黑河下游典型生态系统水分补给源及优势植物水分来源研究

通过对黑河源区降水、 黑河下游河岸林生态系统、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统土壤水和浅层地下水稳定氢氧同位素组成(δD、 δ¹⁸O)的测定, 对黑河下游典型生态系统土壤水和浅层地下水的补给源进行了研究. 同时通过对比分析河岸林生态系统胡杨和柽柳、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统红砂等优势植物根系水及其对应的土壤水及浅层地下水的δ¹⁸O, 对黑河下游典型荒漠植物水分来源进行了研究, 并对不同潜在水源对植物水分来源的贡献率进行了计算. 结果表明: 河岸林生态系统和人工梭梭林生态系统的土壤水和浅层地下水来自黑河源区的降水, 源区降水通过黑河河道输水补给河岸林进而形成土壤水和浅层地下水, 但人工梭梭林的土壤水蒸发作用强烈. 戈壁红砂生态系统由于远离黑河, 土壤水不受黑河源区中上游输水的补给. 就植物水分来源而言, 在河岸林生态系统中, 乔木胡杨主要利用40~60 cm的土壤水和地下水, 灌木柽柳主要利用40~80 cm的土壤水; 人工梭梭主要利用200 cm至饱和层土壤水和地下水; 戈壁红砂主要利用175~200 cm的土壤水. 因此, 在黑河下游极端干旱区, 土壤水和地下水是维持荒漠植物生存、 生长及发育的主要来源.     

黑河下游河岸林植物水分来源初步研究

通过分析黑河下游极端干旱区荒漠河岸林植物木质部水及其不同潜在水源稳定氧同位素组成(δ18O),应用"同位素质量守恒多元"分析方法初步研究了不同潜在水源对河岸林植物的贡献.结果表明:在黑河下游荒漠河岸林生态系统,在河水转化为地下水和土壤水及水分在土壤剖面再分配的过程中均存在强烈的同位素分馏.对植物水δ18O而言,胡杨、柽柳和苦豆子的δ18O分别为-6.43‰、-6.28‰～和-6.61‰,较苦苣菜(-5.14‰)和蒲公英(-5·52‰)明显偏负.柱状频率图显示胡杨最多能利用93%的地下水,柽柳最多利用90%的地下水.而苦豆子97%水分来源于80 cm土层范围内的土壤水.除0～20 cm土层内的土壤水外,苦苣菜和蒲公英可能还有其他潜在水源.即在黑河下游天然河岸林乔木和灌木较多地利用地下水,而草本植物仍然以地表水为主.     

基于氢氧稳定同位素识别干旱区棉花水分利用来源

棉花是我国西北内陆干旱地区主要的农作物,研究干旱区棉花的水分利用来源对合理制定灌溉制度、实现农业节水灌溉和保证作物稳产高产具有重要意义.在新疆生产建设兵团炮台土壤改良试验站,基于水文监测和氢氧稳定同位素方法分析膜下滴灌棉田土壤水中氢氧同位素的动态变化特征,确定棉花不同生育期及灌溉后的水分利用来源,并应用多水源混合模型(IsoSource模型)定量计算了棉花对不同深度土壤水的利用率.研究结果表明:棉花在蕾期、花期、铃期和吐絮期主要的水分利用来源及利用率分别为0~30 cm(78.2%)、30~60 cm(31.9%)、60~110 cm(32%)、110~220 cm(47.3%),整个生育期内水分利用来源存在由浅变深的规律.膜下滴灌后,棉花调整其水分利用来源,显著增加了0~30 cm浅层土壤水的利用率.综合试验结果表明低额高频的灌溉制度可以提高棉花对灌溉水的利用率.      

黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程

包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊（Spiraea salicifolia）木质部水等样品的同位素δD和δ18O进行测定。结果表明:羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大,呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源,灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水,符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ18O最为接近,20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源,为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。     

采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源影响试验研究

采煤塌陷引起的地裂缝不仅造成地质灾害,还会影响矿区植被的生长发育,破坏矿区生态系统。为深入探讨采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源的定量影响,在神东矿区活鸡兔井田22312工作面选取了受采煤塌陷裂缝影响程度不同的3个试验区进行同位素标记水模拟降水试验。3个试验区根据沙蒿与裂缝的距离不同划分,其采煤塌陷情况分别为未开采区(试验样地内沙蒿距离裂缝大于50 m)、受采煤塌陷影响但无明显裂缝区(简称无明显裂缝区,试验样地内沙蒿距离裂缝大于5 m)以及裂缝区(试验样地内分布有宽度15 cm左右的裂缝通过,且距离沙蒿0~20 cm)。本次试验选择6株沙蒿作为研究对象,划分6个土壤剖面,采用液态水同位素分析仪LGR和Isoprime 100同位素比值质谱仪IRMS分别计算不同土层土壤水和植物样本木质部水的δ18O和δ2H同位素含量,并利用R脚本的MixSIAR贝叶斯混合模型量化降水后不同土层对沙蒿吸水的贡献,探讨土壤水分补给机制和植物水分来源。结果表明:(1) 裂缝区的优先流比例为18.2%;(2) 在未开采区,沙蒿吸收的59.7%的水分来自10~20 cm的土层;(3) 在无裂缝区,沙蒿主要从40~60 cm土层(46.6%)和0~10 cm土层(39.4%)吸水;(4) 在裂缝区,沙蒿吸收的85.9%的水分主要来自40~60 cm的土层。研究结果对揭示采煤塌陷裂缝区土壤水补给机制以及沙蒿吸水模式具有重要意义。      

黑河中游临泽地区沙丘植物水分来源的D、18O同位素示踪

基于2008年7月份降雨、地下水、土壤水和植物茎干水的D、18O同位素观测结果,分析了黑河中游临泽地区沙丘顶、底部不同深度土壤水分的来源,确定了红柳、花棒、梭梭等沙丘植物的吸水层位及其对降雨和地下水的依赖程度,发现:①土壤水δ(D)、δ(18O)剖面总体呈指数形式,局部受降雨事件入渗过程影响,土壤剖面的上界面受连续蒸发...     

猪毛菜在不同降水条件下的水分来源差异研究

通过测定大柴旦与都兰地区猪毛菜木质部水分及其不同潜在水源的稳定性氢氧同位素值,利用多源线性混合模型分析不同水分来源对猪毛菜的贡献率.研究结果表明:大柴旦地区大气降水线为y=7.565x+4.796(R²=0.908),都兰地区大气降水线为y=6.005x-7.856(R²=0.7391),说明两个地区都存在较强的蒸发作用.但是,都兰地区较大柴旦风速大,温度高,雨水蒸发速度快,造成雨水δ¹⁸O偏高,形成比大柴旦地区斜率更小的当地大气降水线.大柴旦和都兰地区的猪毛菜,在两个样地的用水策略上存在显著差异.在降水较少的大柴旦地区,猪毛菜以土壤水为主要水源.在降水较多的都兰地区,则以降水为主要水源.就其对土壤水的使用情况来看,大柴旦的猪毛菜多利用深层土壤水,而都兰地区的猪毛菜却对表层土壤水利用比例较大.两地猪毛菜在生长季的不同时期都存在对利用水源的转换现象.为适应不同地区降水量的变化,猪毛菜根据不同水源调节利用比例.降水格局的改变将导致猪毛菜的水分利用策略发生适应性的变化.     

中国东部寒武系与奥陶系界线地层的碳氧同位素研究

对我国东部不同地层区一些代表性的寒武系-奥陶系界线层位开展了碳?氧同位素研究?结果表明,由于沉积环境差异和成岩蚀变影响,界线层位的δ18O值变化较大,规律性不明显,δ13C值变化虽小,但在界线处均发生不同程度漂移?漂移的层位与寒武纪-奥陶纪主要生物群面貌变化的界线相一致?综合各方面资料分析,笔者认为,碳同位素组成的漂移很可能由晚寒武世到早奥陶世时期内海平面的升降所引起.     

