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...     

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。     

基于氢氧稳定同位素示踪的侧柏与白榆水源对比

明晰常绿与落叶乔木的水分来源及竞争关系,可为区域生态恢复过程中树种的选择和种植方式提供理论依据。本研究以兰州市南山绿化工程区大洼山常绿乔木侧柏(Platycladus orientalis)和落叶乔木白榆(Ulmus pumila)为对象,测定其木质部及土壤和降水的氢氧稳定同位素比值,利用贝叶斯混合模型和相似性比例指数分析了侧柏和白榆对不同深度土层土壤水的利用特征。结果表明：除7月和10月外,深层(70～100 cm)土壤水是侧柏和白榆的主要水分来源,其贡献率分别为55.82%和58.90%;7月侧柏和白榆转为吸收浅层(0～20 cm)土壤水,贡献率均达90%以上;10月侧柏转为吸收中层(20～70 cm)土壤水,而白榆同时利用深层(70～100 cm)和中层(20～70 cm)土壤水。侧柏和白榆在整个生长季内除7月外,对水分的竞争不强烈,可在同一生境下同时种植。     

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.     

哈尼梯田湿地生态系统的垂直特征

云南南部亚热带山区的哈尼梯田湿地分布于海拔144～2000m、坡度在15～75°的山坡上,具有独特的垂直特征,高程变化是其垂直特征的主要驱动力.从景观、类型、植被、水文和土壤几个方面论述了哈尼梯田的垂直特性.哈尼梯田湿地景观呈现"森林-村庄-梯田-河流"垂直特性.由低海拔到高海拔将哈尼梯田湿地划分为5个类型,不同类型上湿地植物--水稻的品种、栽培、耕作方式等均呈现垂直方向上的变化特征.哈尼梯田涵养水源的能力为5050m3/hm2,水质随海拔降低呈现"好-差-好"的垂直特征,这个变化过程反映了梯田湿地对污染物的强有效的降解作用,进入梯田的污染物的浓度随海拔降低呈指数级下降.通过多元统计法分析,得出土壤综合质量指数排序为神林或林地＞梯地＞梯田＞水源地,除水源地外,土壤有机质、全氮和全磷的含量以及综合质量基本呈现与海拔成正相关关系;全福庄土壤综合质量好于勐品土壤总和质量;哈尼梯田湿地的垂直特性是其区别于其它类型湿地的显著特征,分析和比较哈尼梯田湿地与平原稻田湿地和天然湿地在结构、功能和价值上的异同性,进一步突出了哈尼梯田的垂直特性.     

基于氢氧同位素技术的流域水源涵养研究进展

水源涵养有助于拦蓄降水、调节径流,影响着生态系统水文调节、水质净化等功能。在城市化及气候变化的背景下,水资源供需矛盾、水体污染等生态环境问题不断加剧。深入理解流域水源涵养过程、能力及作用是防治上述生态环境问题的基础。随着同位素水文学的发展,同位素技术在水文水资源的研究中的优越性逐渐得到凸显。氢氧同位素是天然示踪剂,在水分溯源、水分滞留时间估算等方面具有独特优势。但相关研究多关注水文过程的某一具体方面,没有形成系统、明确的水源涵养研究框架。为更好地促进氢氧同位素技术在水源涵养研究中的应用,研究总结了应用氢氧同位素技术刻画水源涵养过程、能力和作用的相关研究。从水源涵养的能力估算、过程刻画、水源涵养的"蓝""绿"作用等方面,梳理了基于氢氧同位素技术的水源涵养研究框架,明确了本领域亟待加强的研究方向。研究对于理解流域水源涵养的机理、科学评估水源涵养服务价值等方面具有重要的理论和实践意义。     

