稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析

稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统、特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为"水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏"。生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件。但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性。综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性、水源同位素的季节性变化、蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考。     

福建省森林生态系统水源涵养服务评估:InVEST模型与meta分析对比

生态系统水源涵养服务评估已存在基于不同原理和数据源的多种评价方法，然而，不同方法造成的评估结果异同尚缺乏系统性定量化比较。为了揭示不同评估机制对同一地区产生的影响，分别采用"点数据-综合蓄水能力法-meta分析"和"面数据-水量平衡法-InVEST模型"两套方法体系对福建省森林水源涵养服务状况进行对比评估。结果显示：InVEST模型模拟的水源涵养能力年均值为529.62 mm，涵养总量236.18×10⁸ m³；meta分析法估算的能力均值为653.68 mm，涵养总量291.07×10⁸ m³。水源涵养能力表现出相当大的空间差异，随海拔升高呈递增趋势，西部、北部山地高于东南沿海平原。InVEST模型侧重气象、地形和土坡覆被因素，meta分析侧重林分条件，因此同一森林类型不同方法的涵养能力存在显著差异。结合点尺度分析，造成结果差异的不确定性包括水源涵养相关参数定义的多样化、测量方法及误差以及系数本地化水平。分析自上而下的InVEST模型与自下而上的meta分析两类方法的特点和机理，为不同区域研究选择适宜的评估方法提供借鉴，有助于完善生态系统水源涵养服务评估的理论和技术。     

基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。     

森林水源涵养功能的多尺度内涵、过程及计量方法

近年来国内森林生态系统服务功能研究较多,但应用价值不高,其科学性受到诸多质疑。从森林水源涵养功能的多尺度内涵、过程以及其计量方法出发,对国内外研究动态和发展趋势进行了总结分析,重新审视森林水源涵养功能的研究意义,探讨森林水源涵养功能的多尺度特征。从森林水源涵养功能作用的空间尺度上看,其拦蓄洪水削减洪峰的功能仅在较小尺度上有效,而调节径流的功能只有当森林土壤的入渗量超过蒸散量时,才可能有更多地下水补给河道径流,进而增加旱季河道流量。同时森林水源涵养功能也具有明显的时间尺度特征,具体表现为在次降水事件中,由于蒸散发量较小,森林水源涵养功能的物质量等于森林不同层次的截留量,在功能上表现为拦蓄降水;在长时间尺度上,由于林地蒸散要耗去大量水分,森林水源涵养功能的物质量等于森林不同层次的截留量减去林地蒸散发量,在功能上表现为净化水质和调节径流。大多数研究仅对单一林分的个别层次蓄水功能进行研究,缺乏流域尺度或者更大空间尺度的森林水源涵养功能研究。建议从区域降尺度到流域或将坡面尺度上推到流域,集中在流域尺度解决森林水源涵养空间异质性将是解决森林水源涵养功能尺度外推的有效办法。就目前国内流行的森林水源涵养功能计量方法而言,其与尺度及研究目的有较大相关性,在研究中应根据研究目的、研究尺度和可获取的数据情况选择合适的计量方法。研究突出了不同尺度作用下森林水文过程的复杂性及重要性,并结合森林与水关系的争论问题,分析目前国内对森林水源涵养功能研究的一些误区,提出森林水源涵养功能研究的一些关键科学问题及未来可能的发展方向,主要包括:1)明确界定森林水源涵养功能的边界,探索森林水源涵养功能计量的新方法;2)加强不同时空尺度关联的森林水源涵养功能研究,包括正确评价森林水源涵养功能的时空变异规律,森林生态系统水源涵养功能的尺度效应,森林水源涵养与下游水生态安全,森林水源涵养研究范式转变等核心问题。     

中国内陆河流域城市景观过程对涉水生态系统服务的影响评价研究进展

掌握我国内陆河流域城市景观过程对涉水生态系统服务的影响评价研究现状，对于提高内陆河流域人类福祉和促进区域城市可持续发展具有重要意义。系统综述了我国内陆河流域城市景观过程对涉水生态系统服务的影响评价。结果表明：相关中英文论文数量与被引频次整体呈上升趋势，研究对象侧重于水源涵养、水质净化和淡水供给服务，研究方法主要包括价值量评价法和物质量评价法，研究结果则表明城市景观过程已造成涉水生态系统服务总量下降和空间异质性增加，同时还加剧了服务间的权衡关系。相关研究为深入理解内陆河城市景观过程对涉水生态系统服务的影响奠定了良好基础，但在揭示影响机理、模拟未来影响、分析服务权衡、协同与供需流关系以及探索可持续的内陆河流域综合优化管理等方面还存在不足。因此，未来应基于"机理-过程-可持续性"的思路建立内陆河流域城市景观过程对涉水生态系统服务影响评价框架，开展综合评价研究，为我国内陆河流域城市与山水林田湖草综合优化管理提供帮助。     