干旱区河岸柽柳水分利用效率(WUE)对地下水位年内波动的响应

柽柳是中亚干旱区河岸林的重要建群种,同时也是美国西南半干旱区河岸林的主要入侵物种。随着国内外生态输水和流量自然化等旨在恢复受损河岸生态系统措施的实施,许多干旱、半干旱区河流沿岸的地下水呈现出显著的年内波动。在此背景下,作为兼性地下水湿生植物的河岸柽柳,其水分利用效率是保持相对稳定还是随水位波动而变化?该问题目前仍未得到解答。基于叶片δ13 C、河水位、河岸带地下水位及土壤水分的动态观测,分析了黑河中游典型河岸林内柽柳水分利用效率对地下水位波动的响应。研究表明:柽柳叶片的碳同位素分馏值具有显著的波动性变化特征,且与地下水涨落呈较好的正相关,通常随水位抬升而增大,在地下水回落一段时间后下降,表明河岸柽柳的水分利用效率对潜水埋深的变化有着显著响应,随地下水位的下降而增高。这可能是因为在高水位时段及低水位时段的初期,柽柳主要吸收上升到或滞留在根系吸水层内的地下水,水分来源充足,故水分利用效率总体上较低;在低水位时段的中后期,因重力释水和植物蒸腾,根系吸水层变得越来越干燥,为了从中吸收到足够的水分,柽柳叶片水势降低,导致部分叶片气孔闭合,水分利用效率增高。     

四川盆地海、陆相烃源岩有机质稳定碳同位素组成变化及其地球化学意义

采用质谱和色谱-同位素质谱技术,测定了500余个干酪根及饱和烃、芳烃组份、正构烷烃的δ13C值,以此揭示了四川盆地海、陆相烃源岩有机碳同位素组成随地质时代的变化特点及其在高成熟阶段的演化特征,并结合其他相关分析资料,应用碳同位素剖析了不同类型海、陆相烃源岩的有机质生源及沉积环境。研究结果表明,该盆地从震旦系灯影组到中三叠统雷口坡组的海相地层中,干酪根的碳同位素组成随层位变新呈逐渐变重的趋势,可能的原因之一是浮游植物的进化作用;而上三叠统须家河组至中侏罗统千佛崖组的陆相有机质碳同位素组成则有反向的年代变化,主要与生源构成和沉积环境性质有关。这些海、陆相烃源岩的有机源难以用干酪根δ13C值进行区分,而可用饱和烃与芳烃组份的δ13C及其CV值来区别。海洋和湖泊不同沉积相带烃源岩的干酪根具有明显不同的δ13C值,结合其他相关资料可识别其有机质来源。煤系地层中煤与泥岩在干酪根碳同位素组成上没有可区分性,而两者有不同的正构烷烃碳同位素分布曲线。从成熟晚期到高-过成熟阶段,海、陆相干酪根的碳同位素均变重1~2‰,煤系泥岩的正构烷烃碳同位素分布曲线由负向线型分布向平直型演变。这些碳同位素的变化特征为油气源对比和烃源识别提供了依据。     

沙漠—绿洲过渡带近地表风沙过程研究进展

受绿洲和沙漠景观格局的双重影响,沙漠—绿洲过渡带是一个对外界条件变化极为敏感的生态环境脆弱带。沙漠—绿洲过渡带近地表风沙过程及其动态演变直接影响绿洲的稳定和有序发展,在空间上制约沙漠的进退或绿洲的变迁。从沙漠—绿洲过渡带局地小气候、沙尘暴、风沙环境、土壤风蚀、风沙输移和绿洲防护体系建设等几个方面比较全面地综述了近数十年来沙漠—绿洲过渡带近地表风沙过程研究进展,并基于当前沙漠—绿洲过渡带生态环境建设与地方需要等面临的实际问题,分析了该领域今后的研究重点和发展趋势。     

