新疆三工河流域土壤水δD和δ^(18)O特征及其补给来源北大核心CSCD

采用环境同位素示踪技术研究旱区不同土地利用类型下的土壤水来源与运移机理,通过以新疆三工河流域为研究区,对三工河流域四个土壤剖面分层采集了不同土地利用类型的土壤水,测定了其稳定同位素(δD、δ^(18)O)的含量,分析了非饱和带土壤水稳定同位素沿土壤剖面的垂向变化规律。结果表明:区内非饱和带中的土壤水在入渗的同时经历了明显的混合作用,荒地土壤水比耕地受蒸发作用影响更强烈,荒地蒸发影响深度为1.2~1.6 m,耕地蒸发影响深度为0.8~1.2m;荒地与耕地土壤水中氢氧同位素在垂向上呈现旋回变化,每个旋回经历了一次新水入渗补给的过程,即新水入渗与土壤老水混合-土壤水氢氧同位素逐渐变小直到贫化极值-地表入渗补给结束,土壤水向下运移并逐渐与土壤老水混合同时受蒸发作用-同位素逐渐富集直到土壤老水本底值;耕地土壤剖面补给水δD值为-112.93‰^-102.58‰,荒地土壤剖面补给水δD值为-111.07‰^-94.44‰,比地下水、地表水同位素值更贫化,可见土壤水中的补给水主要来源于大气降水;灌溉水入渗地表后,在强烈的蒸发作用下,很难向非饱和带深部运移对地下水补给,节水灌溉方式改变了绿洲内土壤水入渗补给机制。研究结论为进一步厘定绿洲内垂向补给量,准确评价三工河流域水资源量提供重要依据。     

新疆三工河流域土壤水δD和δ~(18)O特征及其补给来源

采用环境同位素示踪技术研究旱区不同土地利用类型下的土壤水来源与运移机理,通过以新疆三工河流域为研究区,对三工河流域四个土壤剖面分层采集了不同土地利用类型的土壤水,测定了其稳定同位素(δD、δ~(18)O)的含量,分析了非饱和带土壤水稳定同位素沿土壤剖面的垂向变化规律。结果表明:区内非饱和带中的土壤水在入渗的同时经历了明显的混合作用,荒地土壤水比耕地受蒸发作用影响更强烈,荒地蒸发影响深度为1.2~1.6 m,耕地蒸发影响深度为0.8~1.2m;荒地与耕地土壤水中氢氧同位素在垂向上呈现旋回变化,每个旋回经历了一次新水入渗补给的过程,即新水入渗与土壤老水混合-土壤水氢氧同位素逐渐变小直到贫化极值-地表入渗补给结束,土壤水向下运移并逐渐与土壤老水混合同时受蒸发作用-同位素逐渐富集直到土壤老水本底值;耕地土壤剖面补给水δD值为-112.93‰~-102.58‰,荒地土壤剖面补给水δD值为-111.07‰~-94.44‰,比地下水、地表水同位素值更贫化,可见土壤水中的补给水主要来源于大气降水;灌溉水入渗地表后,在强烈的蒸发作用下,很难向非饱和带深部运移对地下水补给,节水灌溉方式改变了绿洲内土壤水入渗补给机制。研究结论为进一步厘定绿洲内垂向补给量,准确评价三工河流域水资源量提供重要依据。     

基于稳定同位素示踪的黄河兰州段河漫滩土壤水特征分析

以兰州市安宁区金牛街码头附近距黄河约10 m的河漫滩为研究对象,对河漫滩土壤水的氢氧稳定同位素进行分析并结合不同水体lc-excess(Line-conditioned excess),研究了河漫滩土壤剖面不同深度土壤水氢氧稳定同位素与土壤含水量的变化特征以及降水以活塞流、优先流模式对土壤水的补给过程。研究表明:(1)兰州当地大气降水线(Local meteoric water line,LMWL):δD=7.00δ18O+3.81(R2=0.95,P0.001)与全球大气降水线(Global meteoric water line,GMWL)有明显差异,受蒸发的影响斜率小于GMWL。(2)土壤垂直剖面中浅层土壤水δD变幅较大,越往深层变幅越小并逐渐趋于稳定,且δD值随深度先减小、后增大、最后趋于稳定,而浅层土壤含水量较小,随着深度的增加逐渐增大,河水对深层(80 cm)土壤水存在补给。(3)4、6、10月观察到降水以活塞流模式对土壤水进行了补给,5、9月观察到降水以优先流模式对土壤水进行补给,即降水对河漫滩土壤水以2种入渗模式共同补给。明晰土壤水特征对于准确分析降水在土壤中的入渗量、深入认识其补给过程、准确评价地下水补给资源以及地下水污染分析具有重要意义。     

