基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的森林水文過(guò)程研究——以黃河小浪底庫(kù)區(qū)大溝河與硯瓦河流域?yàn)槔?pdf

1、為揭示黃河小浪底庫(kù)區(qū)森林植被對(duì)降雨徑流的調(diào)控機(jī)制，定量評(píng)價(jià)小流域水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系及徑流補(bǔ)給來(lái)源，本文以河南省濟(jì)源市黃河小浪底庫(kù)區(qū)的大溝河、硯瓦河流域?yàn)槔?，運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)，研究降水同位素的季節(jié)變化特征，基于林分尺度，研究典型優(yōu)勢(shì)樹(shù)種側(cè)柏（Platycladus orientalis L.）、栓皮櫟（Quercus variabilis Bl.）的降雨再分配及降雨影響下土壤水分運(yùn)移特征，運(yùn)用水量平衡原理，探討不同林分坡面產(chǎn)流的降雨量臨界值

2、?；谛×饔虺叨?，探討降水-地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，并對(duì)地表徑流補(bǔ)給來(lái)源進(jìn)行定量評(píng)估。主要結(jié)論如下:
　　(1)降水δD（氘同位素）和δ18O（氧同位素）值變化范圍較大，春、夏、秋三季隨季節(jié)變化逐漸減小。4-10月降水δD與溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，而季節(jié)性降水相關(guān)性不顯著。4-10月及秋季降水δD和δ18O與降水量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程為δD=7.19δ18O-1.29，夏季大氣降水線斜率及d值較小，而秋季最大。利用HYSP

3、LIT氣團(tuán)軌跡模型，可知夏季水汽主要來(lái)自東南及西南海洋性季風(fēng)輸送，春、秋季降水受大陸和海洋性季風(fēng)共同影響，即降水表現(xiàn)出一定的季節(jié)效應(yīng)。因此，確定區(qū)域降水季節(jié)變化特征是研究同位素水文過(guò)程的重要先決條件。
　　(2)側(cè)柏林及低、中、高密度栓皮櫟林之間的樹(shù)干莖流δDs值及不同林分間的穿透雨δDT值差異均不顯著，林外降雨δD與δDS、δDT均呈顯著相關(guān)關(guān)系，且δDT與δD相關(guān)性更高，當(dāng)降雨量≥14.2 mm時(shí)，δD與δDS、δD與δDT差

4、值△δD＞0。當(dāng)降雨量＜14.2 mm時(shí)，△δD＜0。表明影響莖流、穿透雨δD值的因素不僅僅是水分蒸發(fā)，而是植被結(jié)構(gòu)及各種環(huán)境因子（溫度、濕度、蒸發(fā)等）綜合作用的結(jié)果。
　　側(cè)柏林及中、高密度栓皮櫟林，在前期土壤濕度較大的雨季和旱季初期，降雨較快入滲到深層，除高密度林分在前期降雨較多的雨季下滲到中層，而前期降雨較少時(shí)，在枯落物及表中層土壤滯留時(shí)間較長(zhǎng)。低密度栓皮櫟林，降雨在枯落物及土壤表層滯留時(shí)間較短，隨后涵養(yǎng)在上層水分以活塞流形

5、式下滲。且前期降水較多時(shí)，混合水可側(cè)向流動(dòng)補(bǔ)給壤中流。表明土壤濕度低時(shí)，側(cè)柏林及中密度栓皮櫟林土壤可較好的蓄積水分，高密度林分在濕度低或高時(shí)均能較好的調(diào)控土壤水分，而低密度林分儲(chǔ)水性較差。此外，在前期降水充足和高強(qiáng)度降雨后，降雨在低中密度林分均可通過(guò)優(yōu)先流形式快速補(bǔ)給深層土壤。泉水和地下水δD值沒(méi)有明顯改變，受短期降水影響較小。
　　(3)側(cè)柏林林冠總截留量(129.1 mm)大于栓皮櫟林，且栓皮櫟林隨林分密度增加而增大，分別為1

6、09.5、114.8、117.4 mm。隨降雨量增加截留率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。截留量與降雨量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且呈較好的冪函數(shù)關(guān)系。
　　側(cè)柏林枯落物總截留量(52.6 mm)小于栓皮櫟林，且栓皮櫟林隨林分密度增加而增大，分別為57.5、78.5、82.9 mm。截留量與降雨量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且呈較好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。
　　側(cè)柏林及低密度栓皮櫟林土壤最大吸水量較低，中、高密度栓皮櫟林較高，均值分別為22.4、22.4、3

