全 文 ：第 26卷第 5期
2006年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．5
May，2006
西双版纳热带季节雨林林下土壤
蒸发的稳定性同位素分析
刘文杰 ，李鹏菊
(1．中国科学院西双版纳热带植物园，云南 勐仑
， 李红梅 ，段文平
666303；2．中国科学院研究生 院 ，北京 100039)
摘要：利用 2002年 1月 一2003年 12月在西双版纳热带季节雨林样地测定的大气降雨、林冠穿透雨 、林冠滴落雾水、溪流水水量
及其氢、氧稳定性同位素比率 8D和8 O的测定结果 ，分析了热带季节雨林林下土壤的蒸发率。结果表明，热带雨林在雨水偏多
的2002年和雨水偏少的2003年的蒸发散分别为 1186 mm和987 mm，明显低于世界其它湿润热带雨林的蒸发散值；雾水的稳定
性同位素比值明显重于雨水，表明雾水中包含区域再循环的蒸发水汽；由于森林林冠和林下土壤的蒸发作用，穿透雨水和溪水
的稳定性同位素值又明显重于雨水的相应值。根据溪流水和穿透水(穿透雨水 +滴落雾水)的同位素差值，利用平衡状态下的
瑞利蒸馏方程计算的森林土壤蒸发率表明，这两年的森林总蒸发散中分别有 5．1％和 3．1％来 自林下土壤的蒸发。分析认为，
持久 、浓重的辐射雾是导致西双版纳地 区热 带雨林蒸 发散和土壤蒸发率较低 的重要 因子 。
关键词：降水 ；穿透水；溪水；土壤蒸发；稳定性同位素；热带季节雨林
文章编号 ：1000—0933(2006)05．1303-09 中图分类号 ：P463．22，Q143，Q948，S161．4 文献标识码 ：A
Estimation of evaporation rate from soil surface using stable isotopic composition of
throughfali and stream water in a tropical seasonal rain forest in Xishuangbanna，
China
LIU Wen—Jie。，LI Peng．Ju ，LI Hong．Mei ，DUAN Wen．Ping。 (1
． ^ ∞w 狮 f t∞ n，CAS， ∽ ， lwn
666303，China；2．Graduate School ofthe Chinese AcademyofSciences，CAS，Beijing 100039，China )．ActaEcoiogica Sinica，2006．26(s)：1303—1311．
Abstract：Xishuangbanna is located at the northern edge of the distribution of tropical forest in Southeast Asia，and it has a very
high frequency of radiation fog，especialy during the dry season(November-April)．Radiation fog events in this site are generally
associated with low wind speeds and region—wide air mass stagnatm’n resulting from strong nighttime radiative cooling．Rainwater，
throughfall，intercepted fog water(fog drip)by forest canopy，stream water were colected during January 2002 and December
2003 for stable isotopic analysis at a tropical seasonal rain forest site in Xishuangbanna，Southwest China．The object of the study
is to estimate the evaporation rate from the forest floor．Bottle—funnel colectors were used to determine daily amount of intercepted
fog water during fog—only events in the rain forest．Rainfal was recorded by using a colector consisting of a stainless steel funnel
