MixSIAR和IsoSource模型解析植物水分来源的比较研究

选取西南喀斯特地区次生林中主要优势植物刺楸(Kalopanax septemlobus(Thunb.)Koidz.)、香椿(Toona sinensis)和化香(Platycarya strobilacea Sieb.et Zucc.)为研究对象,通过对不同土壤深度的土壤水、泉水、雨水和植物采样,利用氢氧稳定同位素技术,借助IsoSource和MixSIAR两种模型分析植物水分来源,通过直接相关法判断植物主要吸水源来衡量两种模型的适用性。结果表明,降雨δ~(18)O值在3月—6月偏正,在6月—8月数据偏负,存在明显的季节变化。在春季不同土壤层土壤水δ~(18)O值土壤深度增加而降低,夏季呈现相反的规律。基于IsoSource和MixSIAR模型计算植物不同水分来源比例时存在一定差异。基于直接相关法定性分析植物水分来源表明MixSIAR模型计算结果可靠性高于IsoSource模型。基于均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)进行模型评价,结果显示出MixSIAR模型的RMSE结果小于IsoSource模型,表明利用MixSIAR模型计算植物对各水源的利用比例适用性高于IsoSource模型。本文结果有助于在解析植物水分来源时为模型的选择提供参考。     

新疆准噶尔盆地不同径级梭梭和白梭梭的水分来源

在干旱区,水是植物生长发育的主要限制性因子。运用稳定氧同位素技术探究了准东地区生长在相邻地段不同径级的梭梭(Haloxylon ammodendron)和白梭梭(Haloxylon persicum)的水分来源。通过测定不同径级梭梭和白梭梭的小枝木质部水、不同土层的土壤水以及地下水的δ~(18)O同位素值,运用MixSIAR模型、平均吸水深度模型和直观图法分析不同径级梭梭和白梭梭对各潜在水源的利用比例和主要吸水层位。结果表明:生长在丘间低地的四个径级梭梭主要水源是土壤水,随着径级的增长,梭梭水分利用方式更加灵活,趋向于利用稍浅层的土壤水。生长在沙丘顶部的四个径级白梭梭主要水源是土壤水,随着径级的增长,白梭梭更趋向于利用深层土壤水。梭梭和白梭梭通过不同的水分利用策略合理的利用干旱区有限的水源。     

利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较

水是影响植物分布的重要生态因子之一,对植物水源的研究有助于在全球变化背景下了解植物的时空分布格局.根据同位素质量守恒,利用稳定氢氧同位素可以确定植物水分来源,相关的方法也不断改进.利用三源线性混合模型、多源线性混合模型、吸水深度模型以及动态模型分别对格尔木白刺(Nitraria Tangutorum)的水分来源进行了对比研究,发现格尔木白刺主要吸收利用50-100 cm处的土壤水及地下水.在研究方法上,各模型都有自己的应用范围和局限:三源线性混合模型一般只能在植物吸收的水分来源不超过3个的情况下运行;多源线性混合模型弥补了三源线性混合模型的不足,可以同时比较多种来源水各自对白刺的贡献率及贡献范围;吸水深度模型弥补了混合模型中不能计算白刺对土壤水的平均吸水深度的缺陷;动态模型则会为未来降水格局变化对植物的时空分布的影响研究起很大作用.针对不同的适用范围,模型的选择及综合应用会更广泛.但是,该技术还存在一些不足,需要结合测定土水势,富氘水的示踪等方法来弥补.     

基于贝叶斯模型MixSIAR的不同水同位素输入方法对苹果园吸水特征分析结果的影响

准确量化浅、中、深3层土壤水源对植物根系吸水的贡献是明确植物水分利用策略的前提。为探究同位素混合模型MixSIAR中不同水同位素输入方法对预估植物水分来源的影响,该研究于2019年5–9月在陕西长武塬区对7年和18年苹果园共进行5次土壤和植物木质部取样,测定对应样品水同位素比值(δ²H、δ¹⁸O)和土壤含水量,并分别利用基于单同位素(²H、¹⁸O)、双同位素(²H&¹⁸O)和经木质部氢同位素校正后双同位素(²H(+8.1)&¹⁸O)输入的MixSIAR模型计算了根区不同土层(0–0.4、0.4–2、>2 m根系深度)土壤水对苹果(Malus pumila)树根系吸水的贡献率。结果表明:与²H单同位素方法相比,利用¹⁸O单同位素方法得到的2 m以下深层土壤水的贡献率更低,而表层(0–0.4 m)土壤水的贡献率更高,且更接近于²H...     

