冰川冻土, 2020, 42(2): 629-640 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0019

冰冻圈水文与水资源

黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发分割

彭文丽,1,2, 赵良菊,1,2, 谢聪1,2, 董玺莹1,2, 刘全玉1,2,3, 李瑞峰1,2, 潘昭烨1,2

1.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室, 陕西 西安 710127

2.西北大学 城市与环境学院, 陕西 西安 710127

3.安康学院 旅游与资源环境学院, 陕西 安康 725000

Evapotranspiration partitioning of the Picea crassifolia forest ecosystem in the upper reaches of the Heihe River

PENG Wenli,1,2, ZHAO Liangju,1,2, XIE Cong1,2, DONG Xiying1,2, LIU Quanyu1,2,3, LI Ruifeng1,2, PAN Zhaoye1,2

1.Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity,Xi’an 710127,China

2.College of Urban and Environmental Sciences,Northwest University,Xi’an 710127,China

3.College of Tourism and Environment Resources,Ankang University,Ankang 725000,Shaanxi,China

通讯作者: 赵良菊, 教授, 从事干旱半干旱区水循环、 水环境及生态水文过程研究. E-mail: zhlj@nwu.edu.cn.

编委: 周成林

收稿日期: 2019-08-16   修回日期: 2020-02-19  

基金资助: 国家重点研发计划项目课题“变化环境下西北内陆区多尺度水循环过程与系统模拟”.  2017YFC0404302
国家自然科学基金项目.  41730751.  41571025.  41771028

Received: 2019-08-16   Revised: 2020-02-19  

作者简介 About authors

彭文丽(1993-),女,甘肃张掖人,2017年在石河子大学获学士学位,现为西北大学在读硕士研究生,从事同位素生态水文研究.E-mail:wlpengnwu@163.com , E-mail:wlpengnwu@163.com

摘要

通过对黑河上游排露沟流域海拔2 700 m和2 900 m处青海云杉森林生态系统不同季节的土壤水、 植物水和大气水汽等不同水体稳定氧同位素组成(δ18O)的测定, 运用Craig-Gordon模型、 同位素稳态假设和Keeling Plot模型分别得出土壤蒸发、 植物蒸腾和蒸散发的δ18O, 结合多元线性混合模型将生态系统蒸散发分割为土壤蒸发和植物蒸腾。结果表明: 土壤蒸发水汽的δ18OE、 植物蒸腾水汽的δ18OT及蒸散发水汽的δ18OET分别介于-35.9‰ ~ -25.2‰、 -9.0‰ ~ -4.2‰和-18.5‰ ~ -10.2‰之间, 三者顺序为δ18OT > δ18OET > δ18OE, 满足同位素稳态假设。植物蒸腾对蒸散发的贡献率(fT)在52.2% ~ 88.4%之间变化, 土壤蒸发对蒸散发的贡献率(fE)在11.6% ~ 47.8%之间变化, fT远大于fE, 说明生态系统蒸散发大部分来自于植物蒸腾, 即植物蒸腾是青海云杉森林生态系统蒸散发的重要组成部分。fT与气温呈负相关, 而与相对湿度呈正相关, 说明气温对fT起抑制作用, 相对湿度对fT起促进作用, 但是相关系数不高, 说明fT在自然环境下还可能受除气温和相对湿度外的多种环境因素和生物因素综合影响, 具体影响机理有待进一步探究。本研究结果可为进一步研究黑河流域区域内循环和流域尺度水循环研究提供理论依据。

关键词: 黑河上游 ; 蒸散发分割 ; 土壤蒸发 ; 植物蒸腾

Abstract

The stable oxygen isotope composition (δ18O) was measured in different water bodies such as soil water, plant water and atmospheric water vapor of Picea crassifolia forest ecosystem in the Pailugou catchment of upper reaches of the Heihe River at 2 700 m and 2 900 m altitude, respectively. The Craig-Gordon model, isotope steady state hypothesis and Keeling Plot model were used to obtain the δ18O of evaporation, transpiration and evapotranspiration, respectively. Combined the multiple linear mixed model to partition evapotranspiration into evaporation and transpiration. The results showed that: (1)The δ18OE of evaporation, the δ18OT of transpiration andthe δ18OET of evapotranspiration was between -35.9‰ and -25.2‰, -9.0‰ and -4.2‰, -18.5‰ and -10.2‰, respectively. The order of them was δ18OT > δ18OET > δ18OEwhich according with the assumption of isotope steady state. (2) Contribution rate of evaporation to evapotranspiration (fE) varied from 11.6% to 47.8% and contribution rate of transpiration to evapotranspiration (fT) varied from 52.3% to 88.4%. fT was much larger than fE, indicating that most evapotranspiration came from transpiration. Transpiration was a vital part of evapotranspiration in the Picea crassifolia forest ecosystem. (3) The fT was negatively correlated with air temperature but positively correlated with relative humidity, indicating air temperature restrained fT and relative humidity promoted fT although the correlation was not significant. Addition, fT was also influenced by various environmental and biological factors except air temperature and relative humidity in natural environment. Temperature and relative humidity are not the only control factors of fT. The results of this study can provide a theoretical basis for further studies on intra-regional circulation and watershed scale water circulation research in Heihe River basin.

