华北低丘山区栓皮栎生态系统氧同位素日变化及蒸散定量区分

利用稳定同位素技术对华北低丘山区栓皮栎生态系统氧同位素日变化及蒸散定量区分进行研究,为华北低丘山区森林生态系统水汽交换研究提供基础。试验采用离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)连续测定生态系统不同高度水汽浓度和δ18O值,同时采用真空提取和液态水同位素分析仪测定枝条和土壤的δ18O值。结果显示,4个晴天中大气水汽浓度日变化复杂,变化趋势差异大,而δ18O日变化均成高-低-高的"V"型变化,最小值出现在12:00—18:00。Keeling方程在10:00—12:00的相关系数R2均大于0.71,方程达到极显著水平,表明此时段蒸腾速率较高,满足植物蒸腾的同位素稳定态假设。利用Keeling方程估算的栓皮栎生态系统δET值有相似的低-高-低日变化,与大气的δv值变化趋势相反。同位素分割结果显示栓皮栎生态系统中蒸腾占蒸散比例日变化呈现低-高-低的趋势,10:00—14:00蒸腾占蒸散比例达到90%以上,尽管6:00—10:00和14:00—18:00的蒸腾占蒸散比例下降,但平均值仍高达69.38%,表明华北低丘山区栓皮栎生态系统的蒸散主要来源于植物蒸腾。     

土地利用/覆盖变化对中国不同季节气温的影响

近几十年中国地区土地利用/覆盖变化(LUCC)较大,在区域气候模拟中尤其需要使用更加准确的土地利用/覆盖数据。基于模式原有的USGS和新开发的LUC90两种土地利用/覆盖资料,利用区域环境集成模拟系统(RIEMS2.0)分别进行连续10a模拟,分析LUCC对中国不同季节气温的影响。结果表明:1)采用LUC90资料后,中国及东北、华北、华南夏季平均气温增加,但只有东北模拟与观测值的偏差减小,且通过显著性检验(P0.01)。中国及东北、华南冬季平均气温增加,并且模拟与观测值的偏差减少。中国及华北和华南对冬季气温年际变率的模拟改善好于夏季。2)土地利用/覆盖变化通过影响潜热通量的变化和净吸收辐射通量的变化来影响不同季节气温的变化。冬季净辐射通量变化对气温变化的贡献较夏季大,而夏季潜热通量变化对气温变化的贡献较冬季大。雨养农田转变森林、草地、灌溉农田过程造成通量变化,其对气温变化的影响也存在不同分区季节的差异。     

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。     

温带针阔混交林土壤碳氮气体通量的主控因子与耦合关系

中高纬度森林地区由于气候条件变化剧烈,土壤温室气体排放量的估算存在很大的不确定性,并且不同碳氮气体通量的主控因子与耦合关系尚不明确。以长白山温带针阔混交林为研究对象,采用静态箱-气相色谱法连续4a(2005—2009年)测定土壤二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)净交换通量以及温度、水分等相关环境因子。研究结果表明:温带针阔混交林土壤整体上表现为CO2和N2O的排放源和CH4的吸收汇。土壤CH4、CO2和N2O通量的年均值分别为-1.3 kg CH4hm-2a-1、15102.2 kg CO2hm-2a-1和6.13 kg N2O hm-2a-1。土壤CO2通量呈现明显的季节性规律,主要受土壤温度的影响,水分次之;土壤CH4通量的季节变化不明显,与土壤水分显著正相关;土壤N2O通量季节变化与土壤CO2通量相似,与土壤水分、温度显著正相关。土壤CO2通量和CH4通量不存在任何类型的耦合关系,与N2O通量也不存在耦合关系;土壤CH4和N2O通量之间表现为消长型耦合关系。这项研究显示温带针阔混交林土壤碳氮气体通量主要受环境因子驱动,不同气体通量产生与消耗之间存在复杂的耦合关系,下一步研究需要深入探讨环境变化对其耦合关系的影响以及内在的生物驱动机制。     

稳定同位素分析在鸟类食性及营养级结构中的应用

稳定同位素分析(stable isotope analysis,SIA)自20世纪70年代末引入鸟类生态学领域以来,在研究鸟类食性和营养级结构方面展现了强大的发展潜力和广泛的应用前景。总结了该技术在鸟类食源组成和营养级结构方面研究的前期准备、实验流程、数据分析和研究进展等,重点阐述了其在鸟类保护与管理方面的应用。鉴于稳定同位素在生物体内存在分馏现象,从鸟类不同组织和部位对营养级富集因子、转化周期、同位素印记的差异,提出了完善该方法的建议和应用前景。     

