黄土塬区苹果园降雨入渗机制

选取长武黄土塬区20年树龄苹果园,使用4 g·L^-1亮蓝溶液(Brilliant Blue FCF)进行染色示踪试验,分别采用喷洒、倾倒和树干径流模拟3种方式模拟雨量为50 mm的正常降雨入渗、雨量为50 mm的极端性暴雨入渗和树干径流方式的雨水入渗(18 L树干径流量).结果表明: 喷洒方式下染色平均深度为0.28 m,深度较浅,均匀入渗比平均值超过0.65,中位数超过0.7,说明水分入渗过程中均匀部分所占比重较大,活塞流是黄土塬区苹果园降雨入渗的主要机制;倾倒方式下染色平均深度为0.53 m,最大深度为0.59 m,深度较浅,表明在极端暴雨、激活大孔隙等优先路径的条件下,雨水很难短时间补给深层土壤水;树干径流模拟方式下染色最大深度为0.46 m,深度也较浅,表明雨水较难通过树干径流的方式沿着根系补给深层土壤水.活根系与腐烂根系染色比较分析发现,活根系(≥2 mm)不具有良好的导水能力,而腐烂根系(≥2 mm)形成的入渗通道则具有更好的导水能力.在土壤表层果树根系以水平根系为主,当表层根系腐烂时可能发生横向优先流,从而阻碍雨水对深层土壤水的补给.在黄土塬区苹果园,活塞流是深层土壤水降雨补给的主要机制,大孔隙和腐烂垂直根系等通道可能作为雨水补给深层土壤水的途径.     

鄱阳湖湿地土壤水稳定同位素变化特征

土壤水稳定同位素组成的时空变化反映了区域降水与前期水分的混合及蒸散发过程。2013年7-9月对鄱阳湖湿地保护区3个断面不同土地覆盖下0-2 m剖面土壤水进行分层采样,以及采集修水和贛江的河水,测定其氢、氧稳定同位素,分析土壤水稳定同位素沿土壤剖面的变化规律、土壤水运动机制及其主要补给来源。研究结果表明,鄱阳湖采样区3个断面土壤水同位素δ~(18)O值变化范围-10.63‰—-1.17‰,其中7月份的土壤水δ~(18)O均值最小,8、9月份土壤水δ~(18)O均值相对较大。表层(0-60 cm)土壤水同位素富集可能因为蒸发作用,深层土壤水同位素组成变化因降水入渗与前期水分混合作用。不同土地覆盖表层土壤水同位素变化较大,随着深度的增加,同位素变化减少。从水分溯源上,断面一的土壤水同位素组成主要受降水的影响,断面二的土壤水同位素组成主要受赣江和降水的影响,而断面三则主要受鄱阳湖水体和降水的影响。研究结果可为鄱阳湖区域地下水资源的评价提供参考     

陕北黄土区深剖面不同土地利用方式下土壤水氢氧稳定同位素特征

研究不同利用方式下的土壤水分稳定同位素组成有助于理解土壤水分运动过程,且可以分析土地利用变化的水文效应.本研究采集陕北黄土区4种土地利用方式(农地、草地、沙柳和杨树)下>15 m深的土样,测定土壤水的氢氧稳定同位素组成,探究土壤水分运动机制并分析土地利用方式的影响.结果表明: 4种土地利用方式下土壤水氢氧稳定同位素组成特征具有显著差异.农地、草地、沙柳地和杨树地土壤水δD分别在-81.1‰～-60.1‰、-91.2‰～-61.0‰、-87.4‰～-63.6‰和-73.5‰～-62.2‰,δ¹⁸O分别在-11.2‰～-7.6‰、-12.6‰～-8.2‰、-11.5‰～-8.1‰和-9.9‰～-7.7‰.土壤水氢氧稳定同位素垂直分布均呈波动变化:浅层(活跃层,0～3 m)土壤水氢氧稳定同位素变化剧烈,δD值分别在-80.2‰～-61.8‰、-75.9‰～-65.5‰、-76.0‰～-63.6‰和-73.5‰～-62.2‰;中层(3～12 m)农地和草地氢氧稳定同位素剖面呈抛物线型,而沙柳地和杨树地相对稳定;但深层(12 m以下)土壤水氢氧稳定同位素值基本稳定,δD值分别在-80.8‰～-71.5‰、-83.0‰～-67.5‰、-87.4‰～-76.0‰和-67.5‰～-64.3‰.4个样地土壤水氢氧稳定同位素值在浅层和深层土壤均无明显差异,而在中层差异较大.土壤水分主要来自降水.活塞流可能是土壤水分运动的主导方式.不同样地土壤水可能接受不同强度降水的补给,农地和草地也可被强度小的降水事件补给,而沙柳地和杨树地可能主要接受夏秋季暴雨补给.     

