北京土石山区水分在土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的稳定同位素特征

氢氧稳定同位素是广泛存在于自然界水体中的环境同位素,其在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程及植物用水机制.本研究在北京山区选取了两种主要的绿化树种——常绿针叶林侧柏和落叶阔叶林栓皮栎为研究对象,通过对降水、土壤水、泉水、植物茎干水和叶片水同位素的变化特征进行分析,讨论了水分在大气-土壤-植物连续体中的运动过程.结果表明: 研究区大气降水线方程为δD=7.17δ¹⁸O+1.45(R²=0.93), 土壤蒸发线方程为δD=3.85δ¹⁸O-38.02(R²=0.76), 降水入渗补给土壤水的过程中存在一定程度的蒸发分馏.在不同季节,降水、土壤水和泉水δD和δ¹⁸O值变化规律不同;雨季,δD和δ¹⁸O平均值大小为降水>地下水>土壤水,降水和土壤水共同补充地下水;旱季,δD和δ¹⁸O值大小排序为降水> 土壤水>地下水,降水和地下水都对土壤水有贡献.侧柏和栓皮栎年内茎干水分δD和δ¹⁸O的拟合线性方程分别为δD=5.03δ¹⁸O-30.78 和δD=3.0δ¹⁸O-48.92,栓皮栎利用的土壤水分相对于侧柏更加富集,其水分来源深度更浅.栓皮栎叶片水分同位素变化特征相对于侧柏对大气微环境的反应更加敏感,且其叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强,但是它们对环境条件的变化反应一致.     

宁夏盐池不同坡位旱地紫苜蓿水分来源

紫苜蓿(Medicago sativa)是一种经济和生态价值较高的优良牧草, 但其耗水量大, 在西北半干旱地区仅靠天然降水难以满足紫苜蓿的正常生长发育。宁夏盐池北部地处毛乌素沙地南缘, 地下水埋深较浅, 地下水有可能成为紫苜蓿的潜在水源, 弥补天然降水的不足。本试验在地势平坦的缓坡丘陵梁地和丘间低地, 选择8年生旱地紫苜蓿试验地作为研究对象, 采用稳定同位素技术, 研究了不同海拔的4个坡位(海拔自低到高分别为: 坡1、坡2、坡3和坡4)紫苜蓿的水分来源及其生长生理表现。结果表明: 坡位对0-300 cm土壤剖面含水量有显著影响, 海拔最低的坡1土壤含水量最高。土壤水和植物茎秆水δ ¹⁸O-δD坐标点大部分位于中国西北地区地方大气降水线(LMWL)的右侧, 说明植物利用的水源氢氧同位素组成受到蒸发的影响而发生了富集作用。0-450 cm土壤剖面水δ ¹⁸O值随着海拔高度的增加而增大。同一坡位土壤水δ ¹⁸O值随着土壤深度的增加逐渐下降。深层土壤水δ ¹⁸O值与地下水δ ¹⁸O相近, 说明地下水通过土壤毛细管上升而补充其上层土壤水分。0-40 cm土壤水δ ¹⁸O值随季节波动较大, 270 cm以下土壤水δ ¹⁸O值较为稳定。4、7、8月份坡1紫苜蓿茎秆水δ ¹⁸O值显著低于其他3个坡位(p < 0.001)。在4、6、7三个月, 坡位1紫苜蓿对深层土壤水(270 cm以下)的利用率最高。而在8月份, 坡1、坡3、坡4紫苜蓿主要利用150-270 cm、270-450 cm土层土壤水以及地下水, 坡2对表层(0-20 cm)土壤水利用率最高。坡1紫苜蓿的产量、整株Δ ¹³C值及气孔导度显著高于其他3个坡位。本研究表明: 在平均年降水量只有280 mm的西北半干旱地区种植旱地紫苜蓿要尽量选择地势较低的滩地, 使其能够利用到埋深较浅地下水, 以满足植物生长发育的需要并取得较好的生态和经济效益。     

