個(gè)高度分別設(shè)在2,4,8,16和32m，取16m高度的通道值代表森林生態(tài)系統(tǒng)的地表蒸散總量的大氣水汽穩(wěn)定同位素組成。數(shù)據(jù)采集頻率為6min•次－1•通道－1，采樣頻率為0.1Hz，輸出結(jié)果以相對(duì)于國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)推薦的δv-SMOW值表示，δ18O的測(cè)量精度為（δ18O）＜±0.2‰，所采數(shù)據(jù)最后經(jīng)校準(zhǔn)并標(biāo)準(zhǔn)化后統(tǒng)一使用。本研究中的穩(wěn)定同位素組成值均為δ18O。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)的觀測(cè)常規(guī)氣象觀測(cè)系統(tǒng)由錦州陽(yáng)光氣象科技有限公司安裝，包括7層風(fēng)速，7層大氣溫度和濕度。安裝高度分別為2，7，11，17，23，30和38m。溫濕度采用17m的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。土壤溫度和濕度觀測(cè)深度為5，50和100cm。土壤熱通量測(cè)量深度為3和5cm。降雨量和凈輻射值由距離試驗(yàn)地500m的自動(dòng)氣象站提供。常規(guī)氣象觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器隔30min自動(dòng)記錄平均風(fēng)速、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤溫度、土壤濕度等常規(guī)氣象信息。自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器隔10min自動(dòng)記錄降雨量、凈輻射等信息。

2結(jié)果與分析

2.1降水對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響試驗(yàn)采用2013年8月1日到2013年10月1日的數(shù)據(jù)。大氣水汽穩(wěn)定同位素組成采取了2m和16m等2個(gè)高度，排除了高度對(duì)于同位素值的影響，1h計(jì)算1個(gè)平均值，1d共有24個(gè)同位素值。由于試驗(yàn)地郁閉度較高，降水量值存在偏低現(xiàn)象，但不影響試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)圖1進(jìn)行分析：整體來(lái)看，試驗(yàn)地大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化趨勢(shì)與降水量有明顯關(guān)系。每次降水過(guò)后，高低2層大氣水汽穩(wěn)定同位素組成都明顯降低。比如8月22日，9月11日，9月24日3次比較大的降水過(guò)后，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成都明顯降低。這可能是因?yàn)榻邓^(guò)程中，水汽的冷凝消耗了森林生態(tài)系統(tǒng)中的大量水蒸氣中的δ18O，使得大氣水汽中的同位素組成也隨之降低。

2.2環(huán)境溫度對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響從圖2可以看出：森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化趨勢(shì)不一致。當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成上升，當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成呈下降趨勢(shì)，9月開始尤其明顯。對(duì)兩者進(jìn)行回歸分析，從圖3我們可以看到環(huán)境溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的擬合曲線：y=－0.3477x－13.8790,R2=0.2123,F=15.9070,P=0.0002。說(shuō)明森林生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成有極顯著的相關(guān)性。分析原因可能為：環(huán)境溫度對(duì)于葉片蒸騰和土壤水的蒸發(fā)都有很大影響，進(jìn)而影響到同位素分餾作用，而大氣水汽穩(wěn)定同位素組成主要包括大氣本底的水汽同位素組成和葉片蒸騰的水汽同位素組成以及土壤水蒸發(fā)的水汽同位素組成［4］，因而環(huán)境溫度的變化會(huì)引起大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化。

2.3土壤5cm溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系土壤5cm深度處為土壤蒸發(fā)面［17］，此處的溫度可能會(huì)影響到土壤蒸發(fā)面液態(tài)水的蒸發(fā)，進(jìn)而影響到土壤蒸發(fā)水汽的同位素組成，因此選取土壤5cm深度的溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成作相關(guān)性分析。對(duì)圖4進(jìn)行分析，土壤溫度的變化趨勢(shì)和圖2中環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)類似，土壤5cm溫度最大值為8月2日22.49℃，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成為－19.47‰，土壤5cm溫度最小值為9月20日13.38℃，大氣水汽同位素組成為－15.24‰。圖5是土壤5cm溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的擬合曲線及方程，擬合方程為:y=0.1356x2－5.3818x+31.917,R2=0.3369,F=14.732,P＜0.0001，兩者相關(guān)性極顯著。

2.4環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響對(duì)圖6和圖7進(jìn)行分析：試驗(yàn)地的相對(duì)濕度值很高，最小值出現(xiàn)在9月28日，為54％，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成為－17.97‰；達(dá)到相對(duì)濕度最大值100%的天數(shù)有20d，期間大氣水汽穩(wěn)定同位素組成最大值出現(xiàn)在9月23日的－14.79‰，最小值為8月28日的－25.04‰。對(duì)兩者擬合，得到y(tǒng)=－0.0326x－17.1510，R2=0.0220，F(xiàn)=0.6605，P=0.5204，兩者相關(guān)性不顯著。