贵州山区3种木本植物无机碳利用特性的比较

以生长在喀斯特高原地区玉舍国家森林公园内的成熟银鹊树(Tapiscia sinensis)、白栎(Quercus fabri)和亮叶桦(Betula luminifera)为实验材料,通过对光合作用、叶绿素含量、叶绿素荧光参数、羧化效率(CE)、呼吸速率(Resp)、碳酸酐酶活性(WA)以及稳定碳同位素组成(δ13 C)等指标的测定,分析3种植物不同的无机碳利用特性,为该区生态环境修复选择合适的建群植物种提供依据。结果显示:(1)银鹊树、白栎和亮叶桦分布都较为广泛,银鹊树生长的最佳土壤pH是4.5~5.5,而白栎更倾向于中性到弱酸性土壤,肥沃的酸性土壤则更有益亮叶桦生长;白栎和亮叶桦都能忍受干旱和贫瘠,但是银鹊树不能忍受干旱和高温。(2)银鹊树叶片的Pn、Tr和Gs显著大于白栎和亮叶桦,亮叶桦和白栎的Pn、Tr和Gs分别是银鹊树的69.5%、48.2%、66.7%和28.6%、21.7%、22.2%;亮叶桦叶绿素含量均为银鹊树和白栎的2倍,但3种植物间的WUE则无显著差异。(3)3个树种叶片净光合速率均随着CO2浓度升高呈持续上升的趋势,但它们之间的CO2补偿点和饱和点明显不同。其中,银鹊树和亮叶桦的CO2补偿点均低于50μmol·mol-1,而白栎的则在250~300μmol·mol-1之间;银鹊树的CO2饱和点在1 200μmol·mol-1左右,亮叶桦则在2 300μmol·mol-1左右,而白栎的CO2饱和点明显高于2 300μmol·mol-1。(4)3个树种的CE、Resp和WA均为银鹊树>亮叶桦>白栎;而δ13 C值则以银鹊树最低,亮叶桦和白栎较高。其中,白栎和亮叶桦的CE、Resp、WA分别为银鹊树的5.1%、25.7%、4.0%和45.3%、54.6%、6.8%,且树种间差异显著;白栎和亮叶桦的δ13 C值显著高于银鹊树。研究表明,银鹊树能够吸收大气中的CO2或者在高活性碳酸酐酶作用下转化利用细胞内的HCO3-,它拥有较高的CO2利用能力及无机碳同化效率,因而能够拥有较高的产能;亮叶桦只能获取大气中的CO2作为无机碳源,但它对CO2的利用能力也较高,其产能仅次于银鹊树;白栎同样只能获取大气中的CO2作为无机碳源,同时它对大气中CO2的捕获、利用能力均低于银鹊树和亮叶桦,因而白栎生长非常缓慢,造成其本身对无机碳的需求也最低,所以其产能最低。     

黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量特征

基于2011-2012年黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量通量以及气象数据,对该地区能量平衡各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量)以及波文比进行日、季节动态的特征分析,研究了潜热通量和感热通量对不同强度降雨事件响应程度的差异,并分析了潜热通量和感热通量的主控因子.结果表明:该地区净辐射、感热、潜热和土壤热通量的日、季节动态曲线均为单峰型曲线,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年平均值分别为78.19、33.32、24.91和2.65 W·m-2.在全年能量收支平衡中,感热通量占净辐射的43％,潜热通量占32％,土壤热通量占3％,表明对于黄土高原农牧交错带自然稀疏灌木生态系统,全年能量主要以感热的形式交换.生长季感热和潜热占净辐射的比例相同(36％);而在非生长季,感热占主导,占净辐射的比例高达54％.潜热通量在强、弱降雨事件发生后明显升高,感热通量则明显下降.潜热通量与净辐射、水汽压差及植被参数均显著相关,感热通量与净辐射及空气温度梯度显著相关.     