mounted on the top of a meteorological tower．Throughfall was measured using V—shape trough and stream flow using V—notch weir
with a water—level recorder．Rainwater，throughfall，fog drip and stream water samples for stable isotopic analysis were colected
monthly interva1．Meanwhile，rainwater sample for stable isotopic analysis was also colected at each rain event when rainfal
exceeded 10 mm at the weather station．The stable hydrogen(艿D)and oxygen isotope composition(艿 O)of rainwater，
基金项目：国家自然科学基金资助项目(30570308，30100019)
收稿 13期：2005—03．12；修订 13期：2006．02．21
作者简介：刘文杰(1969～)，男，河南省人 ，博士，副研究员，主要从事热带森林水文和气候研究．E-mail：1wj@xtbg．org．ca
致谢：本研究得到了Meng Fan—Rui教授(加拿大 New Brunswick大学)的帮助，刘梦楠先生、李少安先生参加了大部分的野外观测工作，谨此表示衷
心感谢
Foundation item：The project was supported by the National Natural Sciences Foundation of China(No．30570308，30100019)
Received date：2005—03-12；Aceel~d date：2006-02—21
Biography：LIU Wen—Jie，Ph．D．，Associate professor，mainly engaged in forestry hydrology and climatology．E—mall：1wj@xtbg．org．ca
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生 态 学 报 26卷
throughfall，fog drip，stream water was determined by an isotope ratio mass spectrometer．The stream water during non-storm
runof pe riod is considered to reflect the efect of evaporation from the forest floor．Th e evaporation rates from the forest flor were
estimated using isotope composition values in stream water and total thmughfall using the Rayleigh distillation equation under
equilibrium conditions．The results indicated that annual weighted means of 8D and 8 。0 in f0g drip was consistently more
enriched than those of rainwater and stream water．and was thought to contain water that has been evaporated and recycled
terrestrial meteoric water．Weighted means of 8D and 8碍0 in stream water during non-storm runof period were 5．69‰ and
0．39‰ more enriched than those of total throughfall(rain throughfall+fog drip)in 2002，while in 2003 they were 5．05‰ and
0．28％o，respectively．Evapotranspiration in humid year 2002 and dry year 2003，computed from water balance，were 1186 mil
and 987 mm，respectively，which were quite lower than ValUeS repo rted in some humi d tropical forests． Consequ ently．tle
