鄱阳湖典型洲滩湿地植物水碳稳定同位素与内在水分利用效率变化特征

在极端水文事件频发和人类活动影响加剧的背景下,鄱阳湖水文情势的异常变动给洲滩湿地植物带来了一系列影响。为进一步了解鄱阳湖湿地植物水分利用来源和内在水分利用效率(iWUE)的季节变化规律,揭示优势植物在生长过程中对不同水分变化的适应策略,于2020年12月-2021年5月在鄱阳湖国家级自然保护区蚌湖和修河之间的典型洲滩湿地上设置监测断面,对灰化苔草(Carex cinerascens)、南荻(Triarrhena lutarioriparia)植物样品及其潜在水源样品进行系统采集,测定并分析了水、碳稳定同位素的动态变化特征和指示意义。结果表明,典型洲滩湿地苔草和南荻植物茎水的氢、氧稳定同位素组成没有表现出明显差异,从冬季至春季,植物茎水的δ¹⁸O值总体上均呈现波动富集的变化趋势。苔草在春季生长期iWUE没有表现出明显变化,而南荻在萌发时期iWUE最低,之后的生长期iWUE具有显著的增长趋势。在各潜在水源当中,植物茎水的同位素组成与土层中的重力水最为相近,其次为与根系分布联系密切的土壤水。在春季降水频繁时,来源于降水且埋深较浅的重力水可能是植物利用的主要水源,而在枯水期重力水埋深较深时,植物采取降水和土壤水的混合利用模式应对水分胁迫。植物叶片有机质的δ¹⁸O值分析发现,苔草在萌发生长期iWUE的变化与光合作用能力相关的因素有关,南荻iWUE的变化主要受气孔导度变化的影响。     

鄱阳湖典型洲滩湿地水分补排关系

湿地水分在地下水含水层-土壤-植物-大气界面的运移和转换是维持能量和营养物平衡的重要环节,水分运移是湿地生态水文过程研究的关键.数值模型模拟已成为水分运移研究的重要手段,然而限于复杂的湿地自然条件及有限的监测手段,部分界面水分通量连续动态变化数据的获取及定量化工作较为困难,目前应用数值模拟法于湿地水分运移研究的案例仍不多见.本文以鄱阳湖典型湿地为研究区,构建垂向一维数值模型,阐释了湖泊水位显著季节性变化条件下,湿地水分在不同界面的传输过程,量化了湿地水分的补排关系.结果表明:(1)界面水分通量季节性差异大,降雨入渗地面和根系层水分渗漏均对降雨变化响应敏感,主要集中在4—6月,分别占年总量(1450和1053 mm)的65%和73%.土面蒸发和植物蒸腾年总量为176和926 mm,土面蒸发主要受气候条件影响,植物蒸腾还与植物生长特征有关,均集中在7—8月,分别占年总量的30%和47%.深层土壤向浅层根系层的水分补给集中发生在地下水浅埋时段6—8月,占年总量(609 mm)的76%;(2)湿地植物根系层水分补排受鄱阳湖水位季节性波动影响显著.除丰水期(7—9月)主要补给为深层土壤水外,退、枯、涨水期的主要补给均为降水入渗.涨水期(4—6月)和枯水期(12—3月)的主要排泄为根系层水分渗漏,丰水期以植物蒸腾排泄为主,退水期(10—11月),土面蒸发与植物蒸腾为主要排泄,且比重相当.本文定量了鄱阳湖典型湿地不同界面水分连续交换关系,区分了土面蒸发和植物蒸腾,辨析了各界面水分的主要影响因子,研究结果有助于深入理解水分在湿地生态系统地下水含水层-土壤-植物-大气界面的相互作用机制,认识湖泊洲滩湿地水量平衡,为揭示湖泊水情变化对湿地生态的可能影响提供依据,为湿地生态水文过程研究提供重要方法和理论参考.     

