不同时间尺度喀斯特小流域溪流水文水化学特征

通过野外定位监测和室内测试分析,研究了典型喀斯特峰丛洼地小流域2013年6月—2014年3月期间溪流不同时间尺度(昼夜、次降雨、季节)主要水文水化学指标的动态变化特征及其影响因素.结果表明: 日尺度无雨条件下,溪流水化学过程表现出明显的波动规律,植物光合作用和呼吸作用在昼夜间的相互转换是导致这种变化的主要原因;次降雨尺度下,溪流水文水化学过程的日尺度效应被掩盖,水文水化学过程主要受控于前期无雨天数和降雨强度;从季节尺度看,溪流对降雨表现出较快的响应,雨季响应快于旱季,降雨季节分配差异和温度是影响溪流水文水化学变化的主要因素.     

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.     

土层浅薄地区植物水分来源研究方法

植物水分来源取决于环境中有效水的分布及植物获取水分的能力.旱季,土层浅薄地区土壤水无法满足植物生长的需要,植物能否利用风化基岩层水分是其能否维持正常水分消耗的关键.本文综述了4种土层浅薄地区植物水分来源的研究方法,包括调查和分析植物根系生长与分布特征、监测地表以下各层次水分变化、监测并分析植物体水分指标季节变化以及运用稳定同位素技术区分植物水分来源,并进一步分析了各种方法的优势和局限性及其在我国西南喀斯特地区植物水分来源研究中的应用前景.     

喀斯特出露基岩生境两种典型乔木的树干液流特征

以西南喀斯特地区常见的出露基岩生境为研究对象,应用TDP热扩散探针技术,分析2种典型乔木菜豆树和圆叶乌桕的树干液流特征.结果表明: 2树种树干液流对干、湿季均有明显响应;同为落叶乔木,菜豆树(约1个月)无液流特征的时长远小于圆叶乌桕(约4个月);圆叶乌桕单位胸高断面积年总蒸腾耗水量高于菜豆树,生长季内(4—9月) 2树种单位胸高断面积耗水量分别约占全年的90%和66%;2树种液流密度与光合有效辐射、水汽压亏缺、温度均呈极显著正相关,与相对湿度呈极显著负相关;2树种生长季内液流密度、日蒸腾耗水不仅小于同处于亚热带季风区的非喀斯特地区,而且小于邻近的喀斯特地区,甚至低于降水稀少的干旱地区典型树种同一参数的值.喀斯特出露基岩生境2种典型植物的蒸腾耗水量因特殊的水分环境而受到限制,同为落叶乔木却对应着不同的水分利用策略.     

基于控水试验的喀斯特出露基岩生境植物水分来源分析

裂隙发育的喀斯特出露基岩生境,虽无土层覆盖却能维持不同生活型植物的水分消耗.然而目前对该类生境植物的水分来源缺乏清晰认识.本研究以植物潜在水分来源相对简单的孤立出露基岩为例,聚焦遮雨(即剔除雨水对浅层水源的补给)1年后仍然生长旺盛的代表性植物种,同时以无遮雨处理样地(即始终接受降雨补给)的同种植物为对照,运用稳定性氢氧同位素技术,结合对植物水势的测定,综合分析了3种典型植物(落叶乔木菜豆树、落叶乔木紫弹树、常绿灌木四子海桐)的水分来源.结果表明: 在降水充沛的雨季,遮雨条件下3种植物均依赖与泉水同位素比率相近的深层水源,这是植物在遮雨1年后仍能正常生长的根本原因;遮雨菜豆树和四子海桐凌晨水势与自然植株无显著差异,表明植物未受水分胁迫,而紫弹树凌晨水势显著低于自然植株,表明其受一定程度的水分胁迫;自然条件下,3种植物茎水同位素比率均显著低于遮雨植株,且处于近期雨水同位素比率波动范围内,表明植物均依赖受近期雨水主导的浅层水源.遮雨和自然条件下,四子海桐正午水势与凌晨水势始终无明显差异,表现出较为保守的水分利用策略;另外2种植物正午水势显著低于凌晨水势,属于偏挥霍型水分利用策略.具备利用浅层和深层水源的能力是喀斯特无土覆盖出露基岩生境植物适应不同水分环境和维持多样化水分利用策略的关键.     

基于氢氧同位素的不同木材密度植物茎水最短抽提时间

植物-水分关系是生态水文过程的重要环节,稳定同位素技术的应用极大地扩充了该领域的研究范围,提高了研究精度。但因植物样品的水分抽提费时费力,限制了该技术的应用。本研究以植物茎水抽提为例,采用低温真空蒸馏法,通过分析相同质量不同植物样品在同一时间梯度下水分提取率及基于同位素值的水分抽提时间曲线的变化特征,揭示不同植物茎水的最短抽提时间,并建立最短抽提时间与植物木材密度的相关关系。结果表明,目标植物盐肤木、红背山麻杆和火棘的木材密度分别为0.35、0.55和0.67 g·cm-3;质量基本相同(约3 g)的3种植物样品的水分提取率在45 min左右均接近100%;由于水分收集的滞后性,基于同位素值的最短抽提时间分别为不小于45、60和60 min,并随木材密度增大而延长。研究结果指示着建立木材密度与植物茎水最短抽提时间曲线的可能,能有效提高抽提效率。     