干旱区荒漠植被丙二醛及保护酶活性对地下水位的响应

塔里木河下游的乔木、灌木、草本植被的主要建群种为胡杨、柽柳和罗布麻,对其中丙二醛(MDA)含量以及保护酶活性对地下水位的研究表明:1)MDA含量以及SOD、POD活性均呈增加趋势,而且均与地下水位呈正相关关系;2)对同一断面相同地下水位条件下胡杨、柽柳和罗布麻的SOD活性和POD活性比较,可以反映出SOD和POD作用的互补性;3)根据不同地下水位条件下胡杨、柽柳和罗布麻的MDA含量和SOD活性所反映出的适宜植物生存的合理生态水位、(严重)胁迫水位,并将其进行综合比较与分析,初步推断在塔里木河下游地下水埋深超过3.12 m时,胡杨和柽柳的生长即开始受到抑制,6 m左右的地下水位即对胡杨造成严重胁迫,≥8.83 m的地下水位则会危及胡杨的生存;而柽柳的严重胁迫地下水位以及临界地下水位分别为5 m左右和≥8.83 m.相比之下,罗布麻所能承受的胁迫地下水位比较高,超过3.12 m的地下水位即会对其生长造成严重水分胁迫,地下水位低于4.42 m则危及其生存.     

塔克拉玛干沙漠南缘柽柳冠下枯枝落叶沉积特征

柽柳是分布广泛的耐盐耐旱植物,温带干旱区重要物种。观测证明柽柳冠下有机凋落物的沉积作用是显著的,具有有机碳沉积埋藏的重要意义。有机质凋落沉积量与柽柳当年生长量关系不密切,但受当地水分条件、气温变化和风沙作用影响显著。在策勒绿洲前缘,柽柳冠下有机质凋落物年沉积量达到400g/m2。当多枝柽柳冠丛受到损伤或生长受到胁迫时,沉积明显增加,年生长量与凋落量之比(回归量)﹥40%; 在时间序列上,有机凋落物与无机碎屑的主要沉积过程是明显分开的,有机凋落物沉积主要发生在冬季,占年沉积量的75%以上,而同期无机碎屑沉积量不足5%。沉积交替过程对有机凋落物形成了良好的埋藏保存作用; 在空间范围上,有机凋落物并不是在冠下均匀或对称分布的。在风的影响下,冠丛下风侧有机凋落物被显著集中。冠丛丘的顶部只是无机碎屑的沉积中心区而并非有机凋落物。     

Long-term changes of <Emphasis Type="Italic">Tamarix</Emphasis>-vegetation in the oasis-desert ecotone and its driving factors: implication for dryland management

The Oasis-desert ecotone plays an important role in ensuring oasis ecological security. This study was to determine the main factors on the changes of desert vegetation in the oasis-desert ecotone, and to understand the mechanisms of the long-term changes. During past 50 years, the dominant plant species of Tamarix-vegetation in the Minqin oasis-desert ecotone changed from mesophytes to xerophytes and finally to super-xerophytes. The vegetative distribution area (belt width of Tamarix-vegetation between desert and oasis) markedly decreased from 1,000 m past to 30 m current. The coverage of Tamarix bushes reduced from 25 to 7%. The importance value (IV) of the bushes fell from 0.957 to 0.752, and Simpson index decreased from 0.702 in 1959–0.589 in 1992, and then increased to 0.712 in 2002. These changes in vegetation were closely related with the rapid decrease of groundwater table and the reduction of soil moisture due to unsustainable use of water resources for expanded agriculture development. These findings suggested that the change of Tamarix-vegetation in the oasis-desert ecotone was a process of vegetation degradation and concurrent desertification. The maintaining of stable groundwater and Tamarix-vegetation is a vital prerequisite for dryland management, especially, conserving ecological health of oasis-desert systems.     

黑河流域典型景观植被带陆面过程同步观测研究

为了解内陆河流域不同尺度内与水循环及生态过程有关的水分、热量分布规律,在黑河流域上中下游选取3个典型植被景观带建立观测场,并布设环境观测系统(ENVIS)进行环境要素的同步观测.结果表明,山区森林草地灌丛复合生态区陆面是冷性湿润的下垫面,中游绿洲荒漠接触带是干性、较湿润的下垫面,下游荒漠河岸林景观带是干热性的下垫面.     

