喀斯特山区植物碳同位素组成特征及其对水分利用效率的指示——以贵州花溪杨中小流域为例

测定了贵州喀斯特山区灌丛12种主要植物叶片的δ13 C值,研究了植物叶片碳同位素组成特征,并分析了植物的水分利用效率。结果表明: 该区植物叶片的碳同位素组成的变化范围为- 26. 98‰～ - 29. 15‰ ,平均值为- 28. 14‰。研究区δ13 C值的分布相对均匀,除高于我国热带雨林区植物外,低于其它地区。此外,植物的碳同位素组成存在较大的种间差异,生境的变化对植物的碳同位素组成有着一定的影响,但不同植物种对生境的响应不同。植物的δ13 C值从生长初期到末期有降低的趋势,但不同植物种的变化趋势存在差异。植物δ13 C值随海拔的增加而增大,但不同植物种δ13 C值随海拔增加的程度存在差异。不同植物种之间的水分利用效率不同,相同植物种在不同的生境条件下其水分利用效率也有差异。植物生长初期的水分利用效率要比后期的高; 高海拔处植物水分利用效率要比低海拔处植物的高。      

不同生境下祁连圆柏叶片色素和稳定碳同位素组成的变化

测定了祁连山大火烧(相对干旱环境)和吐鲁沟(相对湿润环境)中祁连圆柏(Sabina przewal-skii)幼树和老树叶片5种色素含量以及稳定碳同位素组成和脯氨酸含量等指标.结果显示:在相对干旱的环境下,幼树和老树的叶黄素循环转换率(Z+A)/(V+A+Z)、类胡萝卜素含量、脯氨酸含量及稳定碳同位素值都较高,而PsⅡ光化学效率(Fv/Fm)及叶绿素含量都较低,且花青素和紫松果黄素含量也较低;在两种不同生境下,除Fv/Fm及叶绿素外,老树的其它指标都显著高于幼树.结果说明色素在干旱胁迫下起重要的光保护作用,其变化是祁连圆柏在长期与环境交互作用过程中形成的一种适应策略.     

树轮稳定碳同位素组成序列与降水变化

以长白山红松年轮为气候环境变化的生物记录体，通过分析树轮纤维素的稳定碳同位素组成，从树轮稳定碳同位素组成序列中提取生长环境的降水变化信息。研究结果揭示：树轮稳定碳同位素组成序列与东北地区平均年降水量具有基本平行的变化趋势；在长白山乃至东北地区，降水量沿着自身变化趋势是明显的准22年周期性波动。     

河西走廊中部沙漠植物δ13C值的特点及其对水分利用效率的指示

通过分析河西走廊中部沙漠中几种木本植物叶片或同化枝的稳定碳同位素比率(δ13C)和碳同位素辨别力(Δ),以其作为水分利用效率(WUE)的指示,研究了本区沙漠植物叶片或同化枝δ13C值的季节变化特点,以及不同生境和不同水分状况下δ13C值的差异,并比较研究了绿洲防护林树种及绿洲作物.结果表明: 梭梭和沙拐枣同化枝的δ13C值分别为-14.31‰和-14.82‰,Δ值在5‰～6‰之间; 柠条、泡泡刺、花棒和红沙叶片的δ13C值分别为-25.75‰、 -25.79‰、 -26.38‰和-28.05‰,Δ值在16‰～20‰之间.几种沙漠植物长期水分利用效率大小的顺序为: 梭梭≈沙拐枣＞柠条≈泡泡刺≈花棒＞红沙.     

