黄土高原丘陵沟壑区不同水体间转化特征——以韭园沟流域为例

为研究黄土高原丘陵沟壑区降水、地表水和地下水间的转化特征,以绥德县韭园沟流域作为研究对象,通过测定雨水、沟道水和井水的氢氧同位素组成,分析各水体的δD-δ18O特征、氢氧同位素的时间变化和沿程变化,明确各不同水体间的补给关系,估算流域上游沟道水补给井水的过程中因蒸发损失的水量.结果表明:韭园沟流域沟道水和井水的δD和δ18O之间具有良好的线性关系;井水氢氧同位素相对于沟道水较富集且稳定,降水、气温、风速等气象因子对沟道水氢氧同位素影响强烈,对井水影响较弱;流域沟道水与井水均来源于大气降水,能够有效补给地下水的大气降水氢氧同位素加权平均值为:δ18O=-11‰,δD=-79.80‰;沟道水向井水的转化以单向排泄补给为主,两者转化过程中由于蒸发作用引起的水量损失占补给源水量的7％.     

喷灌均匀性和灌水量对冬小麦冠层下水量分配的影响

为研究冬小麦冠层对喷灌水量的再分配规律,探讨不同灌水量下喷灌均匀性对土壤含水率空间分布、冬小麦生长状况及产量的影响,于2020-2021年在常州市金坛区开展了冬小麦田间喷灌试验。该试验依据作物需水量设置3个灌水量（充分灌溉、2/3需水量、1/3需水量）处理和2个喷灌均匀性（高：75%、低：55%）处理,通过冠层上、下雨量筒和自制的茎流收集器测量喷灌水量分布,并对喷灌后的土壤含水率（Soil Water Content,SWC）、冬小麦生长状况及产量的空间分布进行了监测。结果表明,冠层上喷灌均匀性比冠层下高约1.5%。喷灌水经冬小麦冠层再分配后所形成的棵间穿透流量、茎秆流量以及冠下喷灌损失分别占冠层上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和茎秆流率与冬小麦的冠层特征（叶面积指数、株高）极显著相关（P<0.01）,而受喷灌均匀性和灌水量的影响较小。茎秆流率变异系数高于穿透流率变异系数。喷灌后24 h,0～20 cm深度土壤水分的变化与冬小麦产量及产量变异系数显著相关（P<0.05）。低喷灌均匀性会导致区域性缺水（SWC<65%田间持水量）,引发小范围减产,产量变异系数增大,减少灌水量则会加剧这一现象,冬小麦显著减产,灌水量对产量的影响占主导作用。该研究可为冬小麦的喷灌设计提供理论依据。     

亚热带季风区樟树的水分利用特征

基于2017—2019年樟树(Cinnamomum camphora)生长季(4—10月)的茎干水、叶片水和土壤水稳定同位素及同期环境因子数据,并结合2019—2021年樟树生长季的蒸腾速率,分析了日间樟树植物水同位素与其影响因子之间的关系,探究樟树在生长季和不同环境条件下吸水深度的变化特征,旨在加深对樟树自身水分利用特征的了解。结果表明:在晴日,樟树蒸腾速率与叶片水δ¹⁸O的值在日间高于夜间,茎干水δ¹⁸O的值在日间低于夜间。蒸腾速率与叶片水δ¹⁸O之间的时滞在8月晴日较5月晴日大,平均时滞为2.32 h。在5月晴日,叶片水δ¹⁸O和茎干水δ¹⁸O与温度、饱和水汽压差、相对湿度及蒸腾之间均呈二次函数关系;在8月晴日,叶片水δ¹⁸O与温度、饱和水汽压差、相对湿度及蒸腾之间呈二次函数关系,但茎干水δ¹⁸O与上述影响因子之间无明显的函数关系。樟树的吸水深度存在明显的季节变化特征。在生长季初期(4—5月)樟树吸水层位单一,主要利用浅层土壤水;在生长季中期(6—8月)和后期(9—10月),樟树有2个吸水层位:在中期利用中层和深层土壤水,在后期利用浅层和深层土壤水。樟树的吸水深度和蒸腾还受到生境的影响。季节性干旱期间,随着干旱的持续,蒸腾日变化曲线的宽度逐渐变窄,蒸腾耗水量相应减小;受环境变化和自身生理特性的影响,樟树的吸水深度逐渐由浅变深再变浅。与降水前相比,降水后樟树的蒸腾作用增强,吸水深度上升,吸水土层变窄。     