石灰岩地区连片出露石丛生境植物水分来源的季节性差异

以桂西北石灰岩地区连片出露石丛生境次生林群落为研究对象, 运用稳定性氢氧同位素技术结合IsoSource模型, 分析了5种典型植物(半落叶乔木粉苹婆(Sterculia euosma)、落叶乔木菜豆树(Radermachera sinica)、常绿灌木鹅掌柴(Schefflera octophylla)以及落叶灌木红背山麻杆(Alchornea trewioides)和紫弹树(Celtis biondii))水分来源的季节性差异。结果表明: 雨季, 除鹅掌柴同时利用部分前期雨水外, 其余4种植物均主要利用最近15天内的雨水(利用比例的平均值之和均超过80%)。旱季, 5种植物均主要利用最近一次雨水与前期雨水(一个月前)的混合(利用比例的平均值之和均超过80%), 其中乔木和常绿灌木对前期雨水的利用比例更高(利用比例的平均值均超过50%)。植被良好的石灰岩连片出露石丛生境中, 植物主要以不同时期的雨水为主要水源, 这可能与石灰岩发育的裂隙及其储水能力有关。储存在裂隙中的雨水通过植物蒸腾的方式返回大气, 这一良好的水文循环过程应得到充分的保护。     

桂西北喀斯特坡地土壤137Cs的剖面分布特征及其指示意义

分析了¹³⁷Cs及土壤有机碳（SOC）在桂西北典型峰丛坡地及岩溶裂隙中的剖面分布特征,探讨了¹³⁷Cs方法在喀斯特坡地的适用性及其指示的坡面土壤侵蚀特征.结果表明：所有剖面¹³⁷Cs与SOC均显著相关,两者可能有相同的流失途径;次生林坡地¹³⁷Cs主体分布深度在24 cm以内,中上及中坡剖面随深度呈指数递减分布,地表无侵蚀或侵蚀轻微,坡脚剖面呈较严重侵蚀形态;坡耕地剖面¹³⁷Cs在耕层内均匀分布,中上坡及中坡主体分布深度在15 cm左右,面积活度远低于背景值,土壤侵蚀剧烈,坡脚分布深度至45 cm,呈堆积形态;次生林坡脚剖面、耕地中上坡剖面及所有裂隙剖面,¹³⁷Cs在主体分布深度以下有断续极微量的分布,指示了喀斯特坡地土壤颗粒有随降雨沿地表负地形向地下流失的趋势,但流失量轻微.     

喀斯特坡面表层土壤含水量、容重和饱和导水率的空间变异特征

表层土壤水分物理性质对深层土壤水分的动态变化具有重要的作用,研究其空间变化特征有助于深入理解坡地降雨入渗及产流规律,实现土壤水资源的合理利用.基于网格(10m×10 m)取样,用地统计学方法研究了桂西北喀斯特地区典型灌丛坡地90 m×120 m(投影长)表层(0~10 cm)土壤含水量、容重和饱和导水率的空间变异特征.结果表明:研究区土壤含水量、容重和饱和导水率均具有明显的空间依赖性和空间结构.土壤水分含量半变异函数用高斯模型模拟较好,土壤容重与饱和导水率用指数模型拟合较好.土壤含水量表现为强烈的空间自相关性,土壤容重和导水率表现为中等的空间自相关性.土壤含水量与饱和导水率空间连续性的尺度范围较小,而土壤容重空间连续性的尺度范围较大.总体上土壤含水量沿坡向下呈递增趋势,土壤容重呈递减趋势,而土壤饱和导水率沿坡面没有明显变化规律,斑块小而多,表现为高异质性.土壤含水量与土壤容重、饱和导水率均呈极显著负相关,而土壤容重与饱和导水率之间没有明显的相关性.     

桂西北喀斯特地区菜豆树和红背山麻杆旱、雨季光合特性比较

利用Li-6400光合测定系统测定了2009年雨季(6—8月)和旱季(10—12月)桂西北喀斯特地区菜豆树、红背山麻杆叶片气体交换特征,并分析了2种植物光合速率(Pn)与叶氮及叶绿素含量的相互关系。结果表明:2种植物旱、雨季叶片Pn、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)日变化均为单峰曲线,水分利用效率(WUE)日变化规律不明显;旱季叶片Pn、Tr、Gs均低于雨季(P0.01),WUE高于雨季(P0.01),叶氮含量及叶绿素含量旱季低于雨季(P0.05),这与植物通过降低Gs限制蒸腾,提高WUE来适应较为恶劣的环境有关;在同一季节,红背山麻杆Pn、WUE、叶氮及叶绿素含量均高于菜豆树(P0.05),具有更强的光合及水分利用能力,在喀斯特生境中更有竞争优势;2种植物在相同季节及同种植物在不同季节Pn与各环境因子的相关系数不同,光辐射强度(PAR)是影响Pn的主导因素。