哈尼梯田水源区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

基于哈尼梯田水源区 2014 年 6—8 月和 2015 年全年(共 15 个月)采集的 89 个事件降水同位素数据, 结合相关气象资料, 分析了降水中氢氧同位素组成的变化及其影响因子。利用后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪了梯田水源区降水的水汽来源。结果表明: 研究区大气降水中稳定同位素组成具有明显季节差异, 湿季(5 月—10 月)δ D 和 δ¹⁸O 贫化, d 值低; 干季(11 月至次年 4 月)δ D 和 δ¹⁸O 值相对偏正, d 值偏高。区域降水线的斜率和截距均低于全球和中国大气降水线。降水同位素组成存在一定的降水量效应, 但不存在温度效应。干季大气降水的水汽主要来源于西风带输送的印度洋水汽以及局地蒸发, 湿季的水汽主要来源于西太平洋和印度洋。     

利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较

水是影响植物分布的重要生态因子之一,对植物水源的研究有助于在全球变化背景下了解植物的时空分布格局.根据同位素质量守恒,利用稳定氢氧同位素可以确定植物水分来源,相关的方法也不断改进.利用三源线性混合模型、多源线性混合模型、吸水深度模型以及动态模型分别对格尔木白刺(Nitraria Tangutorum)的水分来源进行了对比研究,发现格尔木白刺主要吸收利用50-100 cm处的土壤水及地下水.在研究方法上,各模型都有自己的应用范围和局限:三源线性混合模型一般只能在植物吸收的水分来源不超过3个的情况下运行;多源线性混合模型弥补了三源线性混合模型的不足,可以同时比较多种来源水各自对白刺的贡献率及贡献范围;吸水深度模型弥补了混合模型中不能计算白刺对土壤水的平均吸水深度的缺陷;动态模型则会为未来降水格局变化对植物的时空分布的影响研究起很大作用.针对不同的适用范围,模型的选择及综合应用会更广泛.但是,该技术还存在一些不足,需要结合测定土水势,富氘水的示踪等方法来弥补.     

基于稳定同位素技术的塔里木河下游不同林龄胡杨的水分利用来源

水分是制约很多陆地生态系统植物生长和繁殖的重要因素, 在干旱地区尤为明显。利用稳定同位素技术探究塔里木河下游不同林龄胡杨(Populus euphratica)的水分来源情况, 了解生态输水背景下荒漠河岸林的水分利用循环与利用策略, 可为生态输水提供科学依据, 同时也可对同类地区的生态恢复提供借鉴。本研究通过测定塔里木河下游胡杨茎干水和各潜在水源(土壤水、地下水)的稳定氢氧同位素值(δD、δ¹⁸O), 应用多源线性混合模型(IsoSource)分析了各潜在水源对不同林龄胡杨的贡献比例, 并结合3种林龄胡杨不同土壤深度含水量的变化, 分析了胡杨的主要吸水层位。结果表明: (1)不同林龄胡杨样地的不同深度区间上的土壤水δ¹⁸O值存在显著差异(P < 0.05): 胡杨幼龄木、成熟木、过熟木木质部δ¹⁸O分别为-7.83 ± 0.07‰、-8.53 ± 0.11‰、-9.36 ± 0.21‰; 而δD值不存在显著差异(P > 0.05)。可据此来推断胡杨的主要吸水层位。(2)总体上, 三种林龄胡杨土壤水δ¹⁸O值随土壤深度增加而减小, 并趋于接近地下水的δ¹⁸O值。其中, 0-60 cm土壤水受蒸发影响比较大, 其同位素组成经历了强烈的蒸发分馏过程, 土壤含水量极少, 土壤水δ¹⁸O值偏正。(3)不同林龄胡杨所利用的水分来源不同: 胡杨幼龄木对于地表80 cm以下的土壤水以及地下水均有一定程度的利用, 对80-140 cm、140-220 cm和220-340 cm的土壤水平均利用比率依次为16.2%、21.4%和24.6%, 对地下水平均利用比率为24.5%; 成熟木主要利用220-340 cm的土壤水及地下水, 平均利用比率分别为36.9%和42.3%; 过熟木主要利用140-340 cm的土壤水及地下水, 平均利用比率分别为32.8%和49.3%。     

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。     

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.     