内蒙古荒漠草原植物水分利用特征差异及对环境因子的响应

水分是干旱半干旱地区植被生长的主要限制因子,水分利用是反映植被对环境变化响应的关键生态水文过程。目前缺少对干旱半干旱区草原不同科、属植物水分利用特征差异的系统分析,且植物水分利用特征与环境因子的定量关系需要进一步研究。在内蒙古荒漠草原进行样带调查,采集7个样地0—100 cm深度土壤样品和15种植物根茎结合部(茎秆)、叶片样品,测定土壤水、植物水中δ²H和δ¹⁸O和植物叶片δ¹³C的同位素,利用MixSIAR模型确定不同科、属植物水分来源比例,分析不同科、属植物水分利用来源和水分利用效率的差异,并建立植物水分来源比例及水分利用效率与各环境因子的定量关系。结果表明：(1)禾本科和菊科植物主要利用0—30 cm深度土壤水(55.63%和51.84%),其叶片δ¹³C(-26.61‰和-27.91‰)均低于其他科(包括柽柳科、藜科和蔷薇科)(-26.36‰),且其他科主要利用60—100 cm深度土壤水(36.83%),水分利用策略更有利于在干旱条件下生存。(2)针茅属植物对0—30 cm深度土壤水的利用...     

基于双稳定同位素和MixSIAR模型的冬小麦根系吸水来源研究

灌溉和施肥措施对农田水文循环具有重要影响,根系吸水是联系植物蒸腾和土壤水分运动的关键水文过程,定量识别灌溉施肥影响下作物根系吸水来源对农业用水优化管理具有重要意义。氘氧稳定同位素(D和18O)是追溯农田水分运移过程的理想天然示踪剂。基于2013—2015年北京市典型农田不同灌溉施肥处理冬小麦水分运移试验,利用D和18O双稳定同位素和MixSIAR贝叶斯混合模型,量化冬小麦主要根系吸水深度及其贡献比例,阐明作物水分来源的季节变化及不同处理间的差异,分析根系吸水与土壤水分分布变化的相互关系。研究结果表明:两季冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期主要根系吸水深度均值分别为0—20 cm(67.0%)、20—70 cm(42.0%)、0—20 cm(38.7%)和20—70 cm(34.9%),但季节变化差异显著,2014季主要吸水深度随作物的生长发育而逐渐增加,2015季则主要集中于浅层土壤(0—70 cm)。返青-抽穗期仅灌水20 mm或施肥105 kg/hm2N促使拔节-抽穗期深层(70—200 cm)土壤水分利用率平均增加29%,而前期充分灌水且大量施肥(≥当地施肥量210 kg hm-2N)时拔节-抽穗期根系吸水深度为土壤表层0—20 cm。在干旱少雨的冬小麦生长季内作物吸水来源与土壤水分消耗变化基本一致。     

准噶尔盆地东南缘多枝柽柳、白刺和红砂水分来源的异同

荒漠生态系统中, 水是植物生长最主要的限制因子。为了比较同一生境下不同荒漠植物的水分来源特征, 选取了同一生境下的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、白刺(Nitraria sibirica)和红砂(Reaumuria soongorica), 测定了这3种植物茎水和各潜在水源(降水、土壤水和地下水)的氢、氧稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O)值, 并利用IsoSource软件计算了3种植物对潜在水源的利用比例。结果表明: 红砂和白刺的茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源有明显的季节波动特征。其中, 红砂为浅根系植物, 春季(3-5月)以表层土壤水为主要水源, 夏秋季节(6-10月)表层土壤含水量显著降低, 其主要的水分来源逐渐偏向于较深层的土壤水; 白刺的根系分布范围介于红砂和多枝柽柳之间, 在春季能够较多地利用表层土壤水, 而到了夏秋季节, 所利用的水分更多地来源于深层土壤水或地下水; 多枝柽柳为深根系植物, 其90%以上的水分来源于深层土壤水和地下水, 而且茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源没有季节波动特征。3种植物水分来源特征的差异与其水分利用策略密切相关, 同时, 也说明荒漠灌木可以通过自身调节向着最优(最有利)表现型发展, 从而最大限度地获取水分。     

