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1研究方法

1.1試驗地概況研究區位于浙江天目山森林生態系統國家定位觀測研究站（30°18′30″~30°24′55″N，119°24′47″~119°28′27″E），面積為4284hm2。主峰仙人頂，海拔為1506m。氣候具有中亞熱帶向北亞熱帶過渡的特征，受海洋暖濕氣流的影響較深，形成季風強盛，四季分明，氣候溫和，雨水充沛，光照適宜且復雜多變的森林生態氣候［12］。自山麓至山頂，年平均氣溫為14.8~8.8℃，最冷月平均氣溫3.4~－2.6℃，極端最低氣溫－13.1~－20.2℃，最熱月平均氣溫28.1~19.9℃，極端最高氣溫38.2~29.1℃，無霜期235.0~209.0d，年雨日159.2~183.1d，年霧日64.1~255.3d，年降水量1390.0~1870.0mm［13］，年太陽輻射4460~3270MJ•m－2［14］，年相對濕度76％~81％。常綠落葉闊葉混交林是天目山精華植被［12］，分布于海拔850~1140m,常綠喬木主要有細葉青岡Cy-clobalanopsisgracilis，石櫟Lithocarpusglaber和交讓木Daphniphyllummacropodum等，落葉喬木有青錢柳Cyclocaryapaliurus，化香Platycaryastrobilacea，楓香Liquidambarformosana，天目木姜子Litseaauric-ulata和短柄枹Quercusglandulifera等。灌木有柃木Euryajaponica，箬竹Indocalamustessellatu和馬銀花Rhododendronovatum等，另外混有針葉林柳杉Cryptomeriafortunei林、金錢松Pseudolarixamabilis林及黃山松Pinustaiwanensis林等，組成多種較復雜的森林類型。土壤為山地黃壤，土層深度約為100cm。pH5.0~6.0，枯枝落葉層厚為10~20cm。試驗地在研究區的1塊常綠落葉闊葉混交林樣地（30°20′59″N，119°26′13.2″E）內，海拔為1139m，樣地面積為20m×20m，主要喬木有小葉青岡Cyclobalanopsismyrsinifolia，交讓木，小葉白辛樹Pterostyraxcorymbosus，短柄枹，青錢柳Cyclocaryapaliurus，天目槭Acersinopurpurascens，秀麗槭Acerelegantulum和糙葉樹Aphanantheaspera等，林齡為140a，郁閉度0.7，林分密度3125株•hm－2。林分為復層結構，分3層，15.0m以上的喬木約占3.2%，第2層8.0~14.0m的喬木約占43.2%，其余的喬木均在8.0m以下。優勢樹種為小葉青岡、交讓木和小葉白辛樹等。據2012年調查，小葉青岡活立木平均高度為9.2m,胸徑24.1cm;交讓木活立木平均高度為5.1m，胸徑7.8cm；小葉白辛樹活立木平均高度為11.2m，胸徑20.2cm。小喬木或灌木主要有紅脈釣樟Lin-derarubronervia，微毛柃Euryahebeclados，莢蒾Viburnumdilatatum，大青Clerodendrumcyrtophyllum，浙江大青Clerodendrumkaichianum，野鴉椿Euscaphisjaponica，山胡椒Linderaglauca，雞毛竹Shibataeachinensis，紫竹Phyllostachysnigra，牛鼻栓Fortuneariasinensis和四照花Dendrobenthamiajaponicavar.chinensis等。

1.2觀測方法

1.2.1大氣水汽穩定同位素組成δv的原位連續觀測試驗地建有40m高的微氣象觀測塔，觀測塔搭載有由三維超聲風速儀（CAST3，CampbellInc，美國）和開路CO2/H2O分析儀（Li-7500，LiCorInc.，美國），7層CO2/H2O廓線觀測系統，大氣水汽穩定同位素分析系統，以及常規氣象觀測系統。利用LGR水汽同位素分析儀（WVIA）對大氣水汽穩定同位素組成進行原位連續觀測。該系統采用離軸積分腔輸出光譜技術，可以實現對環境中水汽濃度，δ18O，δD的原位連續觀測［15］，借助于外擴構件可以測量5個不同高度的大氣水汽濃度及大氣水汽穩定同位素組成。本試驗地的系統的5個高度分別設在2,4,8,16和32m，取16m高度的通道值代表森林生態系統的地表蒸散總量的大氣水汽穩定同位素組成。數據采集頻率為6min•次－1•通道－1，采樣頻率為0.1Hz，輸出結果以相對于國際原子能機構推薦的δv-SMOW值表示，δ18O的測量精度為（δ18O）＜±0.2‰，所采數據最后經校準并標準化后統一使用。本研究中的穩定同位素組成值均為δ18O。

