稳定性同位素在干旱区生态水文过程中的应用特征及机理研究

本文重点阐述了稳定性同位素18O和D在生态-水文过程研究中的研究进展,主要包括植物水分来源与比例、土壤水分动态变化与植物根系吸水、干旱区水分转化与补给等方面的研究成果。并针对我国干旱区生态水文过程研究中的具体问题,指出在今后应加强利用稳定性同位素技术在荒漠植被不同水分来源识别、植物水-地下潜水-土壤水-大气降水的转化过程、干旱区降水对不同尺度范围土壤水分和地下潜水的转化补给、具有水力提升和逆水力提升功能植物识别等方面研究中的应用。     

植物水分利用效率研究方法综述

就植物水分利用效率（WUE）的不同研究方法的原理,优缺点和适用范围进行了总结和概括。认为稳定碳同位素法简化了WUE的测定过程并使其结果更为准确,克服了其他方法难以同时测定不同地域的植物种群间生理活动变化所带来的困难,应用前景广泛,但测定费用较高。替代指标法花费小,测定容易,需求Δ的替代指标将继续是方法研究中的一个方向,前景乐观。总体来看,国内对作物WUE的研究较多地使用传统的直接测定和气体交换相结合的方法,对树木WUE研究都是通过测定树木叶片气体交换效率来推算树木的WUE,方法较为单一,今后的研究必须结合多种测定方法进行多时空尺度,不同水平WUE的测定;对极端干旱区荒漠河岸林树木的δ13C和WUE的季节变化和它们对环境因素变化的响应需要进行深入的调查研究。     

中国干旱区恢复生态学研究进展及趋势评述

本文评述了中国干旱区恢复生态学研究的历程和特点,系统分析了其研究前沿和未来发展趋势.国家重大需求推动了干旱区恢复生态学研究,植被建设是生态恢复的主要方法和手段;植被分布的地带性规律、土壤生境的恢复、生态水文互馈机理、植物水分关系、生物土壤结皮、基于模型的预测模拟是未来研究的重点;地学与生物学的学科交叉融合为干旱区恢复生态学理论创新和生态恢复实践提供了新的思路和途径.     

中国温带荒漠植物蒸腾过程模拟的若干问题分析

荒漠植被蒸腾过程是研究干旱区生态水文过程的关键一环。当前对植物蒸腾过程模拟的发展方向是光合-气孔导度-蒸腾过程耦合模型,将植物叶片的水碳交换过程通过气孔导度模型耦合起来,从而反映植物生理生态对植物蒸腾的影响特征,也揭示水分胁迫是如何影响植物生长过程的。中国干旱区水分环境是特殊的,温带荒漠植物的生理生态对干旱环境下水分条件的响应过程也是独特的,这决定了荒漠植物蒸腾过程特征的独特性,也使得当前先进的水碳耦合蒸腾模拟方法针对中国荒漠植物需要进行有针对性的修改。这些修改的关键包括对干旱区荒漠植物SPAC水分运动过程、植物水分胁迫的生理生态响应规律和荒漠植物气孔导度变化规律等的理解和模拟。相关的国内研究近些年已经有了一些开展,部分领域也得出了许多有意义和可以借鉴的结论。但是围绕蒸腾模型建立所必需的一些水碳交换过程规律的深入认识和模拟等方面,目前的研究没有比较好的支撑,还需要进一步深入研究。     

干旱区尾矿污染环境的植物修复技术研究进展

干旱区矿业废弃地（尤其是尾矿及其污染环境）的治理面临着水资源短缺、土壤贫瘠、盐碱化、植物资源相对匮乏等不利因素的制约,很大程度上阻碍了该区域的生态恢复进程。基于目前国内外在干旱区尾矿污染环境治理方面所开展的研究,本文从植物修复的理论及技术方面进行了初步的综述,重点对比分析了植物提取技术和植物固定技术的优势和不足,并对相关典型应用实例进行了分析评价,最后对国内干旱区尾矿污染环境的治理研究和技术给出建议。     

长汀水土流失区重建植被WUE及相关叶性状研究

对长汀水土流失区不同生态恢复程度生境马尾松(Pinus massoniana)与木荷(Schima superba)的叶片稳定碳同位素组成(δ13C)、比叶面积(specific leaf area,SLA)、叶N含量及C/N进行了分析,并以叶片δ13C值和C/N分别指示植物的水分利用效率(water use efficiency,WUE)和氮素利用效率(nitrogen use efficiency,NUE).研究发现:1)随着生境恢复程度的提高,马尾松与木荷的δ13C值均呈下降趋势,其中木荷对环境的响应比马尾松敏感.2)同一生境,马尾松的δ13C值高于木荷,植被恢复程度较高的生境两者差异更明显,δ13C值变幅为2.20‰.3)相同生境,马尾松的NUE高于木荷,SLA和叶N含量低于木荷,恢复程度较高的生境差异显著(P<0.05).4)树种间的NUE与WUE不存在权衡,SLA和叶N含量的变化趋势与WUE相反.研究结果表明:马尾松与木荷WUE对资源梯度变化的响应趋势相似,木荷的可塑性较强;在干旱贫瘠生境中,马尾松比木荷具有更保守的水分利用方式和氮素消费方式,适应能力更强,能起先锋树种作用,随着生态恢复程度的提高...     