基于河渠连接度的哈尼梯田景观水源稳定性评价

保持梯田水源的稳定供给是世界文化景观遗产——红河哈尼梯田文化景观持续存在的关键。本文以地处遗产核心区的全福庄河小流域为研究对象,在快鸟影像和实地调查基础上获取流域内河流-沟渠的空间分布和结构特征数据,选择坡度与距河渠的距离等两个阻力因素,应用ArcGIS中的最小费用距离模型对流域的河渠连接度进行分析。结果表明:(1)河流-沟渠廊道网络系统的线点率、连接度、环度指数值均高于河流与沟渠本身;(2)单独以河流和沟渠为源对梯田进行灌溉的阻力较河流-沟渠廊道网络系统高。以河渠廊道网络系统为源时梯田总面积的66.4%为稳定区;(3)在考虑自灌和多源灌溉梯田的情况下,大鱼塘样区水源的高度稳定区和较高稳定区的面积分别提高了3.9%和5.7%;小寨样区水源的高度稳定区和较高稳定区的面积分别提高了3.2%和5.9%,不同程度提高了梯田景观的水源稳定性;(4)据实地调查验证,基于最小费用法的河渠连接度分析能够为梯田水源的合理划分提供保障,为未来梯田景观持续稳定提供决策支持。     

哈尼梯田湿地核心区水稻土重金属分布与潜在的生态风险

选取了牛角寨河片区、麻栗寨河片区、阿勐控河片区和大瓦遮河片区4个核心区为样区,分析了样区水稻土表层的重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的分布特征,与云南土壤背景值进行了比较,结果显示4个样区Cd的含量都略高于背景值, Cr是背景值的两倍;牛角寨河片区的Cu含量由于铜矿的存在而远远高出背景值和其他3个样区的Cu含量,4个样区的As、Pb和Zn的平均含量低于背景值,样区之间差异性也不是很大.由相关性分析可知,湿地土壤偏酸性对Cd的活性有很大影响,高含量的有机质和全氮对Pb和Zn的土壤吸附和积累起到了一定的作用, Pb和Zn在各样区内相似的分布趋势可能与相似的成土母质、耕作模式和人类干扰强度等有关.采用Hakanson 潜在生态危害指数法对样区的重金属潜在生态风险进行评价,结果显示(1)从潜在生态危害指数来看,4个片区Cd的危害系数均达到或接近中度危害程度,牛角寨河片区受到Cu的中度危害,其他样区均是轻微的生态危害,甚至Zn还处于缺乏状态;(2)从潜在生态危害指数看,牛角寨河片区的潜在生态危害指数表现为中等生态危害,高于其他3个样区,贡献因子是Cd和Cu,Cr、As、Pb次之,Zn最小;其他样区危害程度顺序为阿勐控河片区＞大瓦遮河片区＞麻栗寨河片区,都处在轻微的生态危害状态,产生生态危害的主要重金属是Cd,Cu、Cr、As、Pb次之,Zn影响最小.     

哈尼梯田湿地生态系统健康评价指标体系构建

为了获得梯田湿地生态系统健康评价的指标体系,以云南红河哈尼梯田湿地为例,基于对该湿地维持机制的分析,构建了包括生态特征、功能整合、社会与政治3个方面共20个指标的健康评价指标体系以及各个指标的健康阈值分级表。同时,利用AHP层次分析法确定了各指标的权重,运用综合评价法对梯田湿地生态系统的健康状态进行评价。本研究构建的评价指标体系解决了哈尼梯田湿地生态系统缺乏健康评价指标体系和支持理论的问题,为评价该类型湿地生态系统的健康状态提供指导方法,能够依据其评价结果为后续湿地健康质量的提升及湿地的可持续利用发展提出改进策略。     

哈尼梯田湿地景观水体富营养化及截留效应评价

农业非点源污染是导致地表水富营养化的主要因素,而湿地景观对污染物/营养物质有截留功能。以哈尼梯田区大鱼塘村梯田湿地景观类型中的4类地表水为研究对象,于2017年6月(雨季)、12月(旱季)采集36个水样,测定其总氮(TN)、总磷(TP)浓度并分析其时空特征,以富营养化综合指数(PI)和截留量评价其富营养化水平及截留功能。结果表明:雨季所有水样的TN、TP浓度平均值高于旱季,而4类湿地中沟渠水的浓度最高,景观类型上,村寨与梯田区水样的浓度高于森林和河流;富营养化评价显示,所有水样的PI值在雨季大于旱季,4类水体中沟渠水为中度富营养化(PI为2.01),景观类型上村寨区水体为重度富营养化(PI为5.09); TN、TP截留量评价表明,沟渠(1.38 mg·L~(-1)、0.07 mg·L~(-1))、梯田(0.25 mg·L~(-1)、0.08 mg·L~(-1))、梯田区(2.04 mg·L~(-1)、0.17 mg·L~(-1))与河流(0.05mg·L~(-1)、0.00 mg·L~(-1))的截留量高,未造成下游河流水体的富营养化,整个景观表现出明显的截留效应。研究结果为哈尼梯田的生态保护提供了依据。     

