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。     

祁连山排露沟流域降水δ18O和δD特征及水汽来源

降水氢氧同位素受气温、降水量、海拔、水汽来源等多种因素控制,是研究区域水文循环过程的重要手段。基于祁连山中段排露沟流域3个站点降水稳定氢氧同位素数据（δ¹⁸O、δD、d-excess）和气象观测资料,结合临近GNIP站点监测资料和HYSPLIT 4.9模型对流域降水同位素特征及水汽来源进行分析。结果表明：流域降水δ¹⁸O值波动范围大（-32.32‰~+3.23‰）,季节性变化明显,冬季δ¹⁸O值较低,夏季δ¹⁸O值较高。降水δ¹⁸O和δD值与日均气温均存在密切正相关关系,即温度效应明显。受山区气候和地理条件影响,各站点局地大气降水线（LMWL）截距和斜率相似;与临近GNIP站点（张掖）进行对比,流域降水明显受局地水汽和二次蒸发影响较少。降水d-excess值表现出与δ¹⁸O值相反的季节性变化趋势。结合HYSPLIT 4.9气团轨迹模型,得出流域夏季水汽主要来源西风环流输送,冬季受西风环流和极地气团共同影响。     

荒漠绿洲湿地水分来源及植物水分利用策略

水分是干旱区不同景观界面间的水分循环过程与水力联系的主体,维持着干旱区湿地生态系统的结构与功能。为量化水分来源及其对植物水分的贡献率,以河岸灌木湿地和草地盐沼湿地为研究对象,通过测定降水、径流、地下水、土壤水和植物水中δD、δ¹⁸O组成,利用多源线性混合模型分析水分来源对荒漠植物水分利用的贡献率。结果表明：（1） 黑河流域荒漠绿洲湿地年均降水量104.6 mm,约占蒸散量（604.47 mm）的17.03%,具有明显的季节性分布特征。地下水位与土壤含水量的波动取决于河流距离,离河道较近的河岸灌木湿地地下水深度及土壤含水量随季节波动较小,而离河道较远的草地盐沼湿地则变化很大。（2） 当地大气降水线δD=6.33δ¹⁸O+4.04 （R²=0.931）,斜率和截距均略小于全球大气降水线则符合黑河流域湿地整体降水少而蒸散量大的特点。黑河径流δD和δ¹⁸O均值分别为-43.80‰±12.09‰和-8.65‰±23.33‰,地下水为-50.98‰±13.18‰和-9.74‰±25.49‰,土壤水为 -42.07‰±6.89‰和-7.22‰±2.49‰,植物水为-51.84‰±14.46‰和-8.50‰±24.13‰。（3） 地表蒸发是荒漠绿洲湿地土壤氢、氧同位素富集的主要原因。地下水和河水分别是草地盐沼湿地与河岸灌木湿地的主要水分来源,贡献率分别约为61%和50%,表明湿地植物相比于干旱区脉冲式降水更依赖较为稳定的水源。（4） 植物根系深度和毛细根分布是决定荒漠绿洲湿地植物水分利用策略的重要因素。     

基于氢氧稳定同位素的兰州市南北两山土壤蒸发时空变化及影响因素研究

基于2018年4—10月在兰州市南北两山采集的降水、河水及土壤样品,对不同水体中的氢氧稳定同位素进行测定,并应用Craig-Gordon模型分析了南北两山土壤蒸发的时空变化及其成因。结果表明：① 兰州市局地大气水线LMWL斜率相比全球大气水线GMWL较小,主要是相对湿度小,雨滴在下落过程中受到云下二次蒸发的影响。由表层0~10 cm至深层60~120 cm,土壤水δ²H和δ¹⁸O逐渐贫化,土壤水线SWL的斜率均呈现规律性增大,说明表层土壤受到的蒸发分馏最为强烈,随着土壤深度的增加,蒸发分馏逐渐减弱。② 时间变化上,局地蒸发线斜率S_LEL在4月较大,土壤蒸发较小,4—6月减小,土壤蒸发增大,6—8月趋于稳定,其中7月土壤蒸发最为强烈,自8月S_LEL增大,土壤蒸发开始减小,一直减小至10月。③ 空间变化上,北山相比南山蒸发损失量f更为强烈,主要原因是北山气温、相对湿度和土壤含水量均高于南山。④ 2018年4—10月,各采样点蒸发损失量f达到峰值和谷值的时间相比降水δ ¹⁸O均存在明显的滞后,主要原因是降水在土壤基质入渗过程中存在滞留。     

