山东省禹城市夏玉米生长期水分利用特征分析

以山东省禹城地区夏玉米农田为例,利用氢氧稳定同位素技术测定2015年夏玉米生长期茎干水、大气降水以及不同深度土壤水的δD和δ18 O组成,利用直接对比法和多元线性混合模型法分析夏玉米对土壤水的利用情况,并分析农田降水—土壤水—作物水之间的转化规律。降水同位素测定结果显示禹城地区大气降水线方程为δD=6.55δ18 O-3.03(R2=0.88),斜率和截距均小于全球大气降水线,表明蒸发是导致同位素富集的主要过程。对夏玉米生长期水分来源特征分析表明,出苗期主要利用表层0—15cm土壤水,贡献率达73.9%;拔节期从土壤不同深处均吸收水分(0—55cm,81.8%),30—55cm处土壤水利用相对较多,也会利用同时期降雨;抽穗期较多利用深层土壤(30—55cm,71%),此时期浅层土壤蒸发强烈,土壤含水量快速减少,植物可利用水分较少。而30—100cm处土壤含水量受温度,土壤蒸发影响较小,为夏玉米生长持续提供稳定水分。灌浆期吸收各层土壤水分的量相近(15—100cm,72%),此时期无降水,温度下降,蒸发减弱,各层土壤含水量较稳定。成熟期主要吸收30—100cm处的土壤水分,贡献率达70%,表明降雨较少时,夏玉米吸收土壤水分依赖于较深层土壤。此外,夏玉米生长期水分来源受土壤体积含水量及土壤蒸发蒸腾的影响较大,同时降雨,大气温度及湿度会影响土壤含水量。通过水量平衡模型计算得出2015年夏玉米在出苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期的农田蒸散量分别为35.62,34.99,32.4,22.31,16.94mm。研究结果对于夏玉米不同生长期节水灌溉具有指导意义。     

土壤水氮迁移转化与作物生长耦合模拟

定量描述农田土壤-作物系统中水氮迁移转化规律,对水氮资源高效利用和水土环境保护具有重要的意义。以土壤水、热和溶质迁移转化动力过程为基础,综合考虑气象因素变化和土壤水氮动态变化及其对作物生长的影响,构建了土壤水、热、氮迁移转化与作物生长耦合模拟模型。并应用该模型对2007－2008年冬小麦生育期内的土壤水分、氮素转化运移以及冬小麦产量、生物量、腾发量（ET）进行模拟,模拟结果与实测数据均吻合良好。可应用该模型模拟不同作物种类、不同灌水施肥条件下土壤水分与氮素动态变化过程和作物生长状况,进而获得农田水肥优化管理模式。     

基于稳定氢氧同位素的胡杨与柽柳幼苗水分来源研究

通过测定不同地下水埋深下胡杨和柽柳的幼苗茎干水和各潜在水源(土壤水、地下水)的δD和δ18 O同位素组成特征,利用IsoSource模型和平均深度模型,研究了胡杨和柽柳的幼苗对各潜在水源的利用比例和根系吸水的平均土壤深度。结果表明,单一种植条件下胡杨和柽柳的幼苗具有相似的水分利用特征,在30,80cm地下水埋深下深层土壤水和地下水是其主要水分来源,利用比例超过80%;在130,180cm地下水埋深下浅层土壤水为其主要水源,直接利用地下水的比例很小;在180cm埋深时胡杨幼苗不能直接利用地下水,对0—80cm土壤水的利用比例高达79.9%,柽柳幼苗利用地下水的比例仅为12.9%,对0—80cm土壤水的利用比例达到62%;混合种植下对水分的竞争作用使柽柳幼苗主要利用深层土壤水和地下水,胡杨幼苗主要利用浅层土壤水;柽柳幼苗利用水分的平均深度显著深于胡杨幼苗,表明柽柳对干旱环境的适应能力优于胡杨。     