evaporation rate from the forest flor Was 5．1％ of the evapotranspiration in 2002．and 3．1％ in 2003．Th e lower evaporation rate
is thought to be mainly result from the influence of hi【gh frequency of heavy radiation fog on the rain forest from the night to morning
during the dry season(November-April)．Our results also demonstrate the impo~ance of the impacts of climate factors，and have
important implications for ecologists and hydrologists interested in fog—inundated ecosystems and the plants which inhabit them．
Key words：rainfall；throughfall；stream water；soil evapo ration；stable isotopes；tropical seasonal rain forest
森林蒸发散(Evapotranspiration)由林冠截留的降水 、植物蒸 腾、土壤表面 的蒸发等组 成n· 。对于浓密 的
森林而言 ，由于土壤表面蒸发相对较小 ，因而通常被认 为是不重要 的b， 。但是，在研究森林水分循环、能量
平衡时，土壤蒸发是不可忽略的，尤其是对稀疏的落叶林或干旱季节的其它森林而言b]。然而，有关森林土壤
蒸发的研究仍然很少 ]。蒸渗仪测定法、能量平衡法和涡度相关法被广泛用于研究地表土壤的蒸发率 。
采用小型蒸渗仪测定的结果表明，土壤 蒸发 占总蒸发散 的比例介于 5％ 20％之间 ]，但是采用蒸渗仪方法
会过高地估算土壤蒸发，因为蒸渗仪内的土壤比周围土壤的湿度高n 。由于测定和估算森林土壤表面辐射
和涡度的时空分布仍存在很大困难，以及表层土壤湿度随时间的变化难以测定，因此，采用能量平衡法和涡度
相关法计算的土壤蒸发的代表性较差 ’mJ。
稳定性同位素水文分析技术为研究水分的蒸发和凝结过程提供了较为有效的手段n， · ’ J。例如，Barnes
等根据干旱地区土壤蒸发的测定 ，已建立 了描述土壤水 的氢 、氧稳定性同位素 比值(8D和8 0)随土壤深度变
化的模型 ，Alison等研究了干旱土壤蒸发过程 中土壤水 的 8D和8 O随 土壤深度分布特征及土壤蒸发特
征 。Tsuijimura等利用森林林冠穿透雨水和深层土壤水的稳定性同位素差别，计算的落叶松森林土壤蒸发
占总蒸发散的比例为 5％ 。但是 ，Tsuijimura等分析方法 的应用需要满足至少两个条件 ，一是土壤水 的稳定
性同位素在某一深度是均匀不变的，二是土壤水的稳定性同位素仅受蒸发和土壤水混合作用的影响。但现实
状况下，第 1个条件通常无法满足。Kubota等则认为⋯，森林溪流水和林冠穿透水的稳定性同位素差别主要
是由于穿透水在人渗土壤过程中的同位素蒸发分馏(Isotopic evaporation fractionation)作用所致，因此，通过计算
从林冠穿透水到溪水的基流水(Baseflow)的同位素蒸发率就可以计算森林土壤的蒸发率。本文即采用 Kubota
等的分析方法 研究西双版纳热带季节雨林内土壤的蒸发率，为热带森林水分循环和能量平衡规律的深入研
究提供参考。
1 样地 自然环境及群落特征
观测点设在 中国生 态系统研 究网络 西双版纳热 带季节雨林定 位观测样 地(热带雨林面积约 3 km )内
(21。56 N，101。15 E)，地形为低山山地。观测点位于山顶的沟谷内，海拔约 750 m，土壤为砖红壤，观测点与雨
林边缘平坝区相对高差约 150 m。一条宽约 1 m的小溪从观测样地沟谷内流出(水流常年不断)，溪水发源于
此样地。观测样地所在的热带季节雨林群落高度 35 m左右，乔木层按高度可分为 3层 ：上层优势种为番龙眼
(Pometia tomentosa)、千果榄仁(Terminalia myriocarpa)；中层常见种有云南玉蕊(Baringtonia macrostachya)、大叶
白颜树(Gironniera subaequalis)、山蕉(Mitrephora maingayi)等；下层树种主要有染木(Saprosma ternatum)、狭叶巴
