华北山区油松侧柏降雨前后水分来源

刘自强,余新晓,邓文平,贾国栋,贾剑波,娄源海,李瀚之

(北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

华北山区油松侧柏降雨前后水分来源

刘自强,余新晓†,邓文平,贾国栋,贾剑波,娄源海,李瀚之

(北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

北京山区处于季节性干旱的生态脆弱地带,研究其典型树种在降雨前后的水分来源对干旱区水分利用具有重要意义。本研究基于氢氧同位素技术,以北京山区典型乔木树种油松和侧柏为研究对象,测定分析树木枝条、土壤、地下水和降雨等氢氧同位素组成,探明2种乔木树种在降雨前后主要水分来源。结果表明:不同树种在同一时期的水分来源不同,同一树种在降雨前后水分来源不同。油松表层根系分布虽少,但在雨前仍能吸收利用含水量较高的表层土壤水,利用率为36.0%;为获得稳定水源,油松在降雨前后都利用发达的主根系吸收利用地下深层水分,利用率分别为38.0%和58.2%。侧柏在雨前干旱缺水时能利用深层水维持正常生理活动,利用率为71.2%,但分布在土壤表层0～20 cm的侧根系对降雨反应较为敏感,雨后的侧柏主要利用表层土壤水分,利用率为71.6%。试验结果将对于干旱半干旱地区人工造林、树种配置和缓解水资源短缺具有重要意义。

油松;侧柏;季节性干旱;水分来源;稳定氢氧同位素;华北

近年来,在干旱半干旱地区,水资源短缺不仅限制当地经济和社会的发展,同时也成为干旱半干旱生态系统中,限制森林植被多样性和树木生长的主要因子[1]。北京山区不仅是华北土石山区的重要组成部分,也是整个华北平原和北京市区的重要生态屏障;但因其处于干旱生态脆弱地带,气候易旱,降水分布不均,水资源短缺,土层瘠薄。油松(Pinus tabuliformis)和侧柏(Platycladus orientalis)是北京山区分布面积较广的典型针叶人工树种,能在干旱缺水状况下形成相对稳定的人工林,表现出较强的生态适应性。由于其水分利用机制尚不清楚,因此,探讨北京山区的水分输入和树木水分来源对于指导人工造林树种选择和配置及其后期管理具有重要意义。

森林中的树木所利用的水分可能来自降雨,也可能来自地表径流水、土壤水和地下水等水源,在季节性干旱时期,不同树木的主要水源具有一定的差异[7-8]。在连片白云岩裸露地区,有些乔木在旱季主要利用深层水,在雨后利用降水;而灌木在旱季和雨后都依靠最近的降雨[9-10]。J.W.C.White等[11]也在美国东北部温带森林群落发现白松(Pinus strobus)在夏季降雨后主要吸收表层土壤水,在旱季少雨时,转向吸收利用地下水或深层土壤水分,而落叶乔木槟榔青(Spondias pinnata)和十二雄蕊破布木(Cordia dodecandra)、常绿乔木黄栌(Cotinus coggygria Scop)在干旱季节以吸收浅层土壤水分为主[12]。不同树木对降水的响应也不同,对降水响应的差异与其根系分布有关[13],比如:琵琶柴(Reaumuria songonica)为浅根系植物,对降水响应极为敏感;多枝柽柳(Tamarix ramosissima)的根系分布较深,主要利用地下水,对降水响应较滞后[14]。目前,国内外有许多针对干旱半干旱地区植物水分来源研究[15-20],而对季节性干旱的北京山区研究少见报道。贾国栋等[21]以侧柏和栓皮栎(Quercus variabilis)为例研究北京山区典型树木在旱季、雨季的水分利用机制;但其只采用二元线性模型计算水分来源;邓文平等[22]只探讨了北京山区雨季降雨后栓皮栎、侧柏、荆条(Vitex negundo var.heterophylla)的水分来源状况,未涉及旱季土壤水分变化时树木对水分的利用状况。

本文以典型的北京山区优势乔木树种油松和侧柏为研究对象,利用稳定氢(H、D)氧(16O、18O)同位素技术,采用多元线性模型定量分析比较树木在旱季降雨前后水分来源及其同位素特征。通过系统研究,揭示油松和侧柏在旱季的水分利用特征,了解其对旱季降雨的响应机制,为北京山区造林树种选择、配置和林分改造提供参考,进而为北京山区植被恢复与绿化工程建设提供科学指导。