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.     

青海湖沙柳河流域土壤水氢氧稳定同位素组成空间变化特征

土壤水氢氧同位素组成的空间变化特征, 对于水循环以及不同水体之间相互关系的研究具有重要意义。以青海湖沙柳河流域为研究对象, 基于该流域2018—2019年7、8月土壤水氢氧稳定同位素组成(δ2H、δ18O)数据, 借助ARcGIS空间插值方法, 对土壤水δ2H和δ18O空间变化特征进行了研究。结果表明: 青海湖沙柳河流域2018—2019年7、8月土壤水δ2H和δ18O的变化范围为–126.53‰— –16.13‰和–16.48‰— –1.26‰。研究期内0—30 cm土壤水δ2H和δ18O平均值的土壤水线分别为: SWL2018.07 (δ2H=5.83δ18O–8.36, R2=0.93)、SWL2018.08 (δ2H=6.28δ18O–8.35, R2=0.93)、SWL2019.07 (δ2H=6.53δ18O–5.70, R2=0.94)、SWL2019.08 (δ2H=6.86δ18O–1.37, R2=0.92)。整体上SWL的斜率随深度的变化整体上呈现先增大后减小的趋势, 截距则表现出随着深度增加逐渐增大的特点, 2019年8月SWL的斜率表现为随着深度增加而逐渐减小, 截距的变化差距不大。大气降水是土壤水的重要来源, 蒸发富集作用导致不同深度SWL斜率小于局部大气降水线(LWML)斜率。空间分布上, 青海湖沙柳河流域土壤水稳定氢氧同位素的海拔效应并不明显, 但它还是受到了局地蒸发强度、地形地势、植被盖度等的影响, 在流域面上呈现出斑块状分区。研究结果可为进一步研究流域水分循环, 土壤水补给机制等提供数据支撑和理论参考。     

亚热带季风区典型土壤-植物-大气连续体中水体平均滞留时间

平均滞留时间(MTT)在水循环过程中具有重要的指示意义，但目前对亚热带季风区典型土壤-植物-大气连续体(SPAC)中不同水体的MTT仍缺乏了解。本研究以长沙市郊区的樟树林为研究对象，基于稳定同位素技术并利用线性混合模型和正弦波拟合法计算2017年3月—2019年10月不同深度土壤水、枝条水和叶片水的MTT。结果表明：SPAC中不同水体稳定同位素呈现夏季贫化、冬季富集的季节变化模式；土壤水δ²H随深度增加而偏负，枝条水δ²H与土壤水接近，但叶片水δ²H偏正且变化范围较大。线性混合模型显示，土壤水和植物水MTT的较低值出现在6—9月，较高值常出现在1月前后和4—5月；降水补给比例与MTT呈显著的负相关关系，大多数时段土壤水MTT随深度增加而增加，但优先流也可增加深层土壤水的补给比例，从而降低MTT;枝条水和叶片水的MTT平均值接近。正弦波拟合法显示，随土壤深度增加，土壤水新水比例(F_yw)逐渐降低，而MTT逐渐增加；枝条水的F_yw和MTT分别低于和高于叶片水。线性混合模型与正弦波拟...     