Keywords: the upper reaches of the Heihe River ; evapotranspiration partitioning ; evaporation ; transpiration

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本文引用格式

彭文丽, 赵良菊, 谢聪, 董玺莹, 刘全玉, 李瑞峰, 潘昭烨. 黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发分割[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 629-640 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0019

PENG Wenli, ZHAO Liangju, XIE Cong, DONG Xiying, LIU Quanyu, LI Ruifeng, PAN Zhaoye. Evapotranspiration partitioning of the Picea crassifolia forest ecosystem in the upper reaches of the Heihe River[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(2): 629-640 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0019

0 引言

陆地生态系统蒸散发是水分运动的重要过程, 也是能量平衡和全球生态系统水循环的重要组成部分, 占全球陆地降水的60% ~ 65%1-2。蒸散发包括土壤蒸发和植物蒸腾3-5, 不仅影响植物的生长发育, 还影响大气环流, 有调节气候的作用。蒸散发的各组分在干旱半干旱区环境中占据重要地位6, 蒸散发分割有助于更好地理解土壤-植物-大气系统的水汽交换过程, 有效揭示植被耗水状况和生态系统的蒸散过程7-9。因此, 蒸散发分割对于明确区域水循环和生态水文过程具有极其重要的意义。近年来, 蒸散发分割的研究得到广泛关注, 已有一些研究定量分割了不同生态系统的蒸散发10-11, 大多集中于草原12、 农田13和灌木14等低海拔区生态系统的研究。相对于草本和农作物, 乔木树形高大, 需要野外定位观测, 加之森林生态系统异质性高, 结构复杂, 因此中国关于高海拔山区森林生态系统实测蒸散发及土壤蒸发和植物蒸腾对蒸散发的贡献率数据较少, 对高海拔山区水循环和生态水文过程影响的认识相对匮乏15-16

目前, 有关蒸散发分割的研究方法主要有水量平衡法、 微气象学法、 双源模型法和空气动力学法等17-20。然而, 由于时间和空间尺度限制以及参数不易确定等问题, 结果准确度相对不高。自然环境中水的稳定氢同位素(H1和H2)和氧同位素(16O和18O)是水文循环、 生态过程和古气候研究强有力的示踪剂2118O稳定同位素贯穿于生态系统复杂的生物、 物理、 化学过程中, 因此能够在时间和空间尺度上整合反应生物生理生态过程对外界环境条件变化的响应22, 已有一些研究基于稳定同位素将蒸散发成功分割23-25。水的稳定同位素在蒸发和蒸腾的水汽物相变化过程中会发生平衡分馏和动力学分馏效应, 使土壤蒸发水汽的同位素组成发生贫化, 植物蒸腾水汽的同位素组成发生富集, 但当蒸腾作用较强或蒸腾处于同位素稳态时, 蒸腾水汽的同位素组成接近植物木质部水的同位素组成26, 因此高度分馏的土壤蒸发和分馏较低的植物蒸腾的氧同位素组成存在明显差异, 这成为生态系统蒸散发分割的理论依据27-28。依据1961年Keeling经过大量试验结果可知, Keeling Plot模型描述了大气水汽的氧同位素组成与其浓度倒数之间的线性关系, 可用来拟合蒸散发, 其曲线在y轴上的截距即表示蒸散发氧同位素组成2229, 结合多元线性混合模型, 即可对蒸散发进行分割, 分别确定土壤蒸发和植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率。在黑河上游森林生态系统中, 土壤蒸发和植物蒸腾产生的水汽对区域降水贡献很大30, 当前对于内陆河流域高海拔山区典型植被带内进行的水文、 生态综合研究还比较基础。为此, 本文对黑河流域高海拔山区森林生态系统的蒸散发及其各组分进行估算, 并对土壤蒸发和植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率进行研究, 旨在进一步揭示森林生态系统蒸散发的主要组成, 增强对区域水汽内循环和生态水文过程的理解, 为气候变化背景下干旱半干旱区森林生态系统建设与管理提供参考和科学依据31-33

