喀斯特地区土壤中的硝态氮占主导地位,但土壤中的硝态氮含量存在时间和空间上的异质性.因此,种植在喀斯特地区的桑树幼苗可能会遭受低氮胁迫.为了给种植在喀斯特地区的桑树幼苗提供科学的无机氮管理,该研究以桑树幼苗为材料,采用水培试验,以改进的霍格兰(Hoagland)营养液为培养基质,以815N值为22.35‰的硝酸钠提供唯一氮源,设置3个硝态氮浓度梯度(0.5、2.0、8.0 mmol·L-1),测定桑树幼苗的光合特征以及叶、茎和根的干重、碳含量、氮含量和815N值,分析不同供氮水平下桑树幼苗的生理响应,通过整个植株尺度的稳定氮同位素分馏值评估桑树幼苗的氮需求与氮供应的关系,通过植株的氮积累量与碳积累量研究碳氮耦合关系.结果表明:(1)当硝态氮浓度在0.5、2.0 mmol·L-1时,增加硝态氮的浓度能显著提高桑树幼苗的叶绿素含量和净光合速率,进而显著促进生物量的积累.然而,当硝态氮浓度超过2.0 mmol·L-1时,更多的硝态氮供应(8.0 mmol·L-1)并没有带来叶绿素含量、净光合速率和生物量的显著增加.(2)增加硝态氮的供应量能促进桑树幼苗的氮同化,桑树幼苗的氮积累量随着硝态氮供应量的增加而逐渐增加,然而,桑树幼苗的碳积累量在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1和8.0 mmol·L-1时无明显变化.(3)桑树幼苗的硝态氮同化产物的稳定氮同位素分馏值在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时达到最小.综上所述,硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时的无机氮供应量接近桑树幼苗的无机氮需求量,外部氮供应量与植株氮需求量接近平衡意味着植物体内的碳氮代谢能够有效协调,进而实现了碳氮同化产物的同步增长.

植物水分利用在生态系统水文循环及其生产力中起着重要作用.气候变化下寒温带森林水分胁迫逐渐加剧,对其典型树种水分利用特征的研究有助于理解寒温带森林生态系统的稳定性及可持续性.以大兴安岭北部典型树种兴安落叶松(Larix gmelinii)(L)和白桦(Betula platyphylla)(B)为研究对象,利用稳定同位素技术测定降雨、木质部水和土壤水中氢氧稳定同位素值(δD和818O),揭示不同水源δD和δ18O值的分布特征,并利用多源线性混合模型及树干边材液流通量,分析不同水源对2树种的利用率和利用量,揭示生长季兴安落叶松和白桦生长季水分利用特征变化.结果表明:(1)研究区的大气降雨和土壤水同位素均受蒸发的影响发生了一定程度的分馏,且土壤水同位素分馏程度存在树种间的差异,兴安落叶松分馏程度大于白桦.(2)降雨和蒸发对2个林分土壤含水率和土壤水稳定同位素值在上层土壤(0-10cm)影响强烈,而对中下层影响较小,且各层土壤水稳定同位素值表现出显著差异(P＜0.05).(3)在5月和9月兴安落叶松和白桦主要利用上层土壤水分,对上层土壤水分的利用率分别为 64.7％、61.3％(L);61.5％、66.0％(B),日均利用量分别为 2.00kg/d、1.10kg/d(L);6.74kg/d、2.75kg/d(B).在6-8月兴安落叶松和白桦主要利用下层(20-40cm)土壤水分,对下层土壤水分的利用率分别为44.5％、48.1％、70.3％(L);49.3％、63.6％、74.7％(B),日均利用量分别为 2.58kg/d、2.76kg/d、3.89kg/d(L);12.69kg/d、14.77kg/d、14.19kg/d(B)生长季两树种表现出相似的水分来源,但对各土层土壤水的利用率存在差异,这种差异主要表现在6-8月白桦对下层土壤水的利用率显著大于兴安落叶松.这些发现说明在未来水分胁迫加剧的情况下,兴安落叶松比白桦具有更高的环境适应性.

