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.

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.

陆地生态系统氢氧稳定同位素能为陆地与大气的水分交换和陆地生态系统水文循环研究提供独特的示踪信息.基于2009年生长季加拿大落叶林生态系统氢氧稳定同位素组成及环境要素的观测数据,分析了生态系统不同来源液态水和大气水汽同位素组成的时空变化特征,分析了生态系统蒸散与土壤蒸发的同位素组成和同位素通量(Isoflux)的变化特征,并讨论了主要的环境控制因素.结果表明,生态系统中不同来源液态水的同位素组成差别较大,与枝条水和土壤水相比,叶片水同位素组成最富集且变化幅度最大.大气水汽H2O和HDO同位素组成随着高度升高而降低,水汽同位素值日变化呈“W”型分布,上午水汽同位素值降低,正午有一定的起伏,傍晚回升.水汽同位素组成与大气湿度有显著的相关性,大气水汽过量氘下午均值与表面相对湿度和水汽混合比的相关系数分别为-0.61 (P＜0.01)和-0.57(P＜0.01).受蒸腾速率和叶水同位素富集程度的共同作用,白天蒸散H28O组成在正午和傍晚高,下午低.Isoflux的计算结果表明白天下垫面蒸散有助于大气水汽同位素富集,蒸散同位素通量最高可达147.5 mmol m-2 s-1‰.本研究结果能为同位素水文模型提供数据支持和理论参考.

降水稳定同位素可以揭示降水的不同水汽来源和水汽的季节转换.通过建立降水稳定同位素与不同气象要素的关系,可为区域水资源管理甚至可为生态修复中的植被恢复状态的研究提供重要的背景数据.为揭示降水稳定同位素研究的发展现状,基于文献计量学以及网络分析方法运用Citespace软件对1990-2017年Web of Science核心数据库中降水稳定同位素的相关文献进行可视化统计分析.发现降水稳定同位素相关的文献数量在呈逐年上升趋势,主要分布在地质、气象与大气科学、海洋学、湖泊沼泽学、古生物学等相关学科,美国、中国、德国、加拿大等国家以及中国科学院、美国地质调查局等研究机构文章数量较多,表现出较强的科研实力.利用Citespace软件绘制了降水稳定同位素研究相关文献的共被引、研究作者的共被引等知识图谱,对该研究领域知识基础及核心作者的影响力进行了探讨.图谱显示,2007年以来,Yao T、Risi C、Tian L等对降水稳定同位素的研究的推进起到了重要的推动作用.最后对该研究领域的关键词与词频等进行分析,绘制出降水稳定同位素研究领域的研究热点演进脉络,并确定leaf water、Tibetan Plateau、cellulose、environmental change、tree ring、atmospheric circulation、groundwater recharge、hydrograph separation等即将成为研究的新热点.近几年来,虽然研究的文章数量在逐年增加,但是核心作者及代表作品较少,与社会的实际生产应用结合度不足.在未来研究中在注重方法的更新的同时可考虑与社会生产实际相结合.

树木夜间会维持部分气孔开放,从而能够在一定环境驱动因子的情况下进行夜间蒸腾.夜间液流作为储存水的重要来源,能够补充植物白天的水分亏缺,使其恢复水分储备,对植物生长发育有重要意义.采用TDP热探针法测定了位于八达岭林场的元宝枫树干液流密度,同步监测了主要环境因子,以深入揭示树木夜间蒸腾耗水规律和植被应对环境胁迫的调控机制,为山区植被建设、森林健康经营和挑选节水树种提供理论依据.结果 表明:以0:00为界区分前半夜和后半夜,元宝枫夜间液流速率前半夜较后半夜活跃,且前半夜夜间累积液流量占夜间累积液流量的53.85％-64.10％,而后半夜夜间累积液流量占夜间累积液流量的35.9％-46.15％.5月的夜间累积液流量最大,平均夜间液流通量为5月＞6月＞8月＞9月＞7月.存在水分胁迫的条件下降雨之后夜间液流会增大,而当土壤水分条件较好,土壤水分不再是夜间液流的限制因子时,夜间液流通量并不高.不同树木形态的夜间液流通量有显著差异,在一定范围内,胸径树高冠幅越大的样木,夜间液流通量越大.用于夜间蒸腾的夜间液流通量与饱和水汽压差、温度、空气相对湿度、风速相关,其中夜间蒸腾存在于前半夜,表现为前半夜夜间液流通量与环境因子的相关性相较后半夜相关性较为显著,后半夜则以补水为主,补水量取决于土壤含水量和日蒸腾强度.存在干旱胁迫的条件下,夜间液流既用于夜间蒸腾,又有一部分用来补水;而土壤水分条件好时夜间液流则主要用于补水,此时夜间树干液流与环境因子相关性不高.元宝枫夜间液流通量的日蒸腾贡献率5、6月份大于7、8月份,即干季比湿季贡献率更高.夜间液流通量的日蒸腾贡献率与白天总蒸腾量相关性较高,并与累积太阳辐射成负相关.

