氢氧稳定同位素在森林雾水研究中的应用及展望

王卓娟 宋维峰 张小娟

(西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224)



氢氧稳定同位素在森林雾水研究中的应用及展望

王卓娟 宋维峰 张小娟

(西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224)

雾水是森林生态系统中水平降水的重要组成之一，利用灵敏度高且可定量化测定的稳定同位素技术，分析雾水在森林生态系统水循环中的作用，是目前森林水文研究的热点。从林冠截留雾水、森林对雾水的利用情况以及雾水对森林土壤水、地下水的补给等方面进行综述，以期为运用氢氧稳定同位素技术研究多雾山地生态系统和海滨生态系统中的森林生态水文效应提供参考。

森林；雾水；氢氧稳定同位素

森林水文学的研究始于19世纪60年代，其核心与热点之一是森林与水的关系。在世界上许多地区，森林生态系统的水分输入有易于观测的降雨、降雪、地下水、地表水等形式，还有常规手段较难测量的雾水、露水、土壤吸附水等水平降水[1]。一般认为，森林对水平降水有较为明显的作用[2]。水平降水可能是森林生态系统水分输入的重要组成部分，有着特殊的生态水文学意义。雾水作为水平降水的组成之一，与森林植被之间有着密切的联系[3]，且最大雾水多出现在森林边缘。在多雾的山地生态系统和海滨生态系统中，雾水是维持生态系统水分输入不可或缺的因素[4]，研究森林植被的水文功能必须考虑雾的影响[5]。在雾高频发生的地区，雾水可以是植物的水源，也可以补给地下水和地表径流；尤其在某些多雾的干旱区，大雾的形成可以降低地面水分的蒸发，同时雾水是作物生长的重要水源[6]。

目前，基于氢氧稳定同位素技术探讨生态学、水文学、环境科学和植物生理学等领域的研究已成为国内外研究的热点，但应用其研究森林雾水走向的报道相对较少，我国此方面的研究更少，是一个值得深入研究的领域。

1 氢氧稳定同位素技术示踪森林雾水的理论基础

具有相同的质子数、中子数不同的同一元素的不同原子互为同位素。自然界中许多元素都有同位素，依照其是否具有放射性可分为稳定性同位素和放射性同位素。绝大部分稳定同位素是天然形成的，也有一小部分是放射性同位素衰变的最终产物。同位素间质量的微小差异引起其组成上的差异的现象称作同位素效应，其大小一般用同位素分馏来表示。

氢氧稳定同位素被看作是水的“指纹”，为研究森林生态系统水资源的时空分布以及水循环过程提供了新的观测手段[7]。天然存在于水分子中的氢稳定同位素有1H(氢)、D(氘)2种，氧稳定同位素有16O、17O、18O等3种。自然界中稳定同位素的含量极低，用同位素比值的绝对量表示同位素的差异比较困难，因此国际上规定统一采用相对量来表示同位素组成，即同位素比率(δ)，其定义为：

式中：x为元素名称；Rsample为样品的同位素比值；Rstandard为标准物质的同位素比值。氢氧同位素的标准物一般采用标准平均海洋水，即SMOW(standard mean ocean water)。δ值表示了样品的同位素比值相对于某一标准物质的同位素比值的相对千分差。当δ值大于零时，表示样品的重同位素比标准物富集，小于零则比标准物贫化。

水中的氢氧稳定同位素作为一种天然的示踪物，其在不同环境条件下的组成不同，通过分析水中同位素组成的变化，可以探究森林生态系统中水分氢氧稳定同位素时空变化规律。由于水蒸气来源和同位素分馏机制的差异，相对同一地区的降水而言，大多数雾水的氢氧同位素较雨水富集[1]。稳定氢氧同位素技术在确保实验方案可行性的基础上，利用其灵敏度高、可定量化的优点在研究森林雾水等方面不失为有效的工具。通常水分由植物根系吸收且从根向叶片运输过程中不发生同位素分馏，因此，通过对比植物木质部水分与雾水的同位素组成，可以确定森林植被对雾水的选择和吸收利用的比例；对比雾水与土壤水、地下水等水体中的氢氧稳定同位素比率，可以推断它们之间的相互关系[8]。

