基於氫氧同位素技術的植被-土壤系統水分運動機制研究

《基於氫氧同位素技術的植被-土壤系統水分運動機制研究》是依託北京林業大學,由余新曉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

  • 中文名:基於氫氧同位素技術的植被-土壤系統水分運動機制研究
  • 依託單位:北京林業大學
  • 項目負責人:余新曉
  • 項目類別:面上項目
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

森林植被在我國生態安全和水資源安全中具有重要作用。在全球變化背景下,水分匱乏已成為森林植被生長的重要制約因素,因此,定量揭示森林植被水分來源,成為水文學、生態學和水土保持學有待解決的關鍵科學命題。項目依託首都圈森林生態系統定位觀測研究站,以華北土石山區典型森林植被為研究對象,基於同位素技術,從多時間尺度研究植被-土壤系統各種水分氫氧同位素的時間變化規律,分析其主要驅動機制;研究土壤-植被系統對降水的動態回響機制,揭示植被水對各層土壤水變化的回響規律;基於N-CLM模型和IsoSource模型以及野外控制性試驗的方法,定量區分不同土層對森林植被生長所需水分的貢獻;從不同立地條件和季節出發,通過系統研究華北土石山區典型森林植被對各土層水分利用規律,構建森林植被對土壤水分利用的主要模式。項目不僅推動我國同位素水文學向縱深發展,並可為當前華北土石山區退化森林植被恢復與重建、經營與維護提供理論依據。

結題摘要

水資源短缺已成為制約乾旱和半乾旱地區經濟和社會發展的瓶頸問題,同時也是限制乾旱和半乾旱生態系統中森林植被分布和生物多樣性的關鍵因子。北京山區是北京市區的重要生態屏障,不僅易乾旱,而且也處於嚴重缺水的狀態。因此,為了揭示本區域森林植被如何在有限的水資源分布和水分輸入的情況下正常的生長發育,需要對森林植被在不同季節利用水分模式進行探索和檢驗,最終得出森林植被-土壤系統水分運動機制。本研究選取北京山區的典型森林生態系統,通過對降雨影響下土壤水和植物水同位素特徵的分析,分析土壤水和植物水的動態變化和水分運動機制,基於N-CLM和IsoSource模型,定量評估森林生態系統用水來源,提出其水分利用模式。主要研究結果如下:(1)研究區大氣降水線方程為δ2H = 6.42δ18O-5.91(R = 0.90,n=52),斜率和截距均小於全球大氣降水線,研究區氘盈餘d變化表現為冬半年較高,夏半年較低;大氣降水δ18O和溫度、降水量均呈一定的負相關關係,且具有一定的季節變化特徵;降雨δ18O與樹幹流δ18O、穿透雨δ18O的關係為當降雨量12.4 mm時,Δ>0,當降雨量小於9.0 mm,Δ<0,葉面積指數與各典型森林生態系統的林內穿透雨δ18O呈微弱的正相關關係;(2)土壤水樣品的δ18O和δ2H的變化具有一定的規律性,其平均值整體隨土壤深度的增加而減小,深層土壤在長時間尺度上保持相對穩定,而上層土壤則受環境因子影響較大。地下水的δ18O和δ2H隨時間變化很小,常年保持穩定;(3)植物水樣品的則因植物不同而有所差異,側柏、栓皮櫟和林下灌木的δ18O和δ2H的平均值分別為-6.95‰、-6.54‰、-6.69和-67.99‰、-67.91‰、66.07‰,整體較為接近,而刺槐和油松的δ18O和δ2H的平均值分別為-4.97‰、-4.92‰和-71.25‰、-73.16‰,其整體較為接近,但較之側柏、栓皮櫟和林下灌木則整體偏小;(4)不同森林生態系統在旱季土壤剖面δ2H受降水影響明顯,在雨季則相對穩定;在北京山區前期降水必須達到一定的閾值才能被植被所大量利用,降水低於4.6 mm,對植被的補給作用有限,而大於12.1 mm,則可以對土壤和植被進行充分補給;(5)不同森林生態系統的水分利用模式具有明顯的季節差異,其在旱季受前期降水影響較大,而在雨季受其影響則相對較小。

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