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.     

鄱阳湖湿地典型中生植物水分利用来源的同位素示踪

水分是维持植物生长、决定种群分布的关键因子,研究植物水分利用来源是揭示水文过程与植被演替作用机制的基础,作为中国最大的淡水湖泊系统,鄱阳湖水文情势的显著改变已直接影响到湿地生态系统的水分补给来源.本文通过测定降水、土壤水、地下水、湖水和植物茎水中δ¹⁸O、δD同位素组成,识别鄱阳湖湿地典型中生植被——茵陈蒿（Artemisia capillaris）群落的土壤水分补给来源,并应用直接对比法和IsoSource多源混合模型估算优势种茵陈蒿的主要吸水区间及水源利用比例.结果发现：（1）与降水同位素相比,湖水和湿地土壤水同位素较为富集,地下水同位素较少发生分馏;（2）湿地地下水主要受历史长期降水和湖水共同补给,土壤水在雨季4—6月和秋季9—10月主要受降水补给,夏季7—8月深层土壤水受湖水侧向入渗和地下水的共同补给,并在蒸发作用下水分向浅层土壤传输;（3）茵陈蒿主要利用0~80 cm深度的土壤水,且能够在不同土层水源间灵活转换.当土壤含水量较高时（4—5月）,主要利用0~40 cm浅层土壤水,利用率约49%~68%;当浅层土壤含水量较低时（6—8月）,主要利用40~80 cm深层土壤水,利用率高达74%~95%;当植物进入生长后期（9—10月）,主要利用0~15 cm表层土壤水,利用率介于41%~70%.总体发现,湖水是鄱阳湖湿地中生植物群落土壤水分的重要补给来源,优势种茵陈蒿能够响应土壤含水量的变化改变吸水深度,具有较强的干旱适应能力.研究结果可为鄱阳湖湿地植被生态系统演变和科学保护提供理论参考.     

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.     

水位埋深对菖蒲萌发和幼苗生长的影响

在直径35.5cm、深100cm的试验桶内装填厚度80cm的江沙,选择形态和节数一致的菖蒲根状茎栽种到桶内江沙中,调节并控制试验桶水位埋深,模拟研究湿地水位埋深变化对菖蒲萌发和幼苗生长的影响.为湿地生态系统保育和受损区域植被恢复提供理论依据.试验结果表明:(1)水位埋深对菖蒲萌发和幼苗生长有不同程度的影响,水位埋深为-60cm至-20cm条件下菖蒲皆能萌发,且随着水位埋深减小,萌发率降低.试验70d,-20cm试验组菖蒲萌发率达到90%,分别为-50cm和-60cm试验组的2.25和3倍.而0cm水位埋深条件下,菖蒲不萌发;(2)菖蒲幼苗叶长、叶宽和叶面积随水位埋深减小而减小.各试验组间差异极显著(P<0.01),叶片数量也随水位埋深减小而减小,-20cm和-40cm试验组极显著高于-50cm和-60cm试验组(P<0.01),且-60cm水位埋深严重影响菖蒲幼苗的存活,试验70d后菖蒲幼苗相继死亡;(3)随水位埋深减小,菖蒲幼苗叶片Ch1.a和Ch1.b含量下降,Ch1.a/b升高,类胡萝卜素(Car)含量升高,植物通过形态调节和减少色素含量来减少叶片对光能的捕获;(4)水位埋深过小导致的低土壤水分含量还使菖蒲幼苗叶片细胞膜脂过氧化加剧,细胞质膜透性迅速增大;(5)水位埋深影响菖蒲幼苗叶片快速光响应曲线,水位埋深越小,ETRmax和最小饱和光照强度越低,光响应能力越弱,     

阿拉善高原灌木种的丰富度和多度格局对环境因子变化的响应：极端干旱荒漠地区灌木多样性保育的前提

灌木作为群落优势植物生活型是干旱荒漠系统区别于半干旱草原或草地生态系统的最显著的特征之一．位于我国北方典型干旱区的阿拉善高原其稀疏的植被覆盖介于15％～30％,且主要由多样的灌木组成,草本植物层片受到极端干旱气候条件、风蚀、过度放牧以及沙埋等因素的限制．采用无偏对应分析（DCA）和二维点图（biplot）法探讨了灌木物种的丰富度和多度格局对生境条件变化的响应,并利用逐步回归分析方法分析了物种多样性和环境因子之间的关系．阿拉善高原灌木种分布对生境条件的响应可归纳为4种生态类型,其主要源于不同灌木独特的生物学特性、土壤质地和土壤含水量梯度的变化．对灌木物种丰富度和多度格局起决定性作用的因子是深层土壤的含水量,并不支持在半干旱区草地土壤质地特性决定木本植物多样性格局的观点．除了深层土壤含水量,灌木种的多度还与土壤有机质和全氮含量有显著的正相关关系,与土壤pH呈负相关关系．以上结果意味着减少黑河中游农业用水对于位于下游的阿拉善西部荒漠灌木物种多样性保育是至关重要的．此外,减少高原中部地下水的过度开采、协调城市和绿洲水资源的利用、增加贺兰山对高原东部的水资源供给,确保整个高原深层土壤水分的稳定性是今后该区灌木物种多样性的保育的重要前提．