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。     

黄河三角洲贝壳堤土壤水潜在水源研究

通过分析黄河三角洲贝壳堤4处采样地0~80 cm深度土壤p H、含盐量、含水量和氢、氧稳定同位素垂直分布特征,研究黄河三角洲贝壳堤土壤水的潜在水源,为该区植物恢复提供理论依据。研究结果表明,各采样地的土壤p H都偏碱性,滩脊采样地的土壤p H高于其它采样地;向陆侧采样地的土壤含盐量最高,滩涂采样地的次之,向海侧和滩脊采样地的较低;随着土壤深度的增加,各采样地的土壤含水量都波动增大,滩涂和向陆侧采样地土壤含水量高于向海侧和滩脊处采样地。随着土壤深度的增加,滩涂、滩脊和向海侧采样地土壤水的δD值和δ18O值波动减小。在向陆侧采样地,积水通过入渗补给了0~40 cm深度的土壤水,而60~80 cm的深层土壤水则受到海水补给;海水对滩涂、向海侧和滩脊采样地的60~80 cm深度土壤水有一定的补给作用。     

党河流域敦煌盆地地下水补给与演化研究

综合应用水文地球化学指标和稳定同位素技术研究了党河流域敦煌盆地地下水补给和演化规律。岩盐、石膏及芒硝等矿物的溶解对Na⁺、Ca²⁺、Cl^-及SO₄^2-离子浓度影响较大。阳离子交换作用明显,地下水中Mg²⁺和Ca²⁺浓度增加,并与碳酸盐发生沉淀,导致HCO₃^-减少。地下水的δ¹⁸O值介于-12.1‰~-7.5‰,δ²H值变化范围为-84.3‰~-61.5‰,指示了盆地不同地带地下水补给来源不同。潜水δ¹⁸O和δ²H数值随着地下水径流路径方自西南到东北越来越富集,反映了蒸发浓缩效应,南湖、盆地南部潜水同位素与河水相近,体现了现代补给。相比之下,承压水稳定同位素相对贫乏,指示过去寒冷时期的补给。该研究可以为敦煌区域地下水资源规划和管理提供一定的借鉴意义。     

毛乌素沙地流动沙丘土壤水分对降雨的响应

为探讨半干旱区流动沙丘土壤水分对降雨的响应,采用AV-3665R型雨量传感器、ECH₂O-5土壤水分传感器同步监测毛乌素沙地东北缘流动沙丘2013年降雨及0～200 cm深度土壤体积含水量动态,分析土壤水分含量变化特征、降雨入渗特征及降雨对土壤水的补给作用。结果表明:5-11月累积降雨399.4 mm,显著(p<0.01)影响0～200 cm深度土壤水分含量; 且0～200 cm深度土壤体积含水量较低(6.49%±1.12%)时53.8 mm降雨、较高(10.22%±1.96%)时24.2 mm降雨湿润锋能够到达200 cm; 试验期间399.4 mm累积降雨对土壤水有一定补给作用,其中45.7±14.1 mm降雨蓄存在0～200 cm深度土壤中,占同期降雨的(11.4%±3.5%,且随着时间的延长,蓄存水大部分将渗漏到200 cm以下补给深层土壤水。     