半干旱黄土丘陵区撂荒坡地土壤水分循环特征

为深入了解半干旱黄土丘陵区土壤水分循环特征和为开展荒地造林工作提供背景数据,在宁南上黄生态试验站,选取典型多年撂荒坡地,进行土壤水分的长期定位观测,分析其土壤水分补给、消耗特征与时空变异性。结果表明:研究区降雨入渗量和入渗深度随降雨量增加而增加,入渗补给系数约为0.44,雨水资源化率有待提高。定义全年一半以上的次降水事件中能被有效补给的土层深度为降水普遍入渗深度,则研究区降水普遍入渗深度为0—40 cm,观测期内最大入渗深度不超过300 cm。同时,土壤水分的蒸散发量在丰水年平水年干旱年,主要蒸散发作用层位于0—200 cm土层范围内,最大蒸散发深度达到300 cm以下。该区土壤储水量的季节变化为"V"型,剖面土壤平均含水量的垂直变异则呈现反"S"型。土壤水分的变异系数随土层深度的增加表现出幂函数递减趋势,结合有序聚类法的分层结果,可采用0.20和0.05两个CV值将撂荒地土壤剖面划分为水分活跃层(0—40 cm)、次活跃层(40—200 cm)和相对稳定层(200 cm以下)3个层次。     

黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征

利用长期定位监测数据,对陕西省长武黄土塬区裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地下0—15 m黄土剖面土壤水分环境进行了研究。结果表明,不同土地利用方式下,干湿交替层内土壤水分具有明显季节性波动变化特征,但其深度范围有别。裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地分别约为0—5 m,0—4 m,0—2 m和0—3.5 m。干湿交替层以下深层土壤水分状况主要受土地利用方式的影响,其影响大小依次为苜蓿草地苹果林地高产农田裸地,各土地利用方式下表现出不同的时间变化特征。黄土塬区土壤水量平衡计算中土层厚度大小的确定非常重要,这不仅与土地利用方式相关,也与林草植被的生长阶段相联。裸地和高产农田土层厚度选择不宜小于5 m和4 m;未形成深厚稳定土壤干层的苜蓿草地和苹果林地,土层厚度选择不宜小于15 m和10 m;对于已经形成稳定土壤干层的林草地来说,进行年尺度的水量平衡分析时,其计算深度可取降水入渗深度。研究可从土壤水资源的保持及利用的角度上服务于黄土塬区旱作农业的持续发展和土地利用方式的优化配置。     

黄土区小流域植被类型对沟坡地土壤水分循环的影响

沟坡作为黄土丘陵区小流域水土流失最为活跃的区域,探究不同下垫面植被类型下的土壤水分循环特征对于沟坡地植被恢复具有重要意义。基于氢氧同位素示踪技术,通过野外水样采集和室内同位素分析旨在揭示植被类型对沟坡地土壤水分循环的影响机制。结果表明:(1)各水体氢氧同位素均遵循:降水>刺槐林地土壤水>草地土壤水>地表水>地下水,降水的变异系数最大,地表水和地下水的变异系数较小。(2)草地土壤水主要以降水补给为主,所占比例为59.12%,刺槐林地土壤水则以深层土壤水的上升补给为主,所占比例为60.97%。短阵性暴雨条件下,草地土壤水运移速率较刺槐林地高约1 cm/d,且主要发生在0—50 cm土层。(3)土壤水的垂向运移为地下水的主要补给形式,草地土壤水对地下水的补给比例为51.64%,约比刺槐林地高0.52%。表明植被类型对土壤水分循环特征具有一定的影响,刺槐林对深层土壤水分利用强度较大,可能加剧深层土壤干层化,而草地更有利于降水入渗以及地下水补给,该研究可为小流域沟坡的生态修复和综合治理提供科学依据。     