蒋家沟流域雨季降水中氢氧同位素特征分析

通过分析蒋家沟流域2001—2009年内降雨资料,发现降雨频率服从幂指数分布,分析蒋家沟流域2010年雨季降水的氢氧同位素组成,得出当地大气降水线,其截距与我国大气降水线相比较小,这与研究区地处内陆干热河谷、蒸发作用强烈有关;降水中氘盈余7月中旬之前较大,均为正值,7月中旬到8月中旬由于空气湿度相对较高,氘盈余减小,8月中旬之后,随着空气湿度重新减小,d值增大;根据次降雨采集的降水样品分析,δ18 O显示出明显的降水量效应,即降水量较大的降水场次内δ18 O较小,在同一场降雨内,δ18 O也随着降雨时间的持续和降水量的增加而呈减小趋势;受山区降雨的随机性影响,蒋家沟流域内稳定同位素的高程效应较为反常,海拔越高的地方,δ18 O越大。     

玉米冠层对喷灌水量再分配影响的田间试验研究

为了确定喷灌水量通过作物冠层时的分配规律，定量评价作物冠层对喷灌水利用率的影响，该文采用水量平衡法对喷灌条件下的玉米冠层上部、棵间、茎秆下流及冠层截留水量进行了田间观测。试验结果表明，喷灌水经玉米冠层再分配后所形成的棵间和茎秆下流水量分别占冠层上部水量的45.4%和43.0%。截留水量空间分布变化较冠层上部、棵间和茎秆下流水量为大，均值为3.6 mm，变异系数Cv平均值为0.5。由相关分析知茎秆下流水量和棵间水量均随冠层上部水量的增加而线性增加，但茎秆下流水量与冠层上部水量的关系更为密切。冠层上部水量、叶面积和株高对截留量的影响较小。     

福州降水稳定同位素对ENSO事件的响应机制

ENSO事件背景下的水汽源区变化在很大程度上影响着季风区水循环过程,基于福州的降水同位素及气象数据,研究了ENSO背景下δ~(18 )O的时空分布特征,并利用OLR(向外长波辐射)技术进一步探索降水中氢氧同位素特征对ENSO事件及水汽源区变化的响应机制。结果表明:水汽源区变化主要通过影响降水的年内分配,特别是雨季降水的时间分配状况影响δ~(18 )O的年际变化;各事件年大气降水线方程有着规律性的变化,拉尼娜年凸显出海洋性较强的气候特征;厄尔尼诺年减弱雨季降水量效应而增强旱季反温度效应,拉尼娜年则削弱旱季反温度效应;通过OLR场反演的水汽源区变化与福州稳定同位素特征有着较强的对应关系,西太平洋水汽源区的位置与对流强度的变化是ENSO事件年中影响福州降水稳定同位素变化的主要因素。     