不同时间尺度下的稳定同位素变化

根据北半球IAEA／WM0监测网12个具有长序列站点的资料，分析了在不同时间尺度下降水中δ^18O的时空变化特征，被选出的12个取样站都存在显的降水量效应，δ^18O／降水量变化率的大小与降水量存在一定程度的反比关系，降水量效应不仅与产生降水的强对流现象相联系，而且与降水量的季节分布有关，在年尺度下，12个站中的11个站具有一定程度的温度效应，相对而言，位于中低纬度取样站的平均δ^18O／平均温度变化率大于中高纬度，与单站相比，合计的δ^18O和温度之间的正相关关系要显得多，说明δ^18O的年际变化主要受大尺度气象条件的制约且反映大尺度空间的环境和气候变化。分析表明，12个站合计的年加权平均δ^18O和合计的年平均温度的逐年变化具有较好的一致性。     

两种圆柏属常绿植物叶片稳定碳同位素的季节变化及其指示意义

连续2a测定了祁连圆柏(Sabina przewalskii)和圆柏(Sabina chinensis)叶片δ13C值及叶片相对含水量、脯氨酸和硅(Si)含量的季节性变化,研究了叶δ13C值与环境因素之间的相关性(月总降雨量、月平均气温、月平均土温、月总日照时间、相对湿度、大气压、蒸汽压、风速以及潜在蒸发量).结果表明:叶片δ13C值与大气压成负相关,而与气温、降雨量、蒸汽压、潜在蒸发量、日照时间、风速及土温成正相关;13C值与相对湿度之间无显著关系,说明圆柏属植物叶13C值可以作为这些气象因素有效的指示指标.同时,叶片13C值与脯氨酸和Si含量负相关,与叶片含水量和MDA正相关,并且相对圆柏来说,祁连圆柏有更高的13C值、脯氨酸含量和Si含量,较低的叶片含水量和MDA含量,说明叶片13C值在一定程度上可以作为指证环境胁迫的抗逆指标.     

岩溶断陷盆地不同海拔植物水分利用效率分析

为探讨不同海拔高度的养分、环境要素与植物水分利用效率变化的关系,以岩溶断陷盆地云南小江流域的乔木、灌木、草本为研究对象,分析水分利用效率和叶片养分浓度随海拔的变化情况。结果表明：（1）研究区内海拔2 000 m处的草本植物的叶片δ13C值最高,2 200 m处的乔木的叶片δ13C值最低;（2）海拔高度对乔木、灌木的植物水分利用效率影响大于草本植物,草本植物的水分利用效率随海拔高度的变化甚微,两者之间的拟合度较小;高值区出现在海拔为2 200 m处的乔木;低值区出现在海拔为2 000 m处的草本植物;（3）不同海拔水分利用效率与叶片N、P浓度的相关性较弱（与叶片的N浓度呈弱正相关,与叶片的P浓度呈弱负相关）;（4）不同海拔水分利用效率与各气候因子的相关性较弱,与多年平均气温、多年平均降雨量、多年平均日照时数均呈弱正相关。     

页岩气稳定碳同位素组成特征及应用前景

页岩气作为一种自生自储的非常规天然气,其稳定碳同位素组成可能具有与常规天然气不同的特征。综述了页岩气碳同位素特征和应用方面的最新研究,包括高成熟页岩中存在天然气的甲烷碳同位素组成(δ13C1)大于乙烷碳同位素组成(δ13C2)的"反序"现象及其成因;在页岩气生产或现场解吸过程中,δ13C1随时间增加而逐渐变重现象和页岩气稳定碳同位素参数在判别页岩气成因类型、预测页岩气的产能以及吸附气与游离气相对含量和判断页岩储集物性等方面的应用。认为进一步开展页岩气稳定碳同位素组成特征、碳同位素变化与吸附气和游离气相对含量的关系和开采或现场解吸过程中同位素变重程度与页岩储集物性的关系等方面的研究,建立起相应的预测模型,对有效指导页岩气勘探开发具有重要意义。     

泥盆纪海相碳酸盐岩碳同位素组成及演变

根据对六景泥盆系碳酸盐岩碳同位索组成的系统分析表明:从落霍柯夫期到布拉格期海洋中的δ¹³C是逐渐变重。埃姆斯期明显变轻,艾菲尔期又开始变重,特别是基维特期有较明显的正向偏移,并继续向上变重,至弗拉斯期与法门期之交达到最大,尔后逐渐变轻,反映了泥盆纪海洋碳同位索组成的演变趋势。这和泥盆纪(二级)海平面的变化趋势是基本一致的,反映海洋碳同位素组成与海平面变化及相关的气候和海洋、大气中CO₂含量的成因联系。弗拉斯阶-法门阶界线附近δ¹³C的变化型式表明其间发生的生物绝灭事件是海平面升降和缺氧环境的周期性扩展等因素的累积效应的结果。     