为了解暴雨时期亚热带森林生态系统水分在植物体内运移转换过程中同位素组成的变化特征以及对环境的响应机制,基于2020年7月梅汛期新安江源区亚热带常绿针叶林典型植物氢氧稳定同位素测试,结合黄山水文站涡动通量塔环境要素监测数据,分析了代表性树种杉木(Cunninghamia lanceolata)不同部位(根、皮、枝、叶)和样地多种优势植物叶片水同位素组成(δ18O和δ2H)的 日间变化特征及δ18O-δ2H相关关系,并讨论了不同植物叶片水δ18O和δ2H的环境控制因子.结果表明:杉木根、皮及枝水分同位素组成较为接近且日间变化平缓,叶片水同位素最为富集且日间变幅较大.受随机性强降雨影响,7月2-4日各来源δ18O和δ2H昼间变化无显著一致性规律,三 日分别大致呈单峰型、单谷型和波动型变化.5种典型植物叶片水δ18O-δ2H线性回归得出的蒸腾线斜率从高到低依次为:狗脊(Woodwardia japonica)、茶(Camellia sinen-sis)、大豆(Glycine max)、杉木、毛竹(Phyllostachys heterocycla),说明毛竹叶水同位素动力分馏效应最强,狗脊最弱.各植物叶片水δ18O和δ2H的环境控制因子有所差异,杉木和狗脊叶片水δ18O和δ2H对土壤含水率和土壤温度的变化最敏感,气温和净辐射则是影响茶和大豆叶片水δ18O和δ2H的主导因子,毛竹叶水δ18O和δ2H与气温、相对湿度、土壤温度、土壤含水率和风速的相关性较强.研究结果有助于明晰湿润区生态水文过程,并为进一步构建同位素水文模型提供数据支持.

稳定同位素技术的发展为深入揭示地下黑箱-土壤食物网的结构和功能提供了重要的方法和手段.本文回顾了稳定同位素技术在土壤食物网研究中的应用,主要包括利用同位素确定土壤动物的食源和食性偏好;通过土壤动物取食与固持养分过程中的同位素分馏效应,分析土壤食物网的营养级结构;此外,稳定同位素技术还揭示了土壤食物网各营养级土壤生物在土壤生态系统物质能量流动中的作用,有助于准确高效地开展土壤食物网在土壤碳氮循环过程中的贡献及作用机理研究.本文同时指出了 目前稳定同位素技术的局限性,展望了未来重点发展的方向.

采集 2021 年生长季和非生长季新安江源区常绿针叶林土壤-植物-大气多源水样进行氢氧稳定同位素测试,分析不同来源水分同位素组成(δ18O和δ2 H)的差异及变化特征,评估不同季节多水源采样方案(植物不同部位、土壤不同深度)对蒸散发组分区分的影响程度,进而优化我国南方湿润区森林生态系统蒸散组分区分的氢氧稳定同位素采样方案.结果显示:多源水δ18O和δ2H在土壤-植物的水分传输过程中逐渐富集,非生长季较生长季更为富集.植物各部位水分的动力学分馏强度随着同位素不断富集而逐渐增大.河道水与山泉水同位素组成分布较为接近,大气水汽相较于其他水源明显最为贫化.土壤水同位素组成垂向分布主要呈现三种不同的规律:随深度增加而减小、先增大后减小或先减小后增大.浅层土壤水同位素组成变化范围大于深层土壤水,拐点位于 50-90 cm.由植物各部位与土壤的水同位素组成分布特征及其差异可知符合同位素稳态假设的杉木最佳取样部位为韧皮部.比较基于不同深度土壤蒸发水汽同位素组成δE计算得出的T/ET(蒸腾与蒸散发比率),发现生长季T/ET整体变化量为13.46%,低于非生长季21.42%.即土壤取样深度的变化在相对干冷条件下对T/ET的影响较大,推断出适宜杉木林的土壤取样深度约为 20-30 cm.研究成果可为湿润区半湿润区蒸散发组分区分同位素采样方案设计、蒸散发估算模型构建提供科学依据,并为生态系统蒸散发组分分割、植物蒸腾水分溯源研究奠定有效基础.

定量生育期内植物光合碳在植物组织-土壤的分配规律,对于理解全球碳循环有着重要意义.采用13C-CO,脉冲标记结合室内培养,通过元素分析仪-稳定同位素联用(Flash HT-IRMS)分析植物各部分及土壤δ13C值,比较了不同生育期下水稻光合碳在不同组织间的分配规律,并量化了水稻光合碳向土壤碳库的转移.结果表明:(1)水稻地上部和根系干物质量随水稻生育期的增加而呈现递增趋势,不同的生育期表现为:分蘖期＞拔节期＞抽穗期＞扬花期＞成熟期.而整个生育期的根冠比为0.2-0.4,分蘖期的根冠比最高,随着水稻生育期的增加而递减,到抽穗期以后根冠比稳定在0.2左右.(2)脉冲标记6h后,水稻地上部和地下部(根系)的δ13C值在-25.52‰-28.33‰,不同器官的δ13C值存在明显分馏效应,且趋势基本一致,即茎杆(籽粒)＞叶片(根系);这种由于水稻生育期特性导致的各器官碳同位素分馏的现象,可用于指示不同生育期下水稻光合碳的分配和去向.(3)不同生育期13C-光合碳在植物-土壤系统的分配规律不同,生长前期光合碳向根系及土壤中分配的比例高,具有较强的碳汇能力,而随生育期光合碳在根系及土壤中的分配比例呈下降趋势,但积累量不断增加.(4)不同生育期13C光合碳在水稻-土壤系统中的分配比例差异明显.水稻分蘖期有近30％光合碳用于根系建成并部分通过根系分泌物进入土壤有机碳库(10％),而到成熟期则向籽粒中分配较多,而且光合碳在土壤中的分配比例也随生育期呈下降趋势.研究结果对稻田土壤有机碳循环过程和调控机制的揭示具有重要的理论意义.