枣树冠层改变降雨截留历时过程同位素和化学特征

基于冠层截留历时过程降雨同位素和化学特征的研究很少,但却有助于揭示冠层截留特征及其对降雨同位素和化学特征的影响,于2016年9月17-18日和10月22-23日对黄土高原丘陵沟壑区的2场降雨事件林外降雨、穿透降雨和树干茎流历时过程进行连续采样及室内分析,研究降雨过程中矮化枣树冠层截留对降雨同位素和化学成分的改变、2016年7-10月4棵矮化枣树树干茎流以及林外降雨取样测定,分析矮化枣树形态特征对其树干茎流率的影响。结果表明:(1)矮化枣树树干茎流率可达2.3%~5.6%,2场降雨事件中当降雨量分别达到1.4,1.2mm时,开始产生树干茎流;(2)通过比较2场降雨事件历时过程穿透降雨、树干茎流同林外降雨的稳定同位素和水化学特征算术平均值得出,穿透降雨、树干茎流δ~2 H分别富集1.6‰~4.0‰和6.6‰~8.9‰,Cl~-浓度分别增加到林外降雨1.4~3.0倍和13.3~13.4倍,SO_4~(2-)浓度分别增加到1.5~2.7倍和4.8~7.1倍,穿透降雨和树干茎流相对林外降雨呈现一定滞后;降雨历时过程中稳定同位素δ~2 H与前时刻降雨以及截留过程进一步蒸发有关,水化学成分改变受植被截留影响逐渐减弱。     

矮化枣树冠层改变降雨截留历时过程同位素和化学特征

基于冠层截留历时过程降雨同位素和化学特征的研究很少,但却有助于揭示冠层截留特征及其对降雨同位素和化学特征的影响,于2016年9月17-18日和10月22-23日对黄土高原丘陵沟壑区的2场降雨事件林外降雨、穿透降雨和树干茎流历时过程进行连续采样及室内分析,研究降雨过程中矮化枣树冠层截留对降雨同位素和化学成分的改变、2016年7-10月4棵矮化枣树树干茎流以及林外降雨取样测定,分析矮化枣树形态特征对其树干茎流率的影响。结果表明:(1)矮化枣树树干茎流率可达2.3%~5.6%,2场降雨事件中当降雨量分别达到1.4,1.2mm时,开始产生树干茎流;(2)通过比较2场降雨事件历时过程穿透降雨、树干茎流同林外降雨的稳定同位素和水化学特征算术平均值得出,穿透降雨、树干茎流δ~2 H分别富集1.6‰~4.0‰和6.6‰~8.9‰,Cl~-浓度分别增加到林外降雨1.4~3.0倍和13.3~13.4倍,SO_4~(2-)浓度分别增加到1.5~2.7倍和4.8~7.1倍,穿透降雨和树干茎流相对林外降雨呈现一定滞后;降雨历时过程中稳定同位素δ~2 H与前时刻降雨以及截留过程进一步蒸发有关,水化学成分改变受植被截留影响逐渐减弱。     

准噶尔盆地降水、土壤水和地下水中δ^18O和δD变化特征——以中国生态系统研究网络阜康站为例

本实验的研究材料（融雪水、雨水、土壤水、地下水）采集于2006年3-6月,取自位于古尔班通古特沙漠南缘中国科学院阜康荒漠生态系统研究站及北沙窝实验点,对其氢氧稳定性同位素比率δ^18O和δD的测定结果进行了分析,研究了降水、土壤水稳定同位素变化特征,揭示干旱荒漠区降水和土壤水的关系。研究结果表明,表层10cm土壤水受降水的直接影响,其δ^18O具有与降水相同变化的趋势;地表浅层土壤水的稳定性同位素比率介于雪水和雨水之间;不同时间剖面土壤水的δ^18O和重量含水量均为表层10 cm变化最大,具有向下变幅逐渐减少的趋势。地下水中δ^18O在不同季节变化差异不大,地下水有一致、稳定的水源供应。本研究为稳定同位素技术在水循环研究中的应用提供了实例,也为古尔班通古特沙漠生态系统维持与恢复提供科学依据。     

北京密云油松人工林对降水及其营养元素含量的影响

对北京密云水库库西油松人工林的林冠截留、穿透降水和树干茎流的观测和分析结果表明，单次降雨过程中的林冠截留量与林外降水量呈幂函数关系，而穿透雨量和树干茎流量跟林外降水量皆呈线性相关关系，它们占林外降水的比例分别为7．23％～87．39％，12．56％～91．58％和0．007％～1．77％。环境状况、气象条件和降水特性的不同是造成同一地区大气降水化学性质差异的主要原因；降水透过油松林冠层后，穿透降水和树干茎流中元素含量都有不同程度的增加。穿透降水中各元素含量变化均与降水时间间隔呈正相关，而与降雨强度和降水量呈负相关；除N外，树干茎流中P，K元素含量与降水特性的关系与穿透降水的相同。     