不同林龄梭梭（Haloxylon ammodendron）的光合特性和水分利用效率

了解不同林龄梭梭（Haloxylon ammodendron）的光合特征、水分利用效率（WUE）及其存在的差异,有助于理解梭梭在不同生长阶段的差异及对环境的适应策略,对极端干旱区的生态恢复具有重要意义。本研究测定了不同林龄梭梭（5、11、22、34 a和46 a）的光响应曲线,分析了各龄级梭梭的光合特性和WUE。结果表明：（1）随着光合有效辐射（I）的增加,不同林龄梭梭的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）变化趋势相似,低龄级梭梭（5、11 a）光合能力较强;随着林龄增加,梭梭光合能力有下降趋势,且高龄级梭梭（34、46 a）光合特性趋于稳定。（2）不同林龄梭梭WUE随I的增加呈非线性增加,中龄级梭梭（22 a）的WUE高于低龄级（5、11 a）和高龄级梭梭（34、46 a）,中龄级梭梭（22 a）受到的水分胁迫最大,通过降低蒸腾而提高水分利用效率,高龄级梭梭（34、46 a）出现明显退化,反映出梭梭在极端干旱环境下形成了自身的极端抗旱机制及水分调节策略。     

湿地植被格局成因研究进展

植被格局是指植被在生活空间中的位置和布局状况,是物种生物学特性和外界环境因子综合作用的结果.湿地植被在景观上总是沿着某个环境梯度呈较明显的带状分布特点,但是关于带状分布形成的机理目前还不是很清楚.大量事实表明,湿地植被格局不仅受制于湿地自身自然环境状况(包括非生物和生物因素),同时也取决于湿地植物种的生物学特性,并且受到人类干扰活动的影响.具体成因如下:非生物因素主要包括气候、地貌、水文和土壤等,这些因素通过对水、热、光和营养等因子的分配而在不同尺度上影响湿地植被的组成和分布,其中,水位和盐度梯度分别是淡水和盐沼湿地植被格局形成的主导因子.生物因素主要包括竞争和植食作用,高竞争力物种采用迅速繁殖和扩散的策略成为优势物种直接影响植被的分布,植食作用则可能通过改变植物间竞争关系而影响植物分布.物种生物学特性主要包括胁迫忍耐力及繁殖和定居能力等,如洪水忍耐力高的物种往往分布在最高水位的区域,繁殖和定居能力强的物种能使自身在复杂环境下取得竞争优势.人类活动可以通过改变湿地生态系统中的非生物因素和生物因素的相互关系来影响植被分布格局.针对当前研究的现状,今后的研究应在淡水湿地系统植被成因,生物因素如植物间相互作用以及植物自身关系的权衡对格局的影响,微生物作用对植被格局的影响,野外控制实验四个方面进一步加强.     

干旱、盐胁迫下的植物水势研究与进展

近几十年来,国内外许多学者潜心研究植物水势,在植物水势概念的提出与发展、不同植物水势的日、年变化特征及其与环境因子的关系、植物叶、茎等不同部位水势对干旱胁迫的变化以及对不同土壤盐分或自身不同含盐量的反映等方面,已经取得了非常显著的成果,积累了许多宝贵的经验。然而,该研究领域仍存在许多的漏洞与不足。笔者从研究对象、目标及内容等方面针对性地提出了今后应加强研究的方向。主要体现在,基于西部干旱区干旱缺水、风沙大、土壤盐碱度高的环境特点,可以借助于研究干旱区植物水势的特点,来揭示植物的抗旱和抗盐特性,创新之余也弥补了以往研究的不足。     

长汀水土流失区重建植被WUE及相关叶性状研究

对长汀水土流失区不同生态恢复程度生境马尾松（Pinus massoniana）与木荷（Schima superba）的叶片稳定碳同位素组成（δ^13C）、比叶面积（specific leaf area,SLA）、叶N含量及C／N进行了分析,并以叶片δ^13C值和C／N分别指示植物的水分利用效率（water use efficiency,WUE）和氮素利用效率（nitrogen use efficiency,NUE）．研究发现：1）随着生境恢复程度的提高,马尾松与木荷的δ^13C值均呈下降趋势,其中木荷对环境的响应比马尾松敏感．2）同一生境,马尾松的δ^13C值高于木荷,植被恢复程度较高的生境两者差异更明显,δ^13C值变幅为2．20‰．3）相同生境,马尾松的NUE高于木荷,SLA和叶N含量低于木荷,恢复程度较高的生境差异显著（P〈0．05）．4）树种间的NUE与WUE不存在权衡,SLA和叶N含量的变化趋势与WUE相反．研究结果表明：马尾松与木荷WUE对资源梯度变化的响应趋势相似,木荷的可塑性较强;在干旱贫瘠生境中,马尾松比木荷具有更保守的水分利用方式和氮素消费方式,适应能力更强,能起先锋树种作用,随着生态恢复程度的提高,木荷具有更强的资源竞争能力和生态适应性．     

