黑河流域不同生境植物水分来源及环境指示意义

选择黑河流域三种典型生境类型(绿洲、 绿洲-荒漠过渡带、 荒漠), 通过分析其不同植物木质部水分与其土壤潜在水源稳定氢(δD)和氧(δ¹⁸O)同位素组成, 研究了不同生境中植物的水分来源情况. 结果表明: 荒漠生境中植物倾向于利用深层土壤水(>160 cm); 绿洲-荒漠过渡带中沙蒿和沙拐枣主要利用20~40 cm层位的土壤水, 梭梭可能的利用层位是60~80 cm, 花棒可能利用100 cm左右的水分, 柽柳则利用120 cm以下的土壤水; 绿洲植物吸水层位多集中在0~100 cm, 其中, 假苇拂子茅可能水源是20 cm左右的土壤水, 玉米则为20~40 cm, 柽柳和杨树的吸水层位为60 cm左右, 棉花则是利用80 cm左右的水分. 稳定性同位素估测各生境植物水分来源的结果与其土壤含水量的结果一致, 同一生境中吸水层位相似的植物间存在水分来源竞争. 不同生境中植物水分来源的深浅存在递变, 从深到浅表现为荒漠>过渡带>绿洲, 不同生境同种植物也存在同样变化, 说明植物稳定氢氧同位素组成可以用来指示干旱区绿洲化、 荒漠化过程.     

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.     

膜下滴灌棉花根系发育特征及其与土壤水盐分布的关系

为探讨膜下滴灌条件下水分和盐分对棉花根系空间发育的影响,在花铃期选择相同灌溉制度、咸淡水灌溉的两个膜下滴灌处理田块采集距滴灌带不同距离、不同深度上的根系样品144 件。用1 mm 土筛和手拣将棉花根系从土壤中筛分出来,去除死根,冲洗干净后用扫描仪扫描成tif 格式图像,再用DT-SCAN 软件计算根长密度。对比分析发现膜下滴灌及盐胁迫条件下,咸水灌溉的根系分布范围较大,其总根长密度比淡水大31.69 mm/cm3,根系生长深度也远大于淡水灌溉。咸水灌溉根系分布主要受盐分胁迫,淡水灌溉根系分布主要受水分胁迫。水平方向上距滴头40 cm以远,水分胁迫对根系发育起主导作用。土壤体积含水率在20% 以上、电导率在2 000 μs/cm 以下时可以满足根系的正常生长发育。     

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。     

干旱区膜下滴灌棉田SPAC系统水分通量模拟

研究新疆干旱区现行一膜六行滴灌方式下棉田的土壤水分运移过程及SPAC系统水分通量,为实施农业节水策略提供理论依据。在新疆典型棉花种植区田间试验的基础上,通过构建Hydrus-2D土壤水分运移模型,探讨膜下滴灌棉田SPAC系统的水分通量。结果表明,在距地表50~70 cm处由周期性滴灌产生了一个发散型零通量面。整个模拟期内,灌溉是主要水分输入来源,占模拟区域输入水量的87.6%。70%以上的水量均被作物吸收利用,土壤蒸发量及渗漏量仅分别占8.2%和20.8%。灌溉水的利用效率可达85.2%。综合模拟结果表明现行一膜六行的滴灌方式能有效减少土壤蒸发量及深层渗漏量,提高了区域水资源的利用效率。     

基于染色示踪的膜下滴灌棉田水盐运移规律

采用亮蓝FCF染色示踪剂, 研究膜下滴灌条件的水盐运移规律; 分别在灌溉前、灌溉中和灌溉后等不同时间段共开挖13个时刻的剖面, 观察膜下滴灌湿润面的运移情况; 以10 cm间隔的网格, 用MP406土壤水分探测器原位测定3 120个点的土壤体积含水率, 同时取1 430份土样, 利用1∶5土水比浸提法测定土壤盐分; 并利用WATCHDOG气象站监测研究区气象要素.结果表明: 染色示踪能直观表征土壤水盐运动轨迹; 膜下滴灌条件下, 垂直滴灌带方向土壤水流呈点源入渗特征、沿滴灌带方向近似呈线源入渗特征; 现行灌溉模式下, 壤质砂土湿润锋横向运移速率约为8 cm/h; 滴灌对滴头附近土体有一定洗盐效果, 未覆膜区域地表土体出现盐分积累; 灌水时间越长, 湿润锋越深, 横向扩展速率接近无作物小区(8 cm/h); 从土壤水合理利用角度考虑, 满足研究区一膜一带四行的种植模式和土质的单次合理灌水量应为29.4~69.8 mm.      