基于机器语言的岷江上游流域表层土壤氢氧稳定同位素空间分布模拟

为了探明利用机器学习方法对表层土壤氢氧稳定同位素组成(δ²H和δ¹⁸O)进行空间模拟的可行性,揭示δ²H和δ¹⁸O在岷江上游流域的大尺度分布变化规律,本研究在该区域共采集183个0~10 cm土层样本进行氢氧稳定同位素分析。通过变量筛选后,分别采用反向传播(BP)神经网络、随机森林(RF)和支持向量机(SVM)建立研究区浅层土壤δ²H和δ¹⁸O的模型并进行精度评价,通过结构方程模型(SEM)揭示各辅助变量与土壤水δ²H和δ¹⁸O之间的机理过程。结果表明: RF模型的预测精度最高,可分别解释研究区表层土壤δ²H和δ¹⁸O变异的75.0%和64.0%。在该模型中,土壤体积含水量是最重要的辅助变量,对δ²H和δ¹⁸O的贡献率分别达到48.9%和37.4%。植被因子对表层土壤δ²H和δ¹⁸O的影响比气候因子大,且气候因子对δ²H和δ¹⁸O的影响过程受到植被因子的干扰。在所有辅助变量中,降水氢氧同位素由于分馏作用对δ²H和δ¹⁸O的影响最小。该区域表层土壤δ²H和δ¹⁸O在生长季各月的变化显著,在生长季初期和末期主要受植被的影响分别呈大幅度上升和下降趋势,而气候变化则导致生长季中期小幅波动。     

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...     

基于较大降水事件的人工固沙植被区植物水分来源分析

水分是干旱、半干旱地区植物生长最主要的限制因子.为了探究较大降水事件后两种常见人工固沙植物柠条与油蒿的水分来源差异,分析降水、土壤水、地下水和植物茎水的氢氧稳定同位素特征,并采用直接对比法和多元线性混合模型对植物水分来源进行分析.结果表明: 沙坡头地区大气降水线方程为δD=7.83δ¹⁸O+5.64(R²=0.91).降水δ¹⁸O值的变化范围较大,具有明显的季节变化规律;生长季前期与后期δ¹⁸O值相对较高,生长旺盛期δ¹⁸O处于较低水平.浅层土壤水δ¹⁸O值变化范围较大,随土层深度的增加,土壤水δ¹⁸O值变幅减小且呈减小趋势.在降水后第一天,柠条和油蒿分别对40～80与20～60 cm土层土壤水利用比例较高,利用比率分别为56.1%和56.4%.降水一周后,柠条与油蒿都不同程度地增加了对浅层土壤水的利用比例.柠条和油蒿对0～40和0～20 cm土层土壤水分利用率分别增加了12.5%和10%.表明在较大降水事件后,柠条和油蒿会通过调整水分利用策略来积极适应干旱环境.     

黄河三角洲降水同位素变化特征及水汽来源

为揭示黄河三角洲盐碱地地区的降水来源、形成及影响机制,利用降水稳定同位素,特别是δ¹⁷O、¹⁷O-excess,以及气团轨迹模型HYSPLIT,研究黄河三角洲东营地区5—10月不同时间尺度及降水强度[(<5、5～10、10～25、25～50、>50 mm·d^-1)]的降水同位素变化特征及水汽来源。结果表明：5—10月降水同位素的变化范围较大,旱季降水的同位素变化范围小于雨季,且比雨季富集。降水强度<5 mm·d^-1的降水,δ′¹⁸O[δ′¹⁸O=ln(δ¹⁸O+1)]与δ′¹⁷O[δ′¹⁷O=ln(δ¹⁷O+1)]的降水线斜率最小,为0.5211,降水易受水汽源地蒸发作用的影响;10 mm·d^-1≤降水强度<25 mm·d^-1时,斜率最大,为0.5268。对于0～50 mm·d^-1...     