1 研究区概况

黑河流域地处西北内陆, 源于祁连山北麓中段八一冰川, 流域面积近14.29×104 km2, 是我国西北干旱区第二大内陆河流域34。研究区位于黑河流域上游的排露沟流域(100°17′06″ ~ 100°18′26″ E, 38°31′52″ ~ 38°33′37″ N), 流域面积2.73 km2, 长4.25 km, 纵坡比降1∶4.19, 海拔2 600 ~ 3 800 m。气候主要受中高纬度西风带环流和极地冷气团影响, 干燥且降水年内分配不均, 属于高寒半干旱山地森林草原气候, 年均日照时数1 893 h左右, 日辐射总量 110.28 kW·m2, 流域年均气温-0.6 ~ 2.0 ℃, 平均相对湿度60%, 年降水量300 ~ 600 mm, 其中60%以上集中在6 - 9月, 蒸发量为1 052 mm, 无霜期达90 ~ 120 d。土壤类型主要为栗钙土, 土层较薄, 以粉沙为主。流域森林总面积为168.3 hm2, 覆被率达65%, 阳坡为山地草原, 斑状分布着祁连圆柏(Sabina przewalskii), 阴坡为斑块森林景观, 在海拔2 600 ~ 3 300 m, 乔木青海云杉(Picea crassifolia)为优势树种, 呈斑块状或条状分布在阴坡和半阴坡地带, 与阳坡草地犬齿交错分布, 属于排露沟流域的典型植被带, 在涵养水源、 保持水土、 改善生态环境、 保持生态平衡等方面起着重要作用34-35。灌木主要有金露梅(Potent illa fruticosa)、 鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)和吉拉柳(Salix atrata)等, 草本主要有珠芽蓼(Polygonum viviparum)和针茅(Stipa ssp.)等35-36

2 研究方法

2.1 样品采集方法

在黑河上游排露沟流域, 分别于2011年6月底在海拔2 700 m处(S1)、 2011年6月底和9月初在海拔2 900 m处(S2)选择具有代表性的无人工干扰样点(图1), 在植物生长旺季典型晴天进行逐小时土壤样品、 植物样品以及大气水汽样品的采集。具体采样方法如下。

图1

图1   研究区域及采样点

Fig.1   Map showing the Heihe River basin and sampling sites


土壤样品采集: 在所选样地的无破坏表层, 逐小时分别采集0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm深度的浅层土壤样品(每次2个重复), 迅速装入样品瓶中并用Parafilm封口膜进行密封, 带回实验室冷冻, 用于土壤水分提取。

植物样品采集: 在土壤样品对应采样点选择长势较好的优势植物, 逐小时选取3 ~ 4棵具有代表性的植物取其枝条进行混合(每次2个重复), 快速装入样品瓶中并用Parafilm封口膜进行密封, 带回实验室冷冻, 用于植物水分提取。

大气水汽样品采集: 在上述土壤和植物样品对应采样点, 采用低温冷却系统25收集近地面和树冠大气水汽样品。分别在距地面0.5 m和15 ~ 20 m高度搭取样架采样, 将玻璃蒸气阱置于装有酒精液氮混合液的杜瓦瓶中, 温度保持在-70 ℃左右, 利用低吸附性的导管从0.5 m和18 ~ 20 m处抽取空气, 使空气缓慢通过玻璃蒸气阱时让水蒸气全部凝结, 之后将冷阱从杜瓦瓶中移出, 随即密封, 室温下解冻后快速转移到2 mL样品瓶中, 用于测定大气水汽氧同位素组成。

微气象数据气象资料由中国科学院西北生态环境资源研究院黑河上游生态-水文试验研究站提供。

2.2 水分提取与样品分析方法

本文所采集样品用低温真空蒸馏法37提取样品中的水分, 具体仪器采用中国科学院西北生态环境资源研究院内陆河流域生态水文重点实验室自制的真空抽提仪器抽取土壤和植物样品中的水分, 其原理与国际上流行的低温真空抽提装置38一致。不同水体的氧同位素组成(δ18O)在中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室同位素实验室测定。水样在Isoprime-PyrOH高温裂解-还原炉中反应后在Isoprime质谱仪上进行δ18O在线测定, 测定误差小于0.5‰, 测定结果以用V-SMOW校正39