哈尼梯田区优势景观类型对泉水氢氧同位素效应的影响

氢氧稳定同位素是示踪流域水循环过程的有效手段,流域景观类型及其格局对泉水同位素效应的影响是景观生态学与同位素水文学的全新交叉领域.本文以哈尼梯田文化景观遗产核心区的全福庄河小流域为研究对象,在2015年3月—2016年3月间,逐月在海拔1500 m的梯田、1700 m的梯田和1900 m的森林景观类型下分别采集78个泉水样和39个大气降水样进行氢氧稳定同位素分析.结果表明:小流域的优势景观类型是森林和梯田,两者面积分别占总面积的66.6％和22.1％,并具有森林在上、梯田在下的垂直格局.相关分析表明,泉水除受降水补给外,还受到景观内其他同位素值偏正的水源补给,景观位置较高的森林区泉水主要由降水补给,位于森林之下的梯田泉水受大气降水、河水、梯田水、地下水等多种水源补给,其同位素混合作用强烈;泉水δ¹⁸O和δD值整体海拔效应明显,其海拔梯度分别为-0.125‰·(100 m)^-1和-0.688‰·(100 m)^-1;研究区氘盈余值随海拔升高而增大与景观格局和同位素循环过程有关.总之,优势景观类型对泉水氢氧同位素效应具有显著影响,泉水氢氧同位素可作为景观水文过程对景观格局的响应指标.     

基于二元水循环的黄淮海平原耕地水源涵养功能研究

水源涵养功能是陆地生态系统的重要功能类型之一。黄淮海平原耕地数量巨大,耕地利用模式典型,研究其水源涵养功能,对于调控区域水资源,推动耕地可持续利用有重要作用。从耕地利用角度出发,基于整个系统二元水循环过程,构建了黄淮海平原耕地水源涵养功能研究基本框架,并应用SCS-CN模型,结合研究区耕地覆盖数据、气候数据、土壤数据对黄淮海平原耕地水源涵养功能进行了评价。研究结果表明:耕地利用过程中的耕地水源涵养功能认识,应从理想水源涵养能力、有效水源涵养能力和净水源涵养能力3个层次展开;黄淮海平原耕地水源涵养功能效应在上述各层级上均表现出正向性,耕地水源涵养能力分别为1890.74、1127.76、464.62亿m~3;空间上,黄淮海平原耕地水源涵养功能具有明显的空间分异性,北部和东南部地区耕地水源涵养能力较强,中部和西南部地区耕地水源涵养能力较弱。研究结果不仅为耕地生态功能理论研究提供新思考点,同时也为耕地水资源有效调控以及耕地生态补偿制定提供参考和支撑。     

植物水分来源稳定氢氧同位素偏移研究进展

稳定氢氧同位素技术能有效计算植物根系水分吸收量,确定植物水分来源贡献,评估植物水分利用策略,是生态水文学探究大气-植被-土壤系统水分传输过程机制的有效工具。然而土壤与木质部水稳定氢氧同位素比值(δ²H和δ¹⁸O)偏移造成植物水分来源贡献率计算偏差,引起氢氧同位素结果差异的原因尚不明晰。该文首先简要介绍氢氧稳定同位素比值偏移现象,其次沿水分在土壤-植物-大气连续体中的传输路径构建梳理框架,系统阐述了3个界面(植物-大气界面、土壤-大气界面和根系-土壤界面)与2个空间(植物体和土壤层)中引起δ²H与δ¹⁸O偏移的自然效应,同时概述了土壤与木质部样品提取与测定技术中引起δ²H与δ¹⁸O偏差的人为效应。最后,根据现有研究进展提出主要问题,从获取同位素时空数据,微尺度同位素偏移原因,提取与测定技术的优化三方面指出未来的发展方向。     

福建集体林权制度改革对生态公益林水源涵养能力变化的影响——基于723个村的实证研究

水源涵养等生态功能是生态公益林的首要功能，维护生态安全是集体林权制度改革（简称"林改"）的重要目标。为了厘清福建林改对生态公益林水源涵养能力变化的影响，以促进生态公益林质量的精准提升。运用综合蓄水能力法测算分析了福建省5县（区）723个村林改前后生态公益林水源涵养能力变化，并运用多元线性回归模型探讨了林改对生态公益林水源涵养能力变化的关键影响因素。结果表明：（1）林改后生态公益林水源涵养量普遍增加，但单位面积水源涵养能力多数下降，少数提升。（2）产权归属通过经营管护行为对单位面积水源涵养能力产生显著影响，其中，国有权属存在正向影响，集体权属与私有权属存在负向影响。（3）面积、人工林占比、防护林占比、蓄积量变动和降雨量等因素，主要通过资源结构、经营条件和外部环境对单位面积水源涵养能力产生显著影响。据此提出，在提高生态公益林数量的同时要注重提升生态公益林质量，加大政府赎买，重点挖掘幼龄人工生态林生态潜力，做好天然林和防护林保护等政策建议。     