青海湖沙柳河流域浅层地下水不同时期补给特征

地下水稳定同位素组成的时空变化特征可以反映不同时期、不同区域地下水补给来源的差异。通过青海湖沙柳河流域浅层地下水氢氧稳定同位素组成的时空变化特征以及地下水、河水与降雨之间的补给关系的分析，结果显示：季风时期，地下水主要受降雨入渗和河流侧向补给为主，在补给过程中蒸发作用是影响地下水稳定同位素值的主要因素；非季风期，冰雪融水对低值区的地下水影响显著，同时降水的快速入渗则是该时期高值区地下水的主要补给方式之一。地下水同位素高值区，地下水与河水间补给作用较弱，补给时间超过5个月；地下水同位素低值区，地下水与河水补给关系较为密切，补给时间在1~4个月间。本文所得结论可初步反映干旱半干旱内陆流域地下水稳定同位素特征以及补给方式的基本规律，在一定程度上可为流域地下水及其他水体间的转换研究提供科学依据，并为地下水资源管理和水环境治理提供一定理论指导。     

盐生荒漠土壤水稳定氢、氧同位素组成季节动态

对准噶尔盆地东南缘降水和土壤水稳定氢、氧同位素组成（δ¹⁸O和δD）进行了测定,分析了降水中δ¹⁸O和δD值的季节变化规律,表层土壤水中δ¹⁸O和δD值对降水脉冲的动态响应以及不同深度土壤水中δ¹⁸O和δD值的变化特征。结果表明：该区域大气降水线为δD=7.691δ¹⁸O+4.606;降水与表层土壤水中δ¹⁸O和δD值表现出明显的季节变化特征;表层土壤水中δ¹⁸O和δD值、质量含水量对降水脉冲响应显著,且不同量级的降水导致不同程度的响应。利用LSD法对0~300 cm土层内土壤水中δ¹⁸O和δD值进行多重比较分析,可将土壤在垂直方向上分为3层,表层（0~50 cm）土壤水分活跃,稳定同位素值随深度的增加而迅速减小;中间层（50~180 cm）土壤水分相对活跃,既受到降水入渗和蒸发作用的影响,也有地下水的补给;深层（180~300 cm）水分来源稳定,土壤水中δ¹⁸O和δD值基本不变。     

塔里木河上游胡杨(Populus euphratica、柽柳(Tamarix ramosissima)水分来源的稳定同位素示踪

通过分析塔里木河上游胡杨(Populus euphratica)、柽柳(Tamarix ramosissima)茎干水和各潜在水源(河水、土壤水、地下水)的δD、δ~(18)O同位素组成,应用多水源混合模型(IsoSource模型)研究了胡杨、柽柳的水分来源和对各潜在水源的利用比例。结果表明:0~100cm土壤水受蒸发影响大,土壤水δ~(18)O值偏大;100~300cm土壤水和地下水δ~(18)O值偏小且各点不存在显著差异。柽柳茎干水的δ~(18)O值小于胡杨,且均随河岸距离增加而减小;在河岸,胡杨最多能利用14.2%的河水,柽柳对河水的利用比例最大达到35.3%,二者对浅层0~100cm土壤水的利用比例较高;远离河岸,胡杨主要利用大于120cm的土壤水和地下水,对地下水的利用比例40%~50%,柽柳以地下水作为其主要水源,最大利用比例达到94.5%。胡杨生长需要适宜的地下水埋深条件(350~420cm),柽柳在浅地下水埋深和大于450cm的深地下水埋深条件下均能良好生长,对不同水分条件的适应能力优于胡杨。     

红砂育苗的土壤水分管理初步研究

分布于60~300 mm降水量区域的超旱生半灌木红砂,是该区域的建群种,也是人工辅助植被恢复的主要树种,探索其幼苗成活与土壤含水量之间的关系,对人工辅助恢复植被十分重要。以不同苗龄的红砂容器苗和直播实生幼苗为调查对象,研究了红砂幼苗成活数量与土壤含水量之间的相关性。结果表明：10 cm土层中的体积含水量在20~25 d内持续达20%~30%时,其成活率达到70%左右;25 d以后,含水量在10%时就能维持其生命,苗龄30~40 d后幼苗成活率趋于稳定。     