鄱阳湖湿地典型植被群落地下水—土壤—植被—大气系统界面水分通量及水源组成

地下水-土壤-植被-大气系统(GSPAC)界面水分传输是湿地生态水文过程研究的关键.本文选取鄱阳湖湿地高位滩地的2种典型植被群落:茵陈蒿(Artemisia capillaris)和芦苇(Phragmites australis)群落为研究对象,运用HYDRUS-1D垂向一维数值模拟,量化了湿地GSPAC系统界面水分通量,阐明了典型丰水年(2012年)和枯水年(2013年)鄱阳湖湿地植被群落的蒸腾用水规律和水源组成.结果表明:(1)茵陈蒿和芦苇群落土壤-大气界面的年降水入渗量为1570~1600 mm,主要集中在雨季4-6月,占年总量的60%;植物-大气界面的年蒸腾总量分别为346~470 mm和926~1057 mm,其中7-8月植被生长旺季最大,占年总量的40%~46%;地下水-根区土壤界面的向上补给水量受不同水文年水位变化的影响显著,地下水年补给量分别为15~513 mm和277~616 mm,主要发生在蒸散发作用强烈和地下水埋深较浅的时段.(2)植被蒸腾用水分为生长初期(4-6月)和生长旺季(7-10月)2个阶段,丰水年植被的整个生长期蒸腾用水充足,枯水年植被生长旺季的蒸腾用水受到严重水分胁迫,实际蒸腾量仅为潜在蒸腾量的一半左右.(3)不同水文年湿地植被生长旺季的水源贡献不同:丰水年茵陈蒿群落以地下水补给为主,芦苇群落以湖水和地下水补给为主;枯水年茵陈蒿群落以降水和前期土壤水储量为主,芦苇群落以地下水补给为主.本研究结果有助于揭示湿地植被的水分利用策略,为阐明湖泊水情变化与植被演替的作用机理提供参考依据.     

碳氮稳定同位素示踪鄱阳湖流域蚌湖丰水期的氮污染

鄱阳湖边缘深水区是鄱阳湖水位上涨时扩散而成的低洼湖区,通过对其一典型边缘湖泊——蚌湖丰水期的氮浓度和同位素特征值的检测,分析这类洪泛湖泊在水位最高时期水体颗粒有机质及无机氮的氮同位素变化特征,并识别氮污染来源及转化途径.结果表明:6月悬浮颗粒有机质碳氮同位素值(δ~(13)C:-26.7‰~-23.7‰,δ~(15)N:2.6‰~6.2‰)介于土壤有机质(δ~(13)C:-25.21‰±0.52‰,δ~(15)N:3.79‰±0.37‰)和水生植物的碳氮同位素值(δ~(13)C:-28.8‰~-24.9‰,δ~(15)N:5.3‰~8.2‰)之间.7月相比于6月,降低的δ~(13)C(-27.6‰~-23.2‰)和升高的δ~(15)N(4.3‰~7.7‰)表明暴雨冲刷带来更多的周边陆地碎屑输入.无机氮在6月以铵态氮(NH_4~+-N)为主要形态,7月以硝态氮(NO_3~--N)为主要形态.6月δ~(15)NH_4~+较负的特征值(-18.6‰±5.2‰)表明铵态氮主要来源于雨水,硝态氮(δ~(15)NO_3~-:1.4‰±3.0‰)主要来源于农业化肥和雨水.7月相比于6月,铵态氮和硝态氮的浓度和同位素值都大幅升高(分别升高了0.3和2倍,6‰和3‰),是暴雨冲刷陆地使农业化肥、城镇生活废水和畜禽养殖废水输入的结果.水生植物的δ~(15)N在7月(8.8‰±1.1‰)相比于6月(6.6‰±1.1‰)也升高了较多,是由于水生植物吸收了更高δ~(15)N废水无机氮的结果.通过颗粒有机质和无机氮的δ~(15)N分析可知,湖区水体氮的矿化作用和硝化作用较强,藻类对湖泊的内源氮贡献较弱,沿河湖的畜禽养殖在暴雨时对水域污染的威胁较大.本研究提供了洪泛湖泊氮污染治理的科学依据.     

