青藏高原水分循环研究是一个受到广泛关注的热点问题,但流域尺度内水分运移的研究相对薄弱.本文基于氢氧稳定同位素技术(δ2H和δ18O)研究了青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站(海北站)的典型流域内的降水、浅层地下水、中层地下水、沼泽水、泉水、河水、湖水和土壤水的时空变异,利用MixSIAR模型定量分析各水体的水分来源与交换.结果表明:海北站小流域不同水源氢氧稳定同位素特征存在显著差异,湖水和降水同位素值变幅大于其他水体,湖水同位素富集程度高于其他水体;浅层地下水(3 m)是小流域水源涵养发挥的重要调节库,泉水是浅层地下水的地表表现形式;土壤水是小流域重要的水源涵养体,是大气降水-浅层地下水(3 m)-中层地下水(20 m)垂向交换的过渡,土壤水、浅层地下水通过横向径流向河流、沼泽进行水分补充.本研究可为高寒小流域水文模型的优化和水资源利用提供依据.

明晰常绿与落叶乔木的水分来源及竞争关系,可为区域生态恢复过程中树种的选择和种植方式提供理论依据.本研究以兰州市南山绿化工程区大洼山常绿乔木侧柏(Platycladuss orientalis)和落叶乔木白榆(Ulmus pumila)为对象,测定其木质部及土壤和降水的氢氧稳定同位素比值,利用贝叶斯混合模型和相似性比例指数分析了侧柏和白榆对不同深度土层土壤水的利用特征.结果表明:除7月和10月外,深层(70～100 cm)土壤水是侧柏和白榆的主要水分来源,其贡献率分别为55.82％和58.90％;7月侧柏和白榆转为吸收浅层(0～20 cm)土壤水,贡献率均达90％以上;10月侧柏转为吸收中层(20～70 cm)土壤水,而白榆同时利用深层(70～100cm)和中层(20～70cm)土壤水.侧柏和白榆在整个生长季内除7月外,对水分的竞争不强烈,可在同一生境下同时种植.

确定植物种的生态恢复适用性对绿化物种选择具有重要意义.本研究基于氢氧稳定同位素技术,以兰州市南山相似生境下狭叶锦鸡儿(Caragana stenophylla)和柠条锦鸡儿(C.forshinskii)为对象,采用直接对比法和贝叶斯混合模型(MixSIAR)对生长季两种锦鸡儿的水分来源差异进行定性和定量分析.结果表明:两种锦鸡儿有多个吸水层,是非单一水源植物,生长季狭叶锦鸡儿主要吸水层位具有月份差异性,而柠条锦鸡儿除了 9月,其他月份主要水源均来自中深层(70～130 cm),贡献率达80％以上;降水发生后,狭叶锦鸡儿会转为利用表层(0～30 cm)土壤水,柠条锦鸡儿对降水响应不敏感;柠条锦鸡儿的主要吸水层位较为稳定,面对干旱胁迫时狭叶锦鸡儿能转换主要吸水层,具更灵活的吸水方式,干旱适应性优于柠条锦鸡儿,作为干旱区的绿化物种优势更为突出.

北方土石山区因年内降水不均,常出现季节性干旱.探究降水对侧柏(Platycladus orientalis)液流特征与水分来源的影响,对构建稳定生态系统具有重要意义.该研究以北京山区侧柏人工林为研究对象,利用热扩散式边材液流探针技术(TDP)和氢氧同位素示踪技术对不同控水处理的侧柏进行观测,同步监测气象、土壤水分含量等环境因子.结果表明:(1)侧柏液流量呈现二倍降水与自然降水＞一半降水＞无降水.(2)降水增加土壤相对有效含水率(REW),进而提高侧柏液流对环境因子的响应程度,侧柏液流主要受饱和水汽压差(VPD)的影响,太阳辐射(Rs)与风速(WS)影响程度较低.(3)侧柏水分来源特征随降水梯度呈规律性变化,随土壤含水量升高,其水分来源逐步向浅层土壤转变.对比降水前后,除无降水区内侧柏水分来源无明显变化外,其他处理区侧柏均在降水后增加了对0-40 cm土壤水的利用比例,当降水后自然降水区与二倍降水区的土壤处于相对含水量较高时期,这种变化更为明显.综上所述,侧柏根据降水和土壤水分的变化调整液流运动和吸水深度,这种自适应特性有利于其度过极端干旱胁迫和生存.

