天山林区4种主要灌木夏季水分来源差异

天山林区群落结构相对简单、木本植物种类较少,但天山林区灌木群落中主要木本植物间的水分竞争模式尚不明确,水分利用动态缺乏定量分析。运用稳定同位素技术,对天山林区灌木群落4种主要灌木的茎杆水分及各潜在水源的氢氧稳定同位素组成进行测定,运用IsoSource模型定量分析4种灌木在夏季对各潜在水源的相对利用比例,探讨天山林区灌木群落主要灌木树种水分来源差异及动态变化。结果发现:7月,当浅层土壤含水量充足时,密刺蔷薇、黑果栒子和金丝桃叶绣线菊均大幅度吸收利用浅层土壤水,相对利用比例高于89.3%,异果小檗则相反,即吸收利用各潜在水源(浅层土壤水30.7%、中层土壤水29.4%、深层土壤水25.7%、溪水14.2%,下同);8月,当浅层土壤含水量降低时,密刺蔷薇转移至60-100 cm深层土壤水和溪水,相对利用比例分别为64.8%和27%,黑果栒子和金丝桃叶绣线菊以相似比例吸收利用各潜在水源(33.8%和36.8%、30.9%和29.7%、23.5%和22.3%、11.8%和11.2%),异果小檗则表现出可能吸收利用80-100 cm以下更稳定的深层土壤水;9月,当浅层土壤含水量升高时,4种灌木均大量吸收利用浅层土壤水,相对利用比例高于72.2%。这表明,天山林区灌木群落主要树种可通过可塑性转换水分来源来应对环境水分变异,在时间和空间上有效分割灌丛水源从而减缓对水分资源的竞争压力,从而通过在水分资源利用上的生态位分化促进物种间的共存。     

黄河三角洲海岸带湿地柽柳在干旱年份的水分利用策略

以黄河三角洲海岸带贝壳堤湿地灌木群落主要建群种柽柳为对象,利用稳定同位素技术测定柽柳木质部和潜在水源δ¹⁸O值的时空变化,采用IsoSource模型计算潜在水源对柽柳的贡献比例,研究海岸带不同生境中柽柳对不同水分条件的适应机制.结果表明: 在降水较少的干旱年份,相对于不稳定的降水,柽柳倾向于利用稳定的土壤水和浅层地下水,但是在不同微地形生境下柽柳的水分利用策略有所差异.滩脊的柽柳72.6%～95.4%水分来源于浅层地下水和含水量相对较高的深层土壤水(40～100 cm);高潮线附近的柽柳有40.7%～97.3%的水分来源于上层土壤水(0～40 cm),以避免海水和浅层地下水的盐分胁迫.柽柳对外界水盐条件变化具有较强的适应性,在海岸带可利用水资源缺乏的恶劣生境中具有更强的种间竞争优势,从而导致柽柳单优灌木群落的形成.     

南方丘陵区马尾松-麻栎群落水分利用来源及其影响因素

植物水分利用过程复杂多变，并受多种因素影响，探究林分水分利用来源及其影响因素可为明确气候变化下森林水分适应机制提供参考。本研究以南方丘陵区典型植物群落——马尾松和麻栎混交林为对象，通过分析不同季节群落植物的水分利用来源，结合土壤水、降水和植物根系因子探究植物水源转变的影响因素。结果表明：马尾松和麻栎水分利用特征相似，两者在旱季均主要利用0～40 cm土壤水，利用比例分别为60.0%和66.6%;在雨季随着土壤深层含水量的增加，两者主要水源逐渐向土壤深层转移。马尾松和麻栎的相似性比例指数在60%以上，表明两者存在明显的水分竞争关系。麻栎根系吸水具有可塑性，在旱季吸收浅层水时，根系调节起主导作用；而水分是麻栎和马尾松在雨季水源转变的主要驱动因子，与马尾松相比，麻栎对水分变化更敏感。在未来气候暖干化的背景下，两者对浅层水源的竞争可能会加剧，两种乔木应疏植或间伐以优化森林结构应对水分胁迫。     