鄱阳湖典型洪泛区地下水数值模拟研究

受地表河湖系统水情变化干扰,高度动态和异质性的洪泛区地下水文对河湖水资源、水污染以及生态环境功能等方面具有重要影响和贡献。鄱阳湖洪泛区湿地在长江中下游具有重要区位优势和研究特色,但变化环境下其水动力特征和水量交换情况等仍存在许多不确定性。本文以鄱阳湖典型洪泛区为研究区,采用地下水流二维数值模型,开展了洪泛区地表地下水转化作用与水量变化的模拟研究。结果表明,鄱阳湖季节性水位变化很大程度上决定了主湖区与周边地下水之间的动态补排模式,即洪泛区地下水补给湖泊主要发生在枯水和退水时期,而湖泊补给地下水主要发生在涨水和高洪水位时期。一般情况下,整个洪泛区地下水位与湖水位的年内变化态势基本一致,主湖区附近的地下水位年内变幅较大,而大部分洪泛区的地下水位变幅相对较小。北部地下水流速明显大于南部,主湖区附近地下水流速明显大于洪泛区,地下水流速基本小于1～2 m/d。水均衡分析发现,洪泛区地下水系统以接受降雨输入（52%）和主湖区补给（39%）为主,以地下水蒸发输出（72%）和向湖排泄（24%）为主,但补给主要发生在春、夏季,而排泄则发生在秋、冬季。地形地貌对洪泛区地下水位分布以及流速场演化具有主控作用,...     

大柴旦盐湖中镭同位素分布特征来源及示踪意义

为了查明大柴旦湖周围水体相互作用过程,2016年3月和7月分别采集了大柴旦周围多种水体样品、悬浮颗粒物和湖底沉积物.测试了大柴旦盐湖、深部地下热水、表层地下水热水、浅层地下水、河流水体中镭同位素的活度值,通过解吸和扩散实验,获得了河流悬浮颗粒物和湖底沉积物扩散的镭同位素活度值.结果表明:河口区(3L10、3L11、3L...     

鄱阳湖湿地碟形湖-河流水稳定同位素变化特征及其指示意义

为深入认识鄱阳湖湿地区域水循环过程,于2019年1—12月在鄱阳湖国家级自然保护区对降水、河流水、主要碟形湖水进行系统采集,综合分析碟形湖-河流水稳定同位素的动态变化特征及其指示意义。结果表明,鄱阳湖湿地修河和赣江的同位素组成具有明显的季节性变化规律,4月河水同位素最为富集,5—7月逐渐贫化,之后呈现出不断富集的变化趋势,整体上与降水同位素的时间变化特性相似。在空间分布上,各段河水的同位素组成均具有相对稳定的沿程分布特征,赣江在修河汇入点上、下游的同位素特性在大多数月份没有呈现出明显变化。碟形湖水同位素的年内变化范围比河水大,并且相对富集。主要碟形湖水的δ²H-δ¹⁸O关系接近当地大气降水线,具有更小的蒸发线斜率以及系统性偏离的特征,反映碟形湖主要受到当地降水补给,经历了一定程度的蒸发作用。基于指数模型方法估算修河和赣江水体的平均滞留时间(mean residence time,MRT)分别为1.54和0.81年,赣江较短的MRT表明鄱阳湖流域具有不同水体组分相互快速转化的水力条件,修河上游柘林水库的调蓄作用导致其MRT明显大于赣江。通过假定...     

鄱阳湖流域饶河鱼类稳定同位素比值和营养级的空间变化

由于水文特征的变化和栖息生境的异质性,河流食物网结构存在着一定的空间变化.认识人类活动对河流食物网结构空间变化的影响能够为河流生态系统的科学管理提供有效指导.利用稳定同位素分析技术,测定枯水季节饶河不同地区初级生产者和鱼类的碳、氮稳定同位素比值(δ13C和δ15N),比较饶河下游鄱阳和中游海口河段4种常见鱼类的δ13C、δ15N值和营养级,并分析导致不同河段食物网结构差异的原因.结果表明,鄱阳与海口两个地区鱼类的δ13C值无显著差异,但δ15N值差异显著.鱼类的δ13C值变化范围在鄱阳河段大于海口河段,鳜(Siniperca chuatsi)和贝氏(Hemiculter bleekeri)在鄱阳河段的δ15N值要显著高于海口河段,而黄颡鱼(Pelteobagrus fulvidraco)和鲫(Carassius auratus)的δ15N值在鄱阳河段却表现更低.另一方面,除黄颡鱼外,鳜、贝氏和鲫在鄱阳河段的营养级均显著高于其在海口河段的营养级.研究认为,由于颗粒有机物和附着藻类的δ13C值在鄱阳与海口河段没有显著差异,因而导致鱼类的δ13C值也没有明显变化.不同生境下初级食物源δ15N值的差异及人为扰动的程度可能是影响饶河不同河段鱼类的δ15N值存在明显差异的主要原因.     