丘间滩地糜子和玉米光合蒸腾特性与内外影响因子的关系

对种植在丘间滩地的糜子和玉米进行了光合、蒸腾及一系列内外影响因子的测定。结果表明:两种作物光合、蒸腾日进程曲线均呈单峰型;蒸腾速率达峰值的时间落后于光合速率达峰值的时间;光合速率主要受光合有效辐射和温度的影响;蒸腾速率主要受空气湿度和气孔导度的调控;光合、蒸腾受植物叶水势和胞间CO₂浓度的影响不大。两种作物光合与蒸腾特性、水分利用效率及内部调解机制的变化极为相似,只是在光合速率、水分利用效率和对高温的适应上,糜子略优于玉米。     

极端干旱区胡杨宽卵形叶水分变化影响因子分析

以新疆塔里木河下游极端干旱环境下胡杨宽卵形叶为研究对象,结合对气象因子、土壤水盐和胡杨叶片气体交换、水势特性的实地监测资料,研究了影响胡杨叶片气体交换特性和水势变化的主导环境因子,揭示了反映胡杨生长发育期叶片水分变化的环境因子的指示性和指示阈值。结果表明,空气相对湿度、气温等气象因子是影响极端干旱区胡杨叶片水势和气体交换特性变化的主要因素;（48.19±1.06）%的空气相对湿度是影响胡杨叶片气体交换特性变化的临界阈值,可作为反映胡杨生长与否的指示指标,不能反映胡杨叶片水分变化状况。在极端干旱的塔里木河下游,空气相对湿度在10.69%~48.19%时利于胡杨叶片气体交换和生长。该研究可为减轻胡杨受旱程度、维持胡杨正常生长及时补充水分提供理论依据。     

中国东部南北样带森林生态系统WUE和NUE空间格局及驱动因子(英文)

From July 2008 to August 2008, 72 leaf samples from 22 species and 81 soil samples in the nine natural forest ecosystems were collected, from north to south along the North-South Transect of Eastern China (NSTEC). Based on these samples, we studied the geographical distribution patterns of vegetable water use efficiency (WUE) and nitrogen use efficiency (NUE), and analyzed their relationship with environmental factors. The vegetable WUE and NUE were calculated through the measurement of foliar δ 13C and C/N of predominant species, respectively. The results showed: (1) vegetable WUE, ranging from 2.13 to 28.67 mg C g-1 H2O, increased linearly from south to north in the representative forest ecosystems along the NSTEC, while vegetable NUE showed an opposite trend, increasing from north to south, ranging from 12.92 to 29.60 g C g-1 N. (2) Vegetable WUE and NUE were dominantly driven by climate and significantly affected by soil nutrient factors. Based on multiple stepwise regression analysis, mean annual temperature, soil phosphorus concentration, and soil nitrogen concentration were responding for 75.5% of the variations of WUE (p<0.001). While, mean annual precipitation and soil phosphorus concentration could explain 65.7% of the change in vegetable NUE (p<0.001). Moreover, vegetable WUE and NUE would also be seriously influenced by atmospheric nitrogen deposition in nitrogen saturated ecosystems. (3) There was a significant trade-off relationship between vegetable WUE and NUE in the typical forest ecosystems along the NSTEC (p<0.001), indicating a balanced strategy for vegetation in resource utilization in natural forest ecosystems along the NSTEC. This study suggests that global change would impact the resource use efficiency of forest ecosystems. However, vegetation could adapt to those changes by increasing the use efficiency of shortage resource while decreasing the relatively ample one. But extreme impacts, such as heavy nitrogen deposition, would break this trade-off mechanism and give a dramatic disturbance to the ecosystem biogeochemical cycle.     