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。     

稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响

稳定氢氧同位素可有效示踪区域降水水汽来源,旱季降水补给对大规模哈尼梯田的持续存在具有重大影响。以哈尼梯田世界遗产核心区的全福庄河流域为研究对象,在2015年11月—2016年4月间的旱季期间逐月采集处于不同海拔的7个样点的降水样品42个,分析其稳定氢氧同位素组成的变化及其影响因子,并利用后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪其水汽来源。结果表明:1)该区局地大气降水线方程为δD=7.31δ¹⁸O+19.8 (R²=0.94,P<0.01,n=42),斜率较全球降水线小而截距偏大,说明研究区有多个水汽来源地。2)旱季降水δ¹⁸O和d-excess在前期快速富集,后期δ¹⁸O富集的速度减缓,d-excess则快速降低,体现出水汽来源具有时间差异,但两者在空间变化上不明显。3)旱季降水δ¹⁸O与降水量、温度和相对湿度的多元线性回归方程为:δ¹⁸O=-0.002P-0.86T-0.39H+38.22 (R²=0.96,P=0.05),表明其...     

天山林区雪岭云杉和异果小檗夏季水分来源

天山雪岭云杉针叶林内乔灌木水分利用模式尚不明确,水分利用动态缺乏定量分析。本研究对雪岭云杉和伴生灌木异果小檗茎杆木质部水及各潜在水源的氢氧稳定同位素组成进行测定,运用IsoSource模型定量分析两树种夏季对各潜在水源的相对利用比例。结果表明: 7月,土壤含水量充足时,雪岭云杉和异果小檗主要吸收利用60 cm以上土壤水,相对利用比例分别为73.8%和63.2%。8月,土壤含水量相对较低时,雪岭云杉水分来源保持稳定,对60 cm以上土壤水的相对利用比例为69.5%;异果小檗则转换至利用更深层的水源,对0～20 cm浅层土壤水的相对利用比例降至14.3%,主要吸收利用中层(20～60 cm)和深层(60～100 cm)土壤水,相对利用比例为67.7%。9月,随着0～20 cm浅层土壤含水量升高,两树种恢复对浅层土壤水的吸收利用,相对利用比例达95.0%。综上,雪岭云杉表现出典型的浅根系特征,其吸收利用的水源主要来自浅层土壤水;异果小檗则能够在0～100 cm的土壤各层吸收利用水分,同时随土壤含水量的变化灵活转换其水源,从而应对环境水分变异。     

基于氢氧稳定同位素的黄河兰州段河岸植物水分来源

多枝柽柳和旱柳是北方地区河岸生态修复的良好树种,具有护河防洪、调节区域气候的作用和营造河岸地带植被景观的功能。本研究选取黄河兰州段沿岸2处样点,采集了多枝柽柳和旱柳木质部以及各潜在水源的样品,利用氧同位素直接对比法、贝叶斯混合模型MixSIAR和相似性比例指数(PS指数),分析了多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用率以及两者之间的水分利用关系。结果表明:在整个生长季,浅层土壤水(0～30 cm)是多枝柽柳和旱柳的主要水分来源,利用率分别为28.3%和24.4%,多枝柽柳对河水的利用率最小(16.6%),旱柳对地下水的利用率最小(17.9%);在土壤含水量较低的月份,植物会增加对河水和地下水的利用比例,样点S₁和S₂的PS指数分别为91.0%和87.7%,两个样点均在5月的PS指数最大,不同月份的水分利用关系存在一定的差异;处于河漫滩这一特殊地理位置,多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用比较平均,最大程度地获取各潜在水源的水分,是一种最优的吸水模式。本研究可为开展黄河兰州段河岸休闲旅游活动和黄河流域生态环境保护中植物水分管理提供一定的理论基础。     