毛乌素沙地东南缘人工林樟子松根系吸水来源与影响因素

水资源短缺是我国西北旱区沙漠化防治和植被恢复重建的主要限制因子。揭示典型治沙植物根系吸水来源及其主控因子可为该地区科学治沙和水资源高效利用提供依据。本研究选取毛乌素沙地东南缘圪丑沟小流域樟子松人工林（18 – 20 年）为研究对象,通过定期采集和测定植物木质部水及其各种潜在水源（降水、土壤水和地下水）的氢氧同位素组成（δ2H和δ18O）,结合多元线性混合模型研究樟子松根系吸水来源、动态变化特征及其影响因素。结果表明：监测期间（6—11月）樟子松木质部水、降水、土壤水和地下水的δ2H值变化范围分别为?69.95‰~ ?49.25‰、?144.81‰ ~ ?6.60‰、?83.62‰ ~ ?48.57‰和?65.63‰ ~ ?53.65‰,δ18O值变化范围分别为?8.77‰ ~ ?8.21‰、?18.86‰~ ?2.07‰、?9.45‰ ~ ?6.54‰和?9.97‰ ~ ?8.26‰。雨季（7—9月）降雨量、土壤含水量和地下水位分别高于旱季（6月,10月和11月）24.8 ~ 90.10 mm,3.36 ~ 8.40%和5 ~ 15 cm。樟子松根系在6月主要利用深层土壤水（> 90 cm）（15.40%）和地下水（70.10%）,7—9月逐渐转变为以吸收浅层土壤水（< 80 cm）为主（61.03%）,10—11月随着降雨量减少,深层土壤水（> 70 cm）和地下水对樟子松根系吸水的贡献比雨季（7—9月）分别增加5.82% ~ 28.00%和20.64% ~ 23.30%。毛乌素沙地樟子松人工林根系吸水来源受土壤水分供耗和地下水位季节波动的共同影响。     

荒漠-绿洲过渡带多枝柽柳和白梭梭水分溯源研究

以古尔班通古特沙漠西南缘荒漠—绿洲过渡带的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)和白梭梭(Haloxylon persicum)为研究对象,通过分析植物木质部水与各潜在水源的δ¹⁸O值,结合MixSIAR模型,解析不同群落中多枝柽柳和白梭梭的水分来源及对各水源的利用比例。结果表明:(1)多枝柽柳和白梭梭灌丛下0—60 cm土层土壤δ¹⁸O值变化幅度较大,随土层深度的增加δ¹⁸O值趋于稳定,说明表层土壤受外界环境影响较大。(2)在多枝柽柳和白梭梭共生群落中,多枝柽柳在整个生长季主要利用300—500 cm土层土壤水,而白梭梭在春、秋季主要利用60 cm土层以下土壤水,且对各层土壤水的利用较为均匀,夏季主要获取0—60 cm土层土壤水,且利用比例高达88.0%。表明多枝柽柳和白梭梭水分利用策略存在水文生态位的分离,有利于其在水分亏缺的条件下合理利用有限的水资源;多枝柽柳在单一群落和共生群落中具有相似的水分利用来源,主要获取稳定的深层土壤水,反映出多枝柽柳根系吸水对外界环境的波动不敏感,无明显的季节性耗水变化。(3)单一白梭梭群落在春季对各层土壤水的利用较为均匀,夏季主要吸收300—500 cm土层土壤水,利用比例高达76.4%,而秋季主要利用60—300 cm土层土壤水。人工白梭梭群落在春、夏季主要利用0—60 cm土层土壤水,贡献率分别为64.2%,80.6%;而秋季主要吸收120—300 cm土层土壤水,利用比例高达93.9%。表明自然生长的白梭梭具有相对较宽的水源范围,反映出其对干旱环境较强的适应能力;而人工种植的白梭梭则对降水敏感,在水分利用方面表现出机会主义特性。     

古尔班通古特沙漠南缘地下水深埋区幼龄梭梭春夏季土壤水分利用动态

梭梭是古尔班通古特沙漠的建群种,为研究梭梭水分利用特征及季节变化,于2014年5月和7月利用稳定性同位素技术测量幼龄梭梭小枝木质部水、冠下0—400cm不同土层土壤水δ18 O值,采用直接对比法、平均深度模型以及Iso-Source模型对幼龄梭梭春夏季的水分来源进行分析。结果表明:幼龄梭梭冠下0—70cm土壤含水量5月显著高于7月,70cm及以下土层土壤含水量5月、7月相差不大;表层土壤水δ18 O值变化较大,5月表层土壤水δ18 O值与7月相比显著偏小;5月各土层土壤水δ18 O值变化复杂,7月各土层土壤水δ18 O值变化单一,随深度增加逐渐减小;幼龄梭梭5月主要利用0—50cm土层的土壤水,利用比例达67.5%,7月主要利用250—400cm土层的土壤水,利用比例达94.2%。     

青藏高原东缘某隧道建设区典型植物水分利用策略

[目的] 揭示青藏高原东缘隧道建设区植物的水分利用特征及其对环境变化的响应,为自然和人为影响下的生态脆弱区水土保持工作提供科学参考。[方法] 通过测定海拔3 230 m的某隧道建设区2020—2021年不同月份典型植物木质部水和各潜在水源的δ²H和δ¹⁸O值,利用MixSIAR模型计算植物吸收各潜在水源的比例,并计算每两种植物间的相似性比例指数(PS指数)以比较不同物种的水分竞争关系。[结果] 紫羊茅(Festuca rubra)、川西云杉(Picea likiangensis var. balfouriana)和刺叶高山栎(Quercus spinosa)以浅层土壤水(0—40 cm)作为主要水源;川杨(Populus szechuanica)主要吸收中深层(40—200 cm)土壤水;2021年8月和10月植物对浅层土壤水的利用比例较2020年同时期明显降低;川西云杉对0—40 cm和40—80 cm层土壤水的利用比例与相应层土壤含水量分别存在显著正相关和显著负相关关系(p＜0.05);在时间尺度上,川杨在2020年10月与其他3种植物的水分竞争关系较弱,PS指数范围为0.19～0.54。[结论] 土壤含水量及外界温度的改变是青藏高原东缘植被水分利用策略变化的主要因素,且这两个因子的重要性因物种而异;隧道建设会引起土壤和土壤水的流失,从而导致隧道建设后土壤含水量的降低;隧道建设后植物对浅层土壤水的依赖比隧道建设前低,因此需关注生态脆弱区隧道建设对土壤水分及植被适应机制的影响。     

