基于氫氧同位素技術(shù)的滇東南峰林湖盆區(qū)不同群落降水分配過程

劉玨杉，范 弢

（1.四川衛(wèi)生康復(fù)職業(yè)學(xué)院,四川自貢 643000；2.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500）

基于氫氧同位素技術(shù)的滇東南峰林湖盆區(qū)不同群落降水分配過程

劉玨杉1，2，范 弢2*

（1.四川衛(wèi)生康復(fù)職業(yè)學(xué)院,四川自貢 643000；2.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500）

【目的】選擇滇東南文山州普者黑峰林湖盆區(qū)為研究區(qū)，探討巖溶地區(qū)植被恢復(fù)對(duì)降水分配過程的影響?！痉椒ā客ㄟ^對(duì)當(dāng)?shù)卮髿饨邓?8O以及不同群落穿透水δ18O的分析，結(jié)合當(dāng)?shù)卮髿饨邓颗c林內(nèi)降水量，應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行線性回歸分析?！窘Y(jié)果】①當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程為：δD=8.764δ18O+21.558。月降水δ18O和降水量相關(guān)性不大，雨量效應(yīng)不明顯。②小葉羊蹄甲灌叢穿透水δ18O與降水δ18O相關(guān)性大于清香木次生林,較大的群落蓋度、強(qiáng)烈的蒸散作用使清香木次生林穿透水δ18O與降水δ18O產(chǎn)生差異。③所有群落林內(nèi)降水量都與林外降水量有高度相關(guān)性，其中云南松人工林＞小葉羊蹄甲灌叢＞清香木次生林。④清香木次生林優(yōu)勢(shì)種清香木林冠截留率最大，樹種組成單一、林齡較小的云南松人工林林冠截留率較小。【結(jié)論】森林群落的水文過程對(duì)于地區(qū)水文循環(huán)和調(diào)蓄有較大意義，隨著群落的正向演替和植被恢復(fù)，群落水文調(diào)節(jié)功能不斷增大，對(duì)降水δ18O以及降水分配過程影響更大，植被水土保持、水源涵養(yǎng)的功能愈加顯著。

氫氧同位素；林內(nèi)降水；穿透水；巖溶地區(qū)

自20世紀(jì)80年代起，穩(wěn)定同位素技術(shù)已作為一種有效的研究手段應(yīng)用于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域并取得較大成果?；谕凰胤逐s原理，穩(wěn)定同位素組成特征可有效示蹤消費(fèi)者（混合物）與生產(chǎn)者（初始來源）的轉(zhuǎn)化關(guān)系，根據(jù)外界變化做出敏感而及時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)土壤-植物-大氣連續(xù)體養(yǎng)分和水分循環(huán)有獨(dú)特的示蹤優(yōu)勢(shì)。其中環(huán)境氫氧同位素是研究植被林冠截留和水分轉(zhuǎn)化變化特征的重要途徑[1-3]。相對(duì)多側(cè)重于某個(gè)單一水分因子的傳統(tǒng)技術(shù)來說，同位素技術(shù)在探討地區(qū)水文過程方面更具有優(yōu)勢(shì)。通過林內(nèi)、林外降水氫氧同位素特征，結(jié)合林內(nèi)、林外降水量來探討群落對(duì)水分的分配過程，可揭示影響水文循環(huán)的不同下墊面[4]以及不同森林群落對(duì)生態(tài)恢復(fù)的重要意義[5-6]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于降水氫氧穩(wěn)定同位素的研究近年較多，金可等[7]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯沙區(qū)大氣降水線性方程斜率較全球大氣降水線方程低，認(rèn)為該地區(qū)大氣降水經(jīng)歷了蒸發(fā)作用。張應(yīng)華等[8]指出降水δ18O有明顯的季節(jié)效應(yīng)，并與降水量呈正相關(guān)。由于水汽來源以及所處氣候差異，胡可等[9]在對(duì)喀斯特地區(qū)進(jìn)行降水氫氧同位素特征研究時(shí)卻得到相反結(jié)論。其認(rèn)為降水δ18O有明顯的季節(jié)效應(yīng)，并與降水量呈負(fù)相關(guān)。徐慶等[10]在對(duì)川西臥龍巴郎山的暗針葉林進(jìn)行降水分配過程的研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)育良好的森林植被對(duì)降水有較好的調(diào)控作用。謝剛等[11]在研究不同樹齡香椿對(duì)林冠截留水的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著降水量的增加，林冠截留率降低，而隨著樹齡的增大，林冠截留率增大。Liu Y.H.[12]在對(duì)高山櫟（Quercus aquifolioides）灌叢進(jìn)行林冠截留研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其穿透水氫氧同位素組成與大氣降水相關(guān)性高，但是林冠截留量相對(duì)于降水有明顯滯后。

