湘江流域岳麓山周边地区不同水体中氢氧稳定同位素特征及相互关系

不同水体中稳定同位素的差异性组成对认识区域水文过程,如水体的补给机制、不同水体间的相互作用具有重要意义。论文基于2010—2013年湘江流域岳麓山周边地区降水、地表水、浅层土壤水和地下水中δD和δ¹⁸O的逐日数据及相关气象资料,分析了不同水体中稳定同位素的组成,揭示了不同水稳定同位素间的相互作用关系。结果表明：地表水、浅层土壤水和地下水中δD和δ¹⁸O对日降水中δD和δ¹⁸O的响应存在时滞,地表水和浅层土壤水的滞后时间较短,地下水的滞后时间较长;在天气尺度下,降水中δD和δ¹⁸O存在很好的线性关系,二者的相关系数达0.98;地表水、浅层土壤水和地下水中δD和δ¹⁸O的线性相关系数分别为0.95、0.90和0.90,均超过0.001的信度;在δD-δ¹⁸O关系中,地表水水线（SWL）、浅层土壤水水线（SSWL）和地下水水线（GWL）的斜率及截距都小于长沙大气水线（LMWL）,表明降水是区域地表水、浅层土壤水和地下水的主要补给水源,且在补给过程中,存在一定程度的蒸发,同时与其他水体存在混合交换作用;在季节尺度下,同一水体的水线斜率与截距具有正比关系,即斜率越大,截距越大;但LMWL斜率和截距的关系存在季节和年际的差异;对比同一类水线旱雨季的斜率,仅有LMWL的斜率旱季小于雨季,反映出旱季干燥的大气条件下,降落雨滴云下二次蒸发强烈的特点。     

黄土丘陵区枣农复合系统土壤水分利用与竞争

探明黄土丘陵区农林复合系统植物土壤水分利用策略对评价其配置合理性与可持续性具有重要意义。论文以黄土丘陵区枣农（枣树+农作物）复合系统为对象,测定不同生育期植物木质部水和土壤水氧稳定同位素比率（δ¹⁸O）,利用IsoSource模型分析了复合系统中枣树与间作农作物（黄花菜和饲料油菜）土壤水分利用策略,判断两种复合系统作物间是否发生水分竞争。结果表明：枣树各时期对表层（0~20 cm）土壤水利用较少,在旱季主要使用中层（20~60 cm）和深层（60~200 cm）土壤水,雨季有显著降雨后主要利用中层土壤水。黄花菜、饲料油菜在旱季对低雨量有效降雨反应灵敏,但其仍主要利用中层土壤水,雨季显著降雨后两者对表层土壤水利用比例显著增加。总之枣树与黄花菜和饲料油菜土壤水分利用策略存在明显区别,但在较为干旱的5月和7月对中层和深层土壤水存在明显竞争。因此可在枣树株间修建深度为40 cm肥水坑,增加中层和深层土壤含水量,促进枣树根系向下生长,缓解水分竞争对枣树生长和产量造成的不利影响。     

北京西山大气降水中D和18O组成变化及水汽来源

论文利用北京西山鹫峰地区2011年7月—2012年7月观测站点内大气降水δD和δ¹⁸O数据,研究了北京西山山前丘陵区降水稳定同位素的变化特征。结果表明：研究区的大气降雨δD和δ¹⁸O的平均值要低于中国和全球降水同位素的平均值,并与北京地区的降水同位素组成平均值之间显示出较大的差异,且同一个月份内降水的同位素特征也具有较大的变化范围。由于季风气候以及局地水汽循环的共同影响,使得夏季降水中的δD和δ¹⁸O值较小,并且在4—7月随着月降水量的增加和温度的升高,在温度效应和降雨量效应的交互作用中,降雨量效应此时起主导作用,月均δD和δ¹⁸O值呈现减小的趋势,而在7—9月,温度效应呈现出主导作用,δD和 δ¹⁸O值呈现增加的趋势,而冬季来自偏北风的大陆性气团形成的降水δD和δ¹⁸O值较大。同时局地水汽循环过程中降水的二次蒸发,也导致在典型长历时场降水过程中δD和δ¹⁸O值呈现出分段波动式下降的特征。研究区大气降水线方程为 δD = 7.17 δ¹⁸O + 1.46,斜率和截距小于全球和中国大气降水线方程,而与北京地区大气降水线方程的对比发现,斜率差异较小而截距差异明显,说明海洋水汽不是研究区唯一的水汽来源,同时受到大陆性气团以及局地较强的水汽循环和北京地区近年的干旱化过程的影响。而氘盈余的年内变化的无规律则间接反映了研究区水汽来源的复杂性。     