基于δD和δ18O的青海湖流域芨芨草水分利用来源变化研究

水分条件是限制干旱半干旱地区植物生长重要的生态因子,为了揭示青海湖流域典型生态系统下芨芨草植物的水分利用来源及其如何响应水分条件的变化,选择了自然和干旱控制条件下芨芨草植物,通过测定芨芨草植物茎水和各潜在水源(土壤水、地下水及降水)中δD、δ~(18)O组成,并利用直接比较分析法和多源混合模型计算芨芨草植物对土壤水的利用比例。研究结果表明:表层土壤水分和土壤水中δD、δ~(18)O值表征出较大波动范围,其直接受降水和蒸发作用影响,土壤蒸发线的斜率和截距明显小于大气水线斜率和截距,表明土壤水中同位素组成经历了强烈的蒸发分馏过程,而芨芨草茎水中δD、δ~(18)O值都集中分布土壤水蒸发线附近,说明芨芨草根系主要利用不同深度的土壤水。自然条件下芨芨草在生长季初期(6月)利用表层土壤水(0—10cm,45.1%),8—9月份大降水事件影响土壤含水量和同位素组成,降水入渗深度较深且芨芨草根系对土壤水分吸收的比例相差不大,表明根系在土壤含水量较高时均能吸水不同深度土壤水。在干旱控制条件下芨芨草在7月初主要利用表层土壤水(0-30cm),随着表层土壤水分的减少,根系吸收深度转向较深土壤层,而灌溉后表层土壤水分明显增加,其吸收深度又转向表层,表明芨芨草根系吸收深度能敏感地响应土壤水分的变化。另外还发现芨芨草在生长季内并未直接利用地下水。     

不同降水条件下两种荒漠植物的水分利用策略

自然降水是干旱、半干旱地区荒漠植物重要的水分来源。为了说明自然降水量的变化对干旱、半干旱地区荒漠植物水分利用策略的影响, 研究了两种常见荒漠植物油蒿(Artemisia ordosica)和白刺(Nitraria tangutorum)在3个不同自然降水地区(内蒙古的杭锦旗和磴口县及甘肃的民勤县)的水分来源、水分利用效率及植物的抗逆能力的变化。测定了不同地区的植物茎水、各潜在水源(降水、地下水和土壤水)的δD和δ¹⁸O值, 并利用IsoSource模型分析了这两种植物在不同地区对这些潜在水源的选择性利用情况; 同时测定了叶片的δ¹³C和游离脯氨酸浓度。结果表明: 在年降水量最高的杭锦旗, 这两种植物对浅层土壤水的利用比例最高, 其中油蒿主要利用0-50 cm土层中的水源; 在年降水量相对较低的磴口和民勤, 植物利用的主要水源为深层土壤水和地下水。随着年降水量的增加, 这两种植物的水分利用效率逐渐降低。白刺的脯氨酸浓度大于油蒿, 与水分利用效率无关, 但油蒿的水分利用效率和脯氨酸浓度成正比。研究表明, 荒漠植物能通过改变其水分利用策略和其他生理特性适应自然降水量的变化, 但不同植物种采用的策略可能有所不同。     

基于同位素技术分析不同生长季节杨树水分利用

本文利用碳、氢、氧同位素示踪技术,将直接判断法、多元线性混合模型相结合,分析正蓝旗地区杨树不同季节的吸水来源和水分利用效率。结果表明:杨树吸水来源具有明显季节性规律,生长前期和末期(4、5、10月),主要利用0~50 cm浅层土壤水和150 cm以下的深层土壤水或地下水;生长中期(6、7、8、9月)主要利用0~150 cm土壤中的降水水源。该地区杨树的水分利用效率较高,5—9月水分利用效率为208.68、133.90、62.01、61.92、257.55 mmol C·mol-1H2O。当雨季浅层土壤水无法满足杨树的需水量时,杨树吸收较深层的土壤水,并逐渐提高水分利用效率;有降水时,杨树开始从最上层的土壤水中吸收降雨水源并逐渐降低水分利用效率。以上结果表明,半干旱地区杨树具有较高的水分利用效率,同时可以调节自身吸水来源和用水效率,朝着最有利于生长发展的方向最大程度上利用水分。     

Diverse diet compositions among harpaline ground beetle species revealed by mixing model analyses of stable isotope ratios