戟(Morinda angustifolia)、玉叶金花(Musaenda sp．)等，群落结构特征详见文献 ¨。
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5期 刘文杰 等：西双版纳热带季节雨林林下土壤蒸发的稳定性同位素分析 1305
本区属热带北缘西南季风气候，一年中有干季(包括雾季(II一翌年 2月份)、干热季(3 4月份))和雨季
(5—10月份)之分 。年均气温 21．7c，年均风速 0．7 m／s，年均相对湿度 86％，年降雨量 1700 mm左右(1999
— 2004年平均)，其中雨季占 83％一87％，干季占 13％ 17％。但雾季(11 翌年 2月份)和干热季(3 4月
份)雨量稀少，不足全年的 13％。尤其是 3—4月份，气温升至全年最高，植物需水量大为增加，降水量明显不
足。但本区是有名的静风、多雾区，雾季和干热季多有辐射雾出现，雾的总持续时间占雾季和干热季时间的
40％以上 ¨，尤其是在热带雨林覆盖区，辐射雾几乎天天出现。当风携带雾滴被林冠截留后，汇集在林冠层
的雾滴就会滴落森林地表，补充土壤水分。刘文杰等对本区热带季节雨林林冠滴落雾水的研究表明 ”]，全年
滴落雾水量可达 89．4 mm，其中干季占86％。
2 研究方法与土壤蒸发的估算
2．1 研究方法
在热带季节雨林林下距地表0．7 m高处倾斜 20。随机架置 6个0．3×2．0 m2的 v型槽收集林冠穿透雨水，
汇人汽油桶 内测定穿透水量。同时 ，分别用 4个独立 的 V型槽分别导人 4个塑料桶收集穿透雨水 ，用于采集
穿透雨水的稳定性同位素分析水样。每日8：00左右测定穿透雨水量，每月采集 1次当日穿透雨水用于稳定
性同位素分析水样。距地表 0．7 m高处水平随机架置 6个口径 0．8 m的圆形漏斗，各漏斗出水口处悬挂
1000rd的小口径塑料瓶承接林冠滴落雾水。塑料瓶内503ml承接水换算到单位面积上等于 1 mln的林冠滴落
雾水。每日林冠滴落雾滴停止时测定雾水量，每月收集 1次当日雾水用于其稳定性同位素分析水样(采集时
间在 8：00左右雾最浓重时，此时视为雾水中没有同位素蒸馏富集作用发生 引¨)。
雨水水样收集是采用季节雨林内观测铁塔(72 m)顶部的雨量筒承接的雨水传输到林下塑料筒进行收集，
每月采集 1次当日雨水。同时，在距季节雨林5km处的气象观测站分别采集日降水量大于10 mm的所有当日
雨水水样 。采集时间是雨后或夜间降雨的次 日清晨 ，以减少蒸发作用的影响 ¨。
季节雨林观测样地封闭集水区出水口处流出的溪水量采用 v型测流堰(V—notch weir)测定 ，以 日记水位计
进行记录并换算为流量。用于测定溪水稳定性同位素的水样即采 自此 出水 口，采集时间为非暴雨径流期间的
溪流水 ，每月 1次。
林冠滴落雾水、雨水、穿透雨水、溪水水样用 100ml塑料瓶带回实验室，在冰箱内冰冻保存用于氢、氧稳定
性同位素比率 和8 0的测定。在两年(2002年 1月 一2003年 12月 ，但 2002年 8、9月和 2003年 7 9月份
没有收集到雾水)观测期间，共采集 了 20个林冠滴落雾水 、22个林冠顶部雨水 、92个气象站雨水 、19个林冠穿
透雨水 、24个溪流水水样。
所有水样 的氢、氧稳定性 同位素值 的测定是在中国科学院兰州分院测试 中心地球化学部采用稳定性同位
素气体质谱仪 (Finnigan MAT一252，德国)进行。氢、氧稳定性 同位素比率值是 以相对于 V—SMOW(vie na
Standard Mean Ocean Water)的千分率(‰ )给出 ¨，以 8D和8 0分别如下表示 ：
8D= l(D／H)sample／(D／H) ．sM0w—I J×1000％~ (I)
0=[( O／ O) 。 O／l6O) 删。 一I]×1000~oo (2)
式中，D／H为重氢(氘)的同位素比值 ； O／ 0为重氧的同位素 比值 ；下标 sample和 V—SMOW 分别表示样品和标
样 ；洳 和8 0的测定精度分别为 ±2％0和 ±0．2‰ 。
2．2 土壤蒸发的估算
由于溪水来自林冠穿透水和土壤水的补给，而且植物根的水分吸收过程中没有发生水的稳定性同位素分
馏作用 ¨ ¨ ，所以林冠穿透水和溪水(非暴雨径流期间)的稳定性同位素差别是由于穿透水向土壤渗透时
的蒸发所致，因此土壤的蒸发率可根据穿透水和溪水的稳定性同位素差别进行估算 ¨ 。森林土壤的蒸发过
程被认为是在平衡状态下的瑞利蒸馏(Rayleigh distilation)过程 。在平衡状态下的不断蒸发过程中，蒸发水
体中的同位素是由水体起始同位素、剩余水量比例、平衡蒸馏系数决定的 ¨，其方程为：
一 。=1000(1／a一1)×In f (3)
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生 态 学 报 26卷
