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.

选取珠江上游深水型水库龙滩水库为研究对象,于2019年4、7、10月和2020年1月4个季节采集了水库支流表层水、库区分层水和下泄水,分析其水化学参数、SO42-浓度及δ34SSO4与δ18OSO4同位素组成,基于冗余分析和贝叶斯稳定同位素混合模型等手段,阐明了筑坝拦截影响下的水动力条件改变对龙滩水库水体硫循环的影响.结果表明:龙滩水库SO42-的主要来源是硫化物矿物氧化(以O2或Fe3+为电子受体),此外,还包括大气降水、人为源.筑坝拦截后,水体SO42-浓度以及δ34SSO4和S18OSO4值波动范围显著增大.筑坝蓄水会导致水体相对水柱稳定度(relative water column stability,RWCS)升高,在较高的RWCS条件下,水库内部的硫化物氧化和硫酸盐还原等过程显著增强,因此,RWCS是驱动水库硫循环的重要水动力因素.本研究有助于深入理解水库内部硫酸盐迁移转化过程的水动力驱动机制,为深水型水库水资源科学利用与保护提供理论依据.

为调查山谷型水库的鱼类群落营养结构及其食物资源利用情况,基于碳(δ13C)、氮(δ15N)稳定同位素技术研究了湖北省洈水水库2020年夏季与秋季鱼类群落结构特征,并运用贝叶斯混合模型评价4种潜在碳源(颗粒有机物、陆生植物、周丛藻类和有机碎屑)对不同食性鱼类的贡献.结果表明:洈水水库鱼类群落的营养结构存在季节差异,鱼类群落的营养层次(NR)、基础食物来源(CR)、生态位总空间(TA)、群落的整体密度(NND)、聚集均匀程度(SDNND)和核心生态位空间(SEAc)等参数为夏季高于秋季,表明夏季食物源多样性高、营养冗余程度低、食物网结构更加复杂而稳定.洈水水库夏季和秋季鱼类均依赖外源性碳源,但两个季节的利用方式存在显著差异(P＜0.05).整体上,陆生植物在两个季节对洈水水库鱼类的碳源贡献最大,但夏季周丛藻类为次重要碳源,秋季有机碎屑为次重要碳源,颗粒有机物(POM)在两个季节均不重要.夏季和秋季对外源碳的依赖程度最高的鱼类均为黄尾鲴(碎屑食性鱼类),对外源碳的依赖程度最低的鱼类为鳙(滤食性鱼类)和团头鲂(植食性鱼类).在夏季和秋季共有的9种鱼类中,肉食性鱼类(鳜、蒙古鲌)、杂食性鱼类(鲤、鲫)与碎屑食性鱼类(黄尾鲴)营养级变化显著.夏季鱼类营养级范围为2.5-3.5,平均3.01,而秋季鱼类营养级范围为2.9-3.8,平均3.32.基于稳定同位素技术分析不同食性鱼类的营养级发现,秋季鱼类的营养级普遍高于夏季(P＜0.05).研究揭示洈水水库鱼类夏季和秋季的碳源利用存在显著差别,鱼类的营养级秋季普遍高于夏季,这主要是由于洈水水库秋季的低水位不利于陆生植物进入水生食物网,鱼类食物资源竞争加剧、捕食作用加强所致.基于贝叶斯混合模型分析鱼类食物资源的利用情况表明:植食性鱼类和杂食性鱼类的鱼苗投放时间应选在早春(2-3月),碎屑食性鱼类鱼苗的投放时间在秋、冬季更加合适,这将为研究山谷型水库鱼类群落的营养结构及渔业结构调整方案提供科学依据.

灌溉和施肥措施对农田水文循环具有重要影响,根系吸水是联系植物蒸腾和土壤水分运动的关键水文过程,定量识别灌溉施肥影响下作物根系吸水来源对农业用水优化管理具有重要意义.氘氧稳定同位素(D和18O)是追溯农田水分运移过程的理想天然示踪剂.基于2013-2015年北京市典型农田不同灌溉施肥处理冬小麦水分运移试验,利用D和18O双稳定同位素和MixSIAR贝叶斯混合模型,量化冬小麦主要根系吸水深度及其贡献比例,阐明作物水分来源的季节变化及不同处理间的差异,分析根系吸水与土壤水分分布变化的相互关系.研究结果表明:两季冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期主要根系吸水深度均值分别为0-20 cmm(67.O％)、20-70 cm(42.0％)、0-20 cm(38.7％)和20-70 cm(34.9％),但季节变化差异显著,2014季主要吸水深度随作物的生长发育而逐渐增加,2015季则主要集中于浅层土壤(0-70 cm).返青-抽穗期仅灌水20 mm或施肥105 kg/hm2 N促使拔节-抽穗期深层(70-200 cm)土壤水分利用率平均增加29％,而前期充分灌水且大量施肥(≥当地施肥量210kghm-2N)时拔节-抽穗期根系吸水深度为土壤表层0-20 cm.在干旱少雨的冬小麦生长季内作物吸水来源与土壤水分消耗变化基本一致.