城市绿地系统内外CO2浓度、δ13C、δ18O差异和来源及影响因素

采用离轴积分腔输出光谱技术测定夏季和冬季北京市4环路和北京园林科学研究院绿地系统空气中CO₂浓度、δ¹³C和δ¹⁸O值,在半小时尺度上分析了其变化特征和差异以及与车流量和气象因子的关联.结果表明： 4环路上车流量较大,夏季和冬季观测期间每日均超过15万辆次,有明显的早晚交通高峰.4环路与绿地系统的空气中CO₂浓度呈双峰曲线日变化,δ¹³C值呈双波谷曲线、δ¹⁸O值呈单波谷曲线日变化,夏季二者空气中的CO₂浓度、δ¹³C和δ¹⁸O差值远大于冬季.同位素定量区分结果显示,夏季观测期间4环路空气中CO₂主要来源于机动车尾气,约占64.9%,而绿地系统空气中CO₂主要来源于自养和异养呼吸,约占56.3%,冬季观测期间二者空气中CO₂均主要来源于机动车尾气.逐步回归分析表明,在半小时尺度上车流量和太阳辐射对绿地系统与4环路CO₂浓度差值产生显著影响,太阳辐射和相对湿度则是影响δ¹³C和δ¹⁸O差值的主要气象因子.绿地系统中的植物在生长季节通过光合作用吸收和消减化石燃料燃烧产生的CO₂来维持城市碳氧平衡,在改善城市生态环境方面发挥重要作用.     

Summer water use by California coastal prairie grasses: fog,drought, and community composition

Plants in the Mediterranean climate region of California typically experience summer drought conditions, but correlations between zones of frequent coastal fog inundation and certain species’ distributions suggest that water inputs from fog may influence species composition in coastal habitats. We sampled the stable H and O isotope ratios of water in non-photosynthetic plant tissue from a variety of perennial grass species and soil in four sites in northern California in order to determine the proportion of water deriving from winter rains and fog during the summer. The relationship between H and O stable isotopes from our sample sites fell to the right of the local meteoric water line (LMWL) during the summer drought, providing evidence that evaporation of water from the soil had taken place prior to the uptake of water by vegetation. We developed a novel method to infer the isotope values of water before it was subjected to evaporation in which we used experimental data to calculate the slope of the δH versus δO line versus the LMWL. After accounting for evaporation, we then used a two-source mixing model to evaluate plant usage of fog water. The model indicated that 28–66% of the water taken up by plants via roots during the summer drought came from fog rather than residual soil water from winter rain. Fog use decreased as distance from the coast increased, and there were significant differences among species in the use of fog. Rather than consistent differences in fog use by species whose distributions are limited to the coast versus those with broader distributions, species responded individualistically to summer fog. We conclude that fogwater inputs can mitigate the summer drought in coastal California for many species, likely giving an advantage to species that can use it over species that cannot.     

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...     

陕甘宁地区降水稳定同位素特征及水汽来源

依据全球大气降水稳定同位素观测网络(GNIP)和已有研究中陕甘宁地区的大气降水氢氧稳定同位素资料,并结合相关气象数据,分析了陕甘宁地区大气降水氧稳定同位素的时空分布特征及其影响因子,并建立了大气降水线方程.结果表明:3省大气降水线的斜率、截距由小到大依次为:甘肃、陕西、宁夏,且均小于全球大气降水线方程的斜率、截距,表明3省的降水过程受蒸发作用影响程度沿宁夏、陕西、甘肃增强;陕甘宁地区大气降水中δ18O值在时间变化上,表现为夏秋季节富集、冬春季节贫化,从空间分布来看,由西北至东南,加权平均δ18O值呈减小趋势;3省降水中δ18O温度效应显著,但不存在降水量效应,这体现了中高纬度大陆性气候的特征;高程效应的定量关系为-0.12‰·(100 m)^-1,纬度效应更显著(纬度每增加1°,降水中δ18O相应贫化0.27‰);采用HYSPLIT模型对各站点的水汽来源进行追踪,气团聚类轨迹表明,夏半年主要有来自孟加拉湾的水汽、东南季风水汽和西风带水汽,冬半年以西风带水汽为主.     