青海湖流域农田生态系统氢氧同位素特征及其水分利用变化研究

水分条件是直接影响农作物产量高低的主要限制因子之一,但对青海湖流域油菜和燕麦植物水分利用方式的认识尚不清楚。论文收集油菜和燕麦整个生育期内降水、植物和土壤水氢氧稳定同位素组成,并通过直接对比法和多源混合模型定量地计算出油菜和燕麦对不同深度土壤水分利用比例。结果表明：降水中同位素组成表征出较大的波动性变化,浅层土壤水同位素组成受蒸发作用影响明显富集于深层土壤水分,且土壤水中同位素在垂直方向上呈浅层土壤水较富集于深层土壤水。油菜在生育期内根系吸水方式在浅层和深层土壤间发生明显的转换,如在蕾薹期、开花期、灌浆期及成熟期主要依赖于0~10 cm（95.1%）、0~10 cm（68%和44.8%）、30~60 cm（69.9%）及0~10 cm（38.8%）的土壤水分。而燕麦根系吸水范围却没有表征出明显的改变,在整个生育期内土壤水分利用深度在0~30 cm间变化。这将为高寒地区耕作方式调整及发展节水高效的现代农业提供理论依据。     

台风“杜鹃”降水δ18O的云雨区效应初探

我国东南地区台风降水显著,但对这种强降水事件中的稳定同位素研究较少,限制了对短时间极端降水稳定同位素变化过程和影响因素的认识。论文根据2015年9月28日至29日第21号台风“杜鹃”两次登陆（台湾宜兰、福建莆田）前后台北、福州两地气象数据和降水稳定同位素数据,分析了此次台风的降水稳定同位素变化特征及影响因素。台风期间,两地降水δ¹⁸O波动范围为-3.4‰~-15.0‰,变化幅度达11.6‰。台风前端和尾端两地降水同位素值相对偏正,平均值为-4‰~-6‰而台风中端两地降水同位素值极其偏负,平均值分别为-12.4‰和 -13.2‰。台风前端与尾端降水同位素值偏正,水汽受蒸发效应影响明显;而台风中端降水δ¹⁸O值极端偏负主要受“云雨区效应”的影响,即云雨区气流急剧上升,水汽在过饱和环境中快速凝结降落,受动力分馏作用小,降水δ¹⁸O极端偏负。结合降水δ¹⁸O变化特征、过量氘及模拟水汽轨迹,得到台风“杜鹃”降水主要的水汽来源为西太平洋海域。     

台风“麦德姆”福州降水δ18O特征及水汽来源分析

大气降水的氢氧同位素不仅在长时间尺度和短时间尺度上对气候环境有一定的响应,而且在极端天气事件中也响应强烈。论文基于2014年7月23—24日10号台风麦德姆登陆前后福州降水的氢氧稳定同位素分析,发现台风麦德姆降水的δ¹⁸O变化范围为-7.2‰~-15.4‰,整个降雨过程分为3个阶段：阶段1（23日3：00至23日12：00）,雨水δ¹⁸O相对偏正（加权平均值为-7.8‰）,降水开始增加,主要受台风外围环流的影响;阶段2（23日12：00至24日8：00）,雨水δ¹⁸O显著偏负（加权平均值为-13.9‰）,采样点降水量达134.8 mm,约占观测时段降水量的78%,降雨量效应明显,主要受台风云雨区影响;阶段3（24日8：00至24日17：00）,雨水δ¹⁸O偏正（加权平均值为-9.2‰）,降水减少,台风远离福州。通过降水δ¹⁸O的阶段性特征以及过量氘,结合水汽输送通量与HYSPLIT-4模拟水汽轨迹分析,确定此次降水的水汽源主要来自西北太平洋水汽通道与孟加拉湾和南海水汽通道。     