2.3 数据分析方法

土壤蒸发水汽稳定同位素组成(δE)可用Craig-Gordon模型来计算40-41, 公式如下:

δE=α*δS-hδV-ε*-(1-h)εk(1-h)+(1-h)εk/1000

式中: δS为土壤蒸发表面液态水的稳定同位素组成(0 ~ 10 cm土壤水平均稳定同位素组成); δV为近地面大气水汽的稳定同位素组成; h为大气水汽的相对湿度42ε* 是平衡分馏效应, 计算为ε*=(1-α* )×1000; εk 是动力学分馏系数, 氧气约为18.9‰43α* (<1)是与温度相关的平衡分馏系数(此处表示为气相与液相同位素比的比率), 可根据土壤温度计算44。在本文中, α* <1且α*=1/α+[40]α+ 可以用Majoube44提供的公式计算:

δ18Oα+=1.137106T2-0.4156103T-2.06671000+1
Dα+=24.844106T2-76.248103T+52.6121000+1

式中: T为5 cm深度处的土壤开尔文温度(K)。

植物根系吸收土壤水后, 水分在植物蒸腾之前一般不发生同位素分馏作用, 但当水分到达叶片后, 会产生动力分馏和热力分馏效应, 因此当蒸腾作用较强时, 植物叶片水处于“同位素稳态”, 通常被认为不发生氧同位素分馏作用45。因此, 可以用植物木质部水稳定同位素组成(δX)代表植物蒸腾水汽稳定同位素组成(δT46-47。本文基于氧同位素稳态假设, 用青海云杉木质部水的氧同位素组成来代表植物蒸腾水汽的氧同位素组成。

Keeling Plot模型描述了大气水汽的氧同位素组成与其浓度倒数之间的线性关系, 用来拟合蒸散发氧同位素组成, 其曲线在y轴上的截距即表示蒸散发氧同位素组成(δET2229

δV=Caδa-δET1CV+δET

式中: δVδa 分别为生态系统边界层和背景大气水汽氧同位素组成(‰); CVCa 分别为生态系统边界层和背景大气水汽浓度, δET为生态系统蒸散发氧同位素组成。

土壤蒸发和植物蒸腾对蒸散发的贡献率基于同位素质量守恒原理运用多元线性混合模型来确定21-2229

fE=δET-δTδE-δT×100%
fT=δET-δEδT-δE×100%

式中: fEfT分别是土壤蒸发和植物蒸腾对蒸散发的贡献率(%)。

3 结果分析

3.1 土壤温度和气象要素

本文土壤蒸发氧同位素组成运用Craig-Gordon模型来计算, 土壤温度是模拟土壤蒸发氧同位素组成(δ18OE)的重要参数之一40-41。Craig-Gordon模型采用5 cm土壤温度数据, 黑河上游青海云杉森林生态系统土壤温度变化如图2所示。

图2

图2   5 cm深度的土壤温度日变化

注:横坐标按几个监测日顺序排列出整点时间,监测日分别为2011年9月2日、9月6日、9月7日和9月8日在海拔2 900 m处(S2)进行样品采集,2011年6月23日、6月24日和6月25日在海拔2 900 m处(S2)进行样品采集,6月27日和6月28日在海拔2 700 m处(S1)进行样品采集,其他类似均参考此解释

Fig.2   Hourly variations of soil temperature in 5 cm depth


图2显示, 青海云杉森林生态系统2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月土壤温度分别介于8.57 ~ 22.5 ℃、 4.7 ~ 17.2 ℃和2.7 ~ 11.5 ℃, 平均值分别为15.51 ℃、 10.5 ℃和6.9 ℃, 土壤温度整体呈现2 700 m-6月土壤温度>2 900 m-6月土壤温度>2 900 m-9月土壤温度。2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月土壤温度呈现相似的日变化趋势, 08:00(北京时间, 下同)左右土壤温度最低, 14:00左右土壤温度最高。土壤温度因海拔和季节的不同而有差异, 相同季节不同海拔, 6月(夏季)土壤温度在海拔2 700 m处高于海拔2 900 m处, 海拔越低土壤温度越高; 相同海拔不同季节, 海拔2 900 m处土壤温度6月高于9月(秋季), 夏季土壤温度高于秋季。