1.2.2氣象數據的觀測常規氣象觀測系統由錦州陽光氣象科技有限公司安裝，包括7層風速，7層大氣溫度和濕度。安裝高度分別為2，7，11，17，23，30和38m。溫濕度采用17m的數據為準。土壤溫度和濕度觀測深度為5，50和100cm。土壤熱通量測量深度為3和5cm。降雨量和凈輻射值由距離試驗地500m的自動氣象站提供。常規氣象觀測系統數據通過數據采集器隔30min自動記錄平均風速、環境溫度、環境濕度、土壤溫度、土壤濕度等常規氣象信息。自動氣象站數據通過數據采集器隔10min自動記錄降雨量、凈輻射等信息。

2結果與分析

2.1降水對大氣水汽穩定同位素組成的影響試驗采用2013年8月1日到2013年10月1日的數據。大氣水汽穩定同位素組成采取了2m和16m等2個高度，排除了高度對于同位素值的影響，1h計算1個平均值，1d共有24個同位素值。由于試驗地郁閉度較高，降水量值存在偏低現象，但不影響試驗結果。對圖1進行分析：整體來看，試驗地大氣水汽穩定同位素組成的變化趨勢與降水量有明顯關系。每次降水過后，高低2層大氣水汽穩定同位素組成都明顯降低。比如8月22日，9月11日，9月24日3次比較大的降水過后，大氣水汽穩定同位素組成都明顯降低。這可能是因為降水過程中，水汽的冷凝消耗了森林生態系統中的大量水蒸氣中的δ18O，使得大氣水汽中的同位素組成也隨之降低。

2.2環境溫度對大氣水汽穩定同位素組成的影響從圖2可以看出：森林生態系統的環境溫度的變化趨勢與大氣水汽穩定同位素組成的變化趨勢不一致。當環境溫度下降時，大氣水汽穩定同位素組成上升，當環境溫度上升時，大氣水汽穩定同位素組成呈下降趨勢，9月開始尤其明顯。對兩者進行回歸分析，從圖3我們可以看到環境溫度和大氣水汽穩定同位素組成的擬合曲線：y=－0.3477x－13.8790,R2=0.2123,F=15.9070,P=0.0002。說明森林生態系統中環境溫度和大氣水汽穩定同位素組成有極顯著的相關性。分析原因可能為：環境溫度對于葉片蒸騰和土壤水的蒸發都有很大影響，進而影響到同位素分餾作用，而大氣水汽穩定同位素組成主要包括大氣本底的水汽同位素組成和葉片蒸騰的水汽同位素組成以及土壤水蒸發的水汽同位素組成［4］，因而環境溫度的變化會引起大氣水汽穩定同位素組成的變化。

2.3土壤5cm溫度和大氣水汽穩定同位素組成的關系土壤5cm深度處為土壤蒸發面［17］，此處的溫度可能會影響到土壤蒸發面液態水的蒸發，進而影響到土壤蒸發水汽的同位素組成，因此選取土壤5cm深度的溫度和大氣水汽穩定同位素組成作相關性分析。對圖4進行分析，土壤溫度的變化趨勢和圖2中環境溫度的變化趨勢類似，土壤5cm溫度最大值為8月2日22.49℃，大氣水汽穩定同位素組成為－19.47‰，土壤5cm溫度最小值為9月20日13.38℃，大氣水汽同位素組成為－15.24‰。圖5是土壤5cm溫度和大氣水汽穩定同位素組成的擬合曲線及方程，擬合方程為:y=0.1356x2－5.3818x+31.917,R2=0.3369,F=14.732,P＜0.0001，兩者相關性極顯著。

2.4環境相對濕度對大氣水汽穩定同位素組成的影響對圖6和圖7進行分析：試驗地的相對濕度值很高，最小值出現在9月28日，為54％，大氣水汽穩定同位素組成為－17.97‰；達到相對濕度最大值100%的天數有20d，期間大氣水汽穩定同位素組成最大值出現在9月23日的－14.79‰，最小值為8月28日的－25.04‰。對兩者擬合，得到y=－0.0326x－17.1510，R2=0.0220，F=0.6605，P=0.5204，兩者相關性不顯著。

