巴西东南部季节性洪泛森林土壤水与木质部水的同位素组成特征及其生态水文意义

本研究通过稳定同位素技术(δ18O和δ2H)揭示了巴西六大洪泛森林树木水分利用策略，发现土壤水是主要水源（湿季贡献64%±17%，干季43%±17%），圣弗朗西斯科流域树木表现出更强的土壤水依赖性（干季72%±15%）。研究创新性地比较了不同地貌单元（堤岸、阶地、平原）和树种的吸水模式，为热带洪泛林生态水文过程研究提供了重要数据支撑。

　　

巴西东南部洪泛森林的水分利用密码

ABSTRACT

季节性洪泛森林是独特而脆弱的生态系统，树木需要适应极端的水涝和干旱条件。研究团队采用水稳定同位素技术，在巴西东南部里奥格兰德和圣弗朗西斯科流域的六个洪泛林开展为期两年的观测，通过四次采样活动（两次干季、两次湿季）系统分析了降水、径流、地下水和不同深度土壤水的同位素组成，揭示了树木根系吸水的主要来源。

1 引言

洪泛林作为水陆交错带的关键生态系统，其生存策略与水文循环紧密关联。研究背景显示，全球约74%的洪泛林受到大坝建设等人类活动的威胁。通过对比前人研究，发现温带地区树木多依赖土壤水（如法国杨树利用地下水占比达90%），而热带地区相关研究稀缺。本研究提出四大假设：1）干季浅层土壤水蒸发分馏效应显著；2）近河树木更依赖地表/地下水；3）低海拔树木水分来源变异性更高；4）优势树种水分利用策略更灵活。

2 方法

2.1 研究地点

跨越800公里生态梯度，涵盖大西洋森林至卡廷加群落。里奥格兰德流域年降水1517-1622mm，圣弗朗西斯科流域仅827-1254mm，潜在蒸散发比（P/PET）从1.9降至0.8。

2.2 采样设计

创新性地划分五种生态单元（最终合并为堤岸、阶地、平原三类）。阶地年均淹没50天（最长97天），平原基本不受淹。通过TEROS 21传感器监测发现，干季土壤基质势pF普遍>4.2。

2.3 样品采集

共收集1368份样品，包括582份植物木质部样品。采用分层采样策略（5-100cm分五层），并针对三类特征树种采样：生物量最高种、优势种和干旱敏感种。

2.4 实验室分析

运用CRDS（精度δ¹⁸O±0.16‰）和IRMS交叉验证，发现有机污染物会导致木质部水δ²H测定偏差达12‰，后续采用微燃烧模块（MCM）校正。

2.5 数据分析

采用贝叶斯混合模型MixSIAR（MCMC链长25万次），因水源同位素相似性高，最终简化为土壤水与地表/地下水双端元模型。

3 结果

3.1 同位素特征

所有样品基本沿当地大气水线（LMWL）分布，仅圣弗朗西斯科流域部分样品出现蒸发分馏（δ¹⁸O富集达+0.9‰）。浅层土壤水（5-40cm）比深层富集1.5-3.0‰。

3.2 季节动态

2022湿季降水δ¹⁸O（-7.7‰）显著低于2023年（-2.3‰），导致相应年份木质部水同位素差异达3.8‰。干季地下水δ¹⁸O保持稳定（-5.8±1.5‰）。

3.3 木质部水变异性

树木个体差异惊人：同种Jacaré洪泛林Alchornea glandulosa个体间δ¹⁸O变幅达6.5‰。阶地树木同位素变异性最大（Carinhanha阶地δ¹⁸O范围10.5‰）。

3.4 土壤水贡献

MixSIAR模型显示：里奥格兰德流域树木湿季64%±17%依赖土壤水，干季降至43%±17%；而圣弗朗西斯科流域干季反而更高（72%±15%）。三端元模型显示后者深层土壤水（40-100cm）贡献达47%。

4 讨论

4.1 同位素信号均一性

热带降水缺乏季节分馏信号（贝洛奥里藏特站δ¹⁸O干湿季仅差2.4‰），加之洪水淹没的均化作用，导致不同水源同位素组成重叠。

4.2 土壤水主导机制

圣弗朗西斯科流域76%砂土持水能力差，但致密土层（钻探阻力证实）可能限制根系下扎，迫使树木形成"节水策略"。蓝色染料实验显示该区水分下渗不超过20cm。

4.3 生态单元趋同性

与假设相反，不同高程树木水分来源无显著差异，可能因采样期均处于水文极端期（干季全面干旱/湿季全面水涝）。

4.4 物种特异性缺失

干旱敏感种Inga vera的水分利用变异性反而最大，暗示生理调节可能比水源切换更重要。

5 结论

这项开创性研究首次系统描绘了南半球热带洪泛林的水分利用图谱。发现土壤水是核心水源（尤其圣弗朗西斯科流域干季仍保持72%依赖），挑战了"干旱期树木必然转向深层水"的传统认知。研究为预测气候变化下洪泛林适应性提供了同位素基准，未来需结合根系构型与土壤物理特性开展更精细研究。