綜上，國(guó)內(nèi)外以往研究結(jié)果證明，氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)在示蹤大氣降水水汽來源、分析溫度效應(yīng)和雨量效應(yīng)以及探討森林水文過程方面有較大作用。不同群落對(duì)降水分配的影響機(jī)制有所不同，群落蓋度、林齡、植物葉面積以及降水量大小和強(qiáng)度對(duì)分配過程都有著不同程度的影響，發(fā)育良好的森林群落有較好的水文調(diào)節(jié)功能。但基于穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)結(jié)合林外、林內(nèi)降水量的森林降水過程的研究目前鮮有報(bào)道。在同一氣候區(qū)，關(guān)于植被的恢復(fù)、群落的更替對(duì)地區(qū)水文過程產(chǎn)生何種變化和影響的科學(xué)問題亟待解決。本研究側(cè)重于分析不同群落降水分配過程，并通過探討不同群落水文調(diào)蓄功能，提出在巖溶地區(qū)如何緩解地下水漏失嚴(yán)重的植被恢復(fù)、群落重建的科學(xué)建議。

滇東南文山州作為云貴高原連接兩廣丘陵的過渡地帶，是巖溶地貌發(fā)育典型且面積較大的地區(qū)。此區(qū)域植被退化，導(dǎo)致土層淺薄且不連續(xù)，形成高度異質(zhì)性的小生境。選擇滇東南普者黑峰林湖盆區(qū)為研究區(qū)，通過分析小葉羊蹄甲灌叢群落（Bauhinia hookeriana shrubbery）、清香木次生林群落（Pistacia weinmannifolia secondary forest）以及云南松人工林群落（Pinus yunnanensis plantation）穿透水δ18O與大氣降水δ18O、林內(nèi)降水量與大氣降水量以及樹冠截留，可探討在不同植被模式下降水再分配過程以及對(duì)地區(qū)水文循環(huán)的作用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地位置及自然概況

普者黑地處云貴高原南部，位于云南省文山壯族苗族自治州丘北縣中部，地理坐標(biāo)處于103°58′～104°11′E，24°5′～24°14′N 之間。海拔 1440～1900 m，屬于典型的中亞熱帶高原季風(fēng)氣候，旱雨季分明，四季溫差小，年均溫為13.7℃～18.6℃，降水量為1100～1200mm，主要集中在 6—8月，5—9月為雨季，10月至次年4月為旱季。土壤類型以紅壤、黃壤以及水稻土為主。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，廣泛發(fā)育三疊系碳酸鹽巖和碎屑巖。地處西南巖溶區(qū)，為典型的峰林湖盆地貌。主要有峰叢洼地、峰林湖泊、孤峰湖泊、溶洞和暗河等巖溶地貌。地下水系發(fā)達(dá)，主要有孔隙水、裂隙水以及表層巖溶水。在此區(qū)域，植被具有較突出的水源涵養(yǎng)功能，且表層巖溶泉和暗河對(duì)地表湖水持續(xù)補(bǔ)給，使得整個(gè)生態(tài)水文過程得以良好循環(huán)，是維持巖溶濕地景觀的關(guān)鍵。

1.2 樣地設(shè)置

本次研究根據(jù)峰林湖盆區(qū)立地環(huán)境、植被分布狀況以及優(yōu)勢(shì)種組成，選取了普者黑菜花箐村小葉羊蹄甲灌叢、清香木次生林和云南松人工林為研究樣地，樣地面積設(shè)置為20 m×20 m（見表1）。由于自20世紀(jì)80年代以來當(dāng)?shù)亻_始種植人工林，其中大尖山水庫(kù)研究樣地云南松人工林培育時(shí)間為21世紀(jì)初，起步時(shí)間較晚，建群種云南松林齡相對(duì)較小。

表1 樣地基本概況Table 1 General situation of the plots

1.3 研究方法

1.3.1 樣品采集

在樣地附近設(shè)定固定點(diǎn)收集大氣降水。在20 m×20 m樣地隨機(jī)放置5個(gè)水量筒和2個(gè)水量槽來收集并測(cè)定林內(nèi)降水。穿透水量通過計(jì)算雨后收集水體積除以受雨面積所得。選擇不同徑級(jí)的樣木5株，通過環(huán)形接水裝置，在橡膠管下方連接聚氯乙烯集水桶收集樹干徑流。樹干徑流量通過雨后收集水量后，計(jì)算徑級(jí)株數(shù)水量的加權(quán)平均數(shù)所得。