华北油松人工林冠层穿透雨空间变异性研究

 为说明林冠截留的空间分布特征,揭示其空间异质性,采用网格状机械布设采样点测定穿透降雨量。结果表明:穿透雨的变异系数随降雨量和降雨强度的增加而减小,当冠层达到饱和后变异系数趋于一稳定值,接近林冠叶面积指数的变异系数0.18。认为冠层叶面积指数的变异系数是穿透雨量变异系数的极限值。由于油松针叶的特殊排列方式,并且下层枝干下垂引起林冠截留负值,出现林冠截留负值的穿透雨样本占总样本数的13%,其中最大超出林外降雨高达70%。     

重庆缙云山毛竹林次降雨再分配特征及穿透雨的空间异质性

为分析毛竹林的林冠降雨再分配规律及其穿透雨的空间分布特征和影响因素,在重庆缙云山自然保护区内选择的30m×30m毛竹林标准地内,随机布置72个穿透雨监测点,并选取6株标准木观测干流,于2017年5-8月监测毛竹林水文特征。结果表明:18场典型降雨的合计林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量分别为32.74,208.09,10.97mm,分别占总降雨量的13.00%,82.64%,4.36%;次穿透雨率随次降雨量增加呈对数函数增长;穿透雨的空间变异系数(CVS)随次降雨量和降雨强度增加呈幂函数递减;当次降雨量小于10mm时,叶面积指数(LAI)与穿透雨率呈显著负相关(p0.05);各监测点不同降雨场次中穿透雨率变异系数(CV_T)为19.2%~47.7%,其空间分布格局与毛竹密度的空间分布较为一致,而与观监测点上方的LAI无显著相关;穿透雨量较大的监测点趋向于分布在毛竹冠区边缘。     

降雨特征对南亚热带马尾松人工林降水分配格局的影响

探究马尾松人工林降雨特征对降水分配格局的影响,为南亚热带人工林经营管理提供科技支撑。依托广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站降水分配观测场,采用野外定位研究方法,以30年马尾松人工林为研究对象,观测了2018年1—12月的林外降雨、林内透流、干流和冠层截留。结果表明:研究区年降雨总量1303.6 mm,马尾松林的透流、干流及截留量分别占同期降雨的60.9%,0.4%,38.7%。产生透流和干流的最小雨量分别为0.4,2.2 mm。4个降雨特征指标中(雨量、雨强、历时和2次降水间隔时间),降雨量在马尾松降水格局分布中影响最大,雨强和历时对透流量、透流率、干流量、冠层截留量及冠层截留率均有显著影响,而2次降水间隔时间仅对透流量、干流量和冠层截留量有显著影响。SPSS多元线性回归分析表明,3个冠层水文分量对降雨特征的响应并非同步,降雨特征对林内透流和截留的影响大于干流。     

黄前水库上游生态修复区典型植被林冠层水文效应

利用森林水文与水量平衡原理,采用固定标准地方法,对山东省泰安市黄前水库上游水土保持生态修复区典型植被类型的林冠层水文效应进行了研究。结果表明:①在P=18 mm的降雨条件下,生态修复区内不同树种林冠对降雨截留量的排序为油松>赤松>侧柏>麻栎>刺槐,树干径流量和林内穿透雨量没有发现有类似的规律,针叶林比阔叶林的林冠截留量大。②不同造林密度对林冠截留量的影响总体趋势为造林密度越大林冠截留量越多,反之林冠截留量就越少;林内穿透雨量与林冠截留量的变化规律相反。③不同郁闭度林分与不同造林密度的林分对降雨的再分配规律相同。④不同混交方式的林分对降雨的截留量排序为松刺栎混交>油松>松栎混交>松刺混交>麻栎>刺槐;树干径流量和林内穿透雨量的规律不明显。⑤生态修复区内典型植被林冠截留量在降雨量较小时(P=4.50 mm)截留作用很明显,林冠截留率较大;但随着雨量增加,树干径流量逐渐增大,林冠截留率呈减小趋势。     