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.

局地大气水线(LMWL)是氢氧稳定同位素示踪地区水文过程的重要基础之一,建立能代表当地降水稳定同位素总体特征的LMWL对于准确揭示相关水文过程十分关键.基于中国西北内陆季风区典型区域长武塬9年的降水稳定同位素观测数据,比较不同时间尺度与回归方法对LMWL的影响.结果表明:对于不同回归方法,除年尺度降水稳定同位素建立的LMWL基本保持不变外,次、月降水数据建立的LWML均会随回归方法的不同发生明显改变;在最小二乘(OLSR)、主轴(MA)和简约主轴(RMA)3种不同回归方法下,基于次、月、年降水数据建立的LMWL也明显不同;只有使用考虑降水量加权的OLSR、MA和RMA方法,次、月、年降水尺度数据建立的LMWL才较为接近.表明在降水量和稳定同位素特征随时间存在明显异质性的地区建立LMWL时,需格外注意降水稳定同位素数据尺度和回归方法的选择.对于降水稳定同位素观测困难、数据有限的地区,建议使用降水量加权的简约主轴回归或主轴回归方法建立具有代表性的LMWL.

水分是黄土地区限制植物生长的关键因子,研究不同造林树种在不同水分条件下的水分利用来源对理解干旱半干旱区植物的抗旱机制至关重要.本研究以黄土区主要造林树种刺槐和侧柏为对象,利用稳定同位素(δ18O、δ2H)分析两树种在干旱处理(100％无穿透雨,DT)和自然降雨(CK)下的水分利用深度,探究两树种的干旱适应性.结果表明:在CK中,刺槐在雨月(6、9月)主要利用0～40 cm 土壤水,利用率达68.0％±2.4％,旱月(7、8月)均匀利用4层(0～10、10～40、40～60、60～120 cm)土壤水分.而侧柏在雨月和旱月均主要利用0～40 cm 土壤水,利用率分别为77.0％±2.4％和57.4％±3.0％.在DT中,随着土壤含水量降低,刺槐和侧柏的水分利用深度下移,其中,刺槐的水分利用深度从0～40 cm转为60～120 cm,侧柏从0～40 cm转为均匀利用4层土壤水.综上,刺槐和侧柏均能在不同水分条件下适应性调整水分利用深度,具有较强的干旱适应性,这对评估当地人工林干旱抗逆性和稳定性具有重要意义.

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.

秋雨极端变化对渭河流域生态环境影响巨大.本研究根据2015-2021年在渭河流域腹地杨凌区采集的117个秋季降水样本和同期相关气象资料,开展秋雨异常氢氧稳定同位素组成及其水汽来源的研究.结果表明:1)近年来研究区秋雨极端变化频繁,根据秋雨指数(ARI)可分为秋季极端多雨年(HAP,2021年)、普通降雨年(GAP,2015-2017,2019-2020年)和极端少雨年(LAP,2018年);2)不同类型秋雨氢氧稳定同位素组成差异明显,其中,δ2H、δ18O值呈现出LAP年＞GAP年＞HAP年的变化趋势,而d-excess值和秋雨降水线斜率、截距值的变化趋势与之相反.进一步分析不同类型秋雨同位素的影响因素和水汽来源发现,出现秋雨异常的主要原因并非当地气象要素,而可能是厄尔尼诺-南方涛动事件和印度洋偶极子事件,其分别解释了99％和93％的秋雨同位素异常变化.这些海气耦合现象影响海洋性气团水汽向西北内陆的输送强度,进而决定了秋雨雨量和氢氧稳定同位素组成.本研究结果有助于提高对华西秋雨异常的认识,为区域水文模型的构建提供了基础资料和理论支撑,可以更好地服务于水资源管理决策和防灾减灾.