张北地区退化杨树防护林的水分利用特征

在张北地区,以杨树为主的防护林出现不同程度的退化现象,水分是干旱区植物生存的主要限制因子,为揭示水分与防护林退化的关系,本文基于稳定氢氧同位素技术,通过对比小叶杨枝条水与潜在水源的同位素值,探究不同退化程度下小叶杨的水分来源及其对各水源的利用比率.结果表明:不同退化程度的杨树林水分来源不同,随退化程度的加深,小叶杨的水分来源从深层逐渐向表层转移.无退化的小叶杨主要利用320~400 cm的土壤水,利用率为25.1%;轻度退化的小叶杨主要利用120~180、180~240和240~320 cm的土壤水,对这3层的利用率总和将近50.0%,而对其他土壤水利用较少;中度退化的小叶杨主要利用20~40、40~60和60~80 cm的土壤水,对这3层土壤水每层利用率在17.5%~20.9%范围,对120 cm及其以下的土壤水利用率均低于10.0%;而重度退化的小叶杨主要利用0~20 cm的表层土壤水分,利用率为30.4%,明显高于其他水源.杨树防护林在衰退过程中的水分来源逐渐变浅,而林地浅层土壤较低的土壤含水量无法满足杨树的正常水分需求,加速了杨树林的退化和死亡.     

Dynamics of water usage in Haloxylon ammodendron in the southern edge of the Gurbantünggüt Desert

植物的水分来源是荒漠地区植物水分关系研究的重要方面, 有助于理解荒漠植物对干旱环境的适应。为了研究古尔班通古特沙漠主要建群种梭梭(Haloxylon ammodendron)生长季的水分利用动态, 以及其对发生在不同时期相似量级降水脉冲的响应, 利用稳定性同位素技术测量了梭梭小枝木质部水、降水、0-300 cm不同土层的土壤水和地下水的δ ¹⁸O值。水源依据深度划分为4个: 浅层土壤水(0-40 cm), 中层土壤水(40-100 cm), 深层土壤水(100-300 cm)和地下水。然后, 应用IsoSource模型计算了梭梭对潜在水源的利用比例。结果表明: 4月份, 梭梭主要利用浅层土壤水, 利用比例为62%-95%; 5-9月份梭梭主要利用地下水, 利用比例为68%-100%。梭梭对不同时期发生的两场相似量级的降水具有不同程度的响应。5月22日, 6.7 mm降水后第1天, 梭梭对土壤水的吸收达到最大值, 由降水前的9.8%增长为降水后的40.4%, 同时降低了对地下水的吸收, 由降水前的83%-98%下降为42%-81%。8月31日7 mm降水后, 梭梭对土壤水的吸收没有增加, 仍然保持对地下水的高比例利用, 达71%-98%。低的土壤含水量可能抑制了表层根系的活性, 导致梭梭对降水不敏感。由冬季融雪和春季降水补给的浅层土壤水和地下水是梭梭种群可利用的两个重要水源。梭梭的水分利用动态反映了其对干旱环境的适应。     

基于稳定同位素的喀斯特坡地尾巨桉水分利用特征

利用稳定性氢氧及碳同位素技术,与邻近乡土植物枫香比较,对喀斯特坡地尾巨桉水分来源与水分利用效率的季节性差异进行研究,分析喀斯特地区桉树人工林建设的干旱胁迫风险.结果表明: 浅层(0～50 cm)土壤水同位素值渐变特征明显且与近期雨水同位素值相近,而深层(50～100 cm)土壤水同位素值整体较稳定且明显区别于浅层.土壤含水量整体呈现雨季(5、9月)高于旱季(10月),且上坡高于下坡的基本特征.枫香不受旱、雨季土壤含水率差异的影响,始终以浅层土壤水为主要水源,水分利用效率持续较高.尾巨桉水分来源受不同季节、坡位土壤含水率差异的影响:雨季上坡以浅层土壤水为主,雨季下坡对深层土壤水利用比例明显增加;旱季上坡主要利用较深层水分,旱季下坡依赖浅层土壤水.桉树水分利用效率始终低于枫香,但旱季时显著升高.尾巨桉水分来源灵活多变,但干旱条件下水分利用效率显著升高,表明其并未能获得充足的水分供应,预示着生长速率及经济收益遭受负面影响,干旱致死的风险较高.     