2.5土壤5cm濕度和大氣水汽穩定同位素組成的關系對圖8和圖9進行分析：圖8可以看到土壤5cm相對濕度最大值為8月23日43.84％，大氣水汽穩定同位素組成δv為－20.97‰；土壤5cm相對濕度最小值為25.91％，大氣水汽穩定同位素組成因自然原因缺失，但這不影響我們探討兩者之間的關系。圖9為兩者擬合曲線及方程：y=0.0381x2－2.9413x+35.928,R2=0.0753,F=2.3608,P=0.1034，兩者相關性不顯著。

2.6平均風速對大氣水汽穩定同位素組成的影響對圖10進行分析：平均風速最大值為9月18日2.56m•s－1，相應大氣水汽穩定同位素組成為－15.18‰；平均風速最小值為8月24日和8月25日0m•s－1，相應大氣水汽穩定同位素組成分別為－21.69‰和－22.97‰。圖11為兩者擬合后的結果：y=0.5942x－20.5090,R2=0.0179,F=1.0729,P=0.3045，表明兩者相關性不顯著。

2.7凈輻射對大氣水汽穩定同位素組成的影響對圖12進行分析：是每日平均瞬時凈輻射值同大氣水汽穩定同位素組成的變化趨勢，圖13是兩者的擬合曲線：y=－0.8261lnx－16.3640,R2=0.0460,F=1.6618,P=0.1987，兩者相關性不顯著。

3討論

本研究結果表明：森林生態系統中降水量、環境溫度、土壤5cm溫度對大氣水汽穩定同位素組成δv的影響較大。降水過后，大氣水汽穩定同位素組成會明顯降低。這與石俊杰等［10］在玉米田生態系統，袁國富等［9］在小麥生態系統得到的結論一致。環境溫度和大氣水汽穩定同位素組成相關性極顯著。但在本實驗中呈現的是負相關，而石俊杰等［10］在玉米田生態系統得到的結論是兩者呈線性正相關。原因可能比較復雜，位于亞熱帶的天目山森林生態系統和北方的玉米田生態系統相比大氣環境都有很大的不同，植被因素也不容忽略，導致環境溫度對于土壤水分的蒸發和植被葉片蒸騰的影響作用不同，對于生態系統的大氣水汽穩定同位素組成的影響也有很大不同。在計算土壤蒸發水汽的Craig-Gordon模型中，土壤5cm處可以作為土壤液態水蒸發面［17］，理論上此處的溫度和濕度對土壤蒸發水汽同位素組成有影響。

結果土壤5cm溫度和大氣水汽穩定同位素組成相關性極顯著，符合預期。對于環境相對濕度而言，在森林生態系統中它和大氣水汽穩定同位素組成的擬合的結果相關性不高。原因可能為天目山森林生態系統常年濕度在75%以上，在試驗選取的時間8月和9月有20d的相對濕度達到了100%，作為單因子對于大氣水汽同位素組成δv的影響不顯著。平均風速和大氣水汽穩定同位素組成的線性關系方程的相關系數值為0.017，表明兩者之間相關性不顯著。凈輻射作為生態系統能量流通、轉化的基礎量度，本研究也探討了它與大氣水汽穩定同位素組成的關系，結果顯示兩者相關性不高，這與石俊杰等［10］在玉米田生態系統得到的結論也不一致。通過分析森林生態系統中各氣象要素對大氣水汽穩定同位素組成的影響，和以前的一些論文做對比，我們發現：試驗結果有一些不一致，在森林生態系統中就單氣象因素對大氣水汽穩定同位素組成做相關性分析，結果顯示一些因素是不顯著的，這可能是因為和農田生態系統相比，森林生態系統的環境更加復雜，各因子相互作用影響也更為復雜。當然本研究為以后探討各因素之間如何相互作用共同影響森林生態系統大氣水汽穩定同位素組成作了一定的基礎，也為今后在天目山森林生態系統中利用大氣水汽穩定性同位素觀測技術和Keeling曲線區分地表蒸散提供了一定的補充。

作者：牛曉棟 江洪 王帆 單位：浙江農林大學 浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室 南京大學國際地球系統科學研究所