2014年5月至2015年4月逐月收集林外降水和林內(nèi)降水。林內(nèi)降水樣品包括：小葉羊蹄甲灌叢樣地優(yōu)勢(shì)種（小葉羊蹄甲、香樟、清香木和老虎刺），清香木次生林樣地優(yōu)勢(shì)種（清香木、錐連櫟），云南松人工林樣地建群種（云南松）。并將采集到的水樣放入冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存用以氫氧穩(wěn)定同位素的測(cè)定。水質(zhì)樣包括大氣降水、小葉羊蹄甲灌叢樣地和清香木次生林樣地樣品84個(gè)。

1.3.2 樣品水分提取與分析

大氣降水δ18O和δD在高原地理過程與環(huán)境變化云南重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由MAT253氣體同位素質(zhì)譜儀（美國(guó)熱電公司）測(cè)定。δ18O和δD的精度分別為0.1‰和0.3‰。測(cè)定結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水（VSMOW）進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

主要利用SPSS軟件進(jìn)行線性回歸分析，通過Anova分析和F檢驗(yàn)來探討數(shù)據(jù)相關(guān)性和可靠性。由于δD變化幅度大且容易受外界干擾，本文主要選擇相對(duì)穩(wěn)定的δ18O進(jìn)行分析。利用Grapher軟件繪制圖形，分析降水δ18O與降水量、降水δ18O與穿透水δ18O、林外降水量與林內(nèi)降水量的相關(guān)性和變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水δ18O與降水量的關(guān)系

從圖1可以看出，受亞熱帶季風(fēng)影響，降水量季節(jié)效應(yīng)明顯，干濕季分化顯著。在2014年11月到2015年4月期間，即降水量少的旱季，降水量只占全年降水量的13.39%，降水δ18O相對(duì)較高，位于-13.18‰～7.46‰之間，其中3月達(dá)到一年中最大值。而在2015年雨季的5月到10月，降水量達(dá)到全年降水量的86.60%，降水δ18O則相對(duì)較低，范圍為-14.36‰～-0.35‰，其中8月為全年降水δ18O最小月份。將降水δ18O與月降水量作線性回歸分析,結(jié)果為：R2=0.022，n=12，p=0.648。降水δ18O 與月降水量之間線性負(fù)相關(guān)性不顯著，表明降水δ18O與月降水量之間的水量效應(yīng)不顯著。這說明降水δ18O除受到降水量影響外，還受到水汽來源、氣溫、下墊面等多方面因素的綜合影響，因此降水δ18O與降水量不呈線性相關(guān)。

圖1 降水δ18O與降水量逐月變化圖Figure 1 The changes of precipitation δ18O and precipitation of each month

2.2 大氣降水與林內(nèi)降水特征分析

對(duì)研究區(qū)降水δ18O進(jìn)行一元線性回歸分析，得到研究區(qū)在降水收集期間的地方大氣降水線（LMWL）：δD=8.764δ18O+21.558，其斜率和截距大于全球大氣降水線（GMWL：δD=8δ18O+10），氣候較為濕潤(rùn)。因此，可能是過度的水分地下漏失造成了地質(zhì)性干旱現(xiàn)象。降水δ18O范圍為-14.36‰～7.46‰,δD值為-103.17‰～66.07‰。由于雨季主要受到阿拉伯海、孟加拉灣以及西太平洋熱帶氣旋的水汽影響，降水量較大，旱季則受到西風(fēng)帶以及短途水汽的影響，降水量較小，δ18O波動(dòng)幅度相對(duì)大。總之，水汽來源的不同導(dǎo)致降水δ18O組成有明顯的季節(jié)差異，呈現(xiàn)出典型的季風(fēng)區(qū)降水δ18O變化特征。

從圖2可以看出，次生林樣地與灌叢樣地的林內(nèi)降水同位素組成范圍在大氣降水同位素范圍之內(nèi)，說明林內(nèi)降水主要由大氣降水組成。次生林群落δ18O 范圍為-14.26‰～-2.27‰，δD 范圍為-101.01‰～2.85‰，灌叢群落δ18O范圍為-14.32‰～-2.04‰，δD范圍為-101.16‰～3.04‰。兩個(gè)群落同位素組成都有明顯的季節(jié)性特征。灌叢林內(nèi)降水相對(duì)次生林林內(nèi)降水氫氧同位素組成范圍更大。

圖2 大氣降水與不同群落林內(nèi)降水氫氧同位素組成分析Figure 2 Analysis of precipitation and precipitation δ18O and δD values inside different communities