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。     

基于同位素技术的蒸散组分区分采样方案优化研究

采集2021年生长季和非生长季新安江源区常绿针叶林土壤-植物-大气多源水样进行氢氧稳定同位素测试,分析不同来源水分同位素组成(δ¹⁸O和δ²H)的差异及变化特征,评估不同季节多水源采样方案(植物不同部位、土壤不同深度)对蒸散发组分区分的影响程度,进而优化我国南方湿润区森林生态系统蒸散组分区分的氢氧稳定同位素采样方案。结果显示：多源水δ¹⁸O和δ²H在土壤-植物的水分传输过程中逐渐富集,非生长季较生长季更为富集。植物各部位水分的动力学分馏强度随着同位素不断富集而逐渐增大。河道水与山泉水同位素组成分布较为接近,大气水汽相较于其他水源明显最为贫化。土壤水同位素组成垂向分布主要呈现三种不同的规律：随深度增加而减小、先增大后减小或先减小后增大。浅层土壤水同位素组成变化范围大于深层土壤水,拐点位于50—90 cm。由植物各部位与土壤的水同位素组成分布特征及其差异可知符合同位素稳态假设的杉木最佳取样部位为韧皮部。比较基于不同深度土壤蒸发水汽同位素组成δ_E计算得出的T/ET(蒸腾与蒸散发比率)...     

科尔沁沙地南缘主要固沙植物旱季水分来源

探讨固沙植物水分来源以及物种间水分利用关系对揭示植物共存机理和固沙植被稳定机制具有重要意义.本研究选取科尔沁沙地南缘两种典型生境(固定沙丘和丘间低地)共12种固沙植物,通过测定植物水、同期降水、地下水和土壤水的稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O),利用IsoSource模型计算植物对不同深度土壤水的利用比例,初步阐明半干旱沙区主要固沙植物旱季水分来源以及物种间的水分利用关系.结果表明:两种生境中不同生活型固沙植物水δD和δ¹⁸O差异显著,但丘间低地乔木和灌木差异不显著.在丘间低地从乔木到草本水分来源逐渐变浅,乔木和灌木主要利用50～150 cm或30～50 cm土壤水,半灌木主要利用10～30 cm土壤水,草本主要利用0～10 cm土壤水;固定沙丘灌木主要利用0～30 cm土壤水,半灌木则主要利用50 cm附近土壤水.表明旱季固定沙丘植物比丘间低地植物更依赖0～50 cm土壤水.固沙植物水分来源与植物生活型、根系分布范围有关,其中根系分布范围影响可能更大.     

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。     

脱甲河氢氧同位素组分时空分布特征及其影响因素

河水氢氧稳定同位素特征是研究水体转化和示踪水循环过程的重要内容.为研究河水氢氧稳定同位素特征,揭示河水补给来源,于2017年4—8月对亚热带农业小流域脱甲河4级河段(S_1、S_2、S_3和S_4)水体氢(D)、氧(¹⁸O)稳定同位素进行了监测,分析其时空动态特征和过量氘(d-excess)的变化规律,并探讨了它们与降水、高程和水质等影响因子的相关关系.结果表明:δD、δ¹⁸O和d-excess的变化范围分别在-43.17‰^-26.43‰(-35.50‰±5.44‰)、-7.94‰^-5.70‰(-6.86‰±0.74‰)和16.77‰~23.49‰(19.39‰±1.95‰).受季风环流的影响,δD和δ¹⁸O具有明显的季节变化特征,即春季(δD和δ¹⁸O为-29.88‰±3.31‰和-6.18‰±0.57‰)>夏季(δD和δ¹⁸O为-39.25‰±2.65‰和-7.32‰±0.42‰);空间上,δD和δ¹⁸O表现出明显的沿程变化,随着采样点的位置到河流源头的距离波动增加,δD为S_118O为S_118O与水温呈显著负相关(δD:r=-0.92;δ¹⁸O:r=-0.88);δ¹⁸O与海拔呈显著负相关(r=-0.96);在空间上,δ¹⁸O与水温呈显著正相关(r=0.98);δD和δ¹⁸O与降水量呈不显著负相关.     