Comprehensive evaluation on the ecological function of groundwater in the Shiyang River watershed

With an arid climate and shortage of water resources, the groundwater dependent ecosystems in the oasis–desert ecotone of the Shiyang River Watershed has been extremely damaged, and the water crisis in the oasis has become a major concern in the social and the scientific community. In this study, the degeneration characteristics of the groundwater ecological function was identified and comprehensive evaluated, based on groundwater depth data, vegetation quadrat and normalized difference vegetation index (NDVI) from Landsat program. The results showed that (1) the suitable groundwater depth for sustainable ecology in the Shiyang River Watershed is about 2-4 m; (2) the terms of degenerative, qualitative and disastrous stages of the groundwater ecological function are defined with the groundwater depths of about 5 m, 7 m and 10 m; (3) generally, the groundwater ecological function in the oasis-desert ecotone of the lower reaches of Shiyang River Watershed is weak with an area of 1 397.9 km² identified as the severe deterioration region, which accounted 74.7% of the total area. In the meantime, the percentages of the good, mild and moderate deterioration areas of groundwater ecological function are 3.5%, 5.5% and 16.3%, respectively, which were mainly distributed in the Qingtu lake area and the southeastern area of the Shoucheng town; (4) the degradation and shrinkage of natural oasis could be attributed to the dramatic groundwater decline, which is generally caused by irrational use of water and soil resources. This study could provide theoretical basis and scientific support for the decision-making in environmental management and ecological restoration of the Shiyang River Watershed.     

Soil organic carbon stock and carbon efflux in deep soils of desert and oasis

An experiment was carried out in two soils of oasis farmland and the surrounding desert at the southern periphery of the Gurbantonggut Desert, in central Asia, to test the effects of land use on soil organic carbon (SOC) stock and carbon efflux in deep soil. The result showed that although SOC content in the topsoil (0–0.2 m) decreased by 27% after desert soil was cultivated, total carbon stock within the soil profile (0–2.5 m) increased by 57% due to the significant increase in carbon stock at 0.2- to 2.5-m depth, and carbon efflux also markedly increased at 0- to 0.6-m depth. In the topsoil, the carbon process of the oasis was mainly dominated by consumption; in the subsoil (0.2–0.6 m) it was likely to be co-dominated by storage and consumption, and the greatest difference in SOC stock between the two soils also lay in this layer; while in the deep layer (0.6–2.5 m) of the oasis, with a more stable carbon stock, there was carbon storage dominated. Moreover, carbon stocks in the deep layer of the two soils contributed about 65% of the total carbon stocks, and correspondingly, microbial activities contributed 71% to the total microbial activity in the entire soil profile, confirming the importance of carbon cycling in the deep layer. Desert cultivation in this area may produce unexpectedly high carbon stocks from the whole profile despite carbon loss in the topsoil.     

露天煤矿排土场土层重构及接菌对植物根系提水作用试验研究

露天煤矿排土场土层重构对于生态重建具有重要意义,为研究接种深色有隔内生真菌(dark septate endophytes, DSE)对不同重构土层模式下玉米根系水分的利用效应,采用土柱模拟培养试验,设置4种类型土层处理,每种土层类型下设置接菌及对照处理,共8组处理。结果表明:掺黄土20%处理下玉米根长密度最大,分别为掺黄土0%、10%和40%的3.2、2.4、2.8倍,水分胁迫后根系具有向下生长、吸取深层水分的能力;基于δ18O值的MixSIAR模型水源分析,掺黄土0%处理下玉米主要利用0~25 cm处的水分,水分利用效率达到80%;掺黄土10 %处理下玉米主要利用15~35 cm处的水分,水分利用效率达到64%;而掺黄土20%处理下玉米对0~25 cm处的水分利用效率仅为36%,对25~45 cm处水分利用率达到64%,说明掺黄土20%处理下玉米主要利用土壤深层水分。接种DSE提高了植物吸收更深层水的能力,掺黄土20%处理下水分利用深度向下增加了5 cm,掺黄土20%基质中接菌处理在干旱胁迫后植物根系提水量达到最大,生长期总提水量较不接菌处理提升了45%;在不接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量是掺黄土0%的1.45倍,而在接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量可达到掺黄土0%的1.72倍。综上认为,接种DSE及土层重构均对提升植物提水能力具有显著作用。此外,本研究结果对露天矿区排土场土层重构过程中土壤改良及植物的水分利用效率提供实验参考依据。