冬季和春季降水对中国天山山地灌木群落水源的重要贡献

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Important contributions of winter and spring precipitation to the water sources of a montane shrub community in the Tianshan Mountains of China

　　

研究区域：天山山脉（中国新疆）。研究重点：在干旱区温带森林中，降水表现出明显的时空变异性，而夏季和冬季降水对植物整个生长季水源的贡献尚不明确。阐明森林物种利用的季节性水源对于准确预测生态系统对未来气候变化的响应至关重要。本研究通过分析土壤含水量、土壤水和降水的同位素特征（δ²H和δ¹⁸O），并采用季节性起源指数（Seasonal Origin Index, SOI）方法，追踪了天山北坡山地灌木群落中两种优势灌木（黑果栒子Cotoneaster melanocarpus和异果小檗Berberis heteropoda）在生长季的水源。土壤水SOI值在4月于0–40 cm深度达到最小值（接近-1），部分在8–9月超过0，并在5–7月间在-0.5到0之间波动。这些模式表明，融雪来源的冬季降水主导了4月的土壤水分，随后在5月与春季降雨混合。夏季降水影响有限，仅渗透表层（0–20 cm），并与原有土壤水混合。木质部水SOI值呈现相似的季节趋势。异果小檗在5–6月表现出较低的SOI值，表明其早夏对冬季和春季降水的强烈依赖。相比之下，黑果栒子在整个生长季维持SOI值在-0.6到0之间，反映出持续利用混合水源。该区域新的水文见解：这些结果强调了春季和冬季降水在增强该区域植物水分可利用性方面的生态重要性。在未来气候情景下，季节性降水模式的变化以及冬季降雪的增加，可能在维持干旱区温带森林生态系统中发挥关键作用。

**论文解读：冬季和春季降水对天山山地灌木群落水源的重要贡献**

**研究背景与问题**
在干旱区的温带森林中，降水是主要的水文输入，但其季节分布极不均匀，冬季积雪和春季降雨的贡献对植物生长季水分供应至关重要。然而，目前对夏季降水与冬季衍生水源（如融雪）在植物生长季的相对贡献认知不足，尤其是在天山北坡的冷温带针叶林生态系统中。该区域冬季漫长寒冷，积雪持续5-6个月，春季和夏季降水丰富，但植物如何利用这些季节性水源尚不明确。传统观点认为植物主要依赖生长季降雨，但近期研究表明，冬季降水在干旱区森林中可能被低估。因此，明确季节性水源对植物水分利用的贡献，对于预测未来气候变化下生态系统响应具有重要科学意义。

**研究内容与结论**
研究人员以天山北坡山地灌木群落中的两种优势灌木——黑果栒子（Cotoneaster melanocarpus）和异果小檗（Berberis heteropoda）为对象，于2021年生长季（4-9月）开展野外实验。通过分析土壤含水量、土壤水和植物木质部水的稳定氢氧同位素（δ²H和δ¹⁸O）季节变化，并结合季节性起源指数（Seasonal Origin Index, SOI）方法，量化了冬季、春季和夏季降水对土壤水分和植物水源的贡献。研究得出以下主要结论：冬季融雪水主导了4月土壤水分，春季降雨在5月与融雪水混合；夏季降水仅影响表层（0-20 cm），对深层土壤和灌木水分供应有限；两种灌木均优先利用冬季和春季降水，但异果小檗在早夏（5-6月）对冬季水源的依赖更强，而黑果栒子整个生长季维持混合水源利用策略。该研究发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》，揭示了冬季积雪在干旱区温带森林中的关键水文缓冲作用，对理解气候变化下山地森林植被响应具有重要意义。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
1. **稳定同位素分析**：测定降水、土壤水（0-100 cm分5层）和植物木质部水的δ²H和δ¹⁸O值，利用真空冷凝提取系统（LI-2100）提取水分，并使用水同位素分析仪（TIWA-912）测量。
2. **季节性起源指数（SOI）**：基于Allen等（2019）方法，先用Craig-Gordon模型计算土壤蒸发线（SEL）校正分馏效应，再计算SOI值，以区分水源来自冬季或夏季降水。
3. **线条件过剩（lc-excess*）**：计算lc-excess*值量化蒸发分馏程度。
4. **统计方法**：采用方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验比较不同月份和土层的水分含量及同位素差异。样本来源：研究区位于天山森林生态系统定位研究站（新疆乌鲁木齐县），灌木群落样地5个，海拔1820-1852 m，土壤为灰棕色森林土。