1 研究区概况

研究区位于北京林业大学教学实验林场——鹫峰国家森林公园(E 116°05＇,N 40°03＇)。地处北京市西山风景区中部,燕山山系与太行山系相会最北端处(图1)。海拔约450 m,多年平均降水量630 m,全年降水分布不均,春季干旱多风,降水较少,且昼夜温差和蒸发量较大;夏季为雨季,主要集中在6—9月,该时间段的降水量可达全年降水量的80%,属于华北暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区。该区森林植被基本以1958年以后营造的人工林为主,是乔木灌木的混交林,全园森林覆盖率85%左右,土层较薄,较深层土壤基本为石砾层和母质层。试验区及树木基本概况如表1所示。

图1　研究区位置Fig.1 Location of study site

表1　样地基本概况Tab.1 Condition of experimental plots

2 材料与方法

2.1样品采集时间

油松及侧柏枝条、土壤和泉水样品采集时间为2012年旱季4月17号(前30天内均没降雨)和4月25号(前3 d内降雨总量达45mm);降雨样品采集时间为4月20、21、24号。

2.2树木样品采集

在2种林地内分别选择3株无人工干扰的、长势良好且相似的标准木,每株采集3个样品。在冠层中部采集非绿色的栓化小枝,为防止枝条水分散失,迅速将样品放入50 mL的塑料离心管中,用Parafilm膜密封,带回实验室冷冻,保存至同位素测定。

第一个层次：术。工匠，是掌握一门技术的人才。有术才有匠。这是工匠精神最低层次的要求。这也昭示着高职教育要培养工匠精神，首先应该做好技术训练。

2.3土壤样品采集

在2种林地内,沿标准采样木,选取3个采样点,每个采样点的各土层采集3个样品。用长1.2 m土钻取土壤样品,表层土壤深度40 cm以上每间隔10 cm取土样,40 cm以下每间隔20 cm取土样。由于油松林地土层较薄,土壤平均深度在60 cm左右,往下为基岩层;因此油松林地土壤取60 cm处为止。侧柏林地土壤取至120 cm处。为防止蒸发导致同位素分馏,将所采的一部分土壤样品放入50 mL的塑料离心管,并用Parafilm膜密封,带回实验室后冷冻至同位素测定,另一部分装入铝盒中用烘干称重法测定土壤含水率。

2.4降雨样品采集

降雨样品采集点位于海拔170 m的无林空旷地,每次降雨采集3次。在采集点放置2个铁质收集桶,并把放有乒乓球的漏斗置于收集桶上方,减少桶内的水分蒸发分馏。将收集的样品转移至100mL的塑料试管中,用Parafilm膜密封,冷藏至同位素测定。

2.5泉水采集

泉水采集点位于金山泉(E 116°04＇,N 40°04＇,位于林地的西北方向1 m处)和妙灵山泉(E116° 05＇,N40°03＇,位于林地的西南方向310m处),每处泉水设置3个采集点,每个采集点采集3个样品。

2.6室内同位素测定

所采集枝条和土壤样品利用低温真空抽提法提取其水分,并用LGR DLI-100液态水同位素分析仪测定抽取的水样、降雨样及泉水样的同位素δD、δ18O值,其δD、δ18O的测定精度分别达0.3‰和0.1‰。测得的水样中氢氧同位素含量为“与标准平均大洋水(SMOW)”的千分差:

式中:Rsample为水样中D或18O的相对丰度;Rstandard为SMOW中D或18O的相对丰度。

当树木具有不同水分来源时,采用多元线性混合模型计算多个δD(δ18O)各自对树木水分利用的贡献率:

式中:X为树木茎干木质部水分δD或δ18O的值,‰;c1、c2、c3、c4、…、cn分别表示各潜在水源对树木所利用水分的贡献率,%;X1、X2、X3、X4、…、Xn分别为各潜在水源水分的δD或δ18O值,‰。