A new method to measure and calculate light intensity and light quality simultaneously by using portable spectrometer

The influence of light intensity and light quality on plants is highly concerned in the field of plant physiology and ecology. However, the calibrated quantum meter for measurement of light intensity cannot measure light quality, and vice versa. Here we developed an empirical formula to convert light energy to photon flux density, based on the measurement conditions of spectrometer. Under the guide of the formula, a portable spectrometer (AvaSpec-ULS2048×64) was calibrated by using four narrowband light emitting diode (LEDs) in combination with a calibrated quantum meter (LI-190SB). After calibration of the spectrometer, we can calculate photosynthetic photon flux density (PPFD or PAR) and measure spectrum of radiation flux simultaneously. Under natural light conditions, the errors between measured and calculated PPFDs are in the range from -2% to 5%, indicating the reliability of the method. With this new approach, the application of portable spectrometer can be greatly broadened: 1) the light intensity and quality of light source and plant growth light environment can be obtained simultaneously, 2) PPFD can be obtained within any specified wavelength range, and 3) there is no need to use standard light source to obtain the absolute light/radiation flux of a spectrum measured by spectrometer. In conclusion, this method has potential applications for the study of plant physiology and ecology.     

交替灌溉的节水调质机理及同位素技术在作物水分利用研究中的应用

基于节水灌溉技术原理与作物感知缺水的根源信号理论而提出的根系分区交替灌溉,是交替对作物部分根区进行正常的灌溉,其余根区受到适度水分胁迫的灌溉方式。应用同位素示踪技术追溯分根区交替供水条件下土壤-作物系统水分运转途径并揭示其节水调质机理是一个重要的研究方向。本文对根系分区交替灌溉的节水调质效应、节水机理、稳定性氢氧同位素在植物水分运移中的应用以及稳定性碳同位素在植物水分利用效率中的应用研究进展及应用前景作了简要介绍,并对将来需要重点研究的方向作了展望。以期为充分挖掘作物生理节水潜力,大幅度提高作物水分利用效率和实现节水、丰产、优质、高效的综合目标提供有效的调控途径。     

春、秋季节树干温度和液流速度对东北3树种树干表面CO2释放通量的影响

为探明温度与液流速度对树干表面CO2释放通量的影响,采用红外气体分析法(IRGA)原位连续测定白桦、兴安落叶松和水曲柳树干表面CO2释放通量,同时测定树干液流速度及树干温度。3树种树干CO2释放通量和液流速度在昼夜变化和季节变化上有一定规律,春、秋季节树干表面CO2释放通量昼夜动态均呈明显的单峰型曲线,但是峰值出现的时间有所区别: 6月份树干表面CO2释放通量峰值出现在夜间,温度峰值则在白天;9月份树干表面CO2 释放通量和液流速度及树干温度在昼夜间的变化规律总体上呈相同趋势,均为白天升高,晚上降低,呈单峰曲线,峰值基本在中午出现。3树种树干表面CO2释放通量有明显的季节性规律,即6月份的CO2释放通量明显高于9月份。9月份和6月份白桦、兴安落叶松和水曲柳的日平均树干表面CO2释放通量分别为0.82,3.32μmol m-2 s-1;0.74,3.78μmol m-2 s-1和1.98,4.98μmol m-2 s-1;6月份和9月份日平均液流速度分别为2.48,10.02g?cm-2?h-1;4.78,10.71g?cm-2?h-1和2.69-7.93g?cm-2?h-1。树干表面CO2释放通量与树干温度和液流速度相关关系显著,6月份和9月份树干表面CO2释放通量与树干温度均呈正相关;树干表面CO2释放通量与液流速度间的相关关系6月与9月不同,6月份液流速度与树干表面CO2释放通量呈负相关,而9月份呈正相关。实验发现,除落叶松外,同1株树24小时周期内水曲柳和白桦液流上升期和下降期液流速度对树干表面CO2 释放通量的影响不一致,可能是由于上下午之间温度不同,导致树干内部CO2溶解度不同,使上下午树干内部CO2与表面通量的平衡发生改变,这种改变存在种间差异,表明温度和液流的共同作用影响树干CO2释放通量。水曲柳月份间树干表面CO2释放通量的差异受液流速度影响较大,白桦和兴安落叶松树干表面CO2释放通量的月份间变化则是液流速度和温度的共同作用的结果。我们的结论是,温度是影响树干呼吸速率的关键因子,但树干呼吸产生的CO2向大气的释放也同时受树干液流速度的影响。温度与液流对春秋季节3树种树干表面CO2释放通量的影响有所不同。