不同生境条件下泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)种群的空间格局及动态分析

应用生态空间理论(theory of spatial ecology)和地统计技术，分析了不同生境条件下泡泡刺种群的空间分布特征及其动态。结果表明：受气候条件的控制，泡泡刺种群是以斑块状格局形式存在。在较小的尺度上，生境条件起到了明显的作用，戈壁生境中的泡泡刺灌丛沙堆趋向于斑块小、密度大、空间自相关距离短，而沙漠生境中的结果相反。另外，沙埋和地下水位下降不仅为泡泡刺种群拓宽了生态位，而且是该种群演化的驱动力。     

4种典型荒漠植物相互关系

我们调查了安西荒漠保护区内相邻的4种典型植物珍珠猪毛菜（Salsola passerina ）、合头草（Sympegma regelii ）、红砂（Reaumuria soongorica ）、泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa ）个体大小与相对距离,通过对10种组合的个体大小与距离的回归分析,研究其彼此间的相互关系。结果显示：4种植物大小与距离之间是正相互关系,即竞争关系;种内竞争的重要性高于种间竞争的重要性,且竞争物种之间存在不对称性。此结果表明,物种间的这种竞争关系在一定程度上影响了荒漠地区植物群落的构建。     

土壤质地与埋深对白刺群落主要伴生植物出苗的影响研究

在田间条件下,研究了3种土壤质地与5个埋深对白刺群落主要伴生植物苦豆子、黄花矶松、沙蒿、油蒿和红砂出苗的影响,为白刺群落恢复、优良植物的筛选及其种群扩展提供理论依据与技术支撑。试验研究表明,尽管白刺群落主要伴生植物在田间的出苗率均较低,但各植物的出苗能力明显不同。土壤质地仅对伴生植物苦豆子、沙蒿和黄花矶松出苗有显著影响,而埋深处理对伴生植物出苗均有显著影响。不同土壤质地与埋深处理的平均出苗率以苦豆子最高,红砂、沙蒿和黄花矶松次之,油蒿最低;不同土壤质地的最高出苗率,沙土以沙蒿最大,沙壤土以黄花矶松最大,黏土以红砂最大;出苗适宜埋深,苦豆子为1.0~2.0 cm,沙蒿、黄花矶松、油蒿和红砂为0.5 cm。研究结果表明,选择适宜的植物及其人工促进技术对退化白刺固沙植被的恢复至关重要。     

Groundwater use by native plants in response to changes in precipitation in an intermountain basin

Many arid basins in western North America are likely to experience future changes in precipitation timing and amount. Where shallow water tables occur, plant acquisition of groundwater and soil water may be influenced by growing season precipitation. We conducted a rainfall manipulation experiment to investigate responses of four common native plant species to ambient, increased, and decreased summer monsoon rainfall. We measured plant xylem pressure potentials (Ψ) and stable oxygen isotope signatures (δ¹⁸O) to assess effects of altered precipitation on plant water relations and water acquisition patterns. Reduced rainfall decreased Ψ more in the grasses Sporobolus airoides and Distichlis spicata than the more deeply rooted shrubs Sarcobatus vermiculatus and Ericameria nauseosa. E. nauseosa had little response to natural or experimental differences in available soil water. Plant xylem water δ¹⁸O indicated that S. airoides and D. spicata are almost entirely dependent on rain-recharged soil water, while E. nauseosa is almost entirely groundwater-dependent. Sarcobatus vermiculatus used groundwater during dry periods, but utilized precipitation from soil layers after large rainfall events. Persistent changes in precipitation patterns could cause shifts in plant community composition that may alter basin-scale groundwater consumption by native plants, affecting water availability for human and ecosystem uses.     

