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%。     

沙漠腹地天然绿洲胡杨和柽柳叶片δ13C值对不同地下水埋深的响应

干旱区植物的水分利用效率对植物的分布及水分利用状况具有重要意义。基于不同地下水埋深条件下沙漠腹地绿洲优势种胡杨和柽柳叶片δ¹³C值,分析了胡杨和柽柳的水分利用效率对不同地下水埋深的响应。结果表明: 随着地下水埋深由2.1 m增加到4.3 m,柽柳叶片的δ¹³C值先略有增加后处于较为稳定状态,柽柳采取较为稳定的水分利用效率适应干旱环境;胡杨叶片的δ¹³C值呈现先略有减小后增加的趋势,胡杨通过提高水分利用效率的策略适应干旱胁迫。同一地下水埋深条件下柽柳叶片的δ¹³C值高于胡杨叶片,表明柽柳的水分利用效率高于胡杨。     

不同地下水埋深下胡杨叶片生理指标变化特点

根据2001年至2007年以来对胡杨叶片生理指标的测定结果和同时期地下水埋深监测的分析,可以初步得出如下的一些结论：输水后随着地下水埋深变浅,水分胁迫程度减轻,胡杨叶片的多个生理指标发生明显的变化,并且这种变化与地下水埋深变化的趋势表现出一定的相关性。从所测的胡杨叶片的10个生理指标的变化看,叶绿素、可溶性糖和ABA等指标与地下水埋深的变化的相关关系较好、显著性较高,可以在今后的研究中作为胡杨所受干旱胁迫程度的主要衡量指标;MDA和CTK等指标可以作为参考指标来判断胡杨所受的水分胁迫程度;而Pro、SOD、POD、GA₃和IAA等指标对地下水埋深的变化表现不敏感。     

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...     

胡杨液流对地下水埋深变化的响应

以塔里木河流域荒漠河岸林主要建群种胡杨(Populus euphratica)为研究对象, 结合中下游不同断面地下水埋深和胡杨液流变化的监测数据, 分析了胡杨茎干液流与地下水埋深变化的关系, 探讨荒漠环境下天然胡杨生长的合理生态水位。研究表明, 胡杨液流通量密度随地下水埋深即干旱胁迫程度的加大而减小, 两者呈极显著负相关, 相关系数达-0.887; 胡杨液流通量在地下水埋深位于4.5-5 m时出现异常变化, 表明此时胡杨的正常生长受到胁迫, 胡杨通过自身调节降低蒸腾耗水以适应环境; 土壤盐分不是影响塔里木河中下游各断面胡杨液流变化的主要因子; 对植物样地调查结果分析显示, 胡杨盖度、密度和频度均在地下水埋深在4-6 m梯度下开始表现为降低趋势。综合分析认为维系塔里木河中下游天然胡杨正常生长的生态水位为地下水埋深4.5 m以内。     

基于机器学习模型的沙漠腹地地下水含盐量变化过程及模拟研究

为了研究塔克拉玛干沙漠腹地的地下水盐分变化规律,模拟地下水盐分变化过程,评价适合该区域的地下水变化规律的模型。通过对研究区蒸发量、降水量、气温、气压、地下水位、地下水电导率数据的统计分析,揭示了地下水含盐量及其影响因素的特征;使用GP模型、GPLVM模型和BP人工神经网络模型以及综合模型,模拟了气候变化和人类活动双重影响下的地下水含盐量变化过程,并评价了模型的模拟结果。研究结果表明:(1)研究区地下水流动系统主要受气候变化和人类活动的影响,地下水位在局部地区随开采过程呈现波动变化。地下水位变化过程与气压的变化规律相一致;而气温和蒸发量的季节变化规律相一致。地下水盐分含量呈上升趋势。(2)GP模型对于地下水含盐量的预测效果最好;GPLVM模型对于已知地下水含盐量条件下,与其他环境因素进行多元回归分析的拟合效果最好。而GP、GPLVM和BP人工神经网络模型的综合模型,对于包括模型训练和模型预测的全体数据集的拟合和预测效果最好。     

克里雅河尾闾绿洲胡杨种群年龄结构对地下水埋深的响应

为阐明沙漠腹地绿洲胡杨种群的生存状况与发展动态,探讨地下水埋深差异对胡杨年龄结构组成与种群更新演替的影响.该研究以塔克拉玛干沙漠腹地克里雅河尾间达里雅布依绿洲胡杨林为研究对象,通过划分胡杨龄级与地下水埋深梯度等级,量化个体竞争能力等主要手段,对胡杨种群年龄结构特征进行了分析,并对时间序列上的更新动态进行了预测.结果 表...     