气温通过对水分及植被体内酶活性等来影响植被生理活动, 相对湿度对土壤表面液态水同位素组成也有一定影响。因此, 气温和相对湿度都是蒸散发分割的重要影响因子。青海云杉森林生态系统气温和相对湿度变化如图3所示。

图3

图3   气温和相对湿度的变化

Fig.3   Hourly variations of air temperature (a) and relative humidity (b)


图3显示, 青海云杉森林生态系统2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月气温分别介于10.0 ~ 23.2 ℃、 4.0 ~ 20.0 ℃和-0.04 ~ 12.43 ℃, 平均气温分别为16.6 ℃、 11.5 ℃和6.3 ℃, 气温整体呈现2 700 m-6月气温>2 900 m-6月气温>2 900 m-9月气温。2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月相对湿度分别介于19.8% ~ 72.2%、 25% ~ 96.5%和39.8% ~ 91.1%, 平均值分别为42.5%、 59.9%和74.3%, 相对湿度整体呈现2 900 m-9月相对湿度>2 900 m-6月相对湿度>2 700 m-6月相对湿度。

2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月气温和相对湿度均呈现相反的日变化趋势。08:00左右气温最低, 相对湿度最高; 14:00左右气温最高, 相对湿度最低。

气温和相对湿度均因海拔和季节的不同而有差异。相同季节不同海拔, 6月(夏季)气温在海拔2 700 m处高于2 900 m处, 相对湿度在海拔2 700 m处低于海拔2 900 m处, 海拔越高气温越低, 相对湿度越高; 相同海拔不同季节, 在海拔2 900 m处气温6月高于9月(秋季), 相对湿度6月低于9月, 夏季气温高于秋季, 相对湿度低于秋季。

3.2 不同来源水体的δ18O比较

将浅层土壤水(0 ~ 10 cm土层的土壤水)氧同位素组成(δ18OS)、 植物木质部水氧同位素组成(δ18OX)和大气水汽氧同位素组成(δ18OV)进行对比显示(图4), 在黑河上游青海云杉森林生态系统中, 2 700 m-6月的δ18OSδ18OXδ18OV分别介于 -4.3‰ ~ 0.46‰、 -7.0‰ ~ -4.2‰、 -16.7‰ ~ -7.0‰(图4a), 2 900 m-6月的δ18OSδ18OXδ18OV分别介于-7.6‰ ~ -4.7‰、 -9.0‰ ~ -6.3‰和-17.7‰ ~ -12.1‰(图4b), 2 900 m-9月的δ18OSδ18OXδ18OV分别介于-9.2‰ ~ -4.9‰、 -8.8‰ ~ -6.6‰和-15.0‰ ~ -10.8‰(图4c)。显而易见, δ18OSδ18OXδ18OV因水体类型、 海拔和季节的不同而存在显著差异, 整体呈现出δ18OS > δ18OX > δ18OV, 这为生态系统蒸散发分割提供了良好的前提和依据27-2848

图4

图4   青海云杉森林生态系统δ18OSδ18OXδ18OV的对比

Fig.4   Hourly variations of δ18O in shallow soil water, plant xylem water and atmospheric water vapor of Picea crassifolia forest ecosystem


3.3 土壤蒸发、 植物蒸腾和生态系统蒸散发氧同位素组成比较

运用Craig-Gordon模型、 同位素稳态假设以及Keeling Plot模型方法分别得出土壤蒸发、 植物蒸腾和生态系统蒸散发的氧同位素组成, 并将结果进行比较(表1图6)。

表1   土壤蒸发和植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率

Table 1  Contribution rate of evaporation and plant transpiration to ecosystem evapotranspiration

海拔-月份研究时段TS/℃H/%α+18Oαk18Oδ18OSδ18OVδ18OEδ18OTδ18OETfT/%fE/%
2 700 m-6月06:00 - 11:0012.344.81.0111.019-2.6-14.2-32.5-5.7-18.552.247.8
11:00 - 20:0016.840.41.0111.019-2.5-14.0-32.3-6.0-18.552.547.5
平均值14.542.61.0111.019-2.6-14.1-32.4-5.9-18.552.347.7
2 900 m-6月06:00 - 11:006.980.71.0111.019-6.2-15.4-33.6-7.7-12.979.920.1
11:00 - 20:0012.556.21.0111.019-6.1-14.4-32.6-8.0-12.980.119.9
平均值9.768.51.0111.019-6.2-14.9-33.1-7.9-12.980.020.0
2 900 m-9月06:00 - 11:005.264.91.0111.019-6.7-13.0-31.2-7.4-10.288.211.8
11:00 - 20:008.560.11.0111.019-6.4-12.4-30.7-7.5-10.288.411.6
平均值6.962.51.0111.019-6.6-12.7-30.5-7.5-10.288.311.7