断陷盆地高原面典型岩溶洼地旱季土壤水氢氧同位素时空差异特征

以云南省蒙自断陷盆地东山山区典型岩溶洼地为研究区,通过野外采集土壤样品与实验室测试分析相结合的方法,运用稳定同位素技术研究旱季不同深度土壤水氢氧同位素组成,揭示区内土壤水氢氧同位素时空变化特征,为进一步研究云南断陷盆地山区土壤水分运移机制和当地农业合理利用和管理水资源提供科学依据。结果表明:(1)土壤水δD、δ18O同位素值的变化范围分别为-128.3‰~-27.6‰和-17.5‰~2.5‰,平均值分别为-96.1‰±20.7‰和-12.3‰±3.7‰,降雨转化为土壤水和水分在土壤中重新分布时发生一定程度的氢氧同位素分馏。(2)旱季两个月份土壤水氢氧同位素组成发生变化,4月份土壤水δD、δ18O同位素平均值分别为-86.3‰±23.83‰和-10.6‰±4.3‰,显著高于2月份(δD:-106.1‰±9.5‰;δ18O:-14.1‰±1.6‰)(p<0.05),主要和4月份土壤水的蒸发作用强烈有关。(3)在空间上,坡地与洼地之间土壤水氢氧同位素组成存在差异,2月份坡地与洼地之间土壤水δD、δ18O值差异显著(p<0.05),洼地土壤水δD、δ18O比坡地偏轻;4月份坡地与洼地之间土壤水δD、δ18O值差异不显著(p>0.05)。(4)土壤垂直剖面方向上土壤水δD、δ18O值随着土壤深度的增加而减小,浅层土壤水δ18O和深层土壤水δ18O存在显著差异,2月份浅层土壤水δ18O比深层土壤水δ18O偏正2.8‰,4月份浅层土壤水δ18O比深层土壤水δ18O偏正10.5‰。      

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。      

葡萄地下滴灌包气带水分特征分析

通过对葡萄地下滴灌和葡萄常规灌溉试验分析得出,地下滴灌灌溉后土壤含水率上（浅层）小下（深层）大分布特征具有显著的保水和节水性。地下滴灌81%的灌溉水量主要灌在20~60 cm的土层中,地下滴灌水分沿土层深度分布与作物根系一致,更具保水性和作物吸收利用性,从而最终达到作物的增产及节水的目的。试验结果对地下滴灌设计具有参考意义。     

棉花膜下滴灌水盐胁迫研究

为探寻干旱半干旱区棉花微咸水膜下滴灌灌溉制度,在南疆地区开展了田间试验,对比分析了水分胁迫及盐分胁迫处理棉花的产量及长势,探讨了膜下滴灌条件下棉花对水盐胁迫的响应。试验采用WDY-500A微电子叶面积测量仪测定叶面积,并进行人工测产,采用原子吸收仪和滴定法测定土壤盐分。结果表明,轮灌处理A(苗期灌淡水)产量最高,为5 427kg/ha,其次是处理C(花铃前期灌淡水),为4 819.5kg/ha;棉花生育期对水分亏缺的敏感性为:花铃前期>蕾期>花铃后期;对盐分胁迫的敏感性为:苗期>蕾期>花铃前期>花铃后期;灌水总量越大,棉花株高越高,叶面积指数也越大;某时段出现水分亏缺,该时段株高和叶面积指数增长幅度减小;越早给棉花灌溉淡水,棉花株高越高,叶面积指数越大;膜下滴灌条件下,淡水灌溉可以有效淋洗棉花根区土壤多余盐分,保证土壤环境安全,但是微咸水灌溉对棉花根区盐分淋洗效果不佳,且对土壤环境有一定的危险性,需在适当时期(如非生长期)采用较大灌水定额洗盐。     