利用稳定同位素技术确定植物水分来源,对提高生态水文过程的认识和对干旱半干旱区的生态管理至关重要.目前基于稳定同位素技术确定植物水分来源的方法众多,但不同方法之间对比的研究较少.本研究基于原位样品采集,室内实验测试,利用直接对比法、多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)和吸水深度模型分析植物水分来源,并对比各方法的优缺点.结果 表明:相对于多元线性混合模型(IsoSource)而言,贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)具有更好的水源区分性能,但对数据要求较高,且植物木质部水和潜在水源同位素组成的标准差越小,模型运行结果的可信度更高.本研究中贝叶斯混合模型(MixSIR)为最优解.在利用稳定氢氧同位素技术确定植物水分来源时,可先通过直接对比法定性判断植物可能利用的潜在水源,然后再用多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)计算出各潜在水源对植物的贡献率和贡献范围,必要时可评估模型性能,选择出最优模型,定量分析植物的水分来源.若植物主要吸收利用不同土层深度的土壤水,可结合吸水深度模型计算出植物吸收土壤水的平均深度.本研究为干旱半干旱地区利用同位素技术确定植物水分来源方法的选择提供了理论依据.

多枝柽柳和旱柳是北方地区河岸生态修复的良好树种,具有护河防洪、调节区域气候的作用和营造河岸地带植被景观的功能.本研究选取黄河兰州段沿岸2处样点,采集了多枝柽柳和旱柳木质部以及各潜在水源的样品,利用氧同位素直接对比法、贝叶斯混合模型MixSIAR和相似性比例指数(PS指数),分析了多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用率以及两者之间的水分利用关系.结果 表明:在整个生长季,浅层土壤水(0～30 cm)是多枝柽柳和旱柳的主要水分来源,利用率分别为28.3％和24.4％,多枝柽柳对河水的利用率最小(16.6％),旱柳对地下水的利用率最小(17.9％);在土壤含水量较低的月份,植物会增加对河水和地下水的利用比例,样点S1和S2的PS指数分别为91.0％和87.7％,两个样点均在5月的PS指数最大,不同月份的水分利用关系存在一定的差异;处于河漫滩这一特殊地理位置,多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用比较平均,最大程度地获取各潜在水源的水分,是一种最优的吸水模式.本研究可为开展黄河兰州段河岸休闲旅游活动和黄河流域生态环境保护中植物水分管理提供一定的理论基础.

为了探寻海草床浮游-底栖营养传递耦合特征,于2017年7月对黄河口近海海草床碳源和消费者功能群进行样品采集和碳氮稳定同位素(δ13C和δ15N)测定,计算了消费者功能群的营养级,利用基于贝叶斯的稳定同位素混合模型定量化消费者功能群的食源组成,计算了消费者功能群的浮游、底栖营养贡献比例.结果表明:黄河口近海海草床的碳源和消费者功能群的δ13C和δ15N值均呈现显著性差异(P＜0.05),浮游碳源的δ13C值显著低于底栖碳源,消费者功能群的营养级范围为1.49-4.20.浮游动物和腹足类分别由浮游和底栖营养传递途径提供能量来源,其余消费者功能群共同依赖于这两种营养传递路径.消费者功能群随着浮游营养贡献比例的增加,其δ13C值逐渐降低.反之,随着底栖营养贡献比例的增加,其δ13C值逐渐增加.这与浮游碳源和底栖碳源的δ13C值的分化现象一致.对该海草床营养传递特征的系统性定量化解析有助于了解海草床的能量传递模式,为海草床的生态保护和修复提供系统性视角.

农业流域有机质流失造成水体富营养化和土地退化,不仅威胁水质和粮食安全,而且会导致温室气体排放等潜在环境问题.本研究用13C、15N和C/N作为指纹标志物,分析了南岳小流域出口沉积有机质的来源及其在林地、稻田和菜地等典型土地利用类型土壤的空间分布特征,并结合贝叶斯稳定同位素混合模型定量估算了各土地利用类型的贡献率.结果 表明:δ13C具有显著的空间差异,沉积物有机质(-22.6‰-±0.53‰)和林地土壤(-23.13‰±1.71‰)的δ13C显著高于稻田土壤(-25.24‰± 1.4‰).各土地利用类型土壤的δ15N差异不显著,沉积物的均值最大,为(4.37±0.83)‰,林地最小,为(2.38±1.97)‰;林地土壤的C/N均值最大,为16.66±7.18,稻田土壤的C/N均值最小,为11.95±0.92.贝叶斯稳定同位素混合模型结果显示,林地、稻田和菜地对流域出口沉积有机质的贡献率分别为19.6％、15.7％和64.7％;稻田和菜地作为农业用地的总贡献率为80.4％.说明农业用地土壤是南岳小流域沉积有机质的主要来源,可以通过优化农田管理措施有效控制流域养分流失.

研究利用保安湖沿岸带与敞水区两种生境中高营养级捕食者(达氏鲌与红鳍原鲌)的碳(δ13C)、氮(δ15N)稳定同位素数据,通过稳定同位素质量平衡混合模型、非度量多维尺度分析(NMDS)等方法,分析了两种生境中鲌类食物来源的差异.结果表明,两种生境中鲌类食物来源基本一致,且食物来源较为广泛,包括沿岸带饵料鱼类、敞水区饵料鱼类、浮游动物和底栖动物等来源.这进一步说明,保安湖高营养级捕食者——达氏鲌与红鳍原鲌在运动与捕食过程中,将来自沿岸带与敞水区两种生境中的营养与能量整合在一起,实现了不同湖泊生境间的耦合,对于维持保安湖生态系统的营养循环、食物网功能的完整性与稳定性发挥了重要作用.