青海湖沙柳河流域不同时期地表水与地下水的相互作用

氢氧稳定同位素技术是研究地表水和地下水相互作用的有效手段。依据青海湖沙柳河流域2018年消融期、多雨期和冰冻期所收集的降水、河水和地下水样品中对氢氧同位素组成（δD、δ¹⁸O）的测定结果,识别和量化不同时期高山草原带和高山草甸带地表水和地下水间的补给关系和比例,其目的旨在明确高寒内陆河流域地表水和地下水δD和δ¹⁸O受降水影响的时空差异。结果表明：青海湖沙柳河流域地表水和地下水δD和δ¹⁸O值受降水响应存在时空差异性,δD和δ¹⁸O值在消融期受降水影响最强,冰冻期最弱;在高山草甸带δD和δ¹⁸O值受降水的影响强于高山草原带。消融期的高山草甸带、高山草原带和冰冻期的高山草原带地表水补给地下水的比例分别为80.65%、93.36%和89.44%;多雨期的高山草甸带、高山草原带和冰冻期的高山草甸带地下水补给地表水的比例分别为44.50%、74.85%和88.58%。研究结果可为该流域水资源优化配置和管理提供科学依据。     

庐山地区大气降水中稳定同位素变化特征

氢氧稳定同位素技术被广泛用来研究水循环过程中的水汽来源、水量平衡及不同水体间的补给关系。以2016年4月至2017年4月在庐山地区三个不同研究点（庐山西北面莲花镇,山顶牯岭镇和东南面海会镇）采集的102个次降水样品同位素资料为基础,应用线性回归分析和对比分析等方法,对庐山地区大气降水中氢氧稳定同位素和氘盈余的时空分布特征及大气水汽来源进行了研究。结果发现：庐山地区夏半年降水中的稳定同位素值δ¹⁸O平均值（-6.1‰）小于冬半年（-4.8‰）;氢氧同位素特征和氘盈余呈现明显的季节差异;平均氘盈余值（10.6‰）大于全球大部分地区的评估值（10.0‰）;当地大气降水线（LMWL）δD=7.45δ¹⁸O+8.36与全球大气降水线（GMWL）δD=8δ¹⁸O+10相比,其斜率和截距均偏小。结合HYSPLIT后向轨迹模型分析同位素特征发现,庐山地区大气水汽夏半年主要来源于低纬度南海和印度洋,冬半年来自于干燥的华北和西北内陆;局地水汽影响和地理位置差异导致了降雨同位素特征的空间差异性。本研究可为今后展开庐山地区水循环过程的研究提供科学依据。     

ENSO事件对珠江中下游地区降水氢氧同位素的影响

水汽源区变化与ENSO事件显著影响季风区水循环过程。基于珠江中下游地区4个GNIP站点（中国香港、广州、桂林、柳州）的降水同位素及OLR（向外长波辐射）数据,研究了ENSO背景下δ¹⁸O的时空分布特征及ENSO事件对降水中氢氧同位素特征的影响机制。结果表明：ENSO事件是影响稳定同位素年际差异的主要因素,通过影响雨季降水的年内分配而实现;正常年大气降水线方程的斜率与截距均大于厄尔尼诺年而小于拉尼娜年;拉尼娜年加强 δ¹⁸O的反温度效应,厄尔尼诺年减弱反温度效应;厄尔尼诺与拉尼娜年热带辐合带的变化规律呈现出相反的趋势,其OLR场的变化与研究区稳定同位素特征有着较强的对应关系;ENSO事件年不同的水汽源区相对湿度特征是造成d值年际差异的主要因素。     