浑善达克沙地南缘人工固沙植被水分利用特征

探讨浑善达克沙地典型乔木青杨和灌木黄柳不同季节的水分利用特征,可为沙地人工防护林生态系统的结构优化提供理论依据。采集研究区大气降水、土壤水、地下水和典型人工固沙植被的茎干水,利用氢氧稳定同位素技术,揭示不同水源δD-δ¹⁸O值的分布特征,运用多源线性混合模型计算出各潜在水源对2种植被水的贡献率。结果表明: 研究区大气降水方程线为δD=7.84δ¹⁸O+9.12,旱季土壤水分线和雨季土壤水分线分别为δD=3.56δ¹⁸O-41.28和δD=4.30δ18O-42.02,旱季、雨季土壤水和2种植物茎干水δD-δ¹⁸O值均在大气降水δD-δ¹⁸O值下方,表明土壤水和茎干水受到二次蒸发的影响较强烈。2种植物浅层土壤含水量受降雨和蒸发的影响强烈,变化幅度较大,随着土壤深度的增加,土壤含水量趋于稳定,且各层土壤水氢氧同位素值表现出显著差异。在旱季,青杨主要吸收利用0～40 cm和120～200 cm土层的土壤水,贡献率分别为50.2%和31.5%;黄柳主要吸收利用20～40 cm和60～100 cm土层的土壤水,贡献率分别为53.2%和22.9%;在雨季,对青杨贡献最大的土壤水主要集中在0～40 cm土层,为72.8％,黄柳除了利用大量0～20 cm土壤水分外,还利用了深层土壤水和地下水。该地区由于乔木青杨和灌木黄柳的根系埋深和分布不同,导致两者在不同季节的水分利用策略存在差异。这有利于浑善达克沙地地区防护林群落稳定和各树种的共存。建议在浑善达克沙地人工防护林种植中,应考虑选择根系埋深和分布不同的植被混种,以合理利用当地水资源,维持沙地生态系统的稳定性。     

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。     

北京土石山区典型植物水分来源

在季节性干旱区,水分是限制植物生长的关键因子.为了分析比较北京山区群落植物的水分利用特征,本文利用稳定同位素(D/H、¹⁸O/¹⁶O)技术,探讨典型群落植物侧柏、荆条、构树和胡枝子的水分来源及其对各水源的利用比率.结果表明: 群落内4种植物的水分来源不同,侧柏主要吸收利用40～60、60～80和80～100 cm深度的土壤水,对这3层的利用率在23.3%～25.9%,对表层0～20和20～40 cm的利用率分别为12.3%和13.0%;荆条主要吸收利用60～80和80～100 cm深度的土壤水,利用率分别为51.9%和25.2%,对其他土壤水利用较少;构树主要吸收利用表层0～20 cm和20～40 cm土壤水,利用率分别为47.5%和36.8%;胡枝子对5个水源层水分均有利用,对0～20、20～40和40～60 cm深度土壤水的利用率在21.4%～22.8%,对60～80和80～100 cm深度土壤水的利用率分别为15.2%和18.3%.侧柏和胡枝子的水分利用深度相似,两个树种混交可能会造成较大的水分竞争;荆条和构树的水分利用深度恰好互补,适宜混交.研究结果可为恢复受损生态环境的最佳植物种组合方式提供参考.     

基于氢氧稳定同位素示踪的侧柏与白榆水源对比

明晰常绿与落叶乔木的水分来源及竞争关系,可为区域生态恢复过程中树种的选择和种植方式提供理论依据。本研究以兰州市南山绿化工程区大洼山常绿乔木侧柏(Platycladus orientalis)和落叶乔木白榆(Ulmus pumila)为对象,测定其木质部及土壤和降水的氢氧稳定同位素比值,利用贝叶斯混合模型和相似性比例指数分析了侧柏和白榆对不同深度土层土壤水的利用特征。结果表明：除7月和10月外,深层(70～100 cm)土壤水是侧柏和白榆的主要水分来源,其贡献率分别为55.82%和58.90%;7月侧柏和白榆转为吸收浅层(0～20 cm)土壤水,贡献率均达90%以上;10月侧柏转为吸收中层(20～70 cm)土壤水,而白榆同时利用深层(70～100 cm)和中层(20～70 cm)土壤水。侧柏和白榆在整个生长季内除7月外,对水分的竞争不强烈,可在同一生境下同时种植。     