式中， 是剩余水量的比例(％)； 和 。分别是剩余水量和起始水量的同位素值(‰)；a是平衡蒸馏系数
(‰)，其值是液态水同位素比率(R )和水汽同位素比率(R )的比值(R ／R )。对6 O而言，a可通过下式
计算 ：
In口 = 1000× 1．137／Tz—O
．4156／T一2．0667／1000 (4)
式中， 为年均气温(K)。
如果 。和 分别是穿透水和溪水(非暴雨径流期间)的稳定性同位素值， 可从(3)式计算出。这里 可
认为是土壤水变化量和溪水二者的总量与穿透水量的比例，因此，森林土壤的蒸发量( )与穿透水量( )的
比例 ER (％)即可由下式得出：
ER = ／TF = 1一f (5)
土壤蒸发率(衄 )通常以土壤的蒸发量( )与森林总蒸发散量(E )的比例表示。森林总蒸发散量 E 用
以下封闭流域的水量平衡公式计算 ’¨ ：
ET= P—R (6)
式中，P为降水量；R为集水区径流量。本研究中 P、R、TF、 。和 可直接测定，因此土壤蒸发率 ER(％)可
由下式计算得出：
ER = E，／E =(1一f)×TFI(P—R) (7)
以上的Rayleigh蒸馏方程(3)是在平衡状态下，即：集水区的蒸发过程是在集水区没有水分流人和流出状
态下才满足条件 ，但是在考虑 了非暴雨径流期间的土壤状况 ，可以忽略集水区水分的流出⋯。
3 结果
3．1 雨水 、穿透雨水 、滴落雾水和溪水径流量的季节变化
2002～2003年的月降雨 、穿透雨水、林冠滴落雾水和溪水径流量变化如图 1，可看出，2002年降雨量(1914
ITlrl1)明显多于 2003年的降雨量 (1253 ITlrl1)，且 2002年降雨 主要集 中在雨季 5～8月份(占70％)，而 2003年雨
季的雨水分布较均匀，其 5～8月的降雨仅 占53％。与多年(1959～2002年)平均降雨量(1487 mm)相比，
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一
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瑗
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 l1 12
月 Month
图 1 西双版纳热带季节雨林内降雨量(，)、穿透雨水(rF)、林冠滴落雾水(FD)和溪水径流量的月变化(2o02～2003年)
Fig·1 Variation of monthly rainfal(P)，rain throughfall(rF)，fog drip(FO)and Stl~Rm runofin the tropical forest site in Xishuangbnana．SW China
during 2002—2003
一I —目
：2 5 O
O O O O O O O O 0 O O O O 如 ∞ ∞ ：2 ￡1 8 4
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5期 刘文杰 等：西双版纳热带季节雨林林下土壤蒸发的稳定性同位素分析 1307
2002年雨水明显偏多，2003年雨水又明显偏少。相应
地，穿透雨水、溪水径流与降雨量呈相似分布状况(表
1)，即：降雨量多的年份，穿透雨水和溪水径流均较
多。2002年林 冠雨水穿透率为 79．2％，与 2003年 的
值(77．3％)相当，但 2002年的林冠截留量(399 mm)却
明显多于 2003的截留量(284 mm)。图 1还表明 ，月滴
落雾水量与月降雨量呈相反的分配状况，雨季(5～10
月份)各月降雨量多，但雾水量较少；雾季(11～翌年 2
月份)和干热季(3～4月份)各月降雨较少，但雾水量
较多。同时还可看出，降雨量多的2002年，其林冠滴
落雾水较少，而降雨量少的2003年，其滴落雾水较多
(表 1)。
3．2 雨 水、穿透雨 水、滴 落雾 水 、溪 水的6砖O和 6D
变化
在观测的两 年期 间，雨 水 的 6D和6 O变化非 常
大 ，其中，6 O的变化介于 一16．6％o与 +2．7％o之间 ，6D
的变化介于 一12O‰与 +23．7％o之 间(图 2)。根据这
些雨水水样的 6D和6 0值建立的本地区大气水线
(Local meteoric water line，LMWL)如图 2中所示 ，其方
程为 ：6D=7．96 6 O+8．67(R =0．97；n=92)，与
IAEA／WMO根据东南亚 6O个水样 站测得 的区域 大气
水线(6D=7．92 6 O+9．20)比较接近 。
图 3是雨水 的月加权平均6 O和 6D关系图及穿
透雨 水、林 冠滴落雾水 、溪 水的6 O和 6D关 系散点
图。可看出，林冠滴落雾水的稳定性同位素值均明显