**研究结果**
**3.1 降水量和同位素组成变化**
通过连续两年（2019-2021）降水监测，发现年降水量约415-446 mm，春季和夏季降水最丰富（平均131.6 mm和219 mm）。降水δ²H和δ¹⁸O值季节差异显著，冬季偏负，夏季偏正，局部大气降水线（LMWL）与全球大气降水线（GMWL）接近。

**3.2 土壤水分季节变化**
通过测定不同深度（0-100 cm）土壤重量含水量（GSWC），发现表层（0-40 cm）在4月和5月出现两个峰值（最高达51%），春季融雪水渗透深度达40 cm；夏季降水仅引起0-20 cm浅层短暂上升，且峰值幅度小于春季。深层（40-100 cm）土壤水分全年相对稳定。

**3.3 土壤水同位素组成和lc-excess*值季节变化**
土壤水δ²H和δ¹⁸O在表层（0-20 cm）季节变化显著，4月明显偏负；深层（20-100 cm）变化不显著。土壤蒸发线（SEL）斜率低于LMWL和GMWL，表明蒸发分馏。lc-excess*值显示浅层（0-20 cm）负值显著，表明蒸发强烈，深层接近零。

**3.4 两种灌木的季节性水源**
通过SOI分析，土壤水SOI值在4月和6月多数< -0.5，表明冬季降水主导；5月及7-9月在-0.5到0之间，表明混合水源。两种灌木木质部水SOI值在整个生长季均<0，但异果小檗65%的SOI值< -0.5，而黑果栒子仅35%< -0.5，表明异果小檗对冬季降水依赖更强。在5-6月，两种灌木均依赖冬季水源；7-9月，异果小檗仍维持较低SOI值，而黑果栒子SOI值逐渐回升至0附近，显示其利用混合水源的灵活性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，天山针叶林生态系统具有独特的降水季节分配，冬季积雪是重要的水储备。春季融雪水首先饱和干旱土壤孔隙，随后被春季降雨混合，而非被替换。夏季降水因冠层截留、草本层吸收和蒸发损失，仅短暂补给表层，未成为深根灌木的主要水源。两种灌木的水源差异反映了生态位分化：异果小檗通过根系调整持续利用深层冬季水源，而黑果栒子能更灵活地利用混合水源，这可能与根系分布和功能可塑性有关。这些发现与瑞士温带森林和北美山地冷杉林的研究一致，但与亚热带季风区（夏季降水主导）形成对比，强调了区域背景的重要性。

**结论翻译**：天山针叶林生态系统代表了干旱地区独特的水文状况，其特点是年降水量较高，春季和夏季相对湿润，冬季积雪期长，且降水蒸发分馏明显低于邻近沙漠系统。这些综合水文特征从根本上塑造了山地灌木的水分利用策略，使冬季积雪成为该生态系统中土壤水分补给和植物水分吸收的主要水源。土壤水SOI值的季节变化表明，融雪来源的冬季降水主导了4月的土壤水分，随后在5月与春季降雨混合，而夏季降水影响有限，仅渗透表层（0-20 cm）并与原有土壤水混合。两种灌木的SOI值在整个生长季均低于0，表明冬季降水（融雪）对植物水分吸收的贡献大于夏季降雨。在春季，两种物种的SOI值均接近-1，反映其对融雪水的依赖。然而，在剩余月份中，它们的策略出现分化：异果小檗在大部分季节维持SOI值接近-1，表明持续依赖冬季水源；而黑果栒子除春季的初始冬季降水信号外，在整个生长季表现出相对稳定地利用混合水源。但本研究仅限于单个生长季和有限研究区域，未来工作应扩展至多年和更大站点，以确认推断的植物和土壤水季节性来源以及不同灌木的水分利用策略。该山地生态系统的水文恢复力根本依赖于水资源的季节性分配，其中冬季融雪作为应对夏季干旱胁迫的关键缓冲。这些发现对于理解干旱区山地森林植被对气候变化的响应（特别是积雪动态和季节性降水的变化）具有重要意义。