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水是联系陆地表层水圈和大气圈的核心纽带,大气降水是水循环过程输入端的主要组成部分,广泛参与各圈层的物质能量交换[1]。存在于自然水体中的氢氧同位素具有较高的灵敏度和准确性,已经成为在时空尺度上分析水汽来源的有效方法之一[2-4]。降水是森林生态系统水循环过程中重要的输入因子,对其氢氧稳定同位素组成的时空变化进行分析,可探讨区域大气降水水汽来源及水文循环过程特征[5-8],为定量阐明降水对生态系统中的土壤水、地下水及植物水的补给[9]及森林生态系统水循环过程深层机理奠定基础[10]。同时,降水中的氢氧同位素组成受到水汽来源和传输过程、各环境因子等诸多因素的影响而出现差异,如温度效应[11-13]、降水量效应[11-12]等,因此,降水中的氢氧稳定同位素可用来示踪区域大气降水的水汽来源,进而利用其运动规律反演水汽的传输过程[1, 14]。
20世纪50年代初期,国际上就开始对降水中氢氧稳定同位素进行观测和研究[15]。1961年,国际原子能结构IAEA与世界气象组织WMO共同建立的大气降水同位素网络GNIP正式启动[2],其目的在于为研究全球和局地水循环提供大气降水氢氧同位素背景资料数据[16]。1966年,珠穆朗玛峰的科学考察标志着我国降水稳定同位素研究正式拉开序幕[1, 17],近年来,我国学者对不同地区和规模的降水中氢氧稳定同位素组成开展了研究[2, 18-20],取得了丰富的研究成果。尽管降水稳定同位素的研究在全球范围内已持续多年,但在小范围(特别是小流域)的多站点强化研究不足,这使得对其物理机制的研究仍不够深入。全球降水同位素监测网络在中国乃至整个亚洲的监测站点较少,且监测时间也较短,仍然不能满足科研的需要[21]。
鼎湖山地处热带与亚热带交汇处[22],是我国第一个国家自然保护区,被列为第17号生物圈保护区,表明国内外生态学专家们已高度认识到鼎湖山自然保护区森林生态系统重要性及其区域代表性[23]。鼎湖山生态水文过程的研究对于探讨鼎湖山群落演替动态、森林经营和生态系统水资源管理等有重要的意义。前人对鼎湖山森林水文的研究主要集中森林水文模型建立[24]、降水量和地表径流水化学特征[25-26]、降水的变化对森林土壤呼吸的调节作用和凋落物的持水性[27-28]、土壤微生物量碳和有机碳对模拟酸雨的响应[29]、干旱对森林结构的变化对森林水文的影响[30-31]等方面的研究。然而,对鼎湖山大气降水氢氧同位素特征及水汽来源的研究未见报道。因此,本文基于鼎湖山2013年8月~2014年8月共13个月108个大气降水的氢氧稳定同位素样品实测值,结合该研究区HYSPLIT轨迹模型和环境因子,分析了鼎湖山大气降水氢氧同位素组成及其与气象要素之间的关系,深入探讨了该区大气降水的水汽来源和运移过程,为定量研究鼎湖山自然保护区水循环过程、提出合理的水资源管理措施,进一步完善全国乃至全球降水同位素监测网络提供科学依据和理论参考。
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