哈尼梯田湿地土壤不同形态磷的时空分布特征

磷是湿地和农业生态系统中的重要元素之一,其中土壤磷形态的迁移转化广受关注。以哈尼梯田湿地为例,分别在哈尼梯田湿地的水稻生长期、收获期和休闲期,采集湿地不同海拔（梯田区上部、中部和下部）和不同深度的土壤（0-20 cm,20-40 cm,40-60 cm,60-80 cm）进行磷形态分析,研究了哈尼梯田湿地土壤中不同形态磷的时空分布规律和影响因素。结果表明：（1）哈尼梯田湿地土壤中总磷（TP）含量均值为318.74 mg/kg,在水稻收获期含量最高,无机磷（IP）含量均值在水稻休闲期最高（85.95 mg/kg）,湿地土壤磷总体呈缺乏状态。（2）受外源磷输入影响,铁铝结合态磷（NaOH-P）占无机磷比重最大,且季节差异性显著（P<0.05）;而钙结合态磷（HCl-P）在各季节无显著差异（P>0.05）,这与湿地生态环境和地质背景有关。（3）哈尼梯田湿地对磷的迁移有截留作用,表现为各形态磷含量总体呈现在上部梯田湿地较高,并随海拔的降低而降低;不同形态磷含量在20-40 cm土层富集。（4）除HCl-P外,其余形态磷与土壤粒径在不同土层表现为负相关;不同土层TP和有机磷（OP）与pH值呈正相关;土壤总有机碳（TOC）与不同形态磷在收获期呈显著负相关（P<0.05）。研究表明了哈尼梯田湿地立体空间结构和人为活动能影响湿地生态系统中磷的分布与迁移循环,该结论可为梯田湿地的可持续发展提供参考。     

植物水分来源稳定氢氧同位素偏移研究进展

稳定氢氧同位素技术能有效计算植物根系水分吸收量,确定植物水分来源贡献,评估植物水分利用策略,是生态水文学探究大气-植被-土壤系统水分传输过程机制的有效工具。然而土壤与木质部水稳定氢氧同位素比值(δ²H和δ¹⁸O)偏移造成植物水分来源贡献率计算偏差,引起氢氧同位素结果差异的原因尚不明晰。该文首先简要介绍氢氧稳定同位素比值偏移现象,其次沿水分在土壤-植物-大气连续体中的传输路径构建梳理框架,系统阐述了3个界面(植物-大气界面、土壤-大气界面和根系-土壤界面)与2个空间(植物体和土壤层)中引起δ²H与δ¹⁸O偏移的自然效应,同时概述了土壤与木质部样品提取与测定技术中引起δ²H与δ¹⁸O偏差的人为效应。最后,根据现有研究进展提出主要问题,从获取同位素时空数据,微尺度同位素偏移原因,提取与测定技术的优化三方面指出未来的发展方向。     

兰州城区绿化植物稳定氢氧同位素特征

选取兰州城区14个公共绿地作为采样点,采集了常绿植物侧柏(Platycladus orientalis)、大叶黄杨(Buxus megistophylla)以及落叶植物国槐(Sophora japonica)、连翘(Forsythia suspensa)的叶片、木质部,结合兰州市气象局提供的西北师范大学新校区自动气象站的监测数据,分析了4种植物叶片和木质部水稳定氢氧同位素的时间变化和空间差异,讨论了其与气温、风速、相对湿度、气压的相关性。结果表明:与常绿植物相比,落叶植物叶片水δ~(18)O更富集,而落叶植物和常绿植物木质部水δ~(18)O在采样期的变化较平缓且与叶片水δ~(18)O的变化趋势相似;4种植物叶片水d变化趋势均与δ~(18)O的变化趋势相反;植物的叶片水蒸腾线斜率和截距与兰州市大气水线相差甚远,且大叶黄杨叶片水和木质部水的蒸腾线斜率最小;常绿植物和落叶植物叶片水δ~(18)O、d与各气象要素的相关性是相反的,其中叶片水δ~(18)O和d与风速和气压的相关性较好。     

