华北地区的森林生态系统是华北平原重要的生态屏障,森林生态系统与水资源之间的关系是华北地区森林植被建设的关键问题。为了研究华北地区森林系统水分运移过程与利用机制,本文分别以北京山区优势造林树种侧柏、栓皮栎和张北高原区主要防护林树种小叶杨为研究对象,通过降水量梯度控制试验,基于稳定氢氧同位素技术,定量分析不同时间尺度下树木对水源的吸收比例,并利用长期定位观测的TDP、HRM数据和气象数据,对华北地区主要林分的水分运移、利用和平衡过程进行研究,力求揭示华北地区林木水分运动机制,为华北地区的森林植被建设提供参考和依据。本文的主要研究结果如下:(1)无降水处理区的各层土壤含水量(SWC)不随季节变化,各层SWC的均值大小顺序为 80-100 cm>60-80 cm>40-60 cm>0-20 cm>20-40 cm。在有降水处理的区域,降雨后,各层SWC对不同降雨量的响应程度不同,0-20 cm和20-40 cm的SWC对小于10 mm的降水响应敏感,中层40-60 cm、60-80 cm对小于10 mm的降水响应不显著,而80-100 cm 土壤对小于10 mm的降水无响应。10-20 mm的降水能显著增加40-60 cm、60-80 cm的SWC,但对深层80-100 cm的SWC无显著影响。超过20 mm的降水能渗透到80-100 cm,能增加80-100 cm的SWC。无降水区域土壤水的δ2H和δ180无明显季节波动变化,五个层次土壤水的δ2H和δ180围绕均值在上下波动;一半降水条件、自然降水条件和二倍降水条件下各层土壤水的δ2H和δ18O值随着土层的加深而变大,旱季的δ2H和δ18O值大于雨季。泉水的δ2H和δ180值相对稳定,其变化范围分别-73.5‰～-68.18‰和-10.84‰～-9.79‰。(2)在无降水条件下,侧柏主要利用地下水和60-100 cm土壤水,对这两层水源的吸收比例分别为28.2-38.3%和22.1-39.6%,且随季节变化不明显;栓皮栎对各层土壤水源的吸收比例较均衡。在一半降水区和自然降水区的旱季,侧柏以利用60-100 cm 土壤水和地下水为主,对两个水源吸收的平均比例分别为26.6-30.1%和26.3-30.6%;雨季侧柏对降水反应敏感,吸收地下水、0-20 cm和60-100 cm的土壤水,对这三者水源的利用比例分别为23.7-30.5%、21.6-26.8%和25.5-26.6%;雨季栓皮栎的主要水源逐渐向深层土壤转移。在整个观测期,60-100 cm 土壤水和地下水均为栓皮栎主要水源之一,在二倍降水区,随着降水逐渐增加,侧柏的水分来源从深层水逐渐向浅层水过渡,而栓皮栋的对地下水和深层60-100 cm 土壤水分的利用也逐渐增大。(3)随着杨树退化程度的严重化,对应退化样地的土壤含水量越低,土壤氢氧同位素值逐渐变大,分馏效应明显。小叶杨根系呈“伞”状分布,其根系在垂直方向和水平方向上分别能伸展240 cm和200 cm。小叶杨根系具有“二态”结构特征,它能吸收多个水源层的土壤水分。随着小叶杨退化程度的加重,小叶杨对深层土壤水的利用比例降低,对表层土壤水分的利用率升高。正常生长条件下的小叶杨倾向吸收利用深层土壤和水分含量高的水源,处于中度退化和重度退化的小叶杨更倾向于从浅层土壤中吸收水分,但表层湿度变化较大且湿度较低,水分供应不足可能是小叶杨退化的主要原因。(4)在整个生长季,侧柏和栓皮栎的液流速率在典型晴天呈先升高后降低的“单峰”曲线变化趋势。生长季内阔叶林的液流速率大于针叶林,雨季的液流速率要大于旱季。自然条件下的液流通量为干旱条件下的液流通量高3倍左右,主根处的液流通量小于胸径处的液流通量但大于侧根处的液流通量。侧柏和栓皮栎液流速率与太阳辐射、空气温度和空气湿度的相关性较好,与风速相关性不显著。自然条件下侧柏侧根在观测期内的液流仅在8月末期的几天出现逆向液流,其余时间为正向液流;干旱条件下侧根处逆向液流的通量要高于正向液流的通量。(5)侧柏和栓皮栎液流在相同月份的时滞时间不一样,侧柏对辐射和VPD依赖的时滞时间高于栓皮栎,两个树种的树干液流与VPD和辐射拟合的R2随时滞时间呈单峰曲线变化。侧柏和栓皮栎的光合速率在各个月份呈现相似的变化规律,其在日内都呈“M形”变化,分别在10:00和14:00达到第一次和第二次峰值;栓皮栎的在日内均呈现先增大后降低的单峰“凸”形曲线变化。侧柏和栓皮栎的光合速率在雨季的峰值均大于其在旱季的峰值。侧柏蒸腾速率和栓皮栎蒸腾速率与辐射和VPD均呈正相关,侧柏光合速率和栓皮栎光合速率与辐射和温度均呈正相关。(6)侧柏和栓皮栎的夜间液流均用水树干储水,树干储水量随季节呈波动变化,旱季储水量小于雨季,非晴天储水量小于晴天。从3年水量平衡来看。侧柏的逆向液流量、蒸腾耗水量、光合用水量和树干储水量占整个液流通量的平均比例分别为2.26%、91.16%、8.84%和6.37%。栓皮栎的蒸腾耗水、光合用水和树干储水占整个液流通量平均比例分别为94.63%、5.37%和6.09%,侧柏和栓皮栎的光合用水量只占液流通量很少的一部分,而侧柏和栓皮栎的蒸腾耗水是用水的主要方式。