黑河流域干旱生态系统红砂荒漠空间斑块结构及其生态适应策略（英文）

In many arid ecosystems, vegetation frequently occurs in high-cover patches interspersed in a matrix of low plant cover. However, theoretical explanations for shrub patch pattern dynamics along climate gradients remain unclear on a large scale. This context aimed to assess the variance of the Reaumuria soongorica patch structure along the precipitation gradient and the factors that affect patch structure formation in the middle and lower Heihe River Basin(HRB). Field investigations on vegetation patterns and heterogeneity in soil properties were conducted during 2014 and 2015. The results showed that patch height, size and plant-to-patch distance were smaller in high precipitation habitats than in low precipitation sites. Climate, soil and vegetation explained 82.5% of the variance in patch structure. Spatially, R. soongorica shifted from a clumped to a random pattern on the landscape towards the MAP gradient, and heterogeneity in the surface soil properties(the ratio of biological soil crust(BSC) to bare gravels(BG)) determined the R. soongorica population distribution pattern in the middle and lower HRB. A conceptual model, which integrated water availability and plant facilitation and competition effects, was revealed that R. soongorica changed from a flexible water use strategy in high precipitation regions to a consistent water use strategy in low precipitation areas. Our study provides a comprehensive quantification of the variance in shrub patch structure along a precipitation gradient and may improve our understanding of vegetation pattern dynamics in the Gobi Desert under future climate change.     

荒漠绿洲过渡带柽柳和泡泡刺光合作用及水分代谢的生态适应性

对分布于荒漠绿洲过渡带的柽柳(Tamarix ramosissima)和泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)光合和水分代谢特性进行了比较研究。结果表明,柽柳和泡泡刺：①净光合速率与环境因子响应具“光合下调”现象,其曲线符合Gauss model。②净光合速率最大值分别为20.2 μmol CO2·m-2·s-1和23.8 μmol CO2·m-2·s-1;光补偿点和饱和点为244.62 μmol·m-2·s-1和1 180.31 μmol·m-2·s-1,73.67 μmol·m-2·s-1和1 467.85 μmol·m-2·s-1。③净光合速率近似双峰型抛物线;光能利用效率单峰曲线;柽柳蒸腾速率和水分利用效率为单峰旗形,泡泡刺波浪型。 ④泡泡刺利用较高的净光合速率、蒸腾、水分利用效率,柽柳通过高光能利用效率来适应荒漠生态环境。因此,光抑制所导致的“光合下调”现象是柽柳和泡泡刺对水分胁迫所产生的保护性机制,反映了荒漠植物在与环境协同进化过程中的生态适应性;较低的水分利用效率是荒漠植物对其环境响应的普遍适应机理。     

基于水化学和同位素评价马莲河下游地下水补给河水的时空变化

准确评价地下水对河水的补给量是流域水资源量管理和合理利用的基础。在马莲河流域下游采集不同季节地表水和地下水样品75组，利用Cl^-、电导率（EC）和D、¹⁸O同位素多方法联合评价，识别了地下水补给河水的位置、补给量及其季节变化。结果表明：马莲河水EC和Cl^-质量浓度沿着流向均呈降低趋势，δD和δ¹⁸O值沿流向减小。雨季EC和Cl^-质量浓度最低，δD和δ¹⁸O值最高。地下水各组分浓度均低于河水，时空变化不明显。地下水单宽排泄量存在时空变异，上段和下段为地下水强排泄区，中段地下水排泄较弱，不同季节地下水排泄量占总排泄量的72.20%～95.07%。雨季地下水单宽排泄量显著降低，河水中基流比例由雨季前期的68.89%降至29.43%。整体上，地下水补给河水季节变化明显，而空间变化规律较为稳定。研究成果有利于深入认识河水和地下水的相互作用机制，并为当地水资源利用提供基础依据。     

几种荒漠植物干旱休眠机理的初步研究

研究了阿拉善荒漠区天然生长的荒漠植物梭梭(Haloxylon ammodendron)、骆驼蓬(Peganum harmala)、白刺(Nitraria tangutorum)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)、红砂(Reaumuria soongorica)、珍珠(Salsolapasserina )、油蒿(Artemisia ordosica)叶片的相对含水量、脯氨酸、甜菜碱、海藻糖以及脱落酸(Abscisic Acid,ABA)含量在不同生长季节的变化特征。结果表明,ABA可促进脯氨酸、甜菜碱的积累;脯氨酸在9月累积较多,甜菜碱在7月大量累积,海藻糖在5月和9月积累较多,脱落酸在9月累积较多。脱落酸和脯氨酸对植物休眠可能存在着促进作用。