的重于(或高于)雨水 的相应值。其 中，雾水 的 6D变
化介于 一30％o与 +27％。之间，6 O的变化介于 一6．2％o
与 +1．9％o之间；雨水的 6D变化介 于 一94％。与 一45％o
之间 ，6 O的变化介于 一13．2％o与 一6．8％o之间。雾水
的对应散点几乎全都分布于地区大气水线 LMWL以
上，并明显偏向于正值区，而雨水的对应散点则大部
分分 布 于 LMWL线 上 ，穿 透 雨 水 和 溪 水则 分 布 于
LMWL线 以下。同时可看 出，与雨水 的 同位 素值 相
比，穿透雨水的同位素值明显偏重(偏向正值区)，其
6D变化介于 一79‰ 与 一52％o之 间 ，6 O的变化介 于
一 9．9‰与 一6．0％o之间；而溪水的同位素值又略重于
穿透雨水 的 同位素值，其 6D变化介 于 一70％。与
一 34％o之间 ，6 O的变化介于 一9．3％o与 一4．6％o之间。
表 1 西双版纳热带季节雨林内降雨量、穿透水、林冠滴落雾水和溪
水径流量 的年分 配(2002—2003年 )
Table 1 Distribution of rainfal1．throughfall，fog drip and stream
runof in the tropical forest site in xish峨ngb矗Ⅲm ，sw China during
2002—2003
图 2 西双版纳热带季节雨林地区雨水中 8D和 8 0的关系(2002
2003)LMWL为拟合的地区大气水线
Fig．2 8D versus 8 。0 relationship of rainwater samples collected at the
tropical forest site in Xishuangbanna，sw China during 2002-2003．The local
meteoric water regresion line(LMWL)drawn through these data is also
shown
0
甚
睡
氧同位素6 。o(‰)
Oxygen isotope ratio
图3 热带季节雨林地区雨水的月加权平均8 0和8D及滴落雾水 、
溪水和穿透雨水的8 0和8D关系散点图
Fig．3 Stable isotopic compositions of rain(monthly weighted means)，fog
drip，stream water and rain throughfall samples collected at the tropical forest
site shown along with the LMW L
表2为雨水、总穿透水(穿透雨水 +滴落雾水)、穿透雨水、滴落雾水和溪水的6 0和 6D年加权平均值，其
中，总穿透水的6 0和6D为穿透雨水和林冠滴落雾水二者合计的年加权平均值。可看出，与雨水的6 0和
6D相比，2002年总穿透水的6 0和 6D分别偏重 0．63％o和 4．79％o，2003年总穿透水相应分别偏重 0．82％o和
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13O8 生 态 学 报 26卷
5．83％o。而与总穿透水相比，2002年溪水的占 0和 占D又分别偏重 0．39％o和 5．69％o，2003年相应分别偏重
0．28％o和5．05％o。与穿透雨水相比，尽管滴落雾水的 0和 偏重很多，但由于年滴落雾水量很少(2002年
和2003年分别占总穿透水的4％和 8％)，因此，总穿透水的同位素年加权平均值与穿透雨水的相应值差别
很小 。
衰2 西双版纳热带季节雨林内雨水、总穿透水、穿透雨水、滴落雾水和溪水中6”O和 6D的年加权平均值
Table 2 A衄 ua1 weighted mean 6 O and 61)of rainfall。total throughfal-rain throughfan。fog drip and stream water in the tropical forest in
Xisbu．n~b~nrm-SW China
*总穿透水为穿透雨水和滴落雾水的年加权平均 Annual weighted mesJl 8 0 and艿I)of total througtfall is cMcdmed from rain th~ougkfaU and fog drip
3．3 森林地表土壤的蒸发 表3 根据公式(3)和(5)一(7)计算的，、ER。、ET和ER值
在利用表 1和表 2的数据计算森林地 表土壤 的
蒸发时 ，因为滴落雾水也是森林水分输入 的一部分 ，
因此，降水量 P=降雨量 +滴落雾水，总穿透水 =
穿透雨水 +滴落雾水。同时，对本研究 地点而言 ，年