Climate and surface properties: hydrological response of small arid and semi-arid watersheds

A positive relationship between annual rainfall and geomorphic processes (runoff and erosion rates) and environmental factors (water regime, soil and vegetation cover) is often assumed for arid and semi-arid areas with an annual rainfall in the range of 100–300 mm. This assumption disregards the fact that changes along a climatic gradient, at desert margins, are not limited to purely climatic factors. They are often accompanied by a parallel change in surface properties; especially the relative extent of rocky or soil covered surfaces that differ greatly in their response to rainfall. This raises the issue whether the change in surface properties along a climatic gradient enhances the assumed positive effects of rainfall increase or limits it. The hypothesis advanced in this paper is that runoff generation and rate in arid and semi-arid areas are primarily controlled by surface properties rather than by the absolute amounts of storm and annual rain amounts. Hydrological data collected at two instrumented watersheds, located one in an arid rocky area, and the second in a semi-arid soil covered area, support this hypothesis. The implications of data obtained for runoff generation and flow continuity under changing climatic conditions are analyzed. They point to the fact that the same regional climatic change may have different, and even opposite effects, on the hydrological response of different adjoining surface units. This response is expected to be strongly controlled by the specific local surface conditions that prevailed in the area prior to the climatic change.     

下垫面因素对喀斯特地区水分利用效率的影响

水分利用效率是衡量陆地生态系统对气候变化响应的重要指标,而下垫面因素通过影响局部气候进而影响水分利用效率。喀斯特地区生态缺水严重且下垫面情况复杂,但目前该区域多个下垫面因素对水分利用效率的综合影响仍不明晰。论文利用MODIS GPP和ET数据集计算中国西南喀斯特地区的水分利用效率,结合岩性组合、土壤类型、土地利用类型及地表粗糙度,采用广义线性模型,揭示了下垫面因素对水分利用效率的综合影响。结果表明：研究区水分利用效率受海拔和喀斯特发育程度综合影响,在空间上从东南向西北逐渐升高。下垫面因素中岩性组合对水分利用效率的影响表现出了喀斯特与非喀斯特地区的差异,喀斯特地区的碳酸盐岩岩性组合对水分利用效率呈负向影响,纯喀斯特岩性组合比非纯喀斯特岩性组合负向影响更强;土壤类型对水分利用效率的影响受分布海拔高度差异、土壤有机质差异及喀斯特与非喀斯特地貌差异3种因素影响;土地利用类型总体上呈植被越茂盛的地类对水分利用效率的正向影响越强的趋势;地表粗糙度的增大先对水分利用效率趋正向影响,后趋于负向影响。碳酸盐岩影响土壤性质,而土壤性质和地表粗糙度共同影响植被来对喀斯特地区的水分利用效率产生综合影响。     

我国干旱区湖泊演化研究综述

根据湖泊沉积记录研究环境演变是古气候变化研究的重要内容之一,在古环境演化研究以及预测未来气候等方面具有重要意义。随着中国湖泊科学的不断发展,我国在干旱与半干旱地区湖泊演化方面取得了大量的研究成果,与此同时也存在着争论和分歧。针对晚更新世高湖面存在时间、中全新世气候干湿状况以及近50a基于遥感技术研究湖面波动等方面的研究进展进行了综述和分析,并对今后的研究重点提出了一些建议。     

柽柳属植物抗旱性能研究及其应用潜力评价

柽柳属植物普遍具抗旱性能,以沙生柽柳为最强。作者从生物生态学特性、水分生理状况及抗水分胁迫的生理机制3方面系统地探讨了柽柳属植物抗旱机制。柽柳叶、营养枝及根、茎的解剖结构均表明,柽柳已形成了一系列适应于干旱环境的旱性器官。柽柳抗旱性能越强,则水势越低,持水力越强。当缓慢水分胁迫时,柽柳体内有脯氨酸、可溶性糖、K⁺、Na⁺的主动积累,共同参与渗透调节。对柽柳抗旱性能的应用潜力进行了评价,指出柽柳是优良防风固沙树种,其柽柳包的"年轮"对揭示当时的生态环境及荒漠环境演变有一定的指示作用。仅分布于流沙地区的沙生柽柳可作为沙漠中的"水源标记"。柽柳具优良的抗逆基因,通过基因工程克隆柽柳抗逆基因并转移到作物和牧草中,必将在维护生态安全、改造生态环境的同时,获得显著的经济效益。     

干旱区绿洲不同种植模式作物的耗水特征

研究了限量交替灌溉条件下小麦间作玉米的产量效应和水分利用效率(WUE),并采用微型蒸渗仪测定了小麦间作玉米的棵间蒸发量,分析了影响间作棵间蒸发量的主要因素。结果表明,在低、中、高3个灌水水平下,小麦间作玉米的土地当量比分别达到了1.25、1.22、1.28,WUE较单作小麦和单作玉米的加权平均分别提高了5.8%、7.2%、16.9%。间作的日棵间蒸发量较单作加权平均分别高10.75%、8.53%、4.41%,棵间蒸发量占蒸散量比重间作较单作高6.0%～11.7%,降低表土层的土壤含水量是降低间作棵间蒸发的可行措施之一。间作通过叶日积的增大提高了作物产量和WUE,但其全生育期较低的叶面积指数不利于无效蒸发的抑制。