7、2.8、33.0 mm。隨季節(jié)變化旱季吸水量較多，雨季較少。
　　側(cè)柏林及低、中、高密度栓皮櫟林坡面產(chǎn)流的降雨量臨界值隨季節(jié)波動(dòng)分別為11.7-39.1、14.3-35.9、29.3-49.5、30.2-49.6 mm，均值分別為30.7、29.7、43.6、44.2 mm，即側(cè)柏林及低密度栓皮櫟林降雨量臨界值小于中、高密度栓皮櫟林，表明中、高密度栓皮櫟林可更好的涵養(yǎng)水源、保持水土。且在旱季產(chǎn)流所需降雨較多，雨季降雨較少。

8、　　(4)硯瓦河流域地表水、淺層、深層地下水pH值隨季節(jié)變化較穩(wěn)定，均值分別為8.4、7.6、7.9，且大雨后地表水與淺層地下水存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。地表水TDS隨季節(jié)變化差異顯著且沿程減小，而淺層及深層地下水季節(jié)、沿程差異均不顯著，均值分別為408、471、444 mg/L。且大雨后地表水和地下水之間轉(zhuǎn)化較密切。不同水體EC值隨季節(jié)變化差異顯著，均值分別為602、656、672μs/cm。同一水體EC與TDS之間呈正相關(guān)關(guān)系，不同水體兩參

9、數(shù)間相關(guān)性不顯著，說(shuō)明不同水體具有不同的水分來(lái)源。地表水EC值沿程變化顯著，而深層地下水不顯著。與降雨TDS、EC值比較可知地表水受降雨和地下水的共同補(bǔ)給。
　　降雨δD值隨季節(jié)變化逐漸減小，地表水、淺層地下水變化趨勢(shì)與降雨相同，表明地表水、淺層地下水均受降雨的補(bǔ)給作用。春、夏季地表水δD值沿程增大，秋季基本不變。淺層地下水δD值波動(dòng)范圍小于地表水，且隨地表水上下波動(dòng)，表明淺層地下水和地表水存在密切的水力聯(lián)系。深層地下水δD值季節(jié)

10、波動(dòng)較小，表明深層地下水受降水等因子影響較小且沿程基本不變。
　　地表水、淺層、深層地下水的δD-δ18O關(guān)系線分別為δD=5.21δ18O-15.40;δD=5.52δ18O-13.96;δD=5.77δ18O-11.59。地表水與淺層地下水δD和δ18O值均分布在大氣降水線兩側(cè)且分散，表明兩者均由降雨補(bǔ)給，而深層地下水分布集中。地表水變化幅度小于降雨，表明地表水除接受降雨補(bǔ)給外還受其他水源補(bǔ)給。不同水體δD-δ18O關(guān)系線斜率

11、依次增加但均小于降水線，表明降雨在補(bǔ)給前經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)作用，且深層地下水受蒸發(fā)影響較小。地表水、淺層地下水斜率相近，表明兩者間存在顯著的相互作用關(guān)系。
　　(5)降雨和淺層地下水對(duì)河流貢獻(xiàn)率波動(dòng)范圍較大，分別為20.1％-81.2％、8.3％-47.6％，且兩者對(duì)河流貢獻(xiàn)呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。深層地下水波動(dòng)范圍較小為10.6％-35.0％。降雨對(duì)河流的貢獻(xiàn)率與降雨量相關(guān)性不顯著，而是降雨量、河流徑流量及環(huán)境因素共同作用的結(jié)果

12、。當(dāng)春季徑流量小、氣候干旱時(shí)，即使產(chǎn)生較大降雨，因降雨優(yōu)先補(bǔ)給干旱土壤，使得降雨對(duì)河流貢獻(xiàn)相對(duì)較小，平均貢獻(xiàn)率24.6％，而淺層、深層地下水貢獻(xiàn)率分別為45.7％、29.7％。夏季，降雨量增多徑流增加，降雨對(duì)河流貢獻(xiàn)增大至47.0％，淺層、深層地下水貢獻(xiàn)率相對(duì)較小，分別為37.6％、15.4％。秋季，9月降雨266.3 mm，河道徑流量劇增，降雨對(duì)河流貢獻(xiàn)率高達(dá)81.2％。10月因前期降雨較多，深層地下水得到充分補(bǔ)給，對(duì)河流貢獻(xiàn)率為34