黑河流域荒漠区土壤水分对降水脉动响应

 利用气象站资料,对黑河流域荒漠区降水特征及其土壤水分对降水脉动响应进行了系统研究。结果表明,荒漠区降水属于降水脉动事件,降水前后土壤水分特征存在显著差异,且随土层增加差异逐渐变小。土壤水分在降水量、土壤深度和降水前后的差异极显著,交互效应也极显著(P<0.0001),表明荒漠区土壤水分对降水脉动具有显著的响应现象。土壤水分的降水脉动响应表现为降水后土壤含水量激增,在蒸散作用下缓慢减小。降水前后土壤含水量的时间序列变异规律均能较好地拟合成变异函数的理论模型。降水前后土壤含水量随机变异均小于结构性变异,反映出荒漠区土壤水分在时间尺度上具有较强的自相关性格局。降水使土壤水分空间结构差异呈现下降趋势,在时间序列上异质性降低。     

南沙群岛现代滨珊瑚骨骼Sr/Ca、δ18O和δ13C对极端高温事件响应

以南沙群岛永暑礁的现代滨珊瑚YSL24（生长时间为1985—1999年）与YSL2A（生长时间为1971—1999年）为材料,通过对其骨骼开展高分辨率的Sr/Ca、δ¹⁸O和δ¹³C分析,探讨其对极端高温事件的响应特征。有记录表明,1971—1999年,南海南部在1973、1983和1998年发生了极端高温事件,滨珊瑚骨骼Sr/Ca序列清楚地记录了这3次高温事件,其相应条带Sr/Ca周期数值显著低于序列其他年份。而δ¹⁸O对高温事件的响应不太明显,其原因可能与δ¹⁸O序列同时受温度和盐度变化的影响有关。δ¹³C在这3个高温年份均在夏季发生了异常负偏,应该是由高温胁迫下共生藻光合作用强度下降所致。因此,珊瑚骨骼的Sr/Ca和δ¹³C对南沙群岛高温胁迫具有明显的响应,可作为记录过去白化事件的可靠指标。     

乌鲁木齐降水中δ18O的温度和降水强度效应的季节转换

受到温度和降水季节变化的双重影响,温带大陆和季风气候地区降水中的δ¹⁸O有很强的季节动态。在中国北方由于受到强烈的温度季节变化的控制,降水中δ¹⁸O有很强的温度效应,甚至在月尺度上与温度呈显著的正相关。然而,在降水事件尺度上,特别是多雨的夏季,显著的降水量效应仍然存在。本研究结合气象数据分析了来源于GNIP的乌鲁木齐月尺度上的降水中δ¹⁸O与平均气温和降水量之间的关系。结果表明:在年尺度上,保持气温和降水频率不变,扣除两者的影响,δ¹⁸O与降水强度有显著的负相关关系(P=0.012)。温度和降水强度效应分别为(0.45±0.03)‰·℃^-1(T=17.38,P<0.001)和(-0.28±0.12)‰·mm^-1(T=-2.29,P=0.023)。温度和降水效应在一年四季均存在,且两者存在季节转化,分别主导了一年中不同季节降水中δ¹⁸O的动态变化。在气温剧烈变动的春季(3-5月)和秋季(9-11月),显著的温度效应占主导。而在夏季(6-8月),显著的降水强度效应(T=-2.93,P=0.006)主导了降水中δ¹⁸O的动态。尽管在冬季(12月至翌年2月)降水强度效应和温度效应很微弱也不显著,但是前者仍然大于后者。     

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015 年13 号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”（1513）影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ¹⁸O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1）整个台风影响过程水汽δ¹⁸O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2）根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ¹⁸O变化特征,将其划分为3个阶段：Ⅰ阶段水汽δ¹⁸O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ¹⁸O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ¹⁸O和高水汽过量氘。     