水分是制约很多陆地生态系统植物生长和繁殖的重要因素,在干旱地区尤为明显.利用稳定同位素技术探究塔里木河下游不同林龄胡杨(Populus euphratica)的水分来源情况,了解生态输水背景下荒漠河岸林的水分利用循环与利用策略,可为生态输水提供科学依据,同时也可对同类地区的生态恢复提供借鉴.本研究通过测定塔里木河下游胡杨茎干水和各潜在水源(土壤水、地下水)的稳定氢氧同位素值(δD、δ18O),应用多源线性混合模型(IsoSource)分析了各潜在水源对不同林龄胡杨的贡献比例,并结合3种林龄胡杨不同土壤深度含水量的变化,分析了胡杨的主要吸水层位.结果表明:(1)不同林龄胡杨样地的不同深度区间上的土壤水δ18O值存在显著差异(P＜0.05):胡杨幼龄木、成熟木、过熟木木质部δ18O分别为-7.83±0.07‰、-8.53±0.11‰、-9.36±0.21‰;而δD值不存在显著差异(P＞0.05).可据此来推断胡杨的主要吸水层位.(2)总体上,三种林龄胡杨土壤水δ18O值随土壤深度增加而减小,并趋于接近地下水的δ18O值.其中,0-60 cm土壤水受蒸发影响比较大,其同位素组成经历了强烈的蒸发分馏过程,土壤含水量极少,土壤水δ18O值偏正.(3)不同林龄胡杨所利用的水分来源不同:胡杨幼龄木对于地表80 cm以下的土壤水以及地下水均有一定程度的利用,对80-140 cm、140-220 cm和220-340 cm的土壤水平均利用比率依次为16.2％、21.4％和24.6％,对地下水平均利用比率为24.5％;成熟木主要利用220-340 cm的土壤水及地下水,平均利用比率分别为36.9％和42.3％;过熟木主要利用140-340 cm的土壤水及地下水,平均利用比率分别为32.8％和49.3％.

稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统、特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为“水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏”.生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件.但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性.综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性、水源同位素的季节性变化、蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考.

放牧是草原牧区常见的人类活动,多年放牧对草原植被及土壤的碳过程产生较大的影响.本研究采集不同类型草原多年放牧前后植被及土壤样品,对室内碳同位素进行分析,研究了不同草原生态系统△3C(碳同位素分馏值)差异及其影响因素.结果表明:放牧强度对植被△13C值的影响显著,0～5 cm表层土壤△13C值在放牧前后变化显著,而对深层土壤(＞5 cm)影响不显著.多年放牧后大部分植被△13C值显著升高,高海拔地区升高的幅度较大.可见,放牧行为对不同草地生态系统类型、不同土壤深度以及不同海拔生态系统碳过程产生的影响差异显著.针对不同类型的草原,放牧应采取多样化的管理方式.

镁元素是常量元素之一,也是生物维持生命活动的重要物质之一.含镁矿物的风化产物经河流输送到达海洋,并在此过程参与生态系统的物质循环,最终通过碳酸盐沉淀重新成岩,这一过程与全球的碳循环密切相关.近年来,随着非传统金属同位素体系的不断完善,以及MC-ICP-MS(多接收器电感耦合等离子质谱仪)的使用,镁同位素的测试精度与便利程度都有提升,镁同位素因为其广泛参与化学风化过程以及与生命活动密切相关,从而成为示踪表生环境中物质来源与各类生物地球化学过程的有效工具.因此,研究镁同位素在各类生态系统中的组成特征与分馏机理,可以帮助我们了解生态系统内发生的各类地球化学过程,进而探寻全球物质循环与气候变化规律.本文系统阐述了森林生态系统中各组分镁同位素的组成和分馏的影响因素,提出了目前森林生态系统研究存在的问题,并基于现有研究成果对未来森林生态系统中镁同位素的研究方向进行了探讨.