排土场典型树种穿透雨空间分布特征

穿透雨是降雨再分配的主要组成成分,影响植被生长以及土壤水分分布情况,研究矿区典型树种穿透雨特征对生态恢复具有重要意义。以平朔矿区南排土场典型树种为研究对象,利用地统计学方法与时间稳定性图对比分析了油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、白杜(Euonymus maackii)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和木半夏(Elaeagnus multiflora)的穿透雨空间分布特征。结果表明:(1)平均穿透率由大到小为木半夏、小叶锦鸡儿、油松、白杜、刺槐,穿透率变异系数由大到小依次为白杜、木半夏、小叶锦鸡儿、油松、刺槐。(2)油松、刺槐、白杜、小叶锦鸡儿与木半夏的穿透率均随降雨量的增加而增加,最后达到平稳状态,降雨量增大,穿透率变异系数先快速下降,最后达到平稳状态,并都以对数函数拟合效果最好。(3)5种树种穿透率的基台值均随着降雨量增加呈指数减小,块金系数随着降雨量的上升而增加,表明随着降雨量的上升,冠层穿透率在空间上趋于均匀化,随机因素带来的空间变异性逐渐增大。此外,5种树种在植株冠层中部和外缘部分均出现穿透率高于100%的情况。(4)灌木穿透雨分布格局的时间稳定性比乔木高,冠层接近基部和外缘出现穿透雨极端稳定性,接近植被基部多为极端干燥状态,冠层外缘多为极端湿润状态。(5)从穿透率大小及其空间变异性考虑,在排土场水土流失地区刺槐为最佳重建植被类型选择,穿透雨在植被冠幅边缘出现持续湿润状态,可种植一些灌木来截留一部分穿透雨。研究结果增进对矿区排土场生态水文过程的认识,可为矿区排土场重建植被选择提供理论基础。     

晋西黄土区单株油松树下穿透雨空间分布特征研究

为了更好地解析黄土高原森林水文过程,为基于生态过程的森林水文模型的发展与参数化提供基础,在单株尺度上探讨了晋西黄土区典型油松林穿透雨的空间分布特征。在选取的2棵油松标准木的两侧树冠下,根据离树干的不同距离布置自记雨量计各7个,研究期间共观测了15场不同降雨和穿透降雨量。利用统计学方法分析了林外降雨和冠层结构特征与穿透雨之间的关系。结果表明：(1)部分观测点出现穿透雨率大于100%的状况,最大的穿透雨率达155.8%,这主要是因为降雨在冠层的作用下发生了聚集效应;(2)穿透雨量与降雨量呈显著正相关关系(p <0.05),穿透雨率与降雨强度也呈正相关关系,但其影响未达到显著水平;(3)距树干距离对穿透雨的影响是多重因素综合作用的结果,并且在穿透雨的空间分布中起到主导作用;(4)穿透雨率与郁闭度和冠层厚度呈负相关关系。     

漓江上游典型森林群落内外降雨特征研究

2009—2011年,对漓江上游典型森林群落木荷(Schima superba)林内和林外降雨进行了观测,结果表明:试验区降水年内分配极不均匀,干旱与暴雨频发,雨季降水占全年降水的82.39%,旱季降水仅占全年江水的17.61%。2011年生长季节总体表现为极其干旱,但降水总量却高于前几年的平均值,5—6月降水总量占观测期间降水总量的63.59%。单次最大降雨16h达319.8mm,降雨强度达20.0mm/h;超过50mm的日降雨量占观测日降雨总量的65.25%。木荷林内外降雨联系紧密,林内穿透降雨量与林外降雨量存在显著线性相关,但降雨穿透率与林外降雨量及强度之间的关系复杂。在高雨量级或强降雨情况下,林内降雨穿透率大,变异小,小于2.5mm/h的降雨穿透率为60.96%,变异系数为39.81%;大于8.0mm/h的降雨穿透率为72.40%,变异系数为5.64%。本研究为正确认识流域森林生态水文功能,制定有效的水资源调配和水源涵养林管理措施提供科学依据。     