鄱阳湖候鸟栖息地湖泊悬浮有机质的碳氮分布及来源分析——以大湖池和沙湖为例

以江西鄱阳湖国家级自然保护区的2个湖泊——大湖池和沙湖为研究对象,分析不同季节和水位悬浮有机质的碳氮稳定同位素（δ¹³C和δ¹⁵N）及碳氮比值（C/N）的变化特征,甄别悬浮有机质的来源.结果表明：在不同水位条件下,悬浮有机质的δ¹³C和δ¹⁵N均存在差异显著性.沙湖5月水位上涨时,悬浮有机质δ¹³C最正,均值为-26.4‰±0.9‰,10月退水后,δ¹³C最负,均值为-31.2‰±1.1‰.悬浮有机质δ¹⁵N值在5月和8月较低（范围为3.5‰~5.5‰）,10月也相对较低,均值为6.1‰±0.6‰,而12月相对较高（7.3‰~10.8‰）.悬浮有机质C/N值在10月最低,均值为6.5±0.6,小于7,与其他各月的C/N有显著差异,而其他各月C/N在7.8~8.7之间,不存在显著差异.大湖池悬浮有机质δ¹³C、δ¹⁵N各月的变化趋势与沙湖类似,并且两个湖泊在相同月份的δ¹³C、δ¹⁵N或C/N均不存在显著差异,但大湖池的δ¹³C和δ¹⁵N比沙湖的δ¹³C和δ¹⁵N均值略偏正0.1‰~0.5‰,C/N比沙湖的C/N略偏低0~0.4.有机δ¹³C、δ¹⁵N结合C/N示踪表明,大湖池和沙湖的悬浮有机质在5月水位上涨和8月丰水期主要来源于河流运输的土壤有机质,表层沉积物对5月悬浮有机质也有一定贡献（16%）,水生浮叶植物对8月悬浮有机质有一定贡献（25%）;10月秋季退水后悬浮有机质主要来源于藻类（77%）,表层沉积物有一定贡献（23%）;12、3和4月冬、春季枯水期悬浮有机质主要来源于表层沉积物,候鸟粪便对12月悬浮有机质有较大贡献（40%）,湿地植物碎屑对3和4月有较大贡献（47%和51%）.     

土地利用方式影响下的赣江硝态氮浓度和氮稳定同位素分布特征

赣江硝态氮(NO-3-N)是鄱阳湖氮素输入的主要来源,查明赣江NO-3-N来源对鄱阳湖的富营养化防治具有重要意义.基于2013年1月和6月对赣江干流和主要支流NO-3-N浓度和δ15N-NO-3的测定,通过不同空间尺度和土地类型等级划分,分析土地利用方式影响下的赣江NO-3-N浓度和δ15N-NO-3分布特征.结果表明,赣江枯水期和丰水期NO-3-N浓度分别为0.52~4.58 mg/L和0.81~2.60 mg/L,均值没有显著性差异;枯水期和丰水期的δ15N-NO-3范围分别为-1.31‰~8.60‰和2.49‰~8.51‰,枯水期均值显著小于丰水期.较大空间尺度的土地利用类型与NO-3-N浓度和δ15N-NO-3有更显著的相关性.赣江NO-3-N浓度、δ15N-NO-3与水田、居民建设用地和水域呈显著正相关,与林地、草地呈显著负相关,这种相关性在丰水期减弱.与一级土地利用分类相比,二级土地利用分类能更好地体现土地利用类型与NO-3-N浓度的相关性,但对土地利用类型与δ15N-NO-3的相关性没有显著提高.农业用地,特别是丘陵水田和平原旱地,是赣江NO-3-N主要的污染来源;与长江流域其它地区相比,赣江流域NO-3-N的生活污水来源比例较小.     