黄土塬区不同土地利用方式土壤水分消耗与补给变化特征

对黄土塬区不同土地利用方式下2012年3—10月7龄果园(挂果初期)、17龄果园(盛果期)、小麦地、玉米地土壤水文状况进行分析,结果显示,0—600 cm试验土层7龄果园土壤贮水量最高,其次为玉米地、小麦地,17龄果园最低,且不同土地利用方式下贮水量随着降水量的变化而上下波动,但其变化滞后于降水。不同土地利用方式均表现为随土壤深度增加土壤含水量变异程度减弱的特征,且其土壤剖面的水分含量变化存在季节变异。农田和7龄果园中不存在土壤干燥化现象,而17龄果园土壤剖面存在较厚的干燥化土层,其分布深度为320—600 cm。不同的土地利用方式的土壤水分的消耗和补充深度有较大差异,17龄果园消耗深度为500 cm,补充深度为200 cm;7龄果园、玉米地和小麦地消耗深度分别为200、300 cm和300 cm,且补充深度均超过了测定的土壤深度,大于600 cm。     

晋西黄土区土地利用对降雨入渗产流模式和优先流分布的影响试验研究

黄土高原退耕还林(草)工程显著改变了河川径流过程,但其作用机制尚不明晰。选取晋西黄土区4种典型下垫面(20年和30年刺槐人工林地、草地、休耕地)分别开展连续3场模拟降雨试验,观测坡面入渗产流过程,并结合染色示踪和图像处理软件技术,分析土地利用类型对坡面降雨入渗产流模式和优先流分布的影响。结果表明：(1)累积入渗量和优先流发育程度均表现为刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地优先流对总入渗的贡献是草地和休耕地的2.5—4.5倍,但优先流贡献均不超过10%,仍以基质流入渗为主。(2)4种用地类型降雨入渗主要补给地表60—70cm土层,前期降雨均匀增加表层土壤含水率,而后期降雨补给深层土壤水分的空间变异性显著增强。(3)刺槐林地产流量及径流系数均显著小于草地和休耕地,且前期含水量对20年刺槐林地的影响较小,而显著影响草地和休耕地径流系数。(4)直径d<1mm的细根显著促进降雨入渗和优先流发育,而d>5mm的粗根与入渗量和基质流量呈显著负相关。较高的土壤初始含水率、容重和粘粒含量会抑制入渗和优先流的发生。研究说明不同土地利用类型将改变降雨入渗产流过程及土壤水运动形式。     

Increased snowfall weakens complementarity of summer water use by different plant functional groups

Winter snowfall is an important water source for plants during summer in semiarid regions. Snow, rain, soil water, and plant water were sampled for hydrogen and oxygen stable isotopes analyses under control and increased snowfall conditions in the temperate steppe of Inner Mongolia, China. Our study showed that the snowfall contribution to plant water uptake continued throughout the growing season and was detectable even in the late growing season. Snowfall versus rainfall accounted for 30% and 70%, respectively, of the water source for plants, on the basis of hydrogen stable isotope signature (δD) analysis, and accounted for 12% and 88%, respectively, on the basis of oxygen stable isotope signature (δ¹⁸O) analysis. Water use partitioning between topsoil and subsoil was found among species with different rooting depths. Increased snowfall weakened complementarity of plant water use during summer. Our study provides insights into the relationships between precipitation regimes and species interactions in semiarid regions.     

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。     

降雨对高寒沙地不同林龄中间锦鸡儿水分利用特征的影响

为明确不同林龄中间锦鸡儿水分来源对降雨的响应,利用稳定同位素技术测定青海共和盆地不同林龄的中间锦鸡儿(4a、9 a、17 a和31 a)在降雨前后土壤水、木质部水、地下水和雨水的δ2H、δ18O组成,运用Iso-Source模型计算植物对各潜在水源的利用比例.结果 表明:各林龄中间锦鸡儿的浅层(0～40 cm)土壤水δ...