注:TS为5 cm深度处的土壤开尔文温度(K),H为大气水汽的相对湿度,α+18O是与温度相关的平衡分馏系数(此处表示为气相与液相同位素比的比率),αk18O为动力学分馏系数,δ18OVδ18OEδ18OTδ18OET分别代表大气水汽、土壤蒸发水汽、植物蒸腾水汽和生态系统蒸散发水汽的δ18O。

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图5

图5   基于Keeling Plot模型得到生态系统蒸散发氧同位素组成(δ18OET

Fig.5   Oxygen isotope compositions of ecosystem evapotranspiration (δ18OET) based on Keeling Plot model


图6

图6   青海云杉森林生态系统δ18OEδ18OTδ18OET的对比

Fig.6   Hourly variations of δ18O in evaporation, transpiration and ecosystem evapotranspiration of Picea crassifolia forest ecosystem


表层0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm的土壤水氧同位素组成(δ18OS)变化较大, 氧同位素富集明显, 而10 cm以下土层δ18OS相对变化较小, 说明土壤蒸发主要发生在0 ~ 10 cm层次, 因此本文选择0 ~ 10 cm浅层土壤水的平均氧同位素组成来代表公式(2)中的δS。借助Craig-Gordon模型计算土壤蒸发氧同位素组成(δ18OE)需要的参数(表1)及结果显示(图6), 2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月的δ18OE分别介于-35.0‰ ~ -25.2‰、 -35.9‰ ~ -30.4‰和-33.2‰ ~ -29.0‰, 而2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月的δ18OS分别介于-4.3‰ ~ 0.46‰、 -7.6‰ ~ -4.7‰和-9.2‰ ~ -4.9‰(图4), δ18OE小于δ18OS, 即δ18OE < δ18OS, 这说明土壤水在蒸发过程中发生明显的同位素分馏, 土壤表层液态水氧同位素明显富集, 土壤蒸发氧同位素组成发生明显贫化作用, 这与Yepez等45、 袁国富等25研究结果相一致。

基于同位素稳态假设, 用青海云杉木质部水氧同位素组成(δ18OX)表示了植物蒸腾氧同位素组成(δ18OT), 结果显示(图6), 2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月的δ18OT分别介于-7.0‰ ~ -4.2‰、 -9.0‰ ~ -6.3‰和-8.8‰ ~ -6.6‰, δ18OT整体介于-9.0‰ ~ -4.2‰。

本文采用 Keeling Plot模型来拟合了生态系统蒸散发氧同位素组成(δ18OET), 因为Keeling Plot模型显示了大气水汽氧同位素组成与水汽浓度倒数之间显著的相关性, 但是不同时间段拟合的δ18OET是有差异的, 这表明采用Keeling Plot模型分割通量时, 需慎重选择采样时间。因此本文分别用上午(06:00 - 11:00)和下午(11:00 - 20:00)的结果对δ18OET进行了拟合(图5)。

图5中拟合结果显示, 2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月的δ18OET分别为-18.5‰、 -12.9‰和-10.2‰, δ18OET整体介于-18.5‰ ~ -10.2‰。将δ18OEδ18OTδ18OET进行对比(图6)发现三者差异显著, 2 700 m-6月、 2 900 m-6月和2 900 m-9月均显示δ18OT最高, δ18OE最低, δ18OET介于δ18OEδ18OT之间, 即δ18OT > δ18OET > δ18OE。同位素稳态下高度分馏的δ18OE、 分馏较低的δ18OTδ18OET存在明显差异, 这满足同位素稳态假设, 也是生态系统蒸散发良好分割的理论依据27-2848

3.4 土壤蒸发和植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率

基于同位素质量守恒原理, 运用多元线性混合模型, 对黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发进行分割, 分别得到土壤蒸发和植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率(fEfT)(表1)。