均气温 为21．7 oC(294．8 K)，由(4)式计算的 a值是
1．01，这表明水汽中的凝结水同位素比水汽同位素高
10％e 。根据(3)和(5)～(7)式计算的 厂(土壤水变化
量和溪水二者的总量 与总穿透水量 的比例)、ER (森
林土壤的蒸发量 与总穿透水量 的比例 )、ET(森林 总
蒸发散量)和 ER(土壤蒸发率)如表 3所示。可看出，
2002年和 2003年的 厂值分别为 96．2％和97．2％，表
Table 3 VaIues off。ERI。ET and ER calculated from E ．3．5。6
and 7
*，表示土壤水和溪水二者的总量与总穿透水量的比例；ER 表
示森林土壤的蒸发量与总穿透水量的比例；E 表示森林总蒸发散
量；ER表示土壤蒸发率
，isthe ratio ofthe sum of soilwater and sUealnwater amounttothetotal
throughfall amount，ERl the ratio of evaporation from forest floor to the total
throughfaU amount，E the evapotranspiration from forest ecosystem ．and ER
the evaporation rate from forest floor to the evapotranspiration
明在这两年中分别有 3．8％和2．8％的总穿透水用于森林地表土壤的蒸发；据(6)式获得的2002年和 2003年
的森林总蒸发散分别为 1186 mm和 987 mln，由此计算的土壤蒸发率 ER值表明，在这两年的森林总蒸发散中
分别有 5．1％和3．1％来自林下土壤的蒸发。与降雨量偏少的 2003年相比，ER 在降雨量偏多的2002年高
1％，而森林总蒸发散量 ET多 199 mm，相应的2002年土壤蒸发率 ER比2003年高 2％。
4 讨论
4．1 雨水 、穿透雨水 、滴落雾水和溪水 的稳定性 同位素
雾水与雨水具有明显不同的稳定性同位素值 0和 (图3)，这种差别与产生降水(降雨和雾水)的水汽
来源及其所经历的过程有关 ，同时与发生凝结 、出现降水的大气状况密不可分 。由于横段 山脉的哀牢山
和无量山的阻挡作用，北方冷空气几乎无法达到西双版纳地区，因此，整个干季(11～翌年4月份)本地区空气
干燥、天空晴朗、降雨稀少。在干季这种静风、晴稳的大气状况下，由于夜间地表层的强烈辐射降温，辐射雾几
乎天天出现 ，可从 23：00～24：00持续到次 日 11：00～12：00 。这表明，形成雾水的水汽来源可能包含本区域
植被层的蒸发、蒸腾再循环水汽。这些水汽与大气中原有的水汽混合后，在夜间辐射降温作用下，大气中的水
汽极易凝结并形成大雾。与降雨相比，由于雾滴凝结是在较高温度的地表层进行(降雨是在高空低温大气中
产生 )，因此，根据降水的稳定性同位素蒸馏原理，雾水具有明显较高的 0和 值 圳。同时，由图 3可
看出，由于雾水的稳定性同位素值分布于地区大气水线 LMWL上部，因此，其拟合线的截距(也称为 d．excess；
过量氘)明显高于 LMWL的截距，这说明，雾水中的水汽部分来 自区域蒸发散 ’ 。雨季(5～10月份)，本区
受来 自印度洋和孟加拉湾暖湿气流的西南季风控制，由于远离水汽发源地，在潮湿水汽的不断淋洗作用
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5期 刘文杰 等：西双版纳热带季节雨林林下土壤蒸发的稳定性同位素分析 1309
(Rain．out efect)下 ，当到达本地时，雨水中的6 O和 6D已变得较轻。但雨季出现的雾，由于是凌晨或清
晨地表层的辐射降温所致，以及雾生成于空气中水汽凝结的较早阶段和靠近地表，因此，雾水中的6D和6 O
仍然明显高于雨水中的相应值 。
在森林流域集水区内，改变雨水的稳定性同位素值的过程有：(1)林冠截留雨水的蒸发作用；(2)森林地表
的蒸发作用；(3)地面以下不同深度、不同同位素值水分的混合作用 ’”’ 。由于植物在吸收水分过程中不发
生水的稳定性同位素分馏作用 ¨ ，因此，穿透水和雨水的同位素差别是由林冠的蒸发作用所致，而溪水
基流水的同位素又能真实地反应出蒸发后的土壤水和地下水的同位素变化 。图3中，穿透雨水和溪水
的同位素对应散点分布于 LMWL线以下，并大致沿着蒸发线(Evaporation line) 分布，这表明，由于雨水在林
冠层的蒸发富集作用，降雨在经过林冠后形成的穿透雨水的同位素值明显偏重。而穿透雨水在向土壤渗透过
程中又在土壤表面蒸发，因而，溪水(来自土壤水)的同位素值更为偏重。但是，由于研究样地是林冠茂密的热
带雨林，林下较为阴暗潮湿，因此，土壤表面的同位素蒸发富集作用不可能导致溪水的同位素有较大的增重