2.5土壤5cm濕度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系對(duì)圖8和圖9進(jìn)行分析：圖8可以看到土壤5cm相對(duì)濕度最大值為8月23日43.84％，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成δv為－20.97‰；土壤5cm相對(duì)濕度最小值為25.91％，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成因自然原因缺失，但這不影響我們探討兩者之間的關(guān)系。圖9為兩者擬合曲線及方程：y=0.0381x2－2.9413x+35.928,R2=0.0753,F=2.3608,P=0.1034，兩者相關(guān)性不顯著。

2.6平均風(fēng)速對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響對(duì)圖10進(jìn)行分析：平均風(fēng)速最大值為9月18日2.56m•s－1，相應(yīng)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成為－15.18‰；平均風(fēng)速最小值為8月24日和8月25日0m•s－1，相應(yīng)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成分別為－21.69‰和－22.97‰。圖11為兩者擬合后的結(jié)果：y=0.5942x－20.5090,R2=0.0179,F=1.0729,P=0.3045，表明兩者相關(guān)性不顯著。

2.7凈輻射對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響對(duì)圖12進(jìn)行分析：是每日平均瞬時(shí)凈輻射值同大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的變化趨勢(shì)，圖13是兩者的擬合曲線：y=－0.8261lnx－16.3640,R2=0.0460,F=1.6618,P=0.1987，兩者相關(guān)性不顯著。

3討論

本研究結(jié)果表明：森林生態(tài)系統(tǒng)中降水量、環(huán)境溫度、土壤5cm溫度對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成δv的影響較大。降水過(guò)后，大氣水汽穩(wěn)定同位素組成會(huì)明顯降低。這與石俊杰等［10］在玉米田生態(tài)系統(tǒng)，袁國(guó)富等［9］在小麥生態(tài)系統(tǒng)得到的結(jié)論一致。環(huán)境溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成相關(guān)性極顯著。但在本實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的是負(fù)相關(guān)，而石俊杰等［10］在玉米田生態(tài)系統(tǒng)得到的結(jié)論是兩者呈線性正相關(guān)。原因可能比較復(fù)雜，位于亞熱帶的天目山森林生態(tài)系統(tǒng)和北方的玉米田生態(tài)系統(tǒng)相比大氣環(huán)境都有很大的不同，植被因素也不容忽略，導(dǎo)致環(huán)境溫度對(duì)于土壤水分的蒸發(fā)和植被葉片蒸騰的影響作用不同，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響也有很大不同。在計(jì)算土壤蒸發(fā)水汽的Craig-Gordon模型中，土壤5cm處可以作為土壤液態(tài)水蒸發(fā)面［17］，理論上此處的溫度和濕度對(duì)土壤蒸發(fā)水汽同位素組成有影響。

結(jié)果土壤5cm溫度和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成相關(guān)性極顯著，符合預(yù)期。對(duì)于環(huán)境相對(duì)濕度而言，在森林生態(tài)系統(tǒng)中它和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的擬合的結(jié)果相關(guān)性不高。原因可能為天目山森林生態(tài)系統(tǒng)常年濕度在75%以上，在試驗(yàn)選取的時(shí)間8月和9月有20d的相對(duì)濕度達(dá)到了100%，作為單因子對(duì)于大氣水汽同位素組成δv的影響不顯著。平均風(fēng)速和大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的線性關(guān)系方程的相關(guān)系數(shù)值為0.017，表明兩者之間相關(guān)性不顯著。凈輻射作為生態(tài)系統(tǒng)能量流通、轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)量度，本研究也探討了它與大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系，結(jié)果顯示兩者相關(guān)性不高，這與石俊杰等［10］在玉米田生態(tài)系統(tǒng)得到的結(jié)論也不一致。通過(guò)分析森林生態(tài)系統(tǒng)中各氣象要素對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成的影響，和以前的一些論文做對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)結(jié)果有一些不一致，在森林生態(tài)系統(tǒng)中就單氣象因素對(duì)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成做相關(guān)性分析，結(jié)果顯示一些因素是不顯著的，這可能是因?yàn)楹娃r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相比，森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境更加復(fù)雜，各因子相互作用影響也更為復(fù)雜。當(dāng)然本研究為以后探討各因素之間如何相互作用共同影響森林生態(tài)系統(tǒng)大氣水汽穩(wěn)定同位素組成作了一定的基礎(chǔ)，也為今后在天目山森林生態(tài)系統(tǒng)中利用大氣水汽穩(wěn)定性同位素觀測(cè)技術(shù)和Keeling曲線區(qū)分地表蒸散提供了一定的補(bǔ)充。

作者：牛曉棟 江洪 王帆 單位：浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所