基于氢氧同位素技术的滇东南峰林湖盆区不同群落降水分配过程

刘珏杉，范 弢

（1.四川卫生康复职业学院,四川自贡 643000；2.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500）

基于氢氧同位素技术的滇东南峰林湖盆区不同群落降水分配过程

刘珏杉1，2，范 弢2*

（1.四川卫生康复职业学院,四川自贡 643000；2.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500）

【目的】选择滇东南文山州普者黑峰林湖盆区为研究区，探讨岩溶地区植被恢复对降水分配过程的影响。【方法】通过对当地大气降水δ18O以及不同群落穿透水δ18O的分析，结合当地大气降水量与林内降水量，应用SPSS软件进行线性回归分析。【结果】①当地大气降水线方程为：δD=8.764δ18O+21.558。月降水δ18O和降水量相关性不大，雨量效应不明显。②小叶羊蹄甲灌丛穿透水δ18O与降水δ18O相关性大于清香木次生林,较大的群落盖度、强烈的蒸散作用使清香木次生林穿透水δ18O与降水δ18O产生差异。③所有群落林内降水量都与林外降水量有高度相关性，其中云南松人工林＞小叶羊蹄甲灌丛＞清香木次生林。④清香木次生林优势种清香木林冠截留率最大，树种组成单一、林龄较小的云南松人工林林冠截留率较小。【结论】森林群落的水文过程对于地区水文循环和调蓄有较大意义，随着群落的正向演替和植被恢复，群落水文调节功能不断增大，对降水δ18O以及降水分配过程影响更大，植被水土保持、水源涵养的功能愈加显著。

氢氧同位素；林内降水；穿透水；岩溶地区

自20世纪80年代起，稳定同位素技术已作为一种有效的研究手段应用于生态学领域并取得较大成果。基于同位素分馏原理，稳定同位素组成特征可有效示踪消费者（混合物）与生产者（初始来源）的转化关系，根据外界变化做出敏感而及时的动态响应，对土壤-植物-大气连续体养分和水分循环有独特的示踪优势。其中环境氢氧同位素是研究植被林冠截留和水分转化变化特征的重要途径[1-3]。相对多侧重于某个单一水分因子的传统技术来说，同位素技术在探讨地区水文过程方面更具有优势。通过林内、林外降水氢氧同位素特征，结合林内、林外降水量来探讨群落对水分的分配过程，可揭示影响水文循环的不同下垫面[4]以及不同森林群落对生态恢复的重要意义[5-6]。

国内对于降水氢氧稳定同位素的研究近年较多，金可等[7]发现鄂尔多斯沙区大气降水线性方程斜率较全球大气降水线方程低，认为该地区大气降水经历了蒸发作用。张应华等[8]指出降水δ18O有明显的季节效应，并与降水量呈正相关。由于水汽来源以及所处气候差异，胡可等[9]在对喀斯特地区进行降水氢氧同位素特征研究时却得到相反结论。其认为降水δ18O有明显的季节效应，并与降水量呈负相关。徐庆等[10]在对川西卧龙巴郎山的暗针叶林进行降水分配过程的研究中发现，发育良好的森林植被对降水有较好的调控作用。谢刚等[11]在研究不同树龄香椿对林冠截留水的影响时发现，随着降水量的增加，林冠截留率降低，而随着树龄的增大，林冠截留率增大。Liu Y.H.[12]在对高山栎（Quercus aquifolioides）灌丛进行林冠截留研究时发现，其穿透水氢氧同位素组成与大气降水相关性高，但是林冠截留量相对于降水有明显滞后。

综上，国内外以往研究结果证明，氢氧稳定同位素技术在示踪大气降水水汽来源、分析温度效应和雨量效应以及探讨森林水文过程方面有较大作用。不同群落对降水分配的影响机制有所不同，群落盖度、林龄、植物叶面积以及降水量大小和强度对分配过程都有着不同程度的影响，发育良好的森林群落有较好的水文调节功能。但基于稳定氢氧同位素技术结合林外、林内降水量的森林降水过程的研究目前鲜有报道。在同一气候区，关于植被的恢复、群落的更替对地区水文过程产生何种变化和影响的科学问题亟待解决。本研究侧重于分析不同群落降水分配过程，并通过探讨不同群落水文调蓄功能，提出在岩溶地区如何缓解地下水漏失严重的植被恢复、群落重建的科学建议。