青海湖沙柳河流域浅层地下水氢氧稳定同位素分布特征

地下水氢氧稳定同位素的组成与空间分布规律可为研究地下水补给及深入认识水循环过程提供重要理论依据。基于青海湖沙柳河流域浅层地下水样品的氢氧稳定同位素数据,通过空间插值法和δD-δ¹⁸O线性关系法,分析了氢氧稳定同位素组成、空间分布特征及地下水补给关系。结果表明：沙柳河流域中下游地区浅层地下水δ¹⁸O与δD值分别为-8.54‰~-6.02‰和-58.6‰~-34.6‰,平均值分别为-6.79‰和-41.8‰;δ¹⁸O值在流域空间上表现为西北、中部高,南北低的特征;流域西北和中部地区地下水主要受降水补给,补给来源单一、蒸发作用强是该区域地下水同位素值较高的原因,降水→地下水→泉水是其主要补给、排泄关系;流域北部、南部地区地下水与降水、河水、泉水等水体水力联系密切,不同补给来源的平滑作用是该区域地下水同位素值较低的原因,其补给、排泄关系主要为降雨→河水→地下水→泉水（或降雨→地下水→泉水→河水）。     

呼图壁河流域水体氢氧稳定同位素特征及转化关系

在气候变化和人类活动影响下,水资源短缺是干旱区面临的一个严峻问题.解决问题的关键是要深入了解干旱区独特的水循环机理,而分析不同水体中氢氧同位素特征及转化关系,是应用同位素示踪技术研究水循环机理的基础。以呼图壁河流域为研究区,分析了大气降水、河水、地下水和积雪融水氢氧同位素变化特征及不同水体的δD~δ¹⁸O关系,探讨了地表水对地下水的补给关系。结果表明：呼图壁河流域大气降水、河水、地下水和积雪融水中δD、δ¹⁸O的组成和季节变化差异较大,δD值分别为-86.25‰、-66.66‰、-69.82‰和-150.79‰,而δ¹⁸O值依次为-12.42‰、-9.94‰、-10.23‰和-19.42‰;河水受大气降水和冰雪融水的混合补给导致同位素的贫化,积雪融水主要受蒸发的影响导致同位素的富集,而河水和积雪融水对地下水有密切的水力联系,导致地下水同位素的贫化;呼图壁河上游地区河水对地下水的补给仅占到18.45%,而中下游区域的地下水补给占到90%以上。     

荒漠灌丛树干茎流及其入渗、再分配特征

运用铝箔收集法测定了荒漠灌木柠条（Caragana korshinskii Kom.）树干茎流;利用时域反射仪连续测量土壤剖面水分含量,分析树干茎流影响下柠条根际区水分入渗与再分配过程。结果表明,柠条灌丛产生树干茎流需要2.2 mm的前期降雨量,树干茎流占降雨量的7.9%,平均汇流率是89.8。土壤表层含水率对降雨过程响应明显; 当降雨量达到6 mm时,树干茎流有利于增加根际区土壤水分增量,补充深层土壤水分,对荒漠植被在干旱条件下存活起着重要作用。     

人工固沙植被区土壤水分动态及空间分布

土壤水分是干旱区固沙植被生长发育最主要的限制因子,了解其动态变化特征对沙区人工植被建设具有重要意义。本研究利用EnviroSMART土壤水分监测系统,于2009-2013年对宁夏沙坡头地区人工固沙植被区的土壤水分动态进行连续监测。结果表明:(1)降水对土壤水分状况及动态变化有较大的影响。土壤水分总体处于过度消耗状态,在非生长季,土壤水分没有明显的回升现象。(2)生长季初期(4-5月)为土壤水分弱消耗阶段;生长旺盛期(6-8月)为土壤水分快速消耗阶段,水分变化波动较剧烈,空间异质性最强;生长季末期(9-10月)的土壤水分处于相对稳定状态。(3)土壤水分随深度增加呈“S”形变化趋势,浅层的土壤含水量明显高于其他深度,200 cm深度土壤含水量较低且年际间变化不大(1.53%~2.10%)。湿润年份土壤水分剧烈变化的土层深度为0～100 cm,而干旱年份为0～20 cm。(4)相对于干旱年份,湿润年份的土壤含水量不但较高,而且水分变化波动较为剧烈。当土壤水分较低时,其变异性会随着土壤水分含量的增加而增加。(5)试验区灌木盖度在5年间呈下降趋势,一年生草本受降水量影响年际变化较大。受降水时空分布影响的土壤水分是沙坡头人工植被演替的重要驱动力。     