2.3 降水與穿透水的氧同位素特征

將降水 δ18O（y）與穿透水 δ18O（x）做線性回歸分析（見圖3），得到方程如下：小葉羊蹄甲灌叢y=0.769x-1.617，R2=0.891，p=0＜0.05，F(xiàn)=56.944；清香木次生林 y=0.827x-1.462，R2=0.855，p=0＜0.05，F(xiàn)=54.084。

圖3 降水與不同群落穿透水的氧同位素變化趨勢(shì)Figure 3 Changes of Precipitation and throughfall δ18O in different communities

從圖3可以看出，兩個(gè)樣地穿透水δ18O都與降水δ18O呈顯著線性相關(guān)。但由于不同的群落其冠層結(jié)構(gòu)不同，冠層截留和蒸散作用也有較大差異，穿透水δ18O組成發(fā)生變化，因此回歸參數(shù)不同。小葉羊蹄甲灌叢穿透水δ18O與降水δ18O相關(guān)性較清香木次生林大，說明蓋度較小的灌叢對(duì)降水δ18O影響較小；反之，蓋度相對(duì)大的清香木次生林對(duì)降水δ18O影響較大。兩種群落對(duì)降水氧同位素組成有不同程度的改變，從灌木群落到喬木群落的演替過程中，植被對(duì)降水過程及水化學(xué)元素有更顯著的影響。

2.4 不同群落林內(nèi)降水量與林內(nèi)降水量的線性回歸分析

以林內(nèi)降水量為y，降水量為x對(duì)3個(gè)群落植物進(jìn)行林內(nèi)降水量與降水量的線性回歸得到公式如下：

（1）小葉羊蹄甲灌叢樣地植物

小葉羊蹄甲：y=0.832x-7.396，p=0.000＜0.05，R2=0.989，F(xiàn)=873.087。

香樟：y=0.715x-9.292，p=0.000＜0.05，R2=0.976，F(xiàn)=124.647。

清香木：y=0.745x-10.584，p=0.000＜0.05，R2=0.954，F(xiàn)=207.148。

老虎刺：y=0.736x-3.500，p=0.000＜0.05，R2=0.963，F(xiàn)=259.385。

（2）清香木次生林樣地植物

清香木：y=0.783x-4.694，p=0.002＜0.05，R2=0.974，F(xiàn)=375.911

錐連櫟：y=0.781x-4.767，p=0.002＜0.05，R2=0.966，F(xiàn)=284.201

（3）云南松人工林樣地植物

云南松：y=0.836x-4.732，p=0.002＜0.05，R2=0.970，F(xiàn)=328.369

大氣降水量與各樹種林內(nèi)降水量如表2所示。

表2 大氣降水量與各樹種林內(nèi)降水量Table 2 Precipitation and species precipitation inside different forestmm

總的來說，3個(gè)群落植物林內(nèi)降水量都與降水量有一定相關(guān)性，按擬合優(yōu)度R2均值從大到小排列為：云南松人工林＞小葉羊蹄甲灌叢＞清香木次生林。受樹種葉面積指數(shù)影響，灌叢植物和林齡較小的云南松葉面積相對(duì)較小。因此，在雨水滴落的過程中并沒有發(fā)生強(qiáng)烈的蒸散作用，林內(nèi)降水與降水量差異不大。而清香木與錐連櫟葉面積大，因此，在大氣降水轉(zhuǎn)化為林內(nèi)降水的過程中發(fā)生了較明顯的蒸散變化，形成復(fù)雜的水文轉(zhuǎn)化和截留過程。

2.5 不同群落林冠截留率對(duì)比

林冠截留量由林外降水減去穿透水和樹干徑流所得。3個(gè)群落的林冠截留量都呈現(xiàn)出季節(jié)性差異，即在降水量最大的雨季，林冠截留量最大，小葉羊蹄甲灌叢、清香木次生林、云南松人工林分別達(dá)到46.9、43.1以及30.2mm。而在旱季林冠截留量則分別為15.2、13.5和10.9mm。灌叢則相對(duì)有明顯的滯后性，其最大截流量并不在降水量最大的6月，而出現(xiàn)在8月，這可能與生長(zhǎng)階段有關(guān)。

通過計(jì)算，小葉羊蹄甲灌叢植物小葉羊蹄甲、香樟、清香木和老虎刺林冠截留率范圍分別為18.0%～37.5%、19.6%～59.7%、16.6%～60.6%以及 16.1%～52.2%。清香木次生林植物清香木和錐連櫟林冠截留率則分別為14.1%～69.1%和9.3%～42.7%，云南松人工林植物云南松林冠截留率為8.9%～33.9%。同時(shí)，3種群落林冠截留率均隨降水量增大而變小，即在雨季較小而旱季較大。林冠截留率從大到小依次為：小葉羊蹄甲灌叢＞清香木次生林＞云南松人工林。其中，清香木次生林優(yōu)勢(shì)種清香木林冠截留率最大。