微咸水膜下滴灌对土壤和棉花元素组成及产量的影响

通过微咸水和淡水膜下滴灌对比试验,研究灌溉水质对土壤和棉花元素组成及产量的影响.结果表明:微咸水灌溉处理,土壤窄行和膜间微量元素(尤其是铜、铁、锌)含量明显高于宽行,Na+增长率低于宽行;多数棉花器官中钾钠比、钙钠比并未因灌溉水质的区别而产生显著差异;微咸水滴灌有利于促进棉花前期营养生长及后期生殖生长,棉花干物质、单铃重、单位面积铃数及籽棉产量均高于淡水处理;棉株内锰、硼与钙元素间存在显著的相关关系,在一定阈值内,硼、锰促进棉花对钙的吸收.试验证明:微咸水中含有一定量的微量元素,合理利用微咸水灌溉,不会对棉花生长造成胁迫,相反能有效抑制土壤中Na+增长,增强棉花对盐分胁迫的抵抗能力、提高棉花产量.      

基于正交设计的旱区棉花膜下滴灌最优化探究

以旱区广大群众最为关心的种植密度,滴水量,施肥量为考虑因子,将棉花单铃重,衣分,籽棉产量作为考查指标,把正交试验设计方案引入高密度棉花膜下滴管研究中.采用归一化处理不同数量级的指标,比以往单独考虑各因素对指标的作用,合理而又更加直观;同时考虑了误差对指标的影响,从而提高了F检验的灵敏度.得出了在膜下滴灌的新疆旱区,土壤...     

兰州新区黄土工程开挖边坡植被重建初期土壤水分初步研究

兰州新区位于黄土高原西段, 为典型干旱区, 道路修建形成了许多坡度大于30°的工程开挖边坡。在边坡上重建植被对改善局地景观和防治水土流失具有重要的作用, 而坡面土壤水分状况对植被重建影响重大。选择3种整地类型（条形坑、 圆形坑和原状坡样地）, 研究兰州新区黄土工程开挖边坡植被重建的初期土壤水分状况, 结果表明： 3种整地类型中条形坑的土壤水分条件最好, 与圆形坑、 原状坡样地土壤水分存在显著差异（P<0.05）。不同灌溉频率下原状坡样地0 ~ 20 cm土层土壤含水量较低, 20 ~ 50 cm土层土壤含水量较高。土壤含水量的变异系数随土层深度的增加而减小, 随灌溉频率的降低而增加。在边坡植被重建初期, 需把土壤水分维持在8.4% ~ 10.8%, 即田间持水量的38% ~ 49%, 才能保证植物正常生育生长。当栽植的植被根系长度大于10 cm时, 可考虑将喷灌频率从每天喷灌改为隔天喷灌, 否则植物有死亡的风险。研究结果可为类似的黄土边坡植被恢复和生态建设提供参考。     

NaCl和Zn对棉花生长及营养元素吸收的影响

微咸水在西北干旱区广泛分布, 越来越多地被运用于灌溉棉花(Gossypium hirsutum L.)等作物.微咸水中NaCl和微量元素含量比淡水高, 有关NaCl和微量元素各自对棉花生长的影响已有大量研究, 而他们对棉花生长的相互作用研究比较缺乏.选取对棉花生长作用敏感的NaCl和微量元素Zn, 开展不同NaCl和Zn浓度灌溉水盆栽试验.结果表明, 缺Zn环境下, 在灌溉水电导率为2.90~3.95 dS/m的范围内, 随着电导率增大, NaCl促进棉花根和地上部生长及皮棉产量增加.富Zn环境下, 灌溉水电导率大于5.04 dS/m时, 随着电导率增大皮棉产量明显下降.在灌溉水中Zn浓度为0.192 0~3.068 0 μmol/L的范围内, Zn浓度越大棉花营养生长越快; 大于0.767 6 μmol/L时, 随着Zn浓度增大皮棉产量下降.灌溉水中NaCl和Zn对棉花生长和产量的影响作用, 表现为相互拮抗作用关系.棉花叶的Ca、K、Mg、B和Fe含量以及铃的Cu和Zn含量高于其他组织, Na和Mn不易迁移, 易富集在棉花根部.Zn在盐胁迫条件下影响棉花对营养元素的吸收, 使棉花体内相关营养元素含量发生变化, 进而影响棉花生长及产量.      