用D、18O同位素确定黑河中游戈壁地区植物水分来源

 于2008年7月在黑河中游临泽县平川镇戈壁地区采集降雨、地下水、土壤和植物茎干样品并进行水分的D、18O同位素测试,分析戈壁地区不同深度土壤水分的来源,确定泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、红砂（Reaumuria soongorica）等荒漠植物的吸水层位及其对降雨和地下水的依赖程度。研究发现：①土壤剖面0~130 cm深度范围内的土壤水主要接受降雨的补给;130 cm以下,可能接受潜水蒸发补给,或者是前期较大降雨入渗与潜水蒸发补给的叠加;②土壤水的δD、δ18O值与深度呈指数关系;降雨入渗补给会打乱剖面的稳态,土壤水的δD、δ18O同位素组成是现存土壤水和降雨的混合;③泡泡刺和红砂都是利用深度大于185 cm的土壤水,泡泡刺吸水层位比红砂更深,表明荒漠植物的生长主要依赖更为稳定的潜水水源。     

Probabilistic modeling of soil moisture dynamics in a revegetated desert area

Soil moisture is the key link between land hydrological and ecological processes which plays an important role in the terrestrial water cycle. As extreme weather events have increased in recent years, the stochastic simulation of soil moisture has gradually become the focus of ecohydrology research. Based on continuous monitoring of soil moisture data from 2008 to 2011, and historical precipitation data from 1991 to 2011, combined with the Rodriguez-Iturbe soil moisture dynamic stochastic model, soil moisture dynamics and its probability density function in a revegetated desert area was simulated. Results show that annual soil moisture dynamic changes of the revegetated desert area during the growing season complied with rainfall distribution; soil moisture probability presents a single-peak distribution in the plant rhizosphere layer (0–60 cm). The peak width in the 20 cm topsoil was wider than in other soils, and the distribution presented the strong fluctuations and multiple aggregates. The peak widths of 40 cm and 60 cm soil moisture probability distribution were small, which are in accordance with simulated results of the Rodriguez- Iturbe model. This confirms that the Rodriguez-Iturbe model has good applicability and can well simulate the statistical characteristics of soil moisture in an arid revegetated desert area.     

干旱人工固沙植被区土壤水分动态随机模拟

土壤水分是陆地水循环过程的关键环节,是联系陆地水文过程与生态过程的纽带。随着全球极端气候事件的频繁发生,土壤水分随机模拟逐渐成为当前生态水文学研究的热点。利用2008-2011年生长季土壤湿度连续监测数据及1991-2011年日降水资料,结合Rodriguez-Iturbe土壤水分动态随机模型,模拟了沙坡头人工植被区生长季土壤水分动态与土壤湿度概率密度函数特征。结果表明：人工固沙植被区生长季土壤水分年际变化与降雨分布一致。2008-2011年生长季植物根际层（0~60 cm）土壤湿度概率分布基本呈单峰状,20 cm处的土壤水分峰的阔度较其他土层相对土壤湿度峰较宽,并且分布也出现了一定程度的跳跃。而随着土层厚度的增加,在40 cm和60 cm的土壤水分概率分布峰的阔度也较小,与Rodriguez-Iturbe土壤水分动态随机模型模拟结果一致。说明Rodriguez-Iturbe模型在干旱人工植被区也具有很好的适用性,可以对荒漠人工植被恢复区的土壤水分统计特征进行很好的模拟,为以后干旱沙区随机生态水文模型的建立奠定基础。     