鄂尔多斯高原3个水土保持树种的水分利用策略

为了解植物对环境的适应对策,通过测定鄂尔多斯高原东部丘陵区3个水土保持树种沙棘、油松和山杏的枝条木质部水和各潜在水源的δ¹⁸O值及叶片的δ¹³C值,应用多元线性混合模型分析各潜在水源的贡献比例,分析3个树种水分来源和水分利用效率的季节动态和种间差异。结果表明: 沙棘、油松和山杏在5月主要利用10 cm深度土壤水,分别占其总水源比例的88.5%、94.0%和91.6%。7月,沙棘主要利用10～25 cm土层土壤水和雨水,比例为44.6%和35.4%;油松主要利用雨水,比例为93.7%;山杏主要利用25～100 cm土层土壤水和雨水,比例分别为55.9%和36.8%。9月,沙棘主要利用25 cm深度和75～100 cm土层土壤水,比例为88.9%;油松主要利用10 cm和50～75 cm土层土壤水,比例为84.5%;山杏利用10～100 cm土层土壤水。5月沙棘的水分利用效率显著高于7月和9月。7月油松的水分利用效率显著高于9月。5月和7月沙棘的水分利用效率显著高于油松和山杏。3个树种在不同季节根据不同水源的可利用性,选择利用不同深度的土壤水或雨水。沙棘和油松干旱时能够提高水分利用效率适应环境变化,可能比山杏更适应当地的半干旱环境。     

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...     

基于稳定同位素分析不同退化程度小叶杨水分来源

水分是干旱地区植物生长的关键限制因子。小叶杨是河北省张北县典型的防护林树种,发挥了重要的生态屏障作用。为了揭示近年来该地区小叶杨出现大面积衰退的原因和机制,本研究利用稳定同位素技术,结合图解法和多元线性混合模型,分析了张北县4种不同退化程度(未退化、轻度退化、中度退化和重度退化)小叶杨在不同时期的水分来源和水分利用策略。结果表明: 生长前期(5—6月),不同退化程度小叶杨水分来源均比较单一,主要利用0～40 cm层的土壤水,未退化、轻度退化、中度退化和重度退化的利用率分别为34.2%、50.1%、41.6%和55.7%。生长中期(7—8月),未退化小叶杨吸收利用200～280 cm和280～400 cm层的土壤水,利用率分别为20.2%和30.9%;轻度退化小叶杨利用200～280和280～400 cm层的土壤水,利用率分别为33.2%和27.9%;中度退化小叶杨吸收利用0～40和40～120 cm层的土壤水,利用率分别为30%和26.9%;重度退化小叶杨对0～40 cm层土壤水的利用率达到55.4%。生长后期(9—10月),未退化小叶杨水分来源向中上层土壤水转移,主要利用0～40、40～80和80～120 cm层的土壤水,利用率分别为23.3%、17.2%和16.5%;轻度退化小叶杨利用0～40 cm层的土壤水,利用率为35.7%,对中层80～200 cm层土壤水的利用率也较高,为20.6%;中度和重度退化小叶杨主要利用0～40 cm层的土壤水,利用率分别为43.7%和51.8%。随着退化程度加重,小叶杨的主要水分来源从深层土壤水逐渐向表层土壤水转移。     

