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本文通过全面分析卧龙自然保护区高山草甸大气—土壤—植物三界面上各种水文要素,包括降雨、雾水、土壤水、浅层地下水、溪水、植物水的稳定性氢氧同位素组成特征,分析其各自来源和相互转化关系,并由此得出高山草甸生态系统具有较强的水分涵养及抗洪防涝功能。其主要结论如下:
(1)高山草甸大气降水线为δ D=7.98 δ18ο+34.28,其远高于全球降水线和东南亚降水线的截距,表明高山草甸降雨具有明显的高氘盈余值特征。高山草甸降雨的平均氘盈余值为34.70%o,揭示了其降雨来源水汽中含有较多内陆蒸发的水汽。
(2)高山草甸雾水δ值满足方程:δ D=7.96 δ18ο+37.99。雾水δ值和氘盈余值都高于降雨,表明雾水是来自山区内陆蒸发的水汽;雾水的同位素组成还随雨水的同位素组成变化,表明雾水来自降雨后的蒸发。
(3)高山草甸土壤水分δ值范围介于雨水和雾水间,表明高山草甸土壤水为雨水和雾水的混合。利用IsoSource程序,算出土壤水中旧水所占比例为0-62%,雨水比例为16-67%,雾水比例为0-84%。
(4)高山草甸土壤水分δ18O值剖面具有较大的空间变异性:样地1、3表层0-15cm土壤水δ18O值低于深层土壤,波动程度高于深层土壤;样地2则在0-15cm土壤水δ18O值高于深层土壤,在0-5cm表层土壤水δ18O值波动小于深层土壤。不同的δ值剖面反映了高山草甸土壤水分运动同时存在优势流和活塞流的机制:样地1、3土壤表层受到降雨输入的影响较强,土壤水分在表层主要以活塞流的方式将土壤旧水向下挤压,从而在土壤深层产生“δ18O锋”,但样地1、3都在15-25cm土壤发现δ18O值相对稳定层,该层的存在表明水分还以“优势流”向土壤深层运动;样地2土壤水分则主要以“优势流”的方式穿越0-5cm土壤表层而迅速入渗到土壤深层,其表层因土壤旧水的含量高而具有
较高δ18O值,但样地2在表层0-15cm平均δ18O值和水分含量逐渐降低,显示其在表层同样存在“活塞流”。
(5)高山草甸土壤水分δ值的时间序列变化显示:在7月4日一场大降雨发生后,样地2各层δ D值变化曲线重合度最高,反映其水分最强的垂直入渗;样地3各层δ D值的变化曲线最为分离,显示其水分的垂直入渗最弱;样地1介于两者间;并且,三样地都在7月8日到7月11日不同程度地表现出表层土壤水分δ D值低于同时段降雨,而与7月4日降雨后表层土壤水分δ值相近的现象。这些都表明土壤表层水分存在不同程度的沿坡面向下的侧向流动;这种现象在样地3尤为明显,在样地1其次,在样地2最弱,表明坡度越高水分侧向流动越强。土壤水分δ值的时间序列变化还显示,高山草甸土壤具有极强的渗透性,即使小雨也有可能较快地入渗到土壤深层,但越大的降雨影响土壤深层水分越强。
(6)高山草甸表层0-15cm土壤水分δ D—δ18O关系满足方程δ D=8.956δ18O+44.91,斜率高于大气降水线和雾水δ D—δ18O方程;同时土壤水分的氘盈余值在7月4日之前高于7月4日之后。这表明,土壤水分δ D—δ18O方程的高斜率是由于7月4日前后土壤水分的氘盈余值不同;7月4日之前土壤水分含有较多旧雾水,7月4日后土壤水分含有较多雨水;7月4日后土壤水分的较低氘盈余值是由于土壤水分经历过一定程度的蒸发。利用同位素质量守恒的方法,计算得到实验期间高山草甸土壤水分平均蒸发强度为0.48mm/d,如此低值表明高山草甸水分的蒸发微弱,其水分蒸散主要为植物蒸腾部分。
(7)高山草甸浅层地下水具有相当稳定的同位素组成,显示其同位素组成为多年降水同位素组成的整合,也表明其具有较大的库容量和稳定来源。其平均氘盈余值为33.79‰,表明高氘盈余值是高山草甸降水的一般特征。
(8)高山草甸溪水的同位素组成也相当稳定,但其变幅大于浅层地下水,平均δ值略低于浅层地下水但二者很接近,体现了溪水主要补给源为浅层地下水,但同时还携带了来自高海拔的部分降雨。溪水的同位素组成是较大时空尺度内的降水同位素组成整合,其平均氘盈余值为36.54‰,同样表明高氘盈余值是高山草甸降水的一般特征。
(9)高山革甸植物水的同位素组成介于雨水和雾水之间,反映了植物水分来源为雨水和雾水的混合。在驴蹄草、藜芦、狼毒三种植物中,驴蹄草δ18O值分布最分散,平均δ18O值最低,在7月4日大降雨后吸收雨水最多,表明其水分利用策略为最迅速
地利用降雨;狼毒δ18ο值分布最集中,平均δ18ο值最高,在7月4日大降雨后吸收雨水最少,表明其水分利用策略为充分利用土壤旧水,而对新发生降雨吸收缓慢;藜芦对雨水和土壤旧水的利用则介于狼毒和藜芦间。通过比较植物水δ值和不同深度土壤水δ值,初步判断驴蹄草的主要水分吸收深度在土壤0-5cm,藜芦主要水分吸收深度在土壤水0-15cm深度比驴蹄草较深位置,狼毒主要水分吸收深度则在土壤25—45cm。