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。     

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)...     

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...     

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。     

哈尼梯田景观格局对地表水δ18O海拔效应的影响

本研究以哈尼梯田文化景观遗产核心区的全福庄河小流域为对象,对在2015年5月—2016年4月间逐月采集的森林景观类型和梯田景观类型下12个样点的地表水样品进行氢氧稳定同位素组成和效应分析。结果表明: 1)在地表水氢氧稳定同位素组成上,森林斑块δ¹⁸O平均值小于梯田斑块,森林斑块δ¹⁸O随时间的变化幅度也小于梯田斑块;2)研究区地表水δ¹⁸O除8月和3月外,均具有显著的海拔效应,其一元线性回归方程为:δ¹⁸O=-0.012H+13.84(r=-0.83, n=12);3)地表水δ¹⁸O海拔梯度为-1.2‰·(100 m)^-1,但并不是受降水影响的“真”海拔梯度,而是森林斑块和梯田斑块间地表水δ¹⁸O景观梯度影响下的海拔梯度;4)在森林-梯田的景观格局组合下,森林斑块与梯田斑块间的地表水δ¹⁸O值差异增强了海拔效应。因此,当流域景观格局异质性强时,地表水稳定同位素效应会被强化或者出现完全相反的同位素效应。     

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。     

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.     

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.     

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.     

沙漠腹地天然绿洲不同林龄胡杨水分利用来源

了解干旱荒漠绿洲区主要植被的水分利用来源,能为该区域植被保护和水资源的合理分配提供科学依据.本研究以达里雅布依天然绿洲胡杨幼龄木(胸径DBH≤10 cm)、成熟木(10 cm＜DBH≤40 cm)和过熟木(DBH＞40 cm)为对象,测定不同林龄胡杨木质部水和潜在水源(地表水、0～3m土层土壤水、地下水)的氧同位素,运...     

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。     

四川裂腹鱼耳石碳、氧稳定同位素特征

为探讨耳石碳(δ¹³C)、氧(δ¹⁸O)稳定同位素在淡水鱼类群体识别中的作用,本研究以养殖条件下不同年龄组四川裂腹鱼为对象,采用稳定同位素质谱仪进行碳、氧同位素测定,揭示耳石中碳、氧稳定同位素特征,探讨其与环境间的关系. 结果表明:1⁺龄四川裂腹鱼δ¹³C和δ¹⁸O值均与耳石质量无显著相关关系,但在微耳石和星耳石之间存在显著差异;不同年龄四川裂腹鱼微耳石δ¹³C和δ¹⁸O平均值分别为(-9.58±0.06)‰、(-8.33±0.17)‰,其在雌雄个体之间均无显著性差异,但在不同年龄组间存在显著差异. 耳石δ¹⁸O和δ¹³C的关联分析能有效区分四川裂腹鱼不同养殖年龄群体,可作为一种识别淡水鱼类养殖群体的手段.     

科尔沁沙地南缘主要固沙植物旱季水分来源

探讨固沙植物水分来源以及物种间水分利用关系对揭示植物共存机理和固沙植被稳定机制具有重要意义.本研究选取科尔沁沙地南缘两种典型生境(固定沙丘和丘间低地)共12种固沙植物,通过测定植物水、同期降水、地下水和土壤水的稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O),利用IsoSource模型计算植物对不同深度土壤水的利用比例,初步阐明半干旱沙区主要固沙植物旱季水分来源以及物种间的水分利用关系.结果表明:两种生境中不同生活型固沙植物水δD和δ¹⁸O差异显著,但丘间低地乔木和灌木差异不显著.在丘间低地从乔木到草本水分来源逐渐变浅,乔木和灌木主要利用50～150 cm或30～50 cm土壤水,半灌木主要利用10～30 cm土壤水,草本主要利用0～10 cm土壤水;固定沙丘灌木主要利用0～30 cm土壤水,半灌木则主要利用50 cm附近土壤水.表明旱季固定沙丘植物比丘间低地植物更依赖0～50 cm土壤水.固沙植物水分来源与植物生活型、根系分布范围有关,其中根系分布范围影响可能更大.     

降水与土壤水混合过程的生态水文分离现象及其研究进展

以往通常假设降水与土壤水完全混合后形成径流,而基于δD-δ¹⁸O关系研究表明,降水与土壤水混合存在生态水文分离现象,即土壤水可分为由土壤无效水和可供植物吸收的有效水构成的束缚水及自由移动形成径流的自由水,且两个水库间存在着部分混合即连接性.本研究系统阐述了“生态水文分离”的概念及其内涵,描述了降水与土壤水的混合过程以及两个水库δD和δ¹⁸O的特征与关系,总结了土壤水、束缚水及自由水δD和δ¹⁸O直接观测及替代观测方法的优缺点,并阐明了径流小区及流域尺度上基于直接及替代观测方法的土壤束缚水与自由水完全分离及连接性的定性研究进展,同时阐明了基于模型和控制试验的土壤束缚水与自由水完全分离及连接性的定量研究进展,并指出应加强生态水文分离过程的定性及定量方法以及对传统生态水文模型的影响和改进研究.