为了研究江苏高邮局地水循环特征,应对气候变化和减缓洪涝灾害.本研究采集江苏高邮自2015年7月-2017年10月的121个大气降水样品及环境因子数据,分析该区大气降水氢氧同位素特征,揭示不同季节水汽来源及影响因素.结果表明:大气降水δD(δ18O)季节变化明显,冬半年偏正,夏半年偏负;过量氘值亦呈现冬高夏低;年尺度上,大气降水中δD(δ18O)与温度和降水量皆为负相关关系,呈现“反温度效应”和“降水量效应”;季节尺度上,均未呈现出“温度效应”,秋冬两季呈现出“降水量效应”;HYSPLIT气团轨迹模型结果进一步表明,江苏高邮夏季水汽主要来源于我国南海、印度洋及太平洋,而春、秋、冬季水汽主要来源于亚欧大陆、大西洋、北冰洋水汽混合及局地蒸发.大气降水δD(δ18O)值的季节变化主要受到季风活动以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响,降水中氢氧同位素值清晰地记录了厄尔尼诺向拉尼拉之间的过渡.

依据全球大气降水稳定同位素观测网络(GNIP)和已有研究中陕甘宁地区的大气降水氢氧稳定同位素资料,并结合相关气象数据,分析了陕甘宁地区大气降水氧稳定同位素的时空分布特征及其影响因子,并建立了大气降水线方程.结果表明:3省大气降水线的斜率、截距由小到大依次为:甘肃、陕西、宁夏,且均小于全球大气降水线方程的斜率、截距,表明3省的降水过程受蒸发作用影响程度沿宁夏、陕西、甘肃增强;陕甘宁地区大气降水中δ18O值在时间变化上,表现为夏秋季节富集、冬春季节贫化,从空间分布来看,由西北至东南,加权平均δ18O值呈减小趋势;3省降水中δ18O温度效应显著,但不存在降水量效应,这体现了中高纬度大陆性气候的特征;高程效应的定量关系为-0.12‰·(100 m)-1,纬度效应更显著(纬度每增加1 °,降水中δ18O相应贫化0.27‰);采用HYSPLIT模型对各站点的水汽来源进行追踪,气团聚类轨迹表明,夏半年主要有来自孟加拉湾的水汽、东南季风水汽和西风带水汽,冬半年以西风带水汽为主.

稳定氢氧同位素可有效示踪区域降水水汽来源,旱季降水补给对大规模哈尼梯田的持续存在具有重大影响.以哈尼梯田世界遗产核心区的全福庄河流域为研究对象,在2015年11月-2016年4月间的旱季期间逐月采集处于不同海拔的7个样点的降水样品42个,分析其稳定氢氧同位素组成的变化及其影响因子,并利用后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪其水汽来源.结果 表明:1)该区局地大气降水线方程为δD=7.31δ18O+ 19.8(R2=0.94,P＜0.01,n=42),斜率较全球降水线小而截距偏大,说明研究区有多个水汽来源地.2)旱季降水δ18O和d-excess在前期快速富集,后期δ18O富集的速度减缓,d-excess则快速降低,体现出水汽来源具有时间差异,但两者在空间变化上不明显.3)旱季降水δ18O与降水量、温度和相对湿度的多元线性回归方程为:δ18O=-0.002P-0.86T-0.39H+38.22 (R2=0.96,P=0.05),表明其变化是多因素综合影响的结果.4)结合δ18O、d-excess和HYSPLIT模型分析,该区旱季主要有3条水汽来源路径,其中西风南支和局地水汽补给较少,占优势的西南季风除2月份外其余各月占70％左右.5)研究区旱季降水量总体较少,但西南季风在11月带来的降水为“灌水养田”提供了水源,在4月的降水为“冲水肥田”和“栽插准备”活动提供了必要水源,从而保障了梯田旱季的用水需求.

氘(D)和18O是水中常见的环境示踪剂,研究大气降水氢氧稳定同位素组成是研究区域及全球水循环过程的必要前提.为了揭示降水同位素组成对环境因子的响应机制,本研究在中国科学院会同森林生态实验站收集了2017年5月-2019年8月149次不同量级大气降水样品及环境因子数据,分析该地区大气降水氢氧同位素的时间变化特征,探讨水汽来源和环境因素对降水氢氧稳定同位素组成的影响.结果 表明:湖南会同大气降水线方程为:δD=(7.45±0.17)δ18O+(10.10±1.25) (R2 =0.93,P＜O.01),斜率比中国及全球大气降水线斜率略低;大气降水中稳定同位素组成与局地环境因子密切相关,并对季风气候中的水汽来源响应敏感,表现为夏季风期间18O和D贫化,冬季风期间18O和D富集;夏季风期间,受到孟加拉湾、南海和西太平洋在夏季风和季风后3种不同气压下远距离海洋水汽的影响,过量氘均值接近全球平均值;冬季风期间,大气降水氢氧同位素值受到远距离西风气团、孟加拉湾退化热带海洋气团、季风前期内陆水汽和局地环境因子的共同作用,大气降水线斜率偏低,过量氘值偏大.