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。     

地下水埋深对胡杨叶片光合作用及抗氧化物质积累的影响

以塔里木荒漠生态系统建群种—胡杨（Populus euphratica Oliv.）为试材,研究胡杨光合气体交换参数、抗氧化酶活性及渗透调节物质沿地下水埋深（GWD）梯度的变化规律,探讨胡杨适应干旱荒漠环境的生理生态机制。结果表明：（1）不同GWD条件下胡杨净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、气孔导度（G_s）的日变化均呈单峰型,而胞间CO₂摩尔分数（C_i）日变化呈“V”型,P_n与G_s变化同步,峰值均出现在12：00,而T_r峰值滞后P_n、G_s 2 h。不同GWD间P_n峰值差异显著（P<0.05）,T_r、G_s峰值和C_i谷值在GWD为5.5 m极显著降低（P<0.01）。胡杨P_n、T_r、G_s、C_i、水分利用效率（WUE）和光能利用效率（LUE）均随GWD增加而降低,其中G_s、LUE日均值在GWD为5.5 m显著降低（P＜0.05）,但不同GWD条件下P_n、T_r、C_i、WUE日均值均无显著差异（P＞0.05）;（2）12：00—16：00胡杨P_n下降主要受气孔因素限制,16：00—20：00 P_n下降主要受非气孔因素限制;（3）通过对不同GWD条件下胡杨P_n、T_r与生理生态因子进行相关、偏相关、逐步回归分析发现,G_s是影响胡杨P_n、T_r的主要因子;不同GWD条件下胡杨调控P_n、T_r的因子不同,GWD增加使胡杨P_n与光合有效辐射（PAR）、T_r与G_s之间的相关性增强,表明GWD直接调控胡杨叶片水汽交换（G_s）过程;（4）胡杨叶片丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性和游离脯氨酸（Pro）含量均随GWD增加而增大,而可溶性蛋白质（SP）含量、可溶性糖（SS）含量则降低,表明随GWD增加,胡杨叶片细胞膜透性和光合碳同化受抑增强,胡杨通过提高保护酶活性（POD、SOD）和渗透调节（Pro）能力协同抵御地下水位降低所带来的干旱胁迫,以维持基本正常的生理活动,这是胡杨适应荒漠区干旱生境的生理生态策略。     

胡杨当年生小枝茎构型对展叶效率的影响

枝叶异速生长关系对理解荒漠植物生物量分配和生活史策略具有重要意义。该研究以小枝茎长度、茎纤细率和茎体积表征茎构型, 以叶密度(单位茎长度的叶数量)、叶面积比(单位小枝茎干质量的总叶面积)和叶茎质量比(单位小枝茎干质量的总叶干质量)表征展叶效率, 采用标准化主轴回归(SMA)方法研究胡杨(Populus euphratica)当年生小枝茎构型对展叶效率的影响及二者沿地下水埋深(GWD)梯度的权衡策略。结果显示, 胡杨当年生小枝茎直径、展叶效率和比叶面积、叶大小随GWD增加而降低, 小枝茎长度、茎纤细率及其上的叶数量则增大。小枝茎构型性状均与展叶效率呈显著负相关关系, 即随小枝茎长度、茎纤细率和茎体积的增加, 展叶效率逐渐降低, 这可能是枝叶大小、水分传导与机械支撑间的权衡结果。小枝茎构型与展叶效率的异速生长指数(斜率)随GWD增加而增大, 是由于单位小枝茎投资获得的叶面积或者叶质量降低所致, 反映出随GWD增加胡杨采取了高消耗低收益的保守型策略。胡杨应对环境压力时, 倾向于在长枝上着生数量较多的小叶, 短枝上着生数量较少的大叶, 体现出胡杨小枝的资源利用策略与枝叶大小的权衡机制。综上所述, GWD显著影响胡杨小枝茎构型-展叶效率的权衡关系, 低展叶效率是胡杨应对日益旱化荒漠环境的适应策略。     

水分对胡杨幼苗光合及生长特性的影响

采用盆栽控制实验方法对不同水分条件下胡杨幼苗的光合日变化以及生长特性进行分析研究.结果显示:(1)不同水分条件下胡杨幼苗的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)日变化曲线均呈单峰型,峰值时间均在12:00;当土壤含水量为21.6%～24.0%时,幼苗的水分利用效率(WUE)日变化曲线呈不明显的双峰型,峰值时间分别在8:00和18:00,其他处理均为单峰型,但峰值时段有差异;随着土壤含水量的减小,胡杨幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr日均值逐渐降低,当土壤含水量为12.0%～19.2%时,幼苗的WUE日均值显著高于其他处理.(2)幼苗的株高、基径、各器官的生物量及总生物量均随土壤含水量的减小而降低,当土壤含水量为12.0%～19.2%时,幼苗地下生物量的降低程度大于地上生物量,且幼苗的根冠比也增大.研究表明,土壤含水量对胡杨幼苗的光合特性及其生长具有显著影响,当土壤含水量大于12.0%时,幼苗能够通过增大水分利用效率,改变根冠比提高抗旱性;当土壤含水量小于9.6%时,幼苗自我调节能力减弱,生长受到抑制.     