滇东南文山州作为云贵高原连接两广丘陵的过渡地带，是岩溶地貌发育典型且面积较大的地区。此区域植被退化，导致土层浅薄且不连续，形成高度异质性的小生境。选择滇东南普者黑峰林湖盆区为研究区，通过分析小叶羊蹄甲灌丛群落（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与大气降水δ18O、林内降水量与大气降水量以及树冠截留，可探讨在不同植被模式下降水再分配过程以及对地区水文循环的作用。

1 材料和方法

1.1 试验地位置及自然概况

普者黑地处云贵高原南部，位于云南省文山壮族苗族自治州丘北县中部，地理坐标处于103°58′～104°11′E，24°5′～24°14′N 之间。海拔 1440～1900 m，属于典型的中亚热带高原季风气候，旱雨季分明，四季温差小，年均温为13.7℃～18.6℃，降水量为1100～1200mm，主要集中在 6—8月，5—9月为雨季，10月至次年4月为旱季。土壤类型以红壤、黄壤以及水稻土为主。地质构造复杂，广泛发育三叠系碳酸盐岩和碎屑岩。地处西南岩溶区，为典型的峰林湖盆地貌。主要有峰丛洼地、峰林湖泊、孤峰湖泊、溶洞和暗河等岩溶地貌。地下水系发达，主要有孔隙水、裂隙水以及表层岩溶水。在此区域，植被具有较突出的水源涵养功能，且表层岩溶泉和暗河对地表湖水持续补给，使得整个生态水文过程得以良好循环，是维持岩溶湿地景观的关键。

1.2 样地设置

本次研究根据峰林湖盆区立地环境、植被分布状况以及优势种组成，选取了普者黑菜花箐村小叶羊蹄甲灌丛、清香木次生林和云南松人工林为研究样地，样地面积设置为20 m×20 m（见表1）。由于自20世纪80年代以来当地开始种植人工林，其中大尖山水库研究样地云南松人工林培育时间为21世纪初，起步时间较晚，建群种云南松林龄相对较小。

表1 样地基本概况Table 1 General situation of the plots

1.3 研究方法

1.3.1 样品采集

在样地附近设定固定点收集大气降水。在20 m×20 m样地随机放置5个水量筒和2个水量槽来收集并测定林内降水。穿透水量通过计算雨后收集水体积除以受雨面积所得。选择不同径级的样木5株，通过环形接水装置，在橡胶管下方连接聚氯乙烯集水桶收集树干径流。树干径流量通过雨后收集水量后，计算径级株数水量的加权平均数所得。

2014年5月至2015年4月逐月收集林外降水和林内降水。林内降水样品包括：小叶羊蹄甲灌丛样地优势种（小叶羊蹄甲、香樟、清香木和老虎刺），清香木次生林样地优势种（清香木、锥连栎），云南松人工林样地建群种（云南松）。并将采集到的水样放入冰盒，带回实验室冷冻保存用以氢氧稳定同位素的测定。水质样包括大气降水、小叶羊蹄甲灌丛样地和清香木次生林样地样品84个。

1.3.2 样品水分提取与分析

大气降水δ18O和δD在高原地理过程与环境变化云南重点实验室由MAT253气体同位素质谱仪（美国热电公司）测定。δ18O和δD的精度分别为0.1‰和0.3‰。测定结果用标准平均大洋水（VSMOW）进行校准。

1.3.3 数据分析

主要利用SPSS软件进行线性回归分析，通过Anova分析和F检验来探讨数据相关性和可靠性。由于δD变化幅度大且容易受外界干扰，本文主要选择相对稳定的δ18O进行分析。利用Grapher软件绘制图形，分析降水δ18O与降水量、降水δ18O与穿透水δ18O、林外降水量与林内降水量的相关性和变化趋势。