长三角地区毛竹林冠截留的影响因素

为了探究毛竹林林冠截留与其影响因素之间的关系,于2012年4月至2013年3月,定位观测了毛竹林的林冠截留特征以及相关影响因子数据。结果表明,研究期内,长三角地区毛竹林的穿透雨率、树干茎流率和林冠截留率,分别占同期降雨总量的60.6%,6.7%和32.7%;林冠枝叶部分与树干部分的持水能力分别为0.82和0.1mm;引入叶面积指数作为林冠特征并与林冠截留进行分析,结果发现各月林冠截留总量随月平均叶面积指数的增加呈一定程度上增大的趋势,月平均林冠截留率随各月平均叶面积指数的增大而减小;各气象因子与毛竹林的林冠截留量的灰色关联度大小顺序为:降雨强度降雨量风速空气温度风向空气湿度,各气象因子与毛竹林的林冠截留率的灰色关联度大小顺序依次为:空气温度风向降雨量风速降雨强度空气湿度。     

Spatial variability of throughfall under a single tree: Experimental study of rainfall amount, raindrops, and kinetic energy

To evaluate the spatial variability of throughfall amount, raindrops, and erosivity under a single canopy during calm meteorological conditions, indoor experiments were conducted using a 9.8-m-tall transplanted Japanese cypress (Chamaecyparis obtusa) and a large-scale rainfall simulator. Drop size distribution, drop velocity, and kinetic energy of throughfall varied spatially under a single canopy as did throughfall amount and rain rate. Compared with throughfall rain rate, the variability was similar in drop size distribution, lower in drop velocity, and higher in kinetic energy. The results suggest that the spatial distribution of throughfall amount was dominated by the canopy shape and position of branches inside the canopy, and thus the spatial distribution was correlated with the radial distance from the trunk. Throughfall amount and rate were lower at the midway point between the trunk and the canopy edge. Throughfall drop size indices (drop size distribution, drop velocity, and unit kinetic energy) varied spatially while did not differ significantly. On the other hand, time-specific throughfall kinetic energy was correlated with the radial distance from the trunk. The dependence the throughfall kinetic energy on the radial distance from the trunk was dominated by the spatial distribution of throughfall amount. The trend in the spatial distribution of throughfall revealed in this study will aid in modelling canopy water processes and in predicting soil erosion on the bare forest floor.     

亚热带米槠次生林和杉木人工林林冠截留特征比较

通过对福建三明地区米槠次生林和杉木人工林林内穿透雨和树干茎流进行对比分析,研究2种林分类型对降雨再分配规律的影响及其关键影响因素。在研究区2种林分内分别选取了3个20m×20m标准样地,同时设置了穿透雨和树干茎流收集装置,每场降雨后测定相应的水量。结果表明:研究期内年降雨量为1 706.6mm,米槠次生林和杉木人工林林内穿透雨量没有显著差异,总穿透雨量分别为1 204.0mm和1 289.9mm,分别占年降雨的70.6%和75.6%;米槠次生林树干茎流量显著高于杉木人工林(p0.05),两者的树干茎流率分别为4.8%和2.7%;米槠次生林和杉木人工林的林冠截留率分别为24.7%和21.8%。林内穿透雨量与林冠郁闭度和叶面积指数呈负相关关系,说明林分郁闭度越高则穿透雨量越少。米槠次生林和杉木人工林林冠截留的差异主要受林冠开阔度和树皮结构的影响,因此树种差异显著改变了森林生态系统降水再分配模式。