2 氢氧稳定同位素在森林雾水研究中的应用

2.1 森林对雾水的截留作用

森林生态系统的水分传输是一个极其复杂的过程，其在森林群落尺度上主要集中在林冠层对降水分配、传输规律和过程的作用。林冠层是森林生态系统水分传输过程的开始，通过对水分的截留和缓冲，减少了林地内水分的输入量，直接影响水分在森林生态系统中的整个循环过程。林冠截留是调节降水分配和水分输入林内的重要过程，影响林冠截留作用的有降水强度、森林植被结构、天气条件等多种因素，降水强度对截留的影响一般是线性的，在同一降水量的情况下，截留量、截留率都随着降水强度增大而减小，林冠截留量与降水量之间呈显著的正相关关系，而林冠截留率则与降水量呈紧密的负相关关系[9]。

2.1.1 森林雾水的截留 雾水作为森林生态系统水分输入的形式之一，在某种程度上弥补了所在地区降雨量的不足，是森林的重要水源之一[10]。近年来，雾水对森林水分的调节作用开始受到人们的关注。

雾水通过林冠层的再分配可分为林冠截留、穿透水、树干茎流3部分[11]。雾水截留量受群落结构、雾的频度和浓度、风速、温度、相对湿度等因子的影响[12-13]。研究表明，复层林截留雾水的能力大于单层林，针叶林截留雾水的能力强于阔叶林[14]。雾首先形成于最上层林冠，由上层林冠向下沉降于下层林冠的过程会滞后3h左右，林冠在干季截留的雾水占全年总截留雾水的86%，可见林冠干季可以截留到较多的雾水[15]。森林边缘的存在，使林冠截留雾水具有较高的空间变异性[13]，且迎风面截留的雾水大于背风面；由森林边缘到林内，年雾水截留量在迎风面和背风面都呈现指数形式急剧减小，二者在林缘0m处的林冠截留的雾水为41.1mm和24.3mm，分别是林内截留雾水的2.5倍和1.5倍；迎风面雾水截留在林内25m左右处趋于稳定，而背风面在林内15m左右处趋于稳定[16]。

国外对于雾水的研究起步较早，方法也相对成熟，在林冠截留雾水方面也积累了宝贵的资料。WentFW[17]研究发现，干旱区植被具有较小的叶片很大程度上是为了截留更多的雾水；CavelierJ等[18]认为，雾截留量与海拔相关，随海拔高度的增加而呈现增加的趋势，并受盛行风的影响，同时，林冠截留雾水占森林年水分总输入的2.4%～60.6%，变化范围为142～2 293mm。

雾水同位素分析始于1962年GonfiantiniR等区分雾水和雨水的研究[19]，认为雾水比雨水的同位素比率高。之后，相关研究在美国，智利等国家逐渐开展起来。DawsonTE在加利福尼亚北部海岸红杉(Sequoiasempervirens)林设置了林地和裸地2块对比样地，认为森林明显能从雾中截获更多的水分，其在应用氢氧稳定同位素技术进行林冠截留雾水定量化研究方面具有里程碑的意义。基于同位素示踪原理和二分室混合模型，Dawson T E分析了1992—1994年平均每年输入森林水分的δ2H，结果表明，红杉林34%的水分来自林冠截留雾水，林内雾水输入量为23%，而裸地为17%；在雾水频繁的夏季，上层林木从雾水中截留的水分约占水分输入的8%～43%(平均18.6%)，下层林木截留6%～100%(平均66.5%)；红树林年蒸发散有13%～45%的水分来自雾水，且矮小植株的蒸发散(39%)大于高大植株(19%)；同时，在厄尔尼诺年(1993年)和干旱年(1994年)植物更依赖于雾水[20]。