青藏高原北部植物叶片碳同位素组成的空间特征

测定了青藏高原北部13个地点101份草本植物叶片碳同位素组成(δ¹³C值), 结果发现, 植物叶片δ¹³C值的分布范围在-29.2‰～-23.8‰之间, 平均值约为-26.89‰, 明显低于全球高海拔植物叶片δ¹³C值(-2.6‰) ; 而植物叶片δ¹³C值随海拔和经、纬度的变化趋势与其它同类报道相似:随着海拔的升高和经、纬度的降低, 植物叶片δ¹³C值呈现升高趋势. 叶片δ¹³C值也随土壤含水量和土壤温度的变化而变化:土壤含水量越高, 土壤温度越低, 植物叶片δ¹³C值越小, 但它们之间的相关关系不具统计学意义. 初步分析表明, 大气压力 (CO₂分压)和温度的协同变化导致了叶片δ¹³C值随着海拔变化的分布格局, 而温度和相对湿度的变化是引起叶片δ¹³C值的经、纬度效应的主要因子.     

祁连山青海云杉叶片δ~(13)C特征及其与生理指标关系

以祁连山青海云杉叶片为研究对象,通过测定叶片稳定碳同位素比率(δ13C)、叶片含水量(LWC)、脯氨酸含量、灰分含量、碳含量、氮含量、碳氮比、土壤含水量(SWC)等指标,探讨不同水分梯度下叶片δ13C的控制因子.结果表明,祁连山青海云杉叶片δ13C值在-28.9‰～-25.4‰之间变化,平均值为-27.3‰.沿河西走廊从东到西的干旱梯度(降水量逐渐减少),叶片δ13C表现出偏正的趋势.叶片δ13C与LWC和脯氨酸含量呈显著正相关关系,与灰分含量、SWC显著负相关.叶片δ13C值在青海云杉种内分布稳定,主要是由自身的遗传特性所决定,同时与生长环境条件也有一定的关系,其中土壤可利用水分是最主要的限制因子.叶片灰分含量是δ13C值的可选择性替代指标.     

Stable Carbon Isotope Variations in Cave Percolation Waters and their Implications in Four Caves of Guizhou, China

Monitoring and sampling of main plants,soil CO2,soil water,bedrock,spring water,drip water and its corresponding speleothem were performed at four cave systems of Guizhou,Southwest China,from April 2003 to May 2004,in order to understand stable carbon isotope ratios variations of dissolved inorganic Carbon(DIC) in cave percolation waters(δ13CDIC) and their implications for paleoclimate.Stable carbon isotopic compositions and ions(Ca,Mg,Sr,SO4,Cl etc.) were measured for all samples.The results indicate that there are significant differences among the δ13CDIC values from inter-cave,even inter-drip of intra-cave in the four caves.The δ13CDIC values from the Liangfeng Cave(LFC) is lightest among the four caves,where vegetation type overlying the cave is primary forest dominated by tall trees with lighter average δ13C value(–29.9‰).And there are remarkable differences in δ13CDIC values of different drip waters in the Qixing Cave(QXC) and Jiangjun Cave(JJC),up to 6.9‰ and 7.8‰,respectively.Further analyses show that the δ13CDIC values in cave drip waters are not only controlled by vegetation biomass overlying the cave,but also hydro-geochemical processes.Therefore,accurate interpreting of δ13C recorded in speleothems cannot be guaranteed if these effects of the above mentioned factors are not taken into consideration.     