3 结果与分析

3.1降雨前后土壤含水量、根系特征分析

降雨前后油松和侧柏林地的土壤含水量不同(图2),油松林地的各层土壤含水量均大于侧柏,油松和侧柏林地土壤的平均含水量分别为7.44%和2.17%。这可能与林地土壤本身的性质有关。油松林地土壤质地均匀,土壤表层被难以分解的枯枝落叶层覆盖,减少了水分蒸发。油松的粗根系在深层较为发达,细根在20～40 cm分布较为集中。侧柏粗细根系在整个土壤层分布较为均匀,表层细根系所占比例较大(图3)。降雨前,随着土壤深度的增加,油松林地土壤含水量逐渐升高,这可能是因为旱季表层土壤的蒸发比较强烈,带走大量水分;降雨在油松土壤中入渗,30 cm处土壤含水量达到最大值,比5 cm处土壤含水量高42.8%,结合油松根系特征,推测出油松可能在30 cm处吸收利用的水分较少或表层土壤蒸发强烈所致。降雨前,在侧柏林地土层0～40 cm范围内,含水量在20 cm处出现一个峰值为3.05%,在40 cm处土壤及以下深度,含水量基本保持不变;降雨后的侧柏林地土层0～20 cm处含水量本应随着降雨入渗升高,但却较雨前低,结合侧柏根系分布来看,这可能由于表层土壤蒸发强烈或侧柏大量利用该层土壤水分。

图2　降雨前后油松、侧柏林地土壤含水量变化Fig.2 Variation of soil water in Pinus tabuliformis and Platycladus orientalis stands before and after rainfall

3.2不同水体的δD的变化

图3　油松和侧柏的根系分布特征Fig.3 Characteristics of root distribution in Pinus tabuliformis and Platycladus orientalis stands

图4　不同水体δD同位素值变化Fig.4 Variation ofδD values in differentwater sources

降雨在土壤中的入渗过程非常复杂,受到很多因素的影响,不仅与气候条件、土壤质地和结构等土壤条件有关,还与土壤前期含水量以及植被覆盖度有关[23]。如图4所示,降雨前后,油松和侧柏林地土壤水的δD值不同,二者对降雨的响应也不同。随着土层的变浅,油松和侧柏林地土壤水δD值增大,这是因为土壤表层水分蒸发强度较大导致同位素分馏,使重同位素出现富集。油松林地各层土壤水的δD值在降雨后都有所变化,表明降雨对土壤同位素值有直接的影响。0～20 cm土层,土壤δD值在-44.0‰左右变动,结合该层土壤含水量变化,说明降雨使该层含水量达到饱和;在20～50 cm层土壤,随着土壤深度的增加,土壤水的δD值减小,这是由于降雨在该层入渗的水分减少。侧柏林地土壤水的δD值在降雨后比降雨前大;在降雨后,随着土壤深度的增加,降雨入渗减少,土壤水的δD值趋于稳定。本次试验所取的地下水非常稳定,其同位素值降雨前后基本不变。邓文平等[24]研究鹫峰地区氢氧稳定同位素特征也发现,泉水的同位素特征值比较稳定,主要分布在地区降雨线的右下方与雨季降雨线的交点附近。

3.3直接对比法判断树木水分来源

利用直接相关比较的方法,对比树木木质部茎干水δD与各潜在水源的δD的值。直接相关法就是对比图中各潜在水源与茎干水分同位素值所处位置,若枝条水分与某种潜在水源的同位素值处同一区域或有交叉部分,就认为树木利用该水源,二者的曲线距离可以判断树木利用水分的比例[25]。如图5所示,降雨前后,2种树木的茎干水与各潜在水源δD变化曲线的交点各不相同,说明2种树木在降雨前后吸收利用的水分来源不同。

降雨前,油松木质部茎干水与土壤水的δD变化曲线在15 cm处有交点,说明油松主要吸收利用10～20 cm土层的水;而降雨后,油松茎干水与土壤水δD变化曲线在40～50 cm处有交点并与地下水δD值相近,说明油松在降雨后可能吸收利用40～50 cm土层的水和地下水。

与油松不同,降雨前,侧柏木质部茎干水与土壤水的δD变化曲线在40～50 cm处有交点并与地下水δD值相近,说明侧柏在降雨前可能吸收利用40～50 cm土层的水和地下水;降雨后,侧柏茎干水与土壤水的δD值变化曲线在20 cm处有交点,说明在降雨后侧柏主要吸收利用20 cm土层的水。

3.4多元线性模型分析水分来源

图5　降雨前后油松、侧柏潜在水分来源比较Fig.5 Potentialwater sources in Pinus tabulaeformis and Platycladus orientalis stands before and after rainfall