森林生态系统水源涵养服务功能解析

森林水源涵养功能作为森林生态系统服务的一个重要方面,在国内的研究已有数十年的历史。多数研究中将森林水源涵养功能狭义地等同于森林对降雨的拦蓄能力或对径流的调节能力,而忽略了其对各水文过程的整体性作用以及对气象和土壤因子的综合性影响。此外,在不同研究区域中,对于森林水源涵养功能的理解和研究方法往往一概而论,并未考虑研究区域的自然条件特性和社会经济特征,这使得研究结果的区域针对性不足,限制了对其进一步的应用推广。针对上述问题,在全面分析森林水源涵养的含义和特征之后,定义了不同区域的水源涵养功能内涵和主导服务,并给出了不同区域森林水源涵养功能的适宜计算方法,以期为不同区域森林水源涵养功能的全面提升和水源涵养林生态修复工程提供科学依据。     

稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用

近20a稳定同位素技术在植物生态学研究中的应用得到了长足发展,使得对植物与水分关系也有了更深一步的了解。介绍稳定同位素性碳、氢、氧同位素在研究植物水分关系中的应用及进展,以期能为国内植物水分利用研究提供参考。由于植物根系从土壤中吸收水分时并不发生同位素分馏,对木质部水分同位素分析有助于对植物利用水分来源,生态系统中植物对水分的竞争和利用策略的研究,更好地了解生态系统结构与功能。稳定碳同位素作为植物水分利用效率的一个间接指标,在不同水分梯度环境中,及植物不同代谢产物与水分关系中有着广泛的应用。同位素在土壤-植被-大气连续体水分中的应用,有助于了解生态系统的水分平衡。随着稳定同位素方法的使用,植物与水分关系的研究将取得更大的进展。     

稳定同位素方法评估“两个水世界”假设的研究现状与展望

“两个水世界”的假设(two water worlds hypothesis,TWW)认为,土壤中存在两个相互独立且功能不同的水库,束缚水库用于植物生存生长,移动水库补给河川径流及地下水。该假设区别于传统水文模型中一个土壤水库的理论,对构建新的水文模型意义重大。目前,TWW假设的理论基础及形成条件仍不明确,尤其国内研究尚不多见。因此,本文总结了TWW假设的研究现状、判别方法、争议点以及未来的研究方向。目前,关于TWW假设的研究结果分为3种:支持、部分支持以及拒绝该假说,所有的评估方法都是基于氢、氧同位素(²H, ¹⁸O)方法实现的,如直接比较法、降水交结点法、降水残差法和降水偏移法等。束缚水与移动水同位素样品的代表性以及同位素技术的局限性可能是产生不同结果的重要原因,发展不同于稳定同位素手段的方法是未来研究的一个重要方向。另外,该假设的理论基础尚不清楚是当前面临的最关键的科学问题。TWW假设涉及到降水、土壤和植被三者耦合所形成的连续的生态水文过程,多学科融合、多尺度评估、多因素分析是深入研究该假设的有效途径,也将是水文学与生态学领域的重要研究方向。     

典型林区水分氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气连续体中的分布特征

土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水循环是水文学和生态学研究的重要内容,氢氧稳定同位素在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程。本研究通过分析成都平原区亚热带常绿阔叶林中降水、土壤水、植物水的同位素组成,探讨SPAC系统中水分的氢氧稳定同位素演化特征,揭示区域水循环不同界面过程。结果表明: 研究区雨季大气降水线方程为: δD=7.13δ¹⁸O+2.35(R²=0.99),土壤蒸发线方程为: δD=6.98δ¹⁸O-0.32(R²=0.92)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集。浅层土壤(0～35 cm)水δ¹⁸O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35～100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。     