多水源补给对白洋淀湿地水动力的影响

白洋淀是华北平原最大的淡水湖泊,对维护华北地区生态系统平衡、调节区域气候、补充地下水源、调蓄洪水以及保护生物多样性等方面发挥着重要作用。白洋淀作为雄安新区赖以持续发展的重要生态屏障,维系淀区稳定补水量、改善淀区水动力状况以保证水生态系统持续健康发展显得尤为重要。通过构建白洋淀湿地二维水动力模型,综合考虑淀区刚性需水与弹性生态需水,共设置了8种情景来探究引黄入冀补淀、南水北调中线、南水北调东线应急补水以及上游水库联合补水等多水源补给情景下白洋淀水动力条件的改善情况。结果表明：（1）引黄入冀补淀和南水北调东线应急补水对小白河入口处水动力有明显改善,改善范围约占淀区面积的15%-20%,但对淀区水动力整体提升效果不佳。（2）南水北调中线相机补水对西北角水动力改善最为明显,同时对淀区平均流速的提升最大。连续补水1个月的情景下淀区平均流速从0.003 m/s提高到0.006 m/s,西北角平均流速从0.003 m/s提高到0.01 m/s。（3）上游水库联合向淀区补水的方式由于入淀口分散,对淀区整体水动力循环流动的促进效果最好。连续补水1个月后淀区平均流速从0.003 m/s提高到0.005 m/s。研究结果为白洋淀湿地水资源保障和促进淀区水体循环流动提供了科学依据,同时也为构建雄安新区蓝绿交织、清新明亮、水城共融的生态城市提供重要基础支撑。     

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。     

新安江源区典型植物稳定氢氧同位素组成特征

为了解暴雨时期亚热带森林生态系统水分在植物体内运移转换过程中同位素组成的变化特征以及对环境的响应机制,基于2020年7月梅汛期新安江源区亚热带常绿针叶林典型植物氢氧稳定同位素测试,结合黄山水文站涡动通量塔环境要素监测数据,分析了代表性树种杉木(Cunninghamia lanceolata)不同部位(根、皮、枝、叶)和样地多种优势植物叶片水同位素组成(δ¹⁸O和δ²H)的日间变化特征及δ¹⁸O-δ²H相关关系,并讨论了不同植物叶片水δ¹⁸O和δ²H的环境控制因子。结果表明：杉木根、皮及枝水分同位素组成较为接近且日间变化平缓,叶片水同位素最为富集且日间变幅较大。受随机性强降雨影响,7月2—4日各来源δ¹⁸O和δ²H昼间变化无显著一致性规律,三日分别大致呈单峰型、单谷型和波动型变化。5种典型植物叶片水δ¹⁸O-δ²H线性回归得出的蒸腾线斜率从高到低依次为：狗脊(Woodwa...     

稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析

稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统、特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为"水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏"。生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件。但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性。综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性、水源同位素的季节性变化、蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考。     

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     

渭河流域秋雨异常氢氧稳定同位素特征及其水汽来源

秋雨极端变化对渭河流域生态环境影响巨大。本研究根据2015—2021年在渭河流域腹地杨凌区采集的117个秋季降水样本和同期相关气象资料,开展秋雨异常氢氧稳定同位素组成及其水汽来源的研究。结果表明：1)近年来研究区秋雨极端变化频繁,根据秋雨指数(ARI)可分为秋季极端多雨年(HAP,2021年)、普通降雨年(GAP,2015—2017, 2019—2020年)和极端少雨年(LAP,2018年);2)不同类型秋雨氢氧稳定同位素组成差异明显,其中,δ²H、δ¹⁸O值呈现出LAP年>GAP年>HAP年的变化趋势,而d-excess值和秋雨降水线斜率、截距值的变化趋势与之相反。进一步分析不同类型秋雨同位素的影响因素和水汽来源发现,出现秋雨异常的主要原因并非当地气象要素,而可能是厄尔尼诺-南方涛动事件和印度洋偶极子事件,其分别解释了99%和93%的秋雨同位素异常变化。这些海气耦合现象影响海洋性气团水汽向西北内陆的输送强度,进而决定了秋雨雨量和氢氧稳定同位素组成。本研究结果有助于提高对华西秋雨异常的认识,为区域水文模型的构建提供了基础资料和理论...     

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...