1. Species diversities of some insect lineages have been attributed to differentiation of feeding habits among species. Our objective was to determine variation in diet composition among harpaline ground beetle species occurring in a riverside grassland. 2. We examined the diet compositions of 14 species from six genera in the spring and 10 species from two genera in the autumn. We performed measurements of nitrogen and carbon stable isotope ratios in consumers and in their potential food items, and estimated relative contributions of different food items with two mixing models, IsoSource and MixSIR. 3. IsoSource and MixSIR software gave similar results, but IsoSource tended to calculate higher contributions of principal food items and smaller percentile ranges than MixSIR. Among harparine beetle species, there were diverse food utilisation patterns among four food categories (detritivorous invertebrates, herbivorous invertebrates, C3 plants, and C4 plants). Detritivores comprised the main diets of abundant harpaline species in the spring, whereas abundant harpaline species in the autumn were primarily herbivores feeding on C4 plants, or omnivores feeding on herbivorous invertebrates and C3 plants. Seasonal changes in food use were related to seasonal changes in the abundance of each food resource. 4. Mixing model analysis of stable isotope ratios is a convenient and effective method for roughly estimating diets of many species with diverse food habits (such as ground beetles). This method can contribute to determining the trophic relationships of related insects in one ecosystem.     

Preliminary assessment of Greenland halibut diet in Cumberland Sound using stable isotopes

We provide preliminary carbon (δ¹³C) and nitrogen (δ¹⁵N) stable isotope assessment of the Greenland halibut (Reinhardtius hippoglossoides) diet in Cumberland Sound, with focus on two possible prey sources: pelagic represented by capelin (Mallotus villosus) and epibenthic represented by shrimp (Lebbeus polaris). The δ¹³C for the Greenland halibut stock indicated a pelagic carbon source in Cumberland Sound while stable isotope mixing models, IsoSource and MixSIR, indicated a 99% dietary composition of capelin relative to the shrimp. The δ¹⁵N did not vary across Greenland halibut size ranges and placed them at a fourth trophic position relative to a primary herbivore. This study provides the starting point for more elaborate Cumberland Sound research on the local Greenland halibut feeding ecology by confirming pelagic feeding and establishing relative trophic position as well as identifying stable isotopes as a useful tool for the study of diet in cold water fish species.     

Application of stable hydrogen isotope in study of water sources for Caragana microphylla bushland in Nei Mongol

小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)是我国内蒙古草原广泛分布的优势灌木,目前国内外有关小叶锦鸡儿水分利用来源的定量研究较少。该文运用氢稳定同位素法,分析了内蒙古小叶锦鸡儿木质部水和潜在水源(夏季降雨、冬季降雪和土壤水)的氢稳定同位素比率(δD)的季节变化,发现小叶锦鸡儿在遮雨处理和自然状态下δD季节变化差异不明显,分别为–101.36‰±13.02‰和–101.18‰±12.71‰。在遮雨处理条件下,小叶锦鸡儿主要利用0–20 cm土壤层水分,占其所利用水分的73.30%±16.14%;自然状态下,小叶锦鸡儿对0–20、20–60和60–100 cm不同土壤层土壤的水分利用较为均衡,分别为34.66%±7.83%、32.44%±7.42%和32.90%±4.14%。该结果表明不同生境下灌木与草本的水分竞争可能是小叶锦鸡儿对不同土层水分利用差异的原因。结合两源模型分析了降雨对各土壤层的贡献率,并用Iso Source多源混合模型分析了各土壤层对小叶锦鸡儿用水的贡献率,发现降雨对小叶锦鸡儿的贡献率为42.65%–63.92%。该结果反映了小叶锦鸡儿对夏季降雨和冬季融雪的利用情况。     

Stable isotopic observation of water use sources of Pinus sylvestris var. mongolica in Horqin Sandy Land, China

Since the late 1950s, Mongolian pine (Pinus sylvestris var. mongolica) has been widely planted for vegetation restoration in arid and semi-arid areas in North China. We used stable isotope signals from precipitation, soil water, and xylem water of Mongolian pine trees, which were planted in early 1980s on sand dunes in the east-southern margin of Horqin Sandy Land, to identify water uptake sources of this tree. (1) Stable ¹⁸O isotope composition of the xylem water exhibited little seasonality, suggesting that the trees use a relatively stable water source; (2) the water source of the pine trees primarily came from a soil depth of 20–60 cm (sampling depth up to 60 cm in this study) and the trees might use groundwater when soil moisture became extremely low; and (3) there was not much difference in water sources used by the pine trees grown at the top of the fixed dune and in the inter dune lowland, although these two sites had 3–8 m elevation difference. This study suggests that it is critical for Mongolian pine trees to access relatively reliable and stable water sources to grow in sandy land habitats, and timely recharging of rainwater to the trees’ rooting depth is requisite for avoiding and/or reducing their degradation caused by water shortage.     