表1可以看出, 在黑河上游青海云杉森林生态系统中, 植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率fT在52.2% ~ 88.4%之间, 土壤蒸发对生态系统蒸散发的贡献率fE在11.6% ~ 47.8%之间, fT远大于fE, 这表明黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发绝大部分来自植物蒸腾, 植物蒸腾是黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发的重要组成部分。

fT在上午(06:00 - 11:00)和下午(11:00 - 20:00)无显著差异, 但因季节和海拔的不同而有区别。相同季节不同海拔, 6月(夏季)海拔2 900 m处fT高于海拔2 700 m处fT; 相同海拔不同季节, 海拔2 900 m处9月(秋季)fT高于6月(夏季)fTfT随着气温的升高和海拔的降低而降低, 不同季节和海拔较大的差异是气温和相对湿度, 因此将植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率fT与气温(图7a7c和7e)和相对湿度(图7b7d和7f)之间的相关关系做进一步探讨发现, 除2 900 m-6月fT与气温(R2 = 0.02, P = 0.47)和fT与相对湿度(R2 = 0.02, P = 0.29)无显著相关关系外(图7c和7d), 2 700 m-6月和2 900 m-9月fT与气温之间呈显著负相关关系(图7a和7e), 但是相关系数不高(P < 0.01, R2分别为0.16和0.31), 2 700 m-6月和2 900 m-9月fT与相对湿度之间呈显著正相关关系(图7b和7f), 相关系数同样不高(P < 0.01, R2分别为0.24和0.40), 说明在黑河上游青海云杉森林生态系统中气温对fT起抑制性作用, 相对湿度对fT起促进性作用, 但是这两种作用对fT影响并不强烈, 这可能是因为fT在自然环境下还受除气温和相对湿度外多种因素综合影响, 气温和相对湿度并不是fT的唯一控制因素, 具体影响机理有待进一步探究。

图7

图7   fT与气温和相对湿度的相关关系

Fig.7   Correlations of fT with air temperature (a, c, e) and relative humidity (b, d, f)


4 讨论

近年来, 蒸散发分割的研究广受关注, 已有一些研究定量分割了不同生态系统的蒸散发10-11。Craig-Gordon模型存在众多参数, 相对湿度是其重要控制参数。袁国富等25提出, 相对湿度对土壤蒸发氧同位素组成影响十分明显, 相对湿度越大, 土壤蒸发的同纬度分馏作用就越明显, 土壤蒸发氧同位素组成从而越低; 刘璐等49研究发现, 土壤蒸发和相对湿度关系为δE = -0.03H2 + 4.85 H - 209.5(R2 = 0.55, n = 32), 表明环境大气相对湿度对土壤蒸发水汽同位素分馏效应影响明显, H > 75%时, 相对湿度越大, 土壤蒸发水汽的同位素比越低, H < 75%时, 相对湿度越小, 同位素分馏效应越弱。因此相对湿度会影响土壤蒸发氧同位素组成的精确性, 可以通过增加样本数量以减小带来的估算误差, 提高准确性。因此本文土壤蒸发氧同位素组成采用37 ~ 63个样本, 以降低误差, 提高估算的准确性, 最终土壤蒸发氧同位素组成模拟良好。

气温和相对湿度等气象要素对土壤蒸发、 植物蒸腾作用具有显著影响, 蒸散发及其各组分日变化复杂, 同位素稳态假设要求植物蒸腾达到最强, 因此背景环境是一个关键性因素。同位素稳态假设用植物木质部水氧同位素组成代替了植物蒸腾氧同位素组成, 植物根系从土壤中吸收的水分在到达叶片之前一般不发生同位素分馏效应50-52, 但在自然条件下植物蒸腾时, 叶片水同位素会发生热力学平衡分馏、 动力学分馏和植物生化分馏。此外, 气压、 气温、 相对湿度和风速的变化均会使植物蒸腾速率快速上升或下降, 同位素一般处于非稳定状态, 用植物木质部水氧同位素组成代替植物蒸腾氧同位素组成存在一定误差, 只有在数日或数周等更长时间尺度上和蒸腾作用较为强烈时这种替代才更为准确。本文根据植物木质部水同位素组成可以看出, 选择上午(06:00 - 11:00)和下午(11:00 - 20:00)时段较好的来代替植物蒸腾氧同位素组成, 选择6月和9月多日晴天, 结果更为准确。