根据同位素质量守恒原理,利用多元线性混合模型,采用Iso-Source软件分析处理树木茎干水分的可能来源。Iso-Source软件能分析多个潜在水源,笔者根据侧柏林地深层土壤同位素的相似性,结合同位素值变化,将80～120 cm这层与地下视为一层。潜在水源的同位素值取各深度所测的平均值,将树木茎干水分同位素值视为潜在水源的混合值。为准确分析树木水分来源,量化各潜在水源贡献率,将各潜在水源的D和18O同位素同时输入Iso-Source软件分析处理。

计算得出(表2):降雨前,油松主要吸收利用土壤表层0～10 cm和地下的水分,这2层水源的的贡献率相似,分别为36.0%和38.0%;侧柏主要吸收利用地下水和0～10 cm土层的水,这2层的贡献率分别是71.2%和12.5%。降雨后,油松主要吸收利用地下水,贡献率是58.2%;侧柏主要吸收利用土壤表层0～10 cm和10～20 cm的水分,贡献率分别为48.8%和22.8%。

4 讨论

土壤水分主要来自降水,降水量的不同使土壤水分处于不断变化的状态[25]。结合土壤同位素特征分析土壤含水量,可以提供降雨在土壤中的迁移信息。本研究中,林地土壤含水量和同位素值都表现出垂直变化。2林地土壤水分含量在降雨前表现出极大的不同,油松和侧柏林地土壤的平均含水量分别为7.44%和2.17%,受降雨和土壤本身性质的影响,降雨后2林地土壤含水量变化规律也不相同,说明侧柏和油松林地土壤对降雨的响应不同。降雨在入渗和蒸发过程中的分馏程度也存在差异,林地0～30 cm土壤水δD值受降水的影响明显,30 cm以下土壤水δD值的变化表现出一定的滞后性;干旱季节干旱缺水,降雨后的林地土壤仍受强烈蒸发影响,随着土壤深度的变浅,2林地的重同位素出现富集,同位素特征值变大。王仕琴等[26]研究华北平原降雨入渗过程,也得出降雨在入渗过程会因土壤质地不同导致入渗速度和失熵系数不同,土壤深度从下到上同位素值趋于富集。徐庆等[27]在研究卧龙亚高山暗针叶林中土壤水氢稳定同位素时也发现,土壤水δD在表层变化最大,向下变化幅度越来越小,60 cm以下土壤水δD趋于稳定,并逐渐接近地下水δD值。

研究选取的北京山区典型乔木——油松和侧柏,2种树木在降雨前后利用水分的差异较大:侧柏在雨前利用深层水分,在雨后利用浅层水分,油松在雨后利用深层水,在雨前利用浅层水和深层水。这可能与2种树木的根系在土壤的非均匀分布和根系活力有关。树木根系分布影响水分的吸收范围,侧柏的主根不发达,侧根较发达[28-29]。干旱季节降雨前土壤表层缺水较深层更为严重,为维持植物正常的生理活动,侧柏利用深层水分;降雨后,表层土壤含水量得到补充,分布在土壤表层丰富的侧根系对降雨反应较为敏感,使其在雨后这种适宜条件下主要利用表层土壤水分。而油松根系具有明显垂直主根和副主根,且粗壮发达,垂直主根深入土层基本都在1 m以上,有的几乎达到母质层,水平根分布30 cm左右深度的土壤中[30]。树木的根系会根据水分条件,选择较容易获得的、稳定的、充足的水分来应对树木生长所需水分。在雨前干旱缺水的生境中,油松表层土壤的根系分布虽少,但含水量较高,油松仍能利用土壤浅层水;为适应干旱缺水的环境,维持较强的蒸腾强度,在降雨前后都利用深层土壤水分,这种水分利用策略可能是油松对环境长期适应的结果。刘增文等[31]在研究油松蒸腾耗水及林地水分动态特征时也认为油松在40～60 cm和130～150 cm处分别出现2个土壤水分强烈吸收层,这与本研究的实验结果相符;因此,深层土壤是油松在北京山区旱季的稳定水源。李鹏菊等[32]在研究西双版纳石灰山热带季节性湿润林植物时发现,植物的根系吸收土壤中的稳定水源,是树木长期适应环境的结果。但树木根系与树木利用水分的定量关系,仍需待进一步研究。

表2　各潜在水源对树木茎干水贡献率Tab.2 Contribution of each possible water source for plant stems

5 结论

降雨前油松和侧柏林地的土壤含水量不同,侧柏的各层土壤含水量均小于油松,其平均含水量分别为7.44%和2.17%。降雨前,油松林地土壤含水量随着深度的增加而升高;侧柏林地土壤含水量在20 cm处出现一个峰值,为3.05%,但在40 cm处及以下深度,含水量基本保持不变。得到降雨补充后,油松林地土壤含水量在25 cm处达到一个峰值,侧柏林地的各层土壤含水量均高于降雨前,表层土壤的含水量比雨前增加了186.3%。

