亚热带湿润地区典型植物水分利用来源的稳定同位素分析

来源 :湖南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lanangel1234
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植物水分利用来源研究是生态学和水文学领域研究的热点问题。通过研究植物水分利用特征,可了解区域森林系统内部水循环过程。本文以长沙地区针阔混交林内樟树、刺杉、栀子花和人工经济林内板栗树、野茶花为研究对象,基于2017年3月—2019年9月期间降水量,土壤含水量观测数据和降水、土壤水、植物茎杆水和叶片水中稳定同位素数据分析研究区森林系统内不同水体稳定同位素的变化特征。其次,利用直接比较法、水线法(δ2H—δ18O线性关系)、Iso-Source模型和Mix SIR模型对5种植物水分利用来源进行分析,并比较4种方法在本区域植物水分利用来源研究中的适用性。最后,结合相关气象资料(温度T、相对湿度RH、太阳辐射RS、饱和水汽压差VPD)分析不同时间尺度下影响樟树和刺杉叶片水中稳定同位素变化的主要因子。结果表明:(1)研究区降水、土壤水和各植物茎杆水中δ18O均表现出在湿润期(10月—次年6月)明显偏正,在干旱期(7—9月)明显偏负的变化趋势。其中,两林地下土壤水中δ18O季节变化随深度增加逐渐减小。受降水影响,5种植物茎杆水和两林地0—60 cm土壤水中δ18O随时间变化与降水中δ18O基本一致,两林地60—100 cm深层土壤水中δ18O对降水的响应则存在1—2个月的时滞。(2)当各层土壤水中稳定同位素不存在明显差异时,水线法可以很好地揭示樟树的水分利用特征,而直接比较法、Iso-Source模型和Mix SIR模型均无法准确地判别樟树的水分利用来源。在基于同位素的模型计算中,Iso-Source模型根据2H和18O计算得到的樟树主要吸水层位和对主要吸水层位的利用比例均存在一定差异。Mix SIR模型根据2H和18O计算得到的樟树主要吸水层位基本一致,且对主要吸水层位的利用比例较为接近。因此,在植物水分利用的定量研究中,Mix SIR模型则较Iso-Source模型更优。(3)研究区各植物水分利用来源存在季节变化,樟树在2017年3—6月、2017年10月—2018年6月和2018年10月—2019年6月的湿润期分别主要利用0—20 cm、0—40 cm和0—20 cm的土壤水;刺杉、栀子花和野茶花在2018年10月—2019年5月的湿润期分别对0—20 cm、0—10 cm和0—10 cm土壤水利用比例最大。随着干旱期的到来,4种植物吸水深度逐渐下移,樟树在2017、2018年和2019年的干旱期(7—9月)分别主要利用20—60 cm、0—60 cm和60—100 cm土层的土壤水。刺杉,栀子花和野茶花2019年6—7月分别主要利用20—100 cm、0—20 cm和0—100 cm的土壤水;而在2019年8—9月的干旱期,3种植物均主要利用60—100 cm土壤水。相较于其他4种植物,板栗树在生长季末期(10—11月)和生长季初期(4月)主要利用0—20 cm土壤水,在落叶期内(12月—次年3月)几乎不利用土壤水,而在生长旺盛期(5—9月)则主要利用60—100 cm深层土壤水。(4)日尺度下,在湿润期,樟树和刺杉叶片水中稳定同位素动力分馏程度大,两种植物叶片水中δ18O和Δ18OL(叶片水18O富集程度)均大于干旱期,两种植物LWL的斜率则明显小于干旱期。小时尺度下,在湿润期典型晴日,樟树和刺杉叶片水中δ18O和Δ18OL均大于干旱期典型晴日,而两种植物LWL的斜率则均小于干旱期典型晴日。(5)日尺度下,樟树和刺杉叶片水中δ18O的富集程度主要受RH、RS和VPD的影响;小时尺度下影响2种植物叶片水δ18O富集程度的主要气象因子分别为T、RH和VPD。其中,而在影响日尺度下植物叶片水δ18O富集的3个气象因子中,RH的影响最大;在影响小时尺度下植物叶片水δ18O富集的3个气象因子中,VPD、T的影响最大。
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