石羊河下游不同衰退程度多枝柽柳灌丛水分利用格局研究

多枝柽柳(Tamarix ramosissima)灌丛是石羊河下游防风固沙林的重要组成,对绿洲免受风沙灾害侵袭发挥着关键作用。由于区域水文环境的恶化,多枝柽柳灌丛大面积退化死亡,亟需人工恢复,但其季节水分来源尚不清楚。为此,基于氢氧稳定同位素示踪技术,运用IsoSource模型,定量分析了不同衰退程度多枝柽柳灌丛的水分利用策略。 结果表明：2016年石羊河下游降雨以小于5 mm小降雨事件为主,降雨氧稳定同位素值(δ¹⁸O)的季节效应明显。降水线方程为氢稳定同位素氘值δD=6.46δ¹⁸O-5.11, R²=0.87。整体上,不同衰退程度多枝柽柳灌丛土壤水分在夏季较低,秋季略为恢复。由于衰退程度越严重蒸腾耗水越低,生长季多枝柽柳灌丛土壤水分大小排序为重度(3.48%)>极重度(2.69%)>中度(1.97%)> 轻度(1.87%)。降雨与土壤水δD 的变化关系分析表明,6-10月降雨对衰退多枝柽柳灌丛土壤水补给贡献较大。土壤水、降水、地下水是不同退化程度多枝柽柳灌丛的潜在水源。受春季蒸发损失小,冠层截留少,以及土壤生物结皮的综合影响,不同衰退阶段多枝柽柳春季对降水的平均利用比例达40.63%,大小排序为重度衰退(58.5%)>中度衰退(41.7%)>轻度衰退(39.3%)>极重度衰退(23%)。春季到秋季衰退多枝柽柳灌丛趋向于利用可靠的深层地下水。随生境水分可获得性的变化,不同衰退程度多枝柽柳选择性利用降雨、土壤水、地下水。虽然能勉强维持生存,但石羊河下游衰退多枝柽柳灌丛有被红砂(Reaumuria soongarica)等超耐旱小灌木替代的趋势。建议干旱区人工植被建设应以水定绿,灌草结合,少选择乔木、大灌木等高耗水植物种作为固沙造林树种。     

固氮树种旱冬瓜对退化林地土壤修复和林下植被重建的生态驱动效应

固氮树种对退化土壤和森林的结构与功能修复和改良具有重要价值,但是,固氮树种的混交配置、林龄变化和人工与天然起源林分对土壤修复和林下植被重建方面的生态驱动效应与影响机制的认识尚不够深入。因此,在金沙江上游选择退耕地上不同混交配置模式、不同林龄旱冬瓜(Alnus nepalensis)人工林和旱冬瓜天然次生林,对比分析了土壤养分、林下植被生长、林下植被多样性和旱冬瓜材积等指标的差异,以期阐明固氮树种旱冬瓜对土壤养分状况及林下植被重建的生态驱动效应。结果表明：(1)不同旱冬瓜人工林配置模式中,旱冬瓜纯林的土壤养分综合指标显著高于旱冬瓜+云南松混交林和云南松纯林(P<0.05);(2)不同林龄旱冬瓜人工林中土壤有机质、总氮及土壤养分综合指标呈现8年生林均显著大于5年生林(P<0.05);(3)土壤有机质、总氮及土壤养分综合指标均为旱冬瓜天然林>旱冬瓜和云南松人工混交林>云南松天然林(P<0.05);(4)SEM模型分析发现,旱冬瓜材积与土壤养分综合指标呈极显著的正相关关系(R=0.473,P<0.001);(5)在不同旱冬瓜人工配置模式和不同优势种的天然林中...     

岩溶石山台湾桤木生长表现及根瘤生物量特征

了解台湾桤木(Alnus formosana)在岩溶石山的生长表现以及根瘤生物量的特征,对石山植被的恢复与重建具有重要意义。该文采用典型样地调查方法对岩溶石山4.5年生台湾桤木与速生乡土树种任豆(Zenia insignis)、顶果木(Acrocarpus fraxinifolius)进行了调查研究,并用方差分析方法进行统计和评价。结果表明:台湾桤木平均胸径、树高、材积和冠幅分别为8.39 cm、7.72 m、0.0271 m3和3.18 m,均大于任豆和顶果木,且差异达到极显著水平;台湾桤木冠长达6.01 m,分别比任豆和顶果木增加106.53%和70.25%;台湾桤木在岩溶石山表现出速生的特性。对台湾桤木样株的根瘤生长状况进行深入调查分析发现,台湾桤木根瘤生物量平均每株达52.77 g,根瘤在水平方向分布从树干基部至树冠投影范围均有生长,离树干50 cm与离树干50～100 cm范围的根瘤生物量相近,离树干100 cm至树冠投影范围的根瘤生物量最多,三个地段的根瘤分别占整株根瘤生物量的15.7%、16.9%、67.4%;大根瘤(直径≥1 cm)在离树干100 cm至树冠投影范围分布...     