北京山区侧柏-荆条系统水分来源对降雨事件的响应

分析了北京鹫峰山区侧柏、荆条枝条水及其潜在水分来源的氢氧同位素特征,运用IsoSource模型解析侧柏、荆条系统水分利用来源的季节变化及其对降雨事件的响应.结果表明:旱季初期(4月)研究区0～20 cm土层富集土壤水¹⁸O值,20 cm以下该值则随着土层深度增加逐渐减小,侧柏主要利用前2～3 d降雨补充的0～30 cm层土壤水;旱季末期(6月)侧柏和荆条分别利用当天雨水补充的0～10和10～30 cm层土壤水;雨季(7月)侧柏利用前期降水补给的0～40 cm层土壤水(59.3%)和近期降水(12.5%),荆条则利用近期降雨供给的0～30 cm层土壤水;侧柏的土壤水分来源逐月加深,至生长季末(11月)其主要利用60～80 cm层土壤水(前2～3 d降雨补给),而荆条枝条水δ¹⁸O值远离各水分来源δ¹⁸O值.两物种对水分的竞争压力小,适应本区域气候特征,尤其在应对特大暴雨等极端天气时,植物系统垂直分布的水分来源能够有效分流洪峰,减小暴雨瞬时破坏力.     

典型黑土区主要树种根系构型特征及其对固土能力的影响

为量化典型黑土区主要树种根系构型特征,探究其对固土能力的影响,以该区分布较广的榆叶梅、小叶锦鸡儿、白桦、糖槭、红皮云杉、樟子松单株个体为研究对象,采用全根挖掘和WinRHIZO Pro LA2004分析系统相结合对其根系空间分布、几何形态、分形等特征进行测定,同时采用原位整株根系拉拔的方法量化根系垂直拉拔力。结果表明: 榆叶梅以倾斜根为主,小叶锦鸡儿、白桦、糖槭和红皮云杉以水平根为主,樟子松根系在水平和垂直分布上较为均衡;除白桦总根表面积和红皮云杉总根长外,灌木树种总根长、总根表面积显著大于乔木,落叶阔叶乔木总根长、总根表面积显著大于针叶常绿乔木,白桦总根体积显著大于小叶锦鸡儿、糖槭、红皮云杉和樟子松;榆叶梅、小叶锦鸡儿和白桦根系分形维数和分形丰度显著大于红皮云杉和樟子松;榆叶梅、小叶锦鸡儿和糖槭整株根系平均最大垂直拉拔力显著大于白桦、樟子松和红皮云杉。主要受根系总根长、总根表面积和倾斜根数量的影响,榆叶梅、小叶锦鸡儿和糖槭根系表现出较强的固土能力,可作为典型黑土区水土保持植被构建中优先选择的树种。     

Water-use process of two desert shrubs along a precipitation gradient in Horqin Sandy Land

Aims The determination of the source of plant water is an important research on the plant-water relationship in arid and semiarid regions and helps to understand the adaptation strategy of desert species to the dry environment. Plant water use pattern affects plant community composition and ecosystem water budget. This study aims to investigate the water use patterns of Caragana microphylla and Artemisia halodendron, two typical shrub species, under altered rainfall conditions in Horqin Sandy Land. Methods Water treatments include ambient rainfall (natural rainfall), 50% increase in rainfall (enhanced rainfall) and 50% decrease in rainfall (reduced rainfall) by artificially intercepting and redistributing natural rainfall. Stable hydrogen and oxygen isotope ratios (δD and δ¹⁸O) were measured for xylem water, rainfall, and soil water in different soil layers (0-120 cm depth). The possible ranges of potential water sources used by C. microphylla and A. halodendron were calculated using the IsoSource model. Important findings 1) Alteration of ambient rainfall mainly affected the soil water condition in the shallow soil (0-30 cm). Increase in rainfall significantly increased the above- and below-ground biomass, and δ¹⁸O values of soil water declined with soil depth. 2) Under the enhanced rainfall treatment, A. halodendron mainly used the soil water in the shallow soil (0-40 cm) and C. microphylla was able to extract water from multiple soil layers. Under the reduced rainfall treatment, both species increasingly relied on extracting water from deeper soil layers, 60-80 cm for A. halodendron and 60-120 cm for C. microphylla. 3) For the natural rainfall treatment, in the wet season, the upper soil water was recharged by rainfall, C. microphylla and A. halodendron extract the shallow soil water (0-60 cm). However, in the dry season, soil water content was dramatically reduced, and main water sources for C. microphylla shifted from topsoil to deeper soil, and A. halodendron can use multiple layers of soil water. In summary, A. halodendron is more capable of exploring deeper soil moisture under reduced rainfall in comparison with C. microphylla, and is likely to be more adaptive to this water-limiting desert environment.