塔里木盆地荒漠植物与表土碳同位素组成研究

表土有机质碳同位素组成(δ¹³C_org)反映了来自于地表各种植物δ¹³C_org的一个混合信息.要从沉积物δ¹³C_org中提取可靠的植被信息,需要系统研究现代表土有机质δ¹³C_org与地表植被δ¹³C_org的差异.初步研究了塔里木盆地主要现代植被及土壤碳同位素组成,对比不同地区土壤和地表植被δ¹³C_org的差异.结果表明:塔里木盆地柽柳属种群中植物与表土碳同位素组成之间存在显著相关关系,说明在干旱地区土壤中微生物和水生生物等的干扰因素可以忽略,其现代土壤的同位素组成只与地表相应的主要植被类型有关.塔里木盆地柽柳属种群中表土有机质δ¹³C_org值比地表植被δ¹³C_org值平均偏正1.71‰左右,不同于其它地区表土和地表植被δ¹³C_org差异(2.2‰,1‰,0.5‰)的结果,反映不同地区表土和地表植被有机质δ¹³C_org值差异不同.在利用沉积物δ¹³C_org值提取古生态植被信息时,应考虑到不同地区土壤有机质与地表植被δ¹³C_org值的不同差异会影响植被中C₃、C₄植物组成情况.     

陆面过程中稳定水同位素逐日变化的数学模拟——引入稳定同位素效应的CLM实例分析

将稳定同位素效应引入CLM(Community Land Model),并对巴西马瑙斯站在平衡年的稳定水同位素的逐日变化进行模拟和分析.结果表明: 降水、水汽和地表径流中δ18O存在明显的季节变化,并与相应的水量存在显著的负相关关系,但凝结物中δ18O与地面凝结量存在显著的正相关关系,蒸发水汽中δ18O与蒸发量之间无显著的相关关系.受土壤贮水削峰功能的影响,表层土壤和根区水中δ18O的季节变化全无.植被层蒸发水汽中稳定同位素的丰度与大气的干湿程度存在密切联系: 当降水量少时,大气干燥,植被层的蒸发较少,植被蒸发中δ18O较高;当降水量较大时,空气湿润,植被层的蒸发量较大,蒸发中δ18O则较低.植被蒸腾中δ18O的变化与源区水体中δ18O的变化保持一致,尤其是与根区水中的δ18O.由于地下径流直接源自根区水的补充,因此,地下径流中δ18O等于根区水中的δ18O.模拟结果还显示,降水MWL (大气水线)的梯度项和常数项均比全球平均MWL略偏小.尽管主要来自降水的贡献,但地表径流和植被层水体的MWLs与降水MWL存在较大的差异,这一方面与两类水体在蒸发过程中的稳定同位素的富集作用有关,另一方面与CLM模拟的水量有关.大气水汽线与降水的MWL的梯度值相近,说明大气水汽与降水近似处于稳定同位素平衡状态.另外,模拟的地面的凝结线与植被层的凝结线均与全球大气水线相近,且具有非常高相关程度,说明CLM的模拟是合理的.     

高砷地下水中溶解性有机碳和无机碳稳定同位素特征

随着稳定同位素分析技术的逐步完善,碳稳定同位素被广泛应用于地球化学领域。高砷地下水砷的生物地球化学循环是目前环境化学研究热点之一。分析概括了碳稳定同位素应用于地下水领域的研究现状,介绍了地下水中有机碳和无机碳稳定同位素的前处理方法以及测试技术。在此基础上,选取了内蒙古河套平原具有代表性的高砷地下水进行氧化还原敏感组分、碳稳定同位素的测定与分析。结果表明,As分布极不均匀,其含量为1.24~387 μg/L。地下水溶解性有机碳(DOC)含量相对较高,与溶解性无机碳(DIC)浓度基本呈正相关。δ¹³C_DIC相对δ¹³C_DOC较富集¹³C;δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与δ¹³C_DIC之间具有显著的正相关关系;表明δ¹³C_DIC值越贫化,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC越小,地下水中来源于有机物氧化分解的无机碳越多,进一步说明有机碳的氧化分解在无机碳稳定同位素贫化过程中起主要作用。此外,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与As浓度呈一定的负相关关系;表明有机物的微生物降解对砷的富集具有明显的促进作用。微生物可利用的碳源增加,促进异养微生物的代谢,并消耗氧气,最终形成有利于地下水As富集的还原环境。     