不同树种在同一时期的水分来源不同,同一树种在降雨前后的水分来源不同,并表现出各自对生境的适应性。雨前,油松吸收利用土层0～10 cm和深层水分,贡献率分别为36.0%和38.0%;侧柏利用深层水的贡献率达71.2%。雨后,油松利用深层水的贡献率达58.2%;侧柏吸收0～20 cm土层的水分,贡献率达71.6%。从2种树木的水分来源来看,2种树木在同一时期利用不同土壤层次的水分,在造林树种选择时若进行混交,能缓解季节性干旱区物种间的水分竞争,这对于北京山区人工造林、树种配置和缓解水资源短缺具有重要的参考价值。

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[32] 李鹏菊,刘文杰,王平元,等.西双版纳石灰山热带季节性湿润林内几种植物的水分利用策略[J].云南植物研究,2008,30(4):496. Li Pengju,Liu Wenjie,Wang Pingyuan,et al.Plant water use strategies in a limestone tropical seasonalmoist rainforest in Xishuangbanna,Southwest China[J].Acta Botanica Yunnanica,2008,30(4):496.(in Chinese)

W ater sources of Pinus tabuliformis and Platycladus orientalis before and after rain in northern China

Liu Ziqiang,Yu Xinxiao,DengWenping,Jia Guodong,Jia Jianbo,Lou Yuanhai,Li Hanzhi

(Beijing Forestry University,Key Lab.of Soil&Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education,100083,Beijing,China)

[Background]Mountains in Beijing are in an ecologically fragile area with seasonal drought; therefore,study ofwater source of typical tree species before and after the rain in arid areas is of great significance.[M ethods]By taking Pinus tabulaeformis and Platycladus orientalis in mountains in Beijing as subject,we employed the hydrogen and oxygen isotope technique and measured the isotopic composition in branches of trees,soil,groundwater and rainfall in order to clarify their water source before and after the rain.[Results]The results showed that the soilmoisture content and the isotope of the two species showed a vertical change.P.tabuliformis and P.orientalis forest soil were different in soilmoisture content before rainfall.Soilmoisture content in Platycladus orientalis layerswas lower than that in Pinus tabulaeformis.The average soilmoisture content was 7.44%and 2.17%,respectively. After the rainfall,soilmoisture content in the stands of two typical specieswere higher than before,the average soil moisture content in the P.orientalis stand increased by 46.1%compared to that before rainfall,while it increased by 38.7%for P.tabuliformis.The intense evaporation of surface soil water caused the isotope fractionation and enrichment heavy isotopes.Decreasingwith soil depth,soilwaterδDin P.tabuliformis and P.orientalis stands showed a tendency to increase,and the heavy isotope was enriched.Different plant species had different water sources in the same season,and the same plant species had differentwater sources before and after the rain,showing an adaptation to their habitats.P. tabuliformis had fewer roots in surface soil,but still absorbed a high amount of topsoil water before rainfall,with a utilization rate of 36.0%;in order to obtain a stable water supply,P.tabuliformis used the developed deep roots to absorb underground water with a utilization rate of38%and 58.2%,before and after rain,respectively.P.orientalis used deep soilwater tomaintain normal physiological activities, and the utilization ratewas71.2%.The lateral root in the surface layer soil of0-20 cm was sensitive to rainfall,and P.orientalis mainly used surface soil moisture with a utilization rate of 71.6%. [Conclusions]Our results have great significance for artificial afforestation,tree species configuration and alleviation of the water resource shortage in arid and semi-arid areas.

pinus tabuliformis;platycladus orientalis;seasonal drought;water source;stable hydrogen and oxygen isotopes;northern China

S157.1

A

1672-3007(2016)02-0111-09

10.16843/j.sswc.2016.02.015

2015-04-21

2015-10-23

项目名称:国家自然科学基金“基于稳定同位素的典型森林生态系统水、碳过程及其耦合机制研究”(41430747)

刘自强(1991—),男,硕士研究生。主要研究方向:森林水文及同位素水文。E-mail:liuzistrong@163.com

简介:余新晓(1961—),男,博士,教授。主要研究方向:森林水文与水土保持。E-mail:yuxinxiao111@126.com