膜下滴灌微区环境对土壤水盐运移的影响

基于膜下滴灌特有的"膜中"、"膜间"、"膜边"、"膜外"微区环境,利用2011—2013年田间对比试验方法获取的5 960个数据,运用柯布-道格拉斯模型,构建膜下滴灌环境土壤层次、灌水定额、土壤水分、气温、蒸发综合因素与土壤水盐关系及影响效应分析模型.结果表明,在气候干旱、蒸发强烈灌区,地膜覆盖与滴灌结合的地表介面灌溉形式下,土壤水盐具有水平方向由"膜中"向"膜边"地表裸露区定向迁移,垂直方向土壤水盐则由下向上层运移且趋于"膜外"边界积累的趋势,尤其是气温与蒸发因素交互作用,推进膜下滴灌土壤水盐在地膜覆盖与土壤裸露区域空间运移,研究结果进一步揭示了膜下滴灌"土壤水盐定向迁移"形成机理,为膜下滴灌土壤水盐地表排放模式应用提供了依据.     

干旱区膜下滴灌棉田表层土壤盐分日内动态特征

利用便携式土壤盐分计测量膜下滴灌棉田不同位置和不同深度的土壤电导率,来研究膜下滴灌条件下表层土壤电导率的日内变化特征.结果显示:干旱区一膜两管膜下滴灌条件下,窄行处土壤电导率值最低,膜间最大,宽行居中,表层土壤电导率值存在显著的日内变化特征,早晚土壤电导率值低,中午电导率值高,上午的上升速率大于下午的下降速率;窄行处相对变化幅度大,膜间绝对变化幅度大,土壤电导率值日内变化幅度随深度呈减小趋势;膜下滴灌情况下,表层土壤电导率值的变化受土壤温度和气温的影响显著,但二者相关性复杂,不同深度、不同时间段的相关性不同,膜间大多呈显著正相关,窄行大多呈非显著正相关,宽行处上午呈非显著正相关,但下午呈显著负相关.     

河套灌区耕地-荒地-海子系统间不同类型水分运移转化

为了探明耕地-荒地-海子系统中不同类型水分的运移转化规律,在2018-2019年典型时期对系统内具有代表性的采样点进行水样采集,分析了不同时期内不同水体的δ¹⁸O变化特征,并利用二端元混合模型和土壤水动力学方法计算了不同类型水分转化贡献率。结果发现：①在灌溉期,82%的灌溉水储存于1 m土体中,18%的灌溉水通过渗漏补给了耕地地下水,渠系灌溉水通过地下侧向径流给耕地地下水贡献了76%。②灌溉水和降雨对耕地地下水平均贡献率为94%和6%;耕地地下水和降雨对荒地地下水的平均贡献率为71%和29%;荒地地下水和降雨对海子的平均贡献率为43%和57%。③渠系灌溉水通过侧向径流贡献给耕地地下水的水量基本全部迁移给了荒地地下水,地下水迁移转化是由渠系水侧向径流触发的。④灌后5 d,耕荒地交界土层0~40 cm存在饱和-非饱和侧向补给;灌后15 d和30 d,耕地和耕荒地交界处的地下水向根区40~60 cm、土层80 cm以及100 cm补给水分;灌后30 d,耕地中的灌溉水水分消失。⑤在非灌溉期,荒地地下水和海子耗水较多,应给海子补给水分。