内蒙古草原巴拉格尔河流域不同水体转化特征及环境驱动因素

内蒙古高原草原流域是我国内陆重要的生态屏障,水资源演化对该区域社会经济发展和生态环境保护具有重要意义.本研究选取巴拉格尔河流域为对象,于2018-2019年丰、枯水期采集降水、河水、浅层地下水共254份水样,测定其物理化学指标、δD和δ18O,运用同位素技术、数理统计和反距离权重法分析不同水体中稳定同位素的组成关系、时...     

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...     

江苏高邮大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

为了研究江苏高邮局地水循环特征,应对气候变化和减缓洪涝灾害.本研究采集江苏高邮自2015年7月—2017年10月的121个大气降水样品及环境因子数据,分析该区大气降水氢氧同位素特征,揭示不同季节水汽来源及影响因素.结果表明: 大气降水δD(δ¹⁸O)季节变化明显,冬半年偏正,夏半年偏负;过量氘值亦呈现冬高夏低;年尺度上,大气降水中δD(δ¹⁸O)与温度和降水量皆为负相关关系,呈现“反温度效应”和“降水量效应”;季节尺度上,均未呈现出“温度效应”,秋冬两季呈现出“降水量效应”;HYSPLIT气团轨迹模型结果进一步表明,江苏高邮夏季水汽主要来源于我国南海、印度洋及太平洋,而春、秋、冬季水汽主要来源于亚欧大陆、大西洋、北冰洋水汽混合及局地蒸发.大气降水δD(δ¹⁸O)值的季节变化主要受到季风活动以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响,降水中氢氧同位素值清晰地记录了厄尔尼诺向拉尼拉之间的过渡.     

陕北黄土区大气降水同位素特征及其水汽来源

为探究陕北黄土区大气降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源,以陕西省定边县为研究区,于2018—2020年共收集107次降水事件样品,分析了该区降水中δ¹⁸O和δ²H组成特征,并探讨了不同季节的水汽来源。结果表明: 定边氢氧稳定同位素存在明显的季节变化,湿季(6—9月)偏贫化,干季(4—5月、10—11月)偏富集;氘盈余呈现干季高湿季低的特点。当地大气降水线方程为δ²H=7.35δ¹⁸O+4.19 (R²=0.96, P<0.01),斜率和截距均小于全球大气降水线,表明该区域降水受到一定程度的蒸发分馏影响。全年降水同位素组成表现出温度效应,而湿季和干季差异较大,仅干季存在温度效应,湿季降水同位素组成可能受温度和降水量的共同影响。HYSPLIT气团轨迹模型表明,干季水汽主要来自大西洋和极地北冰洋地区,而湿季降水主要来自印度洋和太平洋,同时受到西风带的影响。     

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...     

四川裂腹鱼耳石碳、氧稳定同位素特征

为探讨耳石碳(δ¹³C)、氧(δ¹⁸O)稳定同位素在淡水鱼类群体识别中的作用,本研究以养殖条件下不同年龄组四川裂腹鱼为对象,采用稳定同位素质谱仪进行碳、氧同位素测定,揭示耳石中碳、氧稳定同位素特征,探讨其与环境间的关系. 结果表明:1⁺龄四川裂腹鱼δ¹³C和δ¹⁸O值均与耳石质量无显著相关关系,但在微耳石和星耳石之间存在显著差异;不同年龄四川裂腹鱼微耳石δ¹³C和δ¹⁸O平均值分别为(-9.58±0.06)‰、(-8.33±0.17)‰,其在雌雄个体之间均无显著性差异,但在不同年龄组间存在显著差异. 耳石δ¹⁸O和δ¹³C的关联分析能有效区分四川裂腹鱼不同养殖年龄群体,可作为一种识别淡水鱼类养殖群体的手段.     

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.