用Keeling Plot模型拟合蒸散发氧同位素组成时, 一方面默认了生态系统边界层大气只由大气水汽和蒸散发水汽两部分组成且稳定, 实际上气温、 大气湍流和大气水汽浓度等气象要素都容易使生态系统与外界进行水汽交换, 另一方面短时间内Keeling Plot模型模拟出的是这段时间内蒸散发的平均状况2947。因此Keeling Plot模型拟合生态系统蒸散发氧同位素组成可能产生误差, 可以通过增加样本数量等方法来减小误差, 提高蒸散发拟合的准确性。本文蒸散发氧同位素组成采用37 ~ 63个样本来提高准确性以降低误差, 时段选择上午(06:00 - 11:00)和下午(11:00 - 20:00)进行拟合, 更为精确。

在亚洲、 欧洲、 非洲、 南美以及大洋洲, 农田、 草地、 林地和水田等不同类型的生态系统, 植物蒸腾对蒸散发的贡献率(fT)范围不同31, 林地fT大概在50% ~ 100%之间, 本文研究植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率fT结果在52.2% ~ 88.4%之间变化, 处于全球值范围之内。植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献fT远大于fE, 这表明黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发绝大部分来自植物蒸腾, 植物蒸腾是生态系统蒸散发的主要组成部分。研究结果旨在进一步揭示森林生态系统蒸散耗水特征, 增强对区域水循环和生态水文过程的理解, 为区域森林生态系统建设与管理提供参考和科学依据31-33

本文通过对植物蒸腾对生态系统蒸散发的贡献率fT与气温和相对湿度之间的相关关系探讨发现, fT与气温之间呈显著负相关关系, 与相对湿度之间呈显著正相关关系, 但是相关系数不高, 甚至部分fT与气温和相对湿度几乎没有相关性, 说明在黑河上游青海云杉森林生态系统中气温对fT起抑制性作用, 相对湿度对fT起促进性作用, 但是这两种作用对fT影响并不强烈。任小丽等3对中国东部南北样带森林生态系统蒸腾与蒸散比值(T/ET)影响因子分析发现, MODIS植被指数是中国东部南北样带森林生态系统的主控因子, Zhou等11也发现植被指数与fT具有显著相关性, Zhu等5和Hu等20证实了植被生长状况对fT变化的主控作用, 这说明在自然环境下, 植物蒸腾过程还受除气温和相对湿度外的很多因素综合影响, 太阳辐射、 气压、 风速、 土壤含水率、 降水、 饱和水气压差、 水汽浓度、 局部湍流扩散、 大气夹卷、 气团平流等多种环境因素及植被生长状况、 植被类型、 LAI等生物因素都会对fT共同影响35112049, 气温和相对湿度并不是fT的唯一控制因素, 因此关于黑河上游青海云杉森林生态系统中fT的主要影响因素有待进一步研究。

5 结论

本文分别得出土壤蒸发、 植物蒸腾和生态系统蒸散发的氧同位素组成, 进一步得到黑河上游青海云杉森林生态系统土壤蒸发和植物蒸腾对蒸散发的贡献率, 并分析了贡献率与气温和相对湿度的相关关系, 主要得到以下结论:

(1) 在黑河上游青海云杉森林生态系统中, 0 ~ 10 cm的δ18OS介于-9.2‰ ~ -0.46‰, δ18OE介于

-35.9‰ ~ -25.2‰, δ18OE低于δ18OS, 这说明浅层土壤水在蒸发过程中发生明显的同位素分馏效应, 土壤表层液态水氧同位素明显富集, 土壤蒸发水汽氧同位素组成发生明显贫化作用。δ18OT介于-9.0‰ ~ -4.2‰, 低于δ18OSδ18OET介于-18.5‰ ~ -10.2‰。δ18OET介于δ18OEδ18OT之间, 即三者大小关系为δ18OT > δ18OET > δ18OE, 这满足同位素稳态假设。

(2) 植物蒸腾对蒸散发的贡献率fT在52.2% ~ 88.4%之间变化, 土壤蒸发对生态系统蒸散发的贡献率fE在11.6% ~ 47.8%之间变化, fT远大于fE, 在黑河上游青海云杉森林生态系统中, 生态系统蒸散发绝大部分来自植物蒸腾, 植物蒸腾水汽是生态系统蒸散发的重要组成部分。

(3) fT与气温之间呈负相关关系, 与相对湿度之间呈正相关关系, 但相关系数不高, 部分fT与气温和相对湿度几乎没有相关性。在黑河上游青海云杉森林生态系统中, 气温对fT起抑制作用, 相对湿度对fT起促进作用, 气温和相对湿度并不是fT的唯一控制因素, 具体影响机理有待进一步深究。

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