2 结果与分析

2.1 降水δ18O与降水量的关系

从图1可以看出，受亚热带季风影响，降水量季节效应明显，干湿季分化显著。在2014年11月到2015年4月期间，即降水量少的旱季，降水量只占全年降水量的13.39%，降水δ18O相对较高，位于-13.18‰～7.46‰之间，其中3月达到一年中最大值。而在2015年雨季的5月到10月，降水量达到全年降水量的86.60%，降水δ18O则相对较低，范围为-14.36‰～-0.35‰，其中8月为全年降水δ18O最小月份。将降水δ18O与月降水量作线性回归分析,结果为：R2=0.022，n=12，p=0.648。降水δ18O 与月降水量之间线性负相关性不显著，表明降水δ18O与月降水量之间的水量效应不显著。这说明降水δ18O除受到降水量影响外，还受到水汽来源、气温、下垫面等多方面因素的综合影响，因此降水δ18O与降水量不呈线性相关。

图1 降水δ18O与降水量逐月变化图Figure 1 The changes of precipitation δ18O and precipitation of each month

2.2 大气降水与林内降水特征分析

对研究区降水δ18O进行一元线性回归分析，得到研究区在降水收集期间的地方大气降水线（LMWL）：δD=8.764δ18O+21.558，其斜率和截距大于全球大气降水线（GMWL：δD=8δ18O+10），气候较为湿润。因此，可能是过度的水分地下漏失造成了地质性干旱现象。降水δ18O范围为-14.36‰～7.46‰,δD值为-103.17‰～66.07‰。由于雨季主要受到阿拉伯海、孟加拉湾以及西太平洋热带气旋的水汽影响，降水量较大，旱季则受到西风带以及短途水汽的影响，降水量较小，δ18O波动幅度相对大。总之，水汽来源的不同导致降水δ18O组成有明显的季节差异，呈现出典型的季风区降水δ18O变化特征。

从图2可以看出，次生林样地与灌丛样地的林内降水同位素组成范围在大气降水同位素范围之内，说明林内降水主要由大气降水组成。次生林群落δ18O 范围为-14.26‰～-2.27‰，δD 范围为-101.01‰～2.85‰，灌丛群落δ18O范围为-14.32‰～-2.04‰，δD范围为-101.16‰～3.04‰。两个群落同位素组成都有明显的季节性特征。灌丛林内降水相对次生林林内降水氢氧同位素组成范围更大。

图2 大气降水与不同群落林内降水氢氧同位素组成分析Figure 2 Analysis of precipitation and precipitation δ18O and δD values inside different communities

2.3 降水与穿透水的氧同位素特征

将降水 δ18O（y）与穿透水 δ18O（x）做线性回归分析（见图3），得到方程如下：小叶羊蹄甲灌丛y=0.769x-1.617，R2=0.891，p=0＜0.05，F=56.944；清香木次生林 y=0.827x-1.462，R2=0.855，p=0＜0.05，F=54.084。

图3 降水与不同群落穿透水的氧同位素变化趋势Figure 3 Changes of Precipitation and throughfall δ18O in different communities

从图3可以看出，两个样地穿透水δ18O都与降水δ18O呈显著线性相关。但由于不同的群落其冠层结构不同，冠层截留和蒸散作用也有较大差异，穿透水δ18O组成发生变化，因此回归参数不同。小叶羊蹄甲灌丛穿透水δ18O与降水δ18O相关性较清香木次生林大，说明盖度较小的灌丛对降水δ18O影响较小；反之，盖度相对大的清香木次生林对降水δ18O影响较大。两种群落对降水氧同位素组成有不同程度的改变，从灌木群落到乔木群落的演替过程中，植被对降水过程及水化学元素有更显著的影响。