鄱阳湖典型洲滩湿地土壤含水量和地下水位年内变化特征

湿地植被空间分布受多个水分因子共同影响,为了探求鄱阳湖典型洲滩湿地不同植被类型下地下水、土壤水的变化特征,本文选择鄱阳湖吴城湿地保护区内一个长约1.2 km的典型洲滩湿地为实验区,建立了气象-土壤-水文联合观测系统.对观测的气象、水文要素进行分析发现:(1)洲滩湿地地下水位年内呈单峰变化,季节性差异显著,最大埋深可达10 m,出现在1月份,丰水期8月份地下水位最高时可出露地表,且地下水位与湖泊水位变化具有高度一致性;(2)由远湖区高地至近湖区低地,不同植被带中地下水平均埋深变化为藜蒿带(4.76 m)芦苇带(2.87 m)灰化薹草带(1.61 m).地下水埋深小于50 cm的持续时间分别为:藜蒿带27 d、芦苇带112 d、灰化薹草带170 d;(3)土壤平均含水量沿不同植被带梯度变化为:藜蒿带最小(15.9%),芦苇样带(40.7%)和灰化薹草样带(43.7%)较大.土壤含水量年内变幅为:藜蒿带最大(2.5%~55.2%),芦苇带和灰化薹草带相对较小,分别为22.1%~48.1%和28.4%~54.1%;(4)不同植被带土壤含水量季节变化规律不同,藜蒿带土壤含水量年内呈单峰型,仅夏季土壤含水量较高,其余季节均在10%左右,而芦苇带和灰化薹草样带春、夏、秋季均维持较高含水量(42%以上),仅冬季水分含量较低.     

鄱阳湖河湖转换期间鱼腥藻(Anabaena)的变化

鄱阳湖作为我国长江目前仅存的两个通江湖泊之一,年内水位变幅巨大.通过在鄱阳湖2013年河湖转换期间(5—11月)对鄱阳湖主航道都昌段进行每月3~4次的高频监测,以考察鄱阳湖水体中鱼腥藻(Anabaena)的动态变化,分析鄱阳湖中鱼腥藻生长并占优势的影响因素.结果表明,蓝藻为鄱阳湖浮游植物的次级优势种,8月蓝藻生物量平均占浮游植物生物量的57%,蓝藻取代硅藻成为暂时的优势种.夏、秋季水华蓝藻以固氮鱼腥藻为主,主要与夏、秋季水温较高以及适宜的营养盐条件等有关.研究期间鄱阳湖水体氮磷比平均在15左右,鱼腥藻能够产生有固氮能力的异形胞,并在水华蓝藻中成为优势种,也反映了鄱阳湖某些湖区存在氮相对缺乏的阶段.     

退水期鄱阳湖薹草(Carex cinerascens)和藜蒿(Artemisia selengensis)洲滩湿地CO2通量变化及其影响因子

于2014年10月到2015年5月鄱阳湖退水期,利用密闭箱—气相色谱法对鄱阳湖北部星子县洲滩两种代表性的植被群落——薹草(Carex cinerascens)和藜蒿(Artemisia selengensis)进行CO_2通量的对比观测,结果表明:薹草和藜蒿湿地的生态系统呼吸具有明显季节变化模式,其最小值均出现在冬季,最大值均出现在春季,平均值分别为3291.80和2581.89mg CO_2/(m~2·h),退水期薹草和藜蒿湿地累积的CO_2通量分别为213.71±2.27和176.39±11.48 t CO_2/hm~2.较高的生物量是薹草湿地CO_2通量高于藜蒿湿地的原因.5 cm土温是影响薹草和藜蒿湿地CO_2通量季节变化最重要的影响因子,藜蒿湿地生态系统呼吸的温度敏感性指数(Q10)高于薹草湿地.水分、植物生物量和湿地CO_2通量之间无显著相关性.     