胡杨（Populus euphratica）在额济纳绿洲三种生境内的根蘖繁殖特性

以额济纳荒漠绿洲胡杨根蘖幼苗为研究对象,通过对绿洲内胡杨分布的3种主要生境内根蘖幼苗的调查,得出如下结论。近年来绿洲内胡杨种群的更新几乎完全依赖于无性繁殖更新,种子萌发产生的幼苗在调查地内没有发现。河岸沙丘地及胡杨林下地的根蘖幼苗中,3龄幼苗所占比重最大,龄级越小的根蘖苗在群落中的数量越少;在河水漫灌后的林间空地,2龄幼苗的数量最多。水漫灌后的林间空地中根蘖幼苗密度显著大于其余两生境内根蘖幼苗密度,同时该生境内每段胡杨根系萌生出的不定芽也大于另两生境。随着龄级增加,未枯枝根蘖幼苗的比率逐渐减小。根蘖幼苗的萌发点分布于土层30cm以内的根系上,分布深度大于30cm的根系不能萌发出根蘖幼苗。     

胡杨、灰叶胡杨开花生物学特性研究

从居群水平研究了胡杨、灰叶胡杨不同居群的开花物候特征.结果表明:胡杨、灰叶胡杨各居群均表现为雄株开花物候早于雌株,一般可授期开始较散粉期晚1～4 d,结束较散粉期晚2～5 d,并且居群散粉期和可授期的重叠期较长.在同一居群内,胡杨、灰叶胡杨同性单株间开花期的不一致性较高.两个种相比较,胡杨居群的开花进程比灰叶胡杨居群早2～5 d,并且从每日开花株数累积分布来看,胡杨散粉期、可授期为双峰型,灰叶胡杨为单峰型.     

干旱区不同地下水埋深下胡杨细根空间分布特征

细根空间分布特征能够反映植物对环境的利用程度和适应性,这对评价植物适应逆境至关重要。为了探究胡杨细根空间分布在干旱环境下的适应性特征,以塔里木河下游极端干旱区不同地下水埋深条件下的成年胡杨(Populus euphratica Oliv.)为对象,采用人工挖掘法,对胡杨细根(D≤2 mm)空间分布及其与地下水埋深和土壤水分的关系进行了研究。结果显示:(1)在水平方向上(550 cm范围内),胡杨细根的根长密度(RLD)、表面积密度(SAD)、根质量密度(RMD)随水平距离的增加未发生显著变化;(2)在垂直方向上,土壤表层基本无细根分布,随土壤深度加深,胡杨细根RLD、RMD呈先增加后减少的分布特征,并且在地下水埋深较深处,胡杨细根在较深土壤层(280 cm)仍保持较高的比根长(SRL)和比表面积(SRA);(3)胡杨细根RLD、RMD与上层土壤(0~180 cm)含水量存在较高的正相关关系,而与深层土壤(180 cm以下)含水量存在空间差异。本研究表明生长在上层土壤(0~180 cm)的胡杨细根主要受水分的限制,而生长在土壤深层的细根很可能受地下水埋深的影响,同时为了应对干旱环境,胡杨根系不仅具有较强的水平扩展能力,也会向深层湿润的土壤发展。研究结果可为极端干旱环境下胡杨适应机制的研究提供参考。     

人工调水对额济纳胡杨荒漠河岸林繁殖的影响

研究了围封禁牧条件下人工调控黑河水文过程对额济纳胡杨荒漠河岸林繁殖的影响。结果表明:在分水实施的3a中,胡杨主要靠根蘖繁殖更新,种子繁殖几乎不存在。在没有放牧干扰的条件下,不同年份之间林窗内胡杨的根蘖繁殖差异明显,胡杨幼苗个体密度平均为(213.9±112.5)株/100m2,其中1龄为(27.5±18.8)株/100m2,2龄为(113.8±67.7)株/100m2,3龄为(71.0±73.9)株/100m2。胡杨幼苗的丛密度平均为(108.3±56.0)丛/100m2,其中1龄为(19.2±13.9)丛/100m2,2龄为(59.0±37.8)丛/100m2,3龄为(29.8±22.8)丛/100m2。这种差异与当年的生态水文条件有关。划分的整体、大林窗、小林窗3种类型中,大林窗内2龄胡杨幼苗的根蘖繁殖更新受到了距样方最近和最远母树距离的影响。在生态水文条件较好的年份(2龄苗对应于2002年),在距母树较远的地方根蘖繁殖最容易发生。在其它林窗中,胡杨根蘖繁殖主要受林窗生境如环样方母树株数(Tn)、距样方最近母树距离(Nd)、距样方最远母树距离(Fd)和林窗面积(Ga)等因子的综合影响,任何一个因子的单独影响都不显著。总之,本研究的初步结论是黑河分水工程实施对胡杨的繁殖更新无疑是有利的,但前提是消除放牧等干扰因素的影响。