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)...     

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方程为: δD=7.13δ¹⁸O+2.35(R²=0.99),土壤蒸发线方程为: δD=6.98δ¹⁸O-0.32(R²=0.92)。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。浅层土壤(0～35 cm)水δ¹⁸O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35～100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。     

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。     

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...     

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.     

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(4 a、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δ²H、δ¹⁸O组成对降雨的响应最明显;降雨前后各林龄中间锦鸡儿的木质部水、土壤水分和地下水同位素值均位于当地大气降水线(LMWL)的右下侧,其截距和斜率均小于LMWL和全球大气降水线(GMWL),且降雨后中间锦鸡儿的木质部水和土壤水的同位素组成更趋近LMWL;降雨前,4 a和9 a中间锦鸡儿主要利用浅层土壤水,17 a中间锦鸡儿主要利用中层(40～90 cm)土壤水,31 a中间锦鸡儿主要利用深层土壤水;降雨后,各林龄中间锦鸡儿的吸水层位均为降雨补充的浅层土壤水;各林龄对地下水的利用率仅有1.8%～11.9%。说明不同林龄中间锦鸡儿的水分来源对降雨的响应方式相同,均优先利用降雨补充的浅层土壤水,对地下水的利用减少。     

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.     

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: 研究区大气降水方程线为δD=7.84δ¹⁸O+9.12,旱季土壤水分线和雨季土壤水分线分别为δD=3.56δ¹⁸O-41.28和δD=4.30δ18O-42.02,旱季、雨季土壤水和2种植物茎干水δD-δ¹⁸O值均在大气降水δD-δ¹⁸O值下方,表明土壤水和茎干水受到二次蒸发的影响较强烈。2种植物浅层土壤含水量受降雨和蒸发的影响强烈,变化幅度较大,随着土壤深度的增加,土壤含水量趋于稳定,且各层土壤水氢氧同位素值表现出显著差异。在旱季,青杨主要吸收利用0～40 cm和120～200 cm土层的土壤水,贡献率分别为50.2%和31.5%;黄柳主要吸收利用20～40 cm和60～100 cm土层的土壤水,贡献率分别为53.2%和22.9%;在雨季,对青杨贡献最大的土壤水主要集中在0～40 cm土层,为72.8％,黄柳除了利用大量0～20 cm土壤水分外,还利用了深层土壤水和地下水。该地区由于乔木青杨和灌木黄柳的根系埋深和分布不同,导致两者在不同季节的水分利用策略存在差异。这有利于浑善达克沙地地区防护林群落稳定和各树种的共存。建议在浑善达克沙地人工防护林种植中,应考虑选择根系埋深和分布不同的植被混种,以合理利用当地水资源,维持沙地生态系统的稳定性。     

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.     

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。     

Water-use process of two desert shrubs along a precipitation gradient in Horqin Sandy Land

Aims The determination of the source of plant water is an important research on the plant-water relationship in arid and semiarid regions and helps to understand the adaptation strategy of desert species to the dry environment. Plant water use pattern affects plant community composition and ecosystem water budget. This study aims to investigate the water use patterns of Caragana microphylla and Artemisia halodendron, two typical shrub species, under altered rainfall conditions in Horqin Sandy Land. Methods Water treatments include ambient rainfall (natural rainfall), 50% increase in rainfall (enhanced rainfall) and 50% decrease in rainfall (reduced rainfall) by artificially intercepting and redistributing natural rainfall. Stable hydrogen and oxygen isotope ratios (δD and δ¹⁸O) were measured for xylem water, rainfall, and soil water in different soil layers (0-120 cm depth). The possible ranges of potential water sources used by C. microphylla and A. halodendron were calculated using the IsoSource model. Important findings 1) Alteration of ambient rainfall mainly affected the soil water condition in the shallow soil (0-30 cm). Increase in rainfall significantly increased the above- and below-ground biomass, and δ¹⁸O values of soil water declined with soil depth. 2) Under the enhanced rainfall treatment, A. halodendron mainly used the soil water in the shallow soil (0-40 cm) and C. microphylla was able to extract water from multiple soil layers. Under the reduced rainfall treatment, both species increasingly relied on extracting water from deeper soil layers, 60-80 cm for A. halodendron and 60-120 cm for C. microphylla. 3) For the natural rainfall treatment, in the wet season, the upper soil water was recharged by rainfall, C. microphylla and A. halodendron extract the shallow soil water (0-60 cm). However, in the dry season, soil water content was dramatically reduced, and main water sources for C. microphylla shifted from topsoil to deeper soil, and A. halodendron can use multiple layers of soil water. In summary, A. halodendron is more capable of exploring deeper soil moisture under reduced rainfall in comparison with C. microphylla, and is likely to be more adaptive to this water-limiting desert environment.     

准噶尔盆地东南缘多枝柽柳、白刺和红砂水分来源的异同

荒漠生态系统中, 水是植物生长最主要的限制因子。为了比较同一生境下不同荒漠植物的水分来源特征, 选取了同一生境下的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、白刺(Nitraria sibirica)和红砂(Reaumuria soongorica), 测定了这3种植物茎水和各潜在水源(降水、土壤水和地下水)的氢、氧稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O)值, 并利用IsoSource软件计算了3种植物对潜在水源的利用比例。结果表明: 红砂和白刺的茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源有明显的季节波动特征。其中, 红砂为浅根系植物, 春季(3-5月)以表层土壤水为主要水源, 夏秋季节(6-10月)表层土壤含水量显著降低, 其主要的水分来源逐渐偏向于较深层的土壤水; 白刺的根系分布范围介于红砂和多枝柽柳之间, 在春季能够较多地利用表层土壤水, 而到了夏秋季节, 所利用的水分更多地来源于深层土壤水或地下水; 多枝柽柳为深根系植物, 其90%以上的水分来源于深层土壤水和地下水, 而且茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源没有季节波动特征。3种植物水分来源特征的差异与其水分利用策略密切相关, 同时, 也说明荒漠灌木可以通过自身调节向着最优(最有利)表现型发展, 从而最大限度地获取水分。     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

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。