2.4 不同群落林内降水量与林内降水量的线性回归分析

以林内降水量为y，降水量为x对3个群落植物进行林内降水量与降水量的线性回归得到公式如下：

（1）小叶羊蹄甲灌丛样地植物

小叶羊蹄甲：y=0.832x-7.396，p=0.000＜0.05，R2=0.989，F=873.087。

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

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

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

（2）清香木次生林样地植物

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

锥连栎：y=0.781x-4.767，p=0.002＜0.05，R2=0.966，F=284.201

（3）云南松人工林样地植物

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

大气降水量与各树种林内降水量如表2所示。

表2 大气降水量与各树种林内降水量Table 2 Precipitation and species precipitation inside different forestmm

总的来说，3个群落植物林内降水量都与降水量有一定相关性，按拟合优度R2均值从大到小排列为：云南松人工林＞小叶羊蹄甲灌丛＞清香木次生林。受树种叶面积指数影响，灌丛植物和林龄较小的云南松叶面积相对较小。因此，在雨水滴落的过程中并没有发生强烈的蒸散作用，林内降水与降水量差异不大。而清香木与锥连栎叶面积大，因此，在大气降水转化为林内降水的过程中发生了较明显的蒸散变化，形成复杂的水文转化和截留过程。

2.5 不同群落林冠截留率对比

林冠截留量由林外降水减去穿透水和树干径流所得。3个群落的林冠截留量都呈现出季节性差异，即在降水量最大的雨季，林冠截留量最大，小叶羊蹄甲灌丛、清香木次生林、云南松人工林分别达到46.9、43.1以及30.2mm。而在旱季林冠截留量则分别为15.2、13.5和10.9mm。灌丛则相对有明显的滞后性，其最大截流量并不在降水量最大的6月，而出现在8月，这可能与生长阶段有关。

通过计算，小叶羊蹄甲灌丛植物小叶羊蹄甲、香樟、清香木和老虎刺林冠截留率范围分别为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锥连栎林冠截留率则分别为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为8.9%～33.9%。同时，3种群落林冠截留率均随降水量增大而变小，即在雨季较小而旱季较大。林冠截留率从大到小依次为：小叶羊蹄甲灌丛＞清香木次生林＞云南松人工林。其中，清香木次生林优势种清香木林冠截留率最大。

3 讨论

相对于滇东北地区[13-14]，研究区大气降水线方程斜率和截距都较大，气候相对湿润，但仍然存在缺水问题。地质性干旱是造成此现象最主要的原因。同时，研究区降水δ18O与水量效应较低，说明在地形、气候复杂的岩溶地区，生境的高度异质性导致影响降水δ18O的因素比较复杂。

一般来讲，林内降水与大气降水有较高的相关性[15-16]，盖度更小的灌丛群落对于降水同位素组成的影响较小。而林冠截留率则与植物叶面积指数、粗糙程度、多样性以及降水强度密切相关[17-20]。随着叶面积指数增大和森林郁闭度增大，截留和蒸散过程对降水再分配起到显著调节作用[21-23]。通常情况下，随着植被恢复和群落演替，乔木群落林冠截留率大于灌木群落，但同时也受到生长阶段的影响。树种单一、林龄较小的云南松人工林则相对林冠截流率较小。谢刚等[24]在研究不同林龄香椿对林冠截留率的影响时发现，林龄大小与树冠截留率呈正相关。由于更加丰富的植物层次[25]，灌丛群落全年都有较高的林冠截留率。

总的来说，灌丛与次生林群落均有较高的林冠截留率，对水文循环起到显著的积极作用。从幼龄到成熟植株，从灌木到乔木，在正向演替过程中，植被在降水再分配过程中的作用越来越重要。

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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，FAN 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

国家自然科学基金（滇东岩溶高原峰林湖盆水源枯竭机制研究）（41261007）；国家自然科学基金地区项目（滇东岩溶高原云南松水源林产水功能恢复机理研究）（41661004）。

刘珏杉，硕士研究生。*责任作者：范弢，副教授，从事岩溶生态水文研究，E-mail：fantao080@sina.com。

（本文审稿：吴福忠；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）