为揭示黄河小浪底库区森林植被对降雨径流的调控机制,定量评价小流域水资源转化关系及径流补给来源,本文以河南省济源市黄河小浪底库区的大沟河、砚瓦河流域为例,运用稳定同位素技术,研究降水同位素的季节变化特征,基于林分尺度,研究典型优势树种侧柏(Platycladus orientalis L.)、栓皮栎(Quercus variabilis Bl.)的降雨再分配及降雨影响下土壤水分运移特征,运用水量平衡原理,探讨不同林分坡面产流的降雨量临界值。基于小流域尺度,探讨降水-地表水-地下水转化关系,并对地表径流补给来源进行定量评估。主要结论如下:(1)降水δD(氘同位素)和δ18O(氧同位素)值变化范围较大,春、夏、秋三季随季节变化逐渐减小。4-10月降水δD与温度成负相关关系,而季节性降水相关性不显著。4-10月及秋季降水δD和δ18O与降水量存在负相关关系。当地大气降水线方程为δD=7.19δ18O-1.29,夏季大气降水线斜率及d值较小,而秋季最大。利用HYSPLIT气团轨迹模型,可知夏季水汽主要来自东南及西南海洋性季风输送,春、秋季降水受大陆和海洋性季风共同影响,即降水表现出一定的季节效应。因此,确定区域降水季节变化特征是研究同位素水文过程的重要先决条件。(2)侧柏林及低、中、高密度栓皮栎林之间的树干茎流δDS值及不同林分间的穿透雨δDT值差异均不显著,林外降雨δD与δDS、δDT均呈显著相关关系,且δDT与δD相关性更高,当降雨量≥14.2 mm时,δD与δDS、δD与δDT差值δD>0。当降雨量<14.2 mm时,δD<0。表明影响茎流、穿透雨δD值的因素不仅仅是水分蒸发,而是植被结构及各种环境因子(温度、湿度、蒸发等)综合作用的结果。侧柏林及中、高密度栓皮栎林,在前期土壤湿度较大的雨季和旱季初期,降雨较快入渗到深层,除高密度林分在前期降雨较多的雨季下渗到中层,而前期降雨较少时,在枯落物及表中层土壤滞留时间较长。低密度栓皮栎林,降雨在枯落物及土壤表层滞留时间较短,随后涵养在上层水分以活塞流形式下渗。且前期降水较多时,混合水可侧向流动补给壤中流。表明土壤湿度低时,侧柏林及中密度栓皮栎林土壤可较好的蓄积水分,高密度林分在湿度低或高时均能较好的调控土壤水分,而低密度林分储水性较差。此外,在前期降水充足和高强度降雨后,降雨在低中密度林分均可通过优先流形式快速补给深层土壤。泉水和地下水δD值没有明显改变,受短期降水影响较小。(3)侧柏林林冠总截留量(129.1 mm)大于栓皮栎林,且栓皮栎林随林分密度增加而增大,分别为109.5、114.8、117.4 mm。随降雨量增加截留率逐渐减小并趋于稳定。截留量与降雨量呈极显著正相关关系,且呈较好的幂函数关系。侧柏林枯落物总截留量(52.6 mm)小于栓皮栎林,且栓皮栎林随林分密度增加而增大,分别为57.5、78.5、82.9 mm。截留量与降雨量呈极显著正相关关系,且呈较好的对数函数关系。侧柏林及低密度栓皮栎林土壤最大吸水量较低,中、高密度栓皮栎林较高,均值分别为22.4、22.4、32.8、33.0 mm。随季节变化旱季吸水量较多,雨季较少。侧柏林及低、中、高密度栓皮栎林坡面产流的降雨量临界值随季节波动分别为11.7-39.1、14.3-35.9、29.3-49.5、30.2-49.6 mm,均值分别为30.7、29.7、43.6、44.2 mm,即侧柏林及低密度栓皮栎林降雨量临界值小于中、高密度栓皮栎林,表明中、高密度栓皮栎林可更好的涵养水源、保持水土。且在旱季产流所需降雨较多,雨季降雨较少。(4)砚瓦河流域地表水、浅层、深层地下水p H值随季节变化较稳定,均值分别为8.4、7.6、7.9,且大雨后地表水与浅层地下水存在相互转化关系。地表水TDS随季节变化差异显著且沿程减小,而浅层及深层地下水季节、沿程差异均不显著,均值分别为408、471、444 mg/L。且大雨后地表水和地下水之间转化较密切。不同水体EC值随季节变化差异显著,均值分别为602、656、672μs/cm。同一水体EC与TDS之间呈正相关关系,不同水体两参数间相关性不显著,说明不同水体具有不同的水分来源。地表水EC值沿程变化显著,而深层地下水不显著。与降雨TDS、EC值比较可知地表水受降雨和地下水的共同补给。降雨δD值随季节变化逐渐减小,地表水、浅层地下水变化趋势与降雨相同,表明地表水、浅层地下水均受降雨的补给作用。春、夏季地表水δD值沿程增大,秋季基本不变。浅层地下水δD值波动范围小于地表水,且随地表水上下波动,表明浅层地下水和地表水存在密切的水力联系。深层地下水δD值季节波动较小,表明深层地下水受降水等因子影响较小且沿程基本不变。地表水、浅层、深层地下水的δD-δ18O关系线分别为δD=5.21δ18O-15.40;δD=5.52δ18O-13.96;δD=5.77δ18O-11.59。地表水与浅层地下水δD和δ18O值均分布在大气降水线两侧且分散,表明两者均由降雨补给,而深层地下水分布集中。地表水变化幅度小于降雨,表明地表水除接受降雨补给外还受其他水源补给。不同水体δD-δ18O关系线斜率依次增加但均小于降水线,表明降雨在补给前经历了一定的蒸发作用,且深层地下水受蒸发影响较小。地表水、浅层地下水斜率相近,表明两者间存在显著的相互作用关系。(5)降雨和浅层地下水对河流贡献率波动范围较大,分别为20.1%-81.2%、8.3%-47.6%,且两者对河流贡献呈现此消彼长的负相关关系。深层地下水波动范围较小为10.6%-35.0%。降雨对河流的贡献率与降雨量相关性不显著,而是降雨量、河流径流量及环境因素共同作用的结果。当春季径流量小、气候干旱时,即使产生较大降雨,因降雨优先补给干旱土壤,使得降雨对河流贡献相对较小,平均贡献率24.6%,而浅层、深层地下水贡献率分别为45.7%、29.7%。夏季,降雨量增多径流增加,降雨对河流贡献增大至47.0%,浅层、深层地下水贡献率相对较小,分别为37.6%、15.4%。秋季,9月降雨266.3 mm,河道径流量剧增,降雨对河流贡献率高达81.2%。10月因前期降雨较多,深层地下水得到充分补给,对河流贡献率为34.7%,降雨贡献率下降至30.6%。