沙漠腹地天然绿洲不同林龄胡杨水分利用来源

了解干旱荒漠绿洲区主要植被的水分利用来源,能为该区域植被保护和水资源的合理分配提供科学依据.本研究以达里雅布依天然绿洲胡杨幼龄木(胸径DBH≤10 cm)、成熟木(10 cm＜DBH≤40 cm)和过熟木(DBH＞40 cm)为对象,测定不同林龄胡杨木质部水和潜在水源(地表水、0～3m土层土壤水、地下水)的氧同位素,运...     

两种荒漠生境条件下泡泡刺水分来源及其对降水的响应

泡泡刺通常以灌丛沙堆的形式存在,具有很强的生态适应性,在防风固沙、抗旱耐盐等方面具有独特的功能,但是水分条件仍然是限制其生存和发展的关键因素.为了明确泡泡刺在不同荒漠生境条件下的水分利用策略,研究了河西走廊临泽绿洲边缘沙质和砾质生境下泡泡刺的水分来源季节动态特征以及对不同降雨事件的响应程度.测定了两种生境下泡泡刺茎水和不同水源(降水、土壤水和地下水)的氧稳定同位素(δ¹⁸O)值,结合IsoSource模型计算了不同水源对泡泡刺水分来源的贡献比例.结果表明:两种生境下泡泡刺茎水δ¹⁸O值及其水分来源都存在显著的季节变化特征,沙质生境下泡泡刺在降水较少的春季和秋季主要利用地下水,其贡献率可达50%以上;而砾质生境下的泡泡刺无法利用深达11.5 m地下水,其水分来源受降水控制,具有较大的季节变异性.两种生境下的泡泡刺对降水响应显著,但是降水过后,随着土壤含水量的快速减小,沙质生境下的泡泡刺转而以丰富的地下水为主要水分来源,而砾质生境下的泡泡刺只能利用降水入渗至较深层土壤的较少水分.因此,两种生境下泡泡刺不同的水分利用策略是导致其生长特征差异的主要原因,同时也表明泡泡刺具有较强的自我调节和适应能力.     

季节性干旱地区典型树种长期水分利用特征与模式

在季节性干旱地区,水分是影响植物生长发育的关键核心因子。基于长期连续观测数据探究植物水分利用模式,对于季节性干旱地区植被建设具有重要意义。本研究以北京山区侧柏人工林为对象,利用稳定氢氧同位素技术测定了2012—2017年间土壤、植物枝条和降水同位素组成,通过MixSIAR模型定量分析侧柏对不同土层土壤水分的贡献率。结果表明: 深层(40～100 cm)土壤水较浅层(0～40 cm)土壤水稳定,受蒸发和降水的影响,浅层土壤含水量和水同位素值变化幅度较深层明显;侧柏主要吸收利用稳定的深层土壤水,贡献率为55.7%。在旱季,随着土壤水分含量的降低,植物对土壤水分的吸收深度逐渐向浅层转移;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水的贡献率依次为59.8%、57.9%、54.6%、52.7%。在轻度和中度干旱条件下,雨季侧柏对深层土壤水的依赖程度高于旱季,以维持较大的蒸腾作用;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水贡献率分别为58.9%、57.6%、56.4%、57.1%。侧柏依据土壤水分条件调整吸水深度的自适应特性,对季节性干旱地区生态造林树种的选择和长期管理规划具有重要意义。     

Improving Bayesian isotope mixing models: a response to Jackson et al. (2009)

We recently described a Bayesian framework for stable isotope mixing models and provided a software tool, MixSIR, for conducting such analyses (Ecol. Lett., 2008; 11 :470). Jackson et al. (Ecol. Lett., 2009; 12:E1) criticized the performance of our software based on tests using simulated data. However, their simulation data were flawed, rendering claims of erroneous behaviour inaccurate. A re‐evaluation of the MixSIR source code did, however, uncover two minor coding errors, which we have fixed. When data are correctly simulated according to eqns  (1)–(4) in Jackson et al. (2009) , MixSIR consistently and accurately estimated the proportional contribution of prey to a predator diet, and was surprisingly robust to additional unquantified error. Jackson et al. (2009) also suggested we use a Dirichlet prior on the source proportion parameters, which we agree with. Finally, Jackson et al. (2009) propose adding additional error parameters to our mixing model framework. We caution that such increases in model complexity should be evaluated based on data support.