识别和量化海湾水体硝态氮污染,对管理海湾水体环境至关重要.东山湾是福建省东南沿海重要的半封闭海湾,湾头漳江河口和湾口分别存在红树林和珊瑚礁生态系统,同时也伴随着海水养殖等人类活动影响.本研究通过测定海湾表层水体理化参数、稳定同位素(δ15N-NO3-、δ18O-NO3-和δ15N-NH4+),结合Mix-SIAR同位素混合模型等统计方法,定量化分析漳州东山湾表层水体硝态氮污染.结果表明:东山湾表层水体叶绿素a和溶解无机氮浓度呈现较为明显的梯度变化,表现为由漳江河口向东山湾湾口方向逐渐下降,叶绿素 a、NH4+、NO3-和 NO2-浓度的最大值分别为 45.2 μg·L-1、52.67 μmol·L-1、379.2 μmol·L-1 和 3.93μmol·L-1;表层水体NH4+和NO3-的氮、氧同位素值则表现为明显的空间异质性.MixSIAR模型结果显示,东山湾表层水体潜在氮源主要来源于漳江河口的淡水输入、养殖废水以及地下水等,其中漳江河口淡水输入的贡献最大,占25.2％,养殖废水、地下水以及城市污水分别占24.6％、19.0％和15.1％.可见,漳江河口淡水输入是东山湾表层水体硝酸盐最主要的来源.

为了解植物群落水分利用过程对生境异质性的适应,2021年4-9月测定乌兰布和沙漠沙丘和戈壁沙冬青群落不同灌木的木质部水和潜在水源(各层土壤水或地下水)的δD和δ18O值,通过MixSIAR模型量化不同潜在水源的贡献比例,明确各水分来源的季节动态.结果表明:早春大雨后4月和5月沙丘的沙冬青和旱蒿对10～25 cm 土壤水利用较多,黑沙蒿主要利用10～200 cm 土壤水;6-8月干旱时,沙冬青对100～200 cm 土壤水和地下水的利用增加,旱蒿和黑沙蒿对50～200 cm 土壤水的利用增加;9月中雨后沙冬青对各层土壤水和地下水的利用比例类似,旱蒿和黑沙蒿对10～50 cm 土壤水的利用增加.戈壁的沙冬青和泡泡刺4月和5月对各层土壤水的利用比例类似,6-8月和9月它们分别主要利用50～150 cm和10～50 cm土壤水;刺旋花则分别主要利用10～50 cm(4-5月)、25～150 cm(6-8月)和10～25 cm 土壤水(9月).两个沙冬青群落不同灌木的水分利用过程存在季节差异.干旱时,沙丘的沙冬青能够利用深层土壤水和部分地下水,而戈壁的沙冬青仅依赖深层土壤水,对降雨更加敏感.

掌握植物的水分利用特征及植物间的水源关系对实现荒漠草原地区可持续的植被恢复至关重要.本研究以荒漠草原灰钙土生境(胡杨、中间锦鸡儿和短花针茅)和风沙土生境(胡杨、北沙柳和赖草)中的5种优势植物为对象,测定植物木质部水、土壤水、地下水和降雨中稳定同位素(δ2H和δ18O),并结合不同深度的土壤含水量和根系数据,使用MixSIAR模型对植物的水分利用特征进行定量分析.结果表明:生长季内5种植物主要利用土壤水,且在不同生长阶段会利用不同层次的土壤水.灰钙土生境中,胡杨的水源在整个生长季变化最大,生长季初期(5-6月)主要利用60～100 cm 土壤水,生长旺盛期(7-8月)水源下移至100～200 cm 土壤水,而在生长季末期(9月)水源又上移至0～20 cm 土壤水;中间锦鸡儿在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;短花针茅在生长季初期和末期主要利用20～60 cm 土壤水,而在生长旺盛期上移至0～20cm 土壤水.在风沙土生境中,胡杨在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;北沙柳在生长季初期和生长旺盛期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长季末期下移至100～200 cm 土壤水;赖草整个生长季都主要利用20～60 cm 土壤水.土壤含水量、降雨的季节变化及植物的根系分布都会影响植物的水分利用特征.在整个生长季中,灰钙土生境中的乔木、灌木和草本3种优势植物间存在水文生态位分离,促进了其对水分的分配和利用;风沙土生境中对应的3种优势植物间存在水文生态位重叠,导致其对水分的激烈竞争(特别是乔木和灌木间).因此,在进行植被恢复时必须同时考虑物种特征和土壤特性,引入具有互补性水分利用特征的物种组合,才能实现荒漠草原地区的物种多样性和植被恢复的可持续性.

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.

为探究辽宁省浑太河流域水生生物营养结构特征及其变化,分别于2020年秋季(10月)和2021年春季(5月)对该流域开展渔业资源调查,依据主要消费者及饵料生物样品的碳、氮稳定同位素值(δ13C和δ15N),利用SIBER和MixSIAR模型分析渔获物群落营养结构的时空差异,并初步构建该流域的食物网.结果表明,主要渔获物的δ13C和δ15N值分别为-37.18‰——19.28‰和7.98‰-16.51‰,且季节性差异不显著(P＞0.05),但δ13C值空间差异极显著(P＜0.01).浑太河流域渔获物的营养级为1.71-4.39,同种鱼类营养级具有极显著的时空差异(P＜0.01).与春季相比,鱼类在秋季摄食的食物资源更丰富、所占的生态位更宽,同时太子河的各项群落营养结构指标均优于浑河.基础食源分析结果表明水生植物与陆生植物分别为浑太河两个季度的主要碳源,陆生植物和POM分别为浑河和太子河中鱼类的主要碳源.研究填补了对浑太河流域水生生物食物网及群落营养结构研究的空缺,为该流域后续的保护、修复及进一步开发提供参考依据.

水分是干旱半干旱地区植被生长的主要限制因子,水分利用是反映植被对环境变化响应的关键生态水文过程.目前缺少对干旱半干旱区草原不同科、属植物水分利用特征差异的系统分析,且植物水分利用特征与环境因子的定量关系需要进一步研究.在内蒙古荒漠草原进行样带调查,采集 7 个样地 0-100 cm深度土壤样品和 15 种植物根茎结合部(茎秆)、叶片样品,测定土壤水、植物水中δ2H和δ18O和植物叶片δ13C的同位素,利用MixSIAR模型确定不同科、属植物水分来源比例,分析不同科、属植物水分利用来源和水分利用效率的差异,并建立植物水分来源比例及水分利用效率与各环境因子的定量关系.结果表明:(1)禾本科和菊科植物主要利用 0-30 cm深度土壤水(55.63%和 51.84%),其叶片δ13 C(-26.61‰和-27.91‰)均低于其他科(包括柽柳科、藜科和蔷薇科)(-26.36‰),且其他科主要利用 60-100 cm深度土壤水(36.83%),水分利用策略更有利于在干旱条件下生存.(2)针茅属植物对 0-30 cm深度土壤水的利用(55.28%)和叶片δ13C(-26.38‰)高于蒿属(31%和-28.14‰),较高的水分利用效率使其在干旱环境中具有较强的生态适应性.(3)植物对不同深度土壤水的利用比例和叶片δ13C对不同环境因子的响应有所差异,其中植物水分来源比例主要受年均降雨量、年均温和叶周长影响(P<0.05).本研究揭示荒漠草原植物水分利用特征,有助于理解植物对环境变化的响应策略,同时对该地区生态系统管理提供理论依据.

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.