国内对于雾水同位素的研究主要集中在西双版纳热带雨林。森林中雾的发生对林冠层具有一定的保温作用，形成林冠层小气候，改变了森林生态系统的水分平衡状况。刘文杰等研究表明，最上层林冠直接影响着林内雾的形成[15]；在西双版纳热带季节雨林全年林冠共截留雾水(250.3±16.6)mm，占总降水(即穿透雾水、截留雾水、降雨量之和)的(12.1%±0.8%)，全年林冠穿透雾水与年降雨量呈负相关关系，占全年降水量的(4.9%±1.7%)[21]；雨水偏多的年份，其林冠滴落雾水较少，而雨水偏少的年份，林冠滴落雾水较多[22]；干季热带雨林冠层高的乔木冠层截留雾水多，且与风速、降温强度呈正相关关系[22]；从年雾水截留量、月雾水截留量到日雾水截留量，季节雨林都要多于人工橡胶林[23]。崔军等[5]基于同位素技术具有灵敏度高、可定量化的优点，在四川卧龙巴郎山高山灌丛阳坡设置了植被结构及周边微环境因子差异明显的3个样地，林冠层较复杂的样地其周边风速小，对雾水的截获能力更强，而对雾水的截获使所收集到的穿透水同位素值增大。因此，森林穿透水的氢氧稳定同位素值可以灵敏地反映植被水分截留能力的大小。

2.1.2 森林雾水研究的采集方法 由于雾的形成具有特殊性，使关于雾水的研究具有明显的区域性，主要集中在干旱半干旱区、海岸带森林及热带雨林等地区。受采集方法和采集器的限制，关于森林雾水的研究相对于降雨来说发展较为缓慢。

雾水的采集经历了树枝(树叶)截留、金属杆(丝网)、雨量桶等一系列的收集装置[24]，但没有统一的采集器，目前需要不断的探索和改进；加之同位素测定技术灵敏度高，采集的雾水要防止蒸发等因素引起的同位素分馏现象，采集方法和采集器是今后进一步分析研究森林雾水需要解决的一个重要难题。

现阶段基于氢氧稳定同位素技术测定林冠截留雾水的方法通常采用在森林林下架置圆形漏斗或V型收集槽，再用塑料瓶来承接截留的雾水，早晨雾最浓重时采集未蒸发和未发生同位素富集作用的林内滴落雾水带回实验室后迅速冷冻，直至氢氧稳定同位素比率的测定[15，22，25]。

2.2 森林对雾水的利用

在某些地区，森林植被能够直接或间接地吸收利用雾水。植物利用雾水的方式有2种，一是根系吸收由林冠截留滴落至地面的流落水，二是植物叶片直接吸收雾水[26]。大量国外研究表明，植被可以吸收利用雾水。Aravena R等在智利北部山区基于氢氧稳定同位素技术，研究发现，桉树(Eucalyprusspp.)叶片水同位素组成与雾水相似，认为浓湿雾维持着当地植物的生长[27]；Dawson T E[16]发现林冠截获的雾水可供红杉林本身或下层植物根系吸收利用；Feild T S等[28]在哥斯达黎加研究热带云雾林不同生命阶段植物水分的利用模式，发现附生阶段吸收隐性降水，乔木阶段利用降雨，半附生阶段同时利用隐性降水和降雨；Martorell C等[29]在墨西哥干旱山区分水岭附近发现，具有肉质叶的蔷薇(Rosaspp.)能从雾水中吸收10%～100%的水分；Burgess S S O等[30]研究表明，海岸带北美红杉叶片可以直接吸收雾水，其叶片中6%的水分源于前晚形成的雾水；Corbin J D等[31]在加利福尼亚北部临海草原研究多年生草本植物发现，其夏季干旱期所吸收的水分有28%～66%源于雾水。

在干季少雨季节的西双版纳热带雨林，滴落雾水是林下幼树和耐阴树种主要的水分供应者[15]，同时，与干季林冠滴落雾水的稳定性同位素值对比，雨季的变化范围较小。王平元等[32]利用三元混合模型计算得出，半附生阶段前期的斜叶榕(Ficusgibbosa)在干季利用的水分约有7%来源于雾水，约90%依赖于浅层土壤水，而半附生阶段后期的斜叶榕几乎不利用雾水。Liu W J等[33]研究了西双版纳季节性雨林冠层树种在2个连续干季的水分利用状况，发现常绿种白颜树(Gironnierasubaequalis)优先利用50 cm以上的土壤水，落叶种绒毛番龙眼(Pometiatomentosa)的主要水分来源是深层土壤水及浅层地下水，其幼苗可以利用雾水。