草甸草原降水特征与土壤水分对降水脉动响应——以呼伦贝尔草原额尔古纳市为例

利用额尔古纳牧业气象试验站降水量与土壤水分数据,通过降水与土壤水分动态变化及转化过程分析,确定土壤水分响应的降水临界值与不同降水级别引起土壤水分响应的概率,构建了降水过程量与土壤水分增量函数关系。结果表明：（1） 研究区降水量呈“先降后升”变化趋势,年内降水量呈单峰型分布。（2） 研究区以无降水天气为主,降水又以小降水事件占主导,大降水事件发生频次低、过程降水量大,小降水事件则相反。（3） 可以引起研究区0~50 cm各层土壤水分响应的降水临界值分别为8.1 mm、10.1 mm、19.0 mm、27.9 mm和31.6 mm,小雨仅能引起0~10 cm土壤水分响应的概率为28.6%,中雨不能引起40~50 cm土壤水分的响应。（4） 降水量与0~10 cm和10~20 cm土壤水分达到最大值时的滞后时间呈现出极显著负相关关系,与20~30 cm呈显著负相关关系,0~30 cm各层土壤水分达到最大值时的滞后时间与降水量符合幂函数关系。（5） 降水量和0~50 cm土壤水分增量均呈现出极显著正相关关系,降水量与0~10 cm和10~20 cm土壤水分增量符合线性关系,与20~30 cm、30~40 cm和40~50 cm土壤水分增量符合多项式关系。检验结果表明,构建的函数模型可以较好地模拟研究区0~30 cm各层水分增量。研究结果为地方政府抗旱减灾提供了科学依据。     

干旱荒漠土壤动物分布格局对降水脉动的响应研究进展

在干旱荒漠区,降水呈现强烈的脉动特征（即降水频率、强度及数量的高度变异性）,降水脉动变化对荒漠土壤动物的分布格局有显著影响。目前对降水脉动如何影响和调控荒漠土壤动物分布格局形成与维持的生态机制的认识非常有限。因此,深入开展干旱荒漠区降水脉动变化对土壤动物群落分布及多样性影响研究具有重要的科学意义。本文围绕“降水脉动驱动资源脉动影响土壤动物食物网结构”这一核心问题,重点从自然降水变化、冬季降雪变化和夏季降雨变化等方面对国内外的研究动态及最新研究进展做比较系统的评述。在此基础上,探索干旱荒漠生态系统响应降水变化研究中应重点关注的几个前沿科学问题,这可为中国干旱荒漠生态系统生物多样性保护管理提供科学依据,促进荒漠生态系统生物多样性保育理论、资源脉动生态学理论和研究方法的发展。     

古尔班通古特沙漠风沙土土壤蒸发特征

土壤表面蒸发是降水的无效损失,其大小直接决定着降水转化为有效土壤水的效率,从而间接决定了植物可利用水分的多寡。在降水稀少的沙漠区,定量认识土壤蒸发的大小和其所占降水的比例显得尤为重要。在2004年全生长期(5~9月)应用自制的微型蒸渗仪(Micro-Lysime-ter)测定了风沙土(有结皮覆盖的丘间低地和裸露沙丘顶部)和对照的荒漠盐碱土的土壤蒸发。结果表明:在相似的气象条件下,风沙土区的丘间低地和荒漠盐碱土的日平均蒸发量分别约是裸露沙丘(风沙土区)的2倍和3倍。整个生长期裸露沙丘的累积蒸发量为18.7mm,丘间低地为38.8mm,荒漠盐碱土为52.1mm。根据整个观测期的累积蒸发量和累积降雨量计算得出的蒸发降雨比分别为:裸露沙丘0.20,丘间低地0.42,荒漠盐碱土0.62,表明裸露沙丘由降水转化为土壤水而储存的比率最高。同时,从数据分析中可以看出:在风沙土区0~5cm土层的含水量对土壤蒸发起决定作用,而盐碱土区的土壤蒸发则受到更深层次土壤水分的影响。裸露沙丘低的土壤蒸发、高的降水转化效率,为植被恢复奠定了良好的基础。因此,裸露沙丘的低蒸发量可以视为植被状况对生态水文过程的一种良性反馈。