鄱阳湖湿地植物灰化薹草(Carex cinerascens)对不同地下水位的生理生态响应

地下水位在非淹水期对湿地植物的生长影响较大,但目前相关研究十分缺乏.本文选择鄱阳湖典型植被灰化薹草(Carex cinerascens)为研究对象,研究不同地下水位(地下水位埋深10、20、40、80和120 cm)对灰化薹草形态指标、地上生物量和生理指标的影响.结果表明,随着地下水位埋深的增加,灰化薹草的株高、叶长和生物量均显著降低,地下水位10 cm处理组的灰化薹草生物量为0.371±0.017 g,为地下水位120 cm处理组(0.084±0.004 g)的4.4倍;处理组间灰化薹草叶片中超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、游离脯氨酸含量和叶绿素含量均存在显著差异,其中游离脯氨酸含量由地下水位10 cm处理组的6.29±0.70μg/g增加到地下水位120 cm处理组的8.54±1.37μg/g,表明随着地下水位埋深的增加,灰化薹草面临一定程度的干旱胁迫.灰化薹草的生理生态响应综合表明,地下水位埋深20 cm以内适宜灰化薹草的生长,地下水位埋深80 cm以上的干旱胁迫会阻碍灰化薹草的生长.     

长沙桃子湖湖水稳定同位素的变化及其影响因素

基于对长沙桃子湖湖水和降水中稳定同位素的监测数据,分析了湖水中稳定同位素的变化特征及其与降水和蒸发的关系,旨在了解湿润气候条件下小型湖泊的湖水稳定同位素的变化规律,揭示降水和蒸发对湖水稳定同位素变化的具体影响.在时间变化上,湖水稳定同位素具有明显的季节变化,湖水中δ¹⁸O的最大值出现在春季,最小值出现在冬季;湖水中过量氘的最大值出现在5-6月,最小值出现在9-10月.在空间变化上,桃子湖不同深度和不同空间点上的湖水中δ¹⁸O差异很小,说明湖水基本处于均匀混合状态.当5日累计降水量≥ 20.3 mm时,湖水中δ¹⁸O的变化与5日累计降水量之间的负相关关系非常显著,但与5日累计蒸发量之间呈弱正相关;湖水中过量氘的变化与5日累计降水量之间无显著相关关系,但与5日累计蒸发量之间呈弱的相关性;相比于平均湖水蒸发线,该降水段的蒸发线斜率和截距均有明显增加.当累计降水量<20.3 mm时,湖水中δ¹⁸O的变化与5日累计降水量之间的相关程度明显降低,但与5日累计蒸发量之间的相关程度则明显提高;湖水中过量氘的变化与5日累计降水量以及与5日累计蒸发量之间的相关关系显著提高;相比于平均湖水蒸发线,该组蒸发线的斜率和截距均有明显减小.     

鄱阳湖碟形湖泊植物分解和水位变化对水体碳、氮浓度的叠加效应

以鄱阳湖典型碟形湖泊——白沙湖为监测对象,开展水体有机碳(TOC)、总氮(TN)、铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)浓度的年内动态变化的定位观测,结合在白沙湖开展的灰化薹草(Carex cinerascens)分解模拟实验和稳定同位素示踪技术,对薹草分解过程和水体营养盐浓度变化进行时间匹配,分析水体中颗粒态有机物(POM)的来源,并探讨水位变化和薹草分解对水体营养盐浓度的交互作用.结果表明,水体TOC、TN和NH_4~+-N浓度在枯水季1—4月明显高于其他月份;薹草在0~60 d具有最高的分解速率,鄱阳湖碟形湖泊洲滩湿地薹草分解起始时间为当年12月前后;水体POM与薹草活体和分解残体的δ~(13)C差异不显著,而与苦草和藻类具有显著性差异,说明薹草分解残体是水体中POM的主要来源;薹草分解过程明显影响湖泊水体TN、NH_4~+-N和TOC浓度变化;水位变化对湖泊水体NO_3~--N浓度变化效应最明显.