长江流域生态系统水文调节服务空间特征及影响因素:基于子流域尺度分析

水文调节服务是流域生态系统所提供的重要服务之一,认识流域生态系统水文调节服务空间变异规律及其驱动力,对于流域生态系统保护与恢复、合理开发利用水资源具有重要意义。以洪涝灾害频发的长江流域为对象,运用变异系数法和多元统计方法,在子流域尺度上研究了长江流域生态系统水文调节服务空间特征及影响因素。结果表明,长江流域子流域生态系统水文调节服务呈现出明显的空间异质性,水利工程密集、自然植被覆盖率高达71%的金沙江和汉江水系各子流域水文调节服务最强,降雨与径流变异系数差为0.477;农田和人口密集的嘉陵江水系各子流域水文调节服务最弱,降雨与径流变异系数差为-0.474,其他子流域水文调节服务作用不明显。影响水文调节服务的主要因素是:水库库容、自然植被面积比例、农田面积比例、单位面积人口数,其中:水库库容和自然植被面积比例对水文调节服务具有正向促进作用,农田面积比例和单位面积人口对水文调节服务的作用正好相反。水库库容对子流域生态系统水文调节服务空间异质性的贡献最大(58.85%)。上述结果有助于科学认识长江流域生态系统水文调节服务空间分异规律,可为制定不同子流域生态保护与恢复措施、提升子流域生态系统水文调节服务提供科学依据。     

Water uptake by plants: perspectives from stable isotope composition

Stable isotope studies of hydrogen and oxygen stable isotope ratios of water within plants are providing new information on water sources, competitive interactions and water use patterns under natural conditions. Variation in the utilization of summer rain by aridland species and limited use of stream water by mature riparian trees are two examples of how stable isotope studies have modified our understanding of plant water relations. Analyses of xylem sap and tree rings have the potential of providing both short-term and long-term information on plant water use patterns.     

亚热带地区常绿阔叶林SPAC系统水分的氢氧稳定同位素特征

森林的土壤-植物-大气连续体(SPAC)是陆地重要的水循环连续界面过程。本研究通过分析亚热带常绿阔叶林的降水、大气水汽、土壤水、叶片水的同位素组成,探讨森林SPAC系统水分的氢氧同位素组成特征以及植物蒸腾与叶片性状和环境因子的关系。结果表明: 研究区大气降水、土壤水、竹柏枝条水、竹柏叶片水和大气水汽的δD-δ¹⁸O线性回归方程分别为: δD_P=7.97δ¹⁸O_P+12.68(R²=0.97)、δD_S=4.29δ¹⁸O_S-18.62(R²=0.81)、δD_B=3.31δ¹⁸O_B-29.73(R²=0.49)、δD_L=1.49δ¹⁸O_L-10.09(R²=0.81)、δD_V=3.89δ¹⁸O_V-51.29(R²=0.46)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集,而从土壤蒸发和从植物蒸腾的水汽同位素贫化。在降水和蒸发作用的影响下,土壤水同位素随深度增加有贫化的趋势,而且整体上旱季土壤水同位素比雨季富集。观测期间,枝条水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内运输过程中存在受到蒸腾富集作用的可能性。旱季,乔木的枝条水同位素比灌木贫化,说明根系分布更深的乔木植物更倾向于利用深层土壤水。由于在叶片性状、蒸腾速率以及对环境因子的响应程度等方面存在差异,不同植物的叶片水同位素组成随叶龄增长的变化特征有所不同。雨季的环境条件更有利于叶片蒸腾,使雨季的叶片水同位素比旱季富集。叶片水同位素组成与植物叶片含水量呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系,综合反映了植物应对环境变化的水分调控功能。     

基于卫星降水产品的华北北纬38°带降水氢氧同位素时空特征及水汽来源

降水氢氧同位素的变化程度对反演降水水汽来源和认识蒸发作用的强弱有重要作用;结合高时间分辨率的卫星降水产品能够提高反演水汽来源的准确性,更清晰地说明水汽团的运移路径。本研究以位于华北北纬38°带的中国科学院太行山站(山区)、栾城站(山前平原)和南皮站(滨海低平原)2015—2018年降水氢氧同位素为对象,分析该区域降水水汽来源和极端降水对氢氧同位素的影响。结果表明: 华北北纬38°带降水氢氧同位素在年内呈雨季富集、旱季贫化的特征,雨季降水氢氧同位素表现出随降水量增加而贫化的趋势;华北山前平原大气降水氢氧同位素拟合关系斜率和截距最小,说明山前平原降水受二次蒸发作用的影响最显著,蒸发作用也使得平原区枯水年同位素变幅最大,而山区雨量效应造成丰水年同位素变幅最大。利用卫星产品揭示降水的水汽来源,华北北纬38°带全年主导水汽为西北和内陆方向水汽,而雨季为西南和近缘海洋性水汽。由于水汽来源的变化,同时,山区和平原区分别受雨量效应和二次蒸发的影响,使得降水氢氧同位素在丰水年(2016)存在显著差异。用HYSPLIT模型模拟2016年“7·19”极端降水的路径,西南水汽是山区和平原区极端降水的主要水汽来源,而低平原区混合了东南向水汽。说明水汽源的差异及蒸发过程主导华北北纬38°带极端降水氢氧同位素的时空分布特征。