2.3 森林雾水与土壤水及地下水的关系

在森林生态系统中，由于雾水补给到各种水体内的时段、受补给区域的海拔高程以及水分滞留时间等的不同，从雾水到土壤水再到地下水，各水体中的氢氧稳定同位素的组成存在一定的差异。土壤水在不同界面的水分传输过程起到过渡作用，土壤水和地下水的相互作用增加了森林生态系统土壤水蓄库的调蓄能力[34]。雾水可以增加植物和土壤的水分供应量[29]。Ingraham N L等[35]的研究表明，雾水参与了土壤水和地下水的水分补给。Scholl M A等[36]分析夏威夷Maui岛上的森林集水区水源补给时指出，雾水可以补给高海拔处分水岭附近森林溪流和土壤水。

目前，国内对于森林雾水在水循环方面的研究较少。刘文杰等[15]通过分析2002—2003年西双版纳热带季节雨林内的雨水、林冠滴落的雾水、浅层土壤水和地下水的稳定性同位素表明，浅层土壤水是林内多种植被的水分供应源，其稳定性同位素值介于雾水和雨水之间，其来源主要是雾水和雨水，但在干季浅层土壤水中包含更多的雾水，补给绝大部分来自雾水；地下水的稳定性同位素值在干季和雨季与雨水没有显著差别，表明雾水对地下水的补给不明显或无补给。李鹏菊[25]研究石灰山热带季节性湿润林内干季时植被水分利用情况发现，植被吸收利用的是土壤水及地下水，但部分土壤水来源于雾水，植物通过利用土壤水间接利用雾水。

3 展 望

1) 现阶段稳定同位素的研究虽已取得了快速发展，但缺乏理论框架，尤其在国内还处于起步阶段，缺乏系统性研究，稳定同位素技术的研究还需要不断探索。

2) 与传统森林水文研究方法相比，同位素技术具有灵敏度高、可定量化的优点，其在森林水文研究中具有广阔的应用前景。目前，国内运用氢氧同位素技术对于雾水的定量化研究主要局限于测定滴落到地表的雾水量，对植被、地下水和地表径流的补给作用的报道较少，且多数以定性分析为主。今后应当在森林生态系统层面上进行多因子研究，将林冠对雾水的截留能力、森林对雾水的利用以及雾水对土壤水和地下水的补给定量化，克服传统试验过高估计实际上并不多的雾水，着眼于多时空尺度的综合研究，阐明森林雾水形成与发展的过程和机理。

3) 现阶段的研究中，水平降水的测定较为困难，样品采集方法和采集器的研究和设计尤为重要，除雾水外其余水汽凝结物的同位素技术研究目前尚属空白，今后应利用氢氧稳定同位素技术，深入研究水平降水在森林生态系统中的作用，为增强地区水资源的合理利用，揭示水平降水对森林分布及其动态变化的影响具有一定的理论与现实意义。

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(责任编辑 曹 龙)

Application of Oxyhydrogen Stable Isotope Technology on Research of Fog Water in Forest

WANG Zhuo-juan，SONG Wei-feng，ZHANG Xiao-juan

(College of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

Fog is one of the important parts of horizontal precipitation in forest ecosystem. Based on stable isotope technique with high sensitivity and quantification is the focus research of forest hydrology to analyze the role of fog water in the water cycle in forest ecosystem. The paper summarized the canopy interception fog, forests utilization of fog water and fog water recharge soil water and groundwater, provided a reference for the use of hydrogen and oxygen stable isotope technique to study the foggy mountain ecosystem and coastal ecosystem in the forest hydrological effects.

forest; fog water; oxyhydrogen stable isotope

2014-11-24

国家自然科学基金项目(41371066)资助。

宋维峰(1967—)，男，博士，教授。研究方向：森林水文、生态环境工程。Email：songwf85@126.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.04.019

S715

A

2095-1914(2015)04-0106-05

第1作者：王卓娟(1988—)，女，硕士生。研究方向：森林水文、土壤侵蚀。Email:wzhuojuan0228@163.com。