中国亚热带马尾松人工林水文过程对降水变化的响应机制

[目的]定量阐明中国亚热带马尾松人工林水文过程及其对降水变化的响应机制，为气候变化背景下人工林提质增效及可持续发展具有重要意义。[方法]本研究以中国亚热带地区(南亚热带广东肇庆、中亚热带湖南会同、北亚热带湖北秭归)不同类型马尾松人工林(马尾松纯林和马尾松针阔混交林)为研究对象，基于氢氧稳定同位素技术，结合线性混合模型、MixSIAR模型，并利用结构方程模型、随机森林及方差分解等分析方法，系统解析了该地区大气降水氢氧稳定同位素特征，定量阐明了不同量级降水对不同类型马尾松人工林土壤水的贡献率以及各林中优势植物的水分利用格局，揭示了我国亚热带马尾松人工林中各水体之间的转化关系。[结果]首先，中国亚热带马尾松纯林与马尾松针阔混交林土壤截持弱降水能力没有显著差异，但马尾松针阔混交林土壤截持中、强度降水能力显著高于马尾松纯林。进一步基于方差分解和结构方程模型的结果表明，当降水量≤10 mm 时，影响马尾松人工林土壤持水能力的主要因素是植物属性，而当降水量＞10 mm 时，其主导因素是土壤属性。其次，中国亚热带针阔混交林中的马尾松对浅层土壤水的利用率显著高于纯林马尾松，但对深层土壤水的利用率显著低于纯林马尾松。进一步基于偏相关分析、方差分解及随机森林的统计分析表明，纯林与混交林马尾松水分利用格局差异主要由植物属性差异导致。再次，中国亚热带地区马尾松人工林生态系统中，用于地下水交换的降水与供给土壤水交换及植物吸收的水体存在显著差异，即马尾松人工林中存在生态水文隔离现象。[结论]中国亚热带马尾松人工林中，针阔混交林的土壤持水能力、优势植物的水分利用格局均优于纯林，表明其具有更好的水源涵养能力，进而为应对该地区频发的极端降水及季节性干旱事件发挥重要作用。因此，今后在中国亚热带地区进行马尾松人工林植被恢复及群落结构优化过程中，应着重营造土壤持水能力强、水分生态位互补的针阔混交林。这种模式既改善了马尾松人工林的水分利用格局，同时也可以通过提高物种多样性，增强抵抗自然灾害的能力。