海州露天煤矿复垦排土场不同土地利用土壤优先流特征研究

复垦排土场土壤的大孔隙、管状通道和植物根系是形成优先流的主要原因。论文采用野外染色示踪试验和室内理化分析等研究方法,系统研究不同土地利用方式土壤优先流的形态特征与变化规律,揭示排土场复垦植被恢复过程中优先流的形成机理及影响因素。结果表明：1）排土场各样地土壤优先流多发生在0~40 cm土层,占整个0~60 cm土壤层的93%以上;不同样地土壤优先流特征存在差异,0~5 cm土层染色面积比依次为榆树林地（90.37%）>刺槐林地（79.84%）>混交林地（65.37%）>农地（44.36%）>灌木林地（41.54%）>荒草地（38.38%）,均表现为乔木林地大于灌木林地和草地;2）各样地0~60 cm土层染色面积比大小依次为刺槐林地（26.48%）>榆树林地（20.12%）>混交林地（17.32%）>农地（15.06%）>灌木林地（13.97%）>荒草地（10.07%）,染色面积比与土层深度之间具有较好的线性关系;3）选取土壤因子、水分因子、植物因子3大类环境因子与染色面积比进行Spearman相关分析,其染色面积比与砾石含量、大孔隙平均半径、饱和导水率、根重密度和<1 mm根长密度呈极显著正相关（P<0.01）,与容重和含水率呈极显著负相关（P<0.01）,与1~2 mm和2~5 mm根长密度呈显著性正相关（P<0.05）。研究结果为认识排土场优先流的形成机制、完善优先流研究体系以及排土场植被恢复与重建提供科学依据。     

河西走廊绿洲玉米农田生态系统呼吸特征及温度响应

准确评估农田生态系统碳排放对评价陆地生态系统碳平衡具有重要意义。研究利用中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站玉米农田生态系统涡度相关和微气象监测数据,分析了2009年生态呼吸速率（RE）和呼吸敏感性指数（Q₁₀）的季节变化规律,探讨了环境因子对RE的影响,比较了不同模型估算生态系统碳排放量的差异。结果表明,河西走廊荒漠绿洲玉米农田生态系统夜间平均呼吸速率表现为单峰型的季节动态,平均最大呼吸速率12.54 μmol CO₂·m^-2·s^-1;空气温度（T_a）比土壤温度（T_s）更明显地影响着玉米农田生态系统呼吸,且影响过程表现出明显的季节差异;基于Q₁₀模型拟合的4—10月各月的参考呼吸速率RE₁₀和敏感性指数Q₁₀也表现出单峰型的季节变化模式,最大值先后出现在6月和8月,其值分别为2.68 μmol CO₂·m^-2·s^-1和2.62。Logistic模型能较好地反映RE与T_a的关系,可以解释半小时呼吸速率55.9%的变异,但在高温情况下的预测值偏低;Q₁₀、Quadratic、Lloyd & Taylor和Logistic模型模拟的玉米农田生态系统呼吸速率的平均日变化和季节动态差异明显,估算的河西走廊荒漠绿洲玉米农田生态系统年呼吸碳排放量介于1 122~1 252 g C·m^-2·a^-1。     

中国西北旱区农业水土资源利用情景潜力研究

西北旱区水土资源供需矛盾突出,同时作为该区农业生产的瓶颈因素,决定该区经济社会生态可持续发展,因此有必要开展西北旱区农业水土资源相结合的空间情景潜力研究。论文采用水土资源匹配指数计算分析了西北旱区现状年（2010年）农业水土资源的匹配状况,采用农业水土资源利用潜力估算方法计算了西北旱区2020、2030年RCP 8.5和RCP 4.5两种情景下的农业水土资源利用潜力,实现了西北旱区农业水土资源利用潜力的可视化表达。结果表明：2020和2030年RCP 8.5和RCP 4.5排放情景下,相对于2010年,西北旱区各省2020和2030年的总农业水资源量和种植面积均减小。西北旱区6省份2020和2030年两种情景下整体综合效益和整体潜力值均为正,表明各省种植结构整体得到了优化。2020年RCP 8.5和RCP 4.5情景下,西北旱区农业水土资源利用潜力分布范围分别在-0.10×10⁴~0.83×10⁴元/hm²之间和 -1.20×10⁴~0.97×10⁴元/hm²之间;2030年RCP 8.5和RCP 4.5情景下,农业水土资源利用潜力分布范围分别在-0.39×10⁴~2.17×10⁴元/hm²之间和-0.36×10⁴~1.66×10⁴元/hm²之间。