高寒草甸植被生产量年际变化及水分利用率状况

分析了海北地区高寒草甸植被2001-2011年11 a耗水量、 生物现存量、 净初级生产量、 水分利用率及其相关性, 结果表明: 植物生长期5-9月耗水量416.30 mm, 植被地上净初级生产量(ANPP)、 地下净初级生产量(BNPP)以及总的净初级生产量(NPP=ANPP+BNPP)分别为393.07 g·m^-2、 945.26 g·m^-2、 1 338.33 g·m^-2, BNPP与ANPP之比为2.404. 8月底植被现存生物量达3 422.92 g·m^-2, 其中地上和地下现存量分别为411.07 g·m^-2、 3 011.85 g·m^-2, BNPP与ANPP之比高达7.327, 说明植被现存量巨大, 归还土壤碳能力强. NPP与5-9月植被耗水量相关性很差, 但与5-9月平均气温具有显著的正相关关系, 表明高寒草甸地区水分条件可满足植物生长的基本需求, 而同期温度是影响NPP提高的重要因素. 11 a来BNPP、 ANPP和NPP平均水分利用率分别为0.958 g·m^-2·mm^-1、 2.326 g·m^-2·mm^-1和3.284 g·m^-2·mm^-1, 表明高寒草甸植被净初级生产具有较高的水分利用率.     

胡杨根系分布特征与根系吸水模型建立

依据2006年和2007年6~7月在极端干旱区额济纳的实测资料,利用分形和概率统计的方法对胡杨根系分布与根区土壤水分的关系进行了分析研究。引入土壤含水率期望(cm·g/g)的概念,建立了含水率期望值与根系分维值之间的函数关系,并求出了适宜胡杨生长的土壤含水率期望值的范围。同时建立了初版的根系吸水模型,并进行验证,得到较好的结果。     

成都地区大气降水稳定同位素组成反应的气候特征

分析了1986-1998年成都地区大气降水的稳定同位素组成。夏季降水的δD和δ^18O值比冬季降水轻,反映了季风气候的降水特点。成都地区的大气降水线方程是：δD=1．42＋7．530δ^18O,与全球和中国降水线方程相比,表明了成都地区的蒸发程度稍大于降雨,说明成都地区大气降水的不平衡蒸发程度弱,反映了海洋性气候特征。成都地区大气降水δ^18O与降雨量、温度和水汽压之间都是负相关关系。但是降雨量对大气降水δ^18O的影响最大。     

树轮稳定碳同位素研究的应用现状与发展趋势

获取历史时期环境气候变迁资料是研究环境气候变迁的基础，在各种获取资料的方法中，树轮同位素方法是较为新颖，准确，定量的一种高分辨率方法。本文较为系统，深入地评述了树轮稳定碳同位素方法的原理及其在环境气候变迁研究的应用现状，并简要归纳了研究工作中的发展趋势。     

塔里木河下游胡杨林耗水数值模型

基于SHAW（Simultaneous Heat and Water）模型,以基本观测要素、植被参数和土壤剖面水热观测数据为模型的输入,对河岸胡杨林的耗水过程、土壤剖面水分变化和能通量进行了较小时间尺度上的模拟研究。结果表明,采用SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值间存在较大偏差。因此,为了进一步提升水热耦合SHAW模型在干旱区的实用性,引入了地下水位因子GSI（Groundwater-Soil water Interaction）,建立了改进的SHAW（GSI-SHAW）模型,解决干旱区荒漠河岸林耗水过程模拟的方法问题。采用SHAW模型和GSI-SHAW模型对胡杨耗水量的模拟进行了对比研究。结果显示,SHAW模型和GSI-SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值的相关性系数分别为0.8533、0.9075,其平均相对误差分别为21.4%、16.9%,可见,改进的SHAW模型的模拟值更加接近试验观测值。地下水位的考虑一定程度上提升了传统SHAW模型的模拟精度,为干旱区自然植被耗水量的计算提供了新的方法和科学依据。