(溪水和穿透雨水的分布区相近，以溪水略为偏重)。表 2也表明，与穿透雨水相比，溪水的8 O和 8D偏重不
多。另一方面，干季，热带雨林几乎每日清晨被茫茫的浓雾笼罩，林冠截留滴落的雾滴如同小雨一般，嘀哒不
断，浸湿了地表土壤和林下枝叶，因而浅层土壤水中包含有大量的雾水，并具有较重的稳定性同位素值 。
这种具有较重同位素值的滴落雾水作为总穿透水的一部分，虽然略为增重了总穿透水的同位素值，但也相对
减小了溪水和总穿透水之间的同位素值差别(表 2)。然而，对地表浅层土壤和浅根树种(林下幼树和耐阴树
种)而言，滴落雾水是干季少雨季节主要的水分供应者，也为浅根树种的生存和生长创造了有利、少变的阴湿
环境㈨ 。
4．2 森林地表土壤的蒸发
Bruijnzeel等计算的世界部分湿润热带雨林的总蒸发散介于 1310～1500 mmL3 J，Kumagai等在马来西亚热带
雨林测定 的总蒸发散为 1545 mm ，Leopoldo等在亚马逊测定的总蒸发散为 1493 mm J，而本研究中 2002年和
2003年森林蒸发散分别为 1186 mm和 987 mm，其中最湿润的 2002年也远小于以上的蒸发散值。与世界其它
热带雨林分布区相比，西双版纳热带雨林是在水分、热量均不足条件下分布的热带北缘森林群落 ，由于地处季
风气候特点的热带北缘 ，热带森林受到了季节干旱的影响 。但西双版纳是有名的静风(年均风速 0．5 m／s)、
多雾区(年雾 日数 >170 d)，茫茫的辐射雾在干季几乎每日夜间出现，并持续到次 日11：00～12：00才缓缓消
散 ，雾的总持续时间占干季总时间的 40％以上 。持久 、浓重的辐射雾不仅极大地缩短了 日照时数 ，也相
对地减弱了森林的蒸发、蒸腾强度和时间，加之静风和略低温度的影响，因此，导致了西双版纳地区热带雨林
的蒸发散较低。另一方面，此地区热带雨林较低的蒸发散，似乎也是热带雨林在雨水偏少的西双版纳地区存
在的适应结果。
依据 2002年和2003年此森林的蒸发散值，利用溪水和总穿透水的稳定性同位素差值计算的土壤蒸发率
分别为 5．1％和 3．1％，此值与采用水量．能量平衡法获得的其它世界湿润热带雨林 的值相当 ’ ，但低于落叶
林的土壤蒸发率(8％～l0％) ，更低于针叶林的值(8％～16％) 和林冠稀疏的热带人工桉树林的值(15％
～ 26％) 。虽然没有采用传统方法对西双版纳热带季节雨林土壤蒸发进行过测定，但 Kubota等 的研究表
明，由于成熟林浓密的林冠，其土壤蒸发明显低于林冠稀疏的幼年林。导致西双版纳热带雨林较低土壤蒸发
率的原因是多方面的，首先是茂密的热带雨林多层林冠和较厚的枯枝落叶层对土壤蒸发和辐射能量输入的阻
挡作用；其次是持久的浓雾极大地消弱了用于蒸发的太阳辐射能量的输入；同时，由于林冠对雾水的截留作
用，蒸发林冠截留的雾水也将消耗部分能量。
本研究中，计算森林蒸发散时没有考虑土壤蓄水量的变化，如同 Kubota等 ¨和 Leopoldo等 指出的那样，
在以年为时间尺度研究森林水量平衡时，土壤蓄水量的年际变化被视为零。Leopoldo等对亚马逊热带雨林的
研究表明 ，土壤蓄水量的年变化仅为年降水量的 1．9％。因此，根据(6)式计算蒸发散，从而估算土壤蒸发率
(ER=E，E )是可行的。另外，据(7)式计算土壤蒸发率时，并没有考虑树干流(Stemflow)对森林的水分输入，
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1310 生 态 学 报 26卷
也即(5)式中的穿透水应该包括树干流，研究结果或许略为过低估算了土壤蒸发率。张一平等对此热带季节
雨林的研究表明b引，年树干径流率为 5％，如果(7)式的穿透水中再加入 5％的年降雨，则计算的 2002年和
2003年土壤蒸发率分别为 5．4％和3．2％，与未考虑树干流的结果几乎没有差别。
5 结论
通过分析西双版纳热带季节雨林内2a(2002—2003年)的降雨量、穿透雨水、林冠滴落的雾水、集水区溪
流水及其稳定性同位素6 0和6D表明，热带雨林在雨水偏多的 2002年和雨水偏少的2003年的蒸发散分别
为 1186 mm和987 llm，明显低于世界其它湿润热带雨林的蒸发散值；雾水的稳定性同位素值明显重于雨水，
表明雾水中包含区域再循环的蒸发水汽；由于森林林冠和林下土壤的蒸发作用，穿透雨水和溪水的同位素值
又明显偏重于雨水的相应值。根据溪流水和穿透水的同位素差值，利用平衡状态下的瑞利蒸馏方程计算的森
林土壤蒸发率表明，这两年的森林总蒸发散中分别有 5．1％和 3．1％来自林下土壤的蒸发。分析认为，持久、
浓重的辐射雾是导致了西双版纳地区热带雨林蒸发散和土壤蒸发率较低的重要因子。
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