北京山区侧柏水分利用策略

侧柏是北京山区分布范围较广的典型针叶树种,揭示其在不同土壤水分条件下的水分利用策略具有重要意义。通过测定分析生长季内侧柏枝条水、土壤水和地下水的δD和δ~(18)O值,并利用多元混合模型(Iso-source软件)计算侧柏对土壤水或地下水的利用比例,再结合叶片水势(ψ)、气孔导度(Gs)、光合速率(Ps)和蒸腾速率(Tr)等生理生态因子同步观测,了解侧柏在生长季内的水分来源及生理生态适应。结果表明:侧柏的水分利用策略随季节波动,其在不同季节对不同土层水分的利用比例存在差异。在旱季,侧柏对表层0—20cm土壤水的平均利用率介于27.6—31.3%,对深层80—100cm土壤水和地下水的利用率分别介于27.0—33.7%和22.0—28.9%之间;进入雨季,侧柏对表层0—20cm土壤水利用比例增大,介于47.2—60.9%,对深层80—100cm土壤水和地下水的利用比例减小,分别介于10.5—16.2%和15.2—19.8%。旱季的侧柏水分亏缺更为严重,其叶片水势峰值比雨季低44.5%;旱季中的侧柏气孔导度在上午10:00达到峰值,但比雨季峰值低51.67%,其光合速率和蒸腾速率峰值也相应的下降了22.3%和37.0%。侧柏能通过降低气孔导度减少水分损失来获得较高的碳同化速率,维持较高的水分利用效率来适应干旱生境,表现出较强的适应能力。     

柴达木盆地诺木洪地区5种优势荒漠植物水分来源

通过测定柴达木盆地诺木洪地区5种荒漠植物木质部水分及其不同潜在水源的稳定性氢氧同位素值,利用多源线性混合模型(Iso Source)分析了不同水分来源对荒漠植物的贡献率。结果表明:当地大气降水线为y=7.019x-3.217(R2=0.970,P0.001),很好地反映了该地区气温高、湿度低的气候特点。诺木洪地区5种优势植物整个生长季使用土壤水比例最大,其次为地下水。驼绒藜使用10—50 cm土壤层水分,白刺、柽柳利用50—70 cm土壤层水分比例最大,这两种植物存在对50—70 cm土壤层水分的竞争;麻黄和沙拐枣对各层土壤水分的利用比例较为平均,因此存在对各层土壤水的竞争现象。4种灌木白刺、麻黄、柽柳、沙拐枣在生长季对不同水源的利用存在转换,但生长季末期都对地下水利用比例逐渐增大。地下水是荒漠植被的重要水源,因此维持干旱半干旱地区地下水水位对荒漠植物的生长具有重要意义。植物根系贯穿于整个土壤剖面,但是根系分布与其吸水位置不完全对应,过去利用根系结构进行植物水分来源判断的方法存在一定的局限性。     

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。     

Water uptake from different soil depths for halophytic shrubs grown in Northern area of Ningxia plain (China) in contrasted water regimes

In order to understand the contributions of groundwater and deep soil water to the growth of halophytes in salinity-affected area, water use strategies of four shrubes, i.e. 20-year-old Tamarix ramosissima Ledeb., three-year-old T. ramosissima., Lycium barbarum L., and Atriplex canescens (Pursh) Nutt. were studied under contrasted water regimes in Northwest China. The result showed that there was a vertical gradient in soil δ¹⁸O and δD profiles resulted from evaporation and irrigation. The 20-year-old T. ramosissima mainly used water from middle (40–140 cm) and deep (140–200 cm) under both water regimes indicating its phreatophytic nature. Soil water in upper profile (0–40 cm) was the dominant water source for the three-year-old T. ramosissima before irrigation. After irrigation, the three-year-old T. ramosissima and L. barbarum switched their water sources to middle soil profile. Our experiment revealed phreatophytic tendency for the three-year-old A. canescens, which was not responsive to irrigation enlighten by photosynthetic parameters and stem water potentials.     

红马蹄草的生态生物学特征及其扦插繁殖

为了解红马蹄草(Hydrocotyle nepalensis Hook.)的生态生物学特征, 对其形态解剖特征及光合特性进行了研究。结果表明, 红马蹄草叶片较薄, 栅栏组织不发达, 海绵组织与栅栏组织厚度之比较大;遮荫条件下叶片的净光合速率日变化呈单峰型, 具有较低的光补偿点、光饱和点、叶绿素a/b 以及较高的表观量子效率、总叶绿素含量、叶绿素b 含量, 这显示其耐荫特性, 对弱光环境的适应能力和利用弱光的能力较强。同时, 红马蹄草扦插繁殖迅速, 成活率较高, 以荫蔽潮湿的生长环境为佳。因此, 红马蹄草适合生长在弱光环境中, 因其具有较高的观赏价值, 是一种值得大力推广的地被植物。