3 討論

相對(duì)于滇東北地區(qū)[13-14]，研究區(qū)大氣降水線方程斜率和截距都較大，氣候相對(duì)濕潤(rùn)，但仍然存在缺水問題。地質(zhì)性干旱是造成此現(xiàn)象最主要的原因。同時(shí)，研究區(qū)降水δ18O與水量效應(yīng)較低，說明在地形、氣候復(fù)雜的巖溶地區(qū)，生境的高度異質(zhì)性導(dǎo)致影響降水δ18O的因素比較復(fù)雜。

一般來講，林內(nèi)降水與大氣降水有較高的相關(guān)性[15-16]，蓋度更小的灌叢群落對(duì)于降水同位素組成的影響較小。而林冠截留率則與植物葉面積指數(shù)、粗糙程度、多樣性以及降水強(qiáng)度密切相關(guān)[17-20]。隨著葉面積指數(shù)增大和森林郁閉度增大，截留和蒸散過程對(duì)降水再分配起到顯著調(diào)節(jié)作用[21-23]。通常情況下，隨著植被恢復(fù)和群落演替，喬木群落林冠截留率大于灌木群落，但同時(shí)也受到生長(zhǎng)階段的影響。樹種單一、林齡較小的云南松人工林則相對(duì)林冠截流率較小。謝剛等[24]在研究不同林齡香椿對(duì)林冠截留率的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，林齡大小與樹冠截留率呈正相關(guān)。由于更加豐富的植物層次[25]，灌叢群落全年都有較高的林冠截留率。

總的來說，灌叢與次生林群落均有較高的林冠截留率，對(duì)水文循環(huán)起到顯著的積極作用。從幼齡到成熟植株，從灌木到喬木，在正向演替過程中，植被在降水再分配過程中的作用越來越重要。

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Precipitation Distribution Processes in the Peak Forest-lake Basin of Southeastern of Yunnan Province Based on Hydrogen and Oxygen Stable Isotope

LIU Jue-sha1，2，F(xiàn)AN Tao2*
（1.Sichuan Vocational College of Health and Rehabilitation，Nursing Department，Zigong 643000，Sichuan，China)2.Yunnan Normal University，Kunming 650500，China)

【Objective】The objective of this study was to investigate the effect of vegetation restoration on the precipitation distribution process in the Puzhehei peak forest-lake basin of southeastern of Yunnan of karst area.【Method】The δ18O contentd of precipitation and throughfall in different forests were measured and linear regression analysis was used in the study by SPSS software.【Results】The results were shown as follows：①The line equation of local precipitation was δD=8.764δ18O+21.558.The correlation between δ18O and monthly precipitation was not significant and the rainfall effect was not obvious；②The correlation between throughfall δ18O from Bauhinia hookeriana shrubbery and precipitation δ18O was greater than that of Pistacia weinmannifolia secondary forest.This could be due to the fact that P.weinmannifolia secondary forest had larger community coverage and strong evapotranspiration.③The precipitation within the forests was strongly correlated with the precipitation outside the forests，with an order of P.yunnanensis plantation＞B.hookeriana shrubbery＞P.weinmannifolia secondary forest. ④P.weinmannifolia was the dormant species in the P.weinmannifolia secondary forest，whose canopy interception rate was the highest.P.yunnanensis plantation had a low rate of canopy interceptionbecause of unitary species composion and young age.【Conclusions】The hydrological process of forest communities is of great significance to the regional hydrological circulation and transfer function.With the positive succession of the community，the hydrological regulation function of the community could increase and there could be greater impact on precipitation δ18O and precipitation distribution process.Therefore，the function of vegetation for soil and water conservation becomes more and more significant.

oxygen stable isotope；precipitation inside forest；throughfall；karst region

S715.1

A

1000-2650（2017）03-0333-06

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.008

2017-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（滇東巖溶高原峰林湖盆水源枯竭機(jī)制研究）（41261007）；國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目（滇東巖溶高原云南松水源林產(chǎn)水功能恢復(fù)機(jī)理研究）（41661004）。

劉玨杉，碩士研究生。*責(zé)任作者：范弢，副教授，從事巖溶生態(tài)水文研究，E-mail：fantao080@sina.com。

（本文審稿：吳福忠；責(zé)任編輯：鞏艷紅；英文編輯：徐振鋒）