不同覆膜种植对土壤水热和冬小麦产量的影响

为探索不同地膜颜色和种植方式对土壤水热及冬小麦产量的影响,设置黑、白两种地膜颜色及平作和垄作两种种植方式。通过使用TRIME-TDR及地温计对不同覆膜处理整个生育期内土壤水分和温度的监测,探究不同覆膜种植对农田土壤水热动态变化和冬小麦产量的影响。结果表明:（1）在作物越冬期—返青期,覆膜处理增温效果最为显著,较对照该时期增加了1.3℃,在作物拔节期—灌浆期,覆膜受植株茂密遮阳影响,增温效果不显著;无论是平作还是垄作,黑膜处理其表层5 cm土壤温度均高于白色覆膜和对照不覆膜处理;一天内,黑、白覆膜处理表层5 cm土壤温度最高值较对照分别增加4.9℃和5.7℃。（2）整个生育期,0—20 cm耕层内土壤含水率变化波动最显著,起垄覆膜处理耕层土壤含水率平均较平作覆膜处理和对照处理分别提高5.04%和14.82%。在起垄覆黑膜处理作物生育期内,抽穗期0—100 cm土层蓄水量处理提高最为显著,较对照增加45.2 mm。（3）起垄覆黑膜增产节水效果最显著,产量较对照处理增加658.7 kg/hm²;水分利用效率较对照提高16.3%。在丰水型年,由于降水充沛,不同种植方式间土壤水分利用效率差异不显著。该结果对于覆膜种植技术的改进有一定的指导意义。     

太行山山前平原土壤有效水动态分析

利用栾城试验站1998—2002年的降水和土壤水观测资料,探讨太行山山前平原的土壤有效水量和土壤水有效性的时间变化特征。结果表明,①土壤有效水量年内变化明显,受降水影响显著;年际变化呈减少趋势,秋季变化幅度最大;作物的主要供水层下移。②作物根系层土壤水的总体有效性在全年基本为“中效”;在冬小麦生育期,深层的土壤水逐渐转为“难效”,经过雨季能基本得到缓解;自1998年至2001年土壤水分有效性等级由浅层至深层依次降低。     

基于稳定同位素的土壤水分运动特征

土壤水分受降雨和地下水的共同补给作用,是陆地水循环的重要环节。通过模拟试验,结合土壤水同位素特征,以黄土高原黄绵土为研究对象,研究降雨入渗和地下水补给方式下土壤水分的运移变化特点。结果表明:土壤体积含水量随时间的延长而增大,最终趋于稳定,土壤水分的运移有明显滞后效应;土壤水氢同位素受补给水源、交换混合以及蒸发的影响,随时间的延长,补给水源的影响逐渐减弱,水分的交换混合和蒸发作用逐渐显现,土壤水最终达到动态平衡状态;两种补给条件下,土壤水运移方式均为活塞式推进,降雨入渗方式土壤水δD随土层深度的增加先减小后增大最终趋于稳定,表层0~5cm土壤水由于蒸发富集重同位素,5~20cm土壤水滞留时间最长,保水能力最强,地下水补给方式下土壤水δD随土层深度的增加而减小,上层土壤水δD由于蒸发富集重同位素,下层受地下水补给影响贫化;两种补给方式下土壤水δD与δ18O有良好线性关系,降雨入渗方式土壤水蒸发分馏作用大于地下水补给方式,地下水补给具有较好的保水效果。     

易利用态有机物质对水稻土甲烷排放的激发作用

为探讨外源有机物质对淹水稻田土壤CH4排放的激发作用,对比不同外源有机物质对土壤CH4排放的贡献差别,本研究选取3种标记的易利用态有机物(葡萄糖、乙酸和草酸)分别加入水稻土,进行了为期1个月的培养。结果表明:培养30 d后不同处理CH4的累计排放量差异显著(P0.05),其中,乙酸葡萄糖草酸对照;双因素方差分析结果显示,外源有机物质的添加加速了土壤易利用态有机质的矿化(即产生正激发效应);不同处理条件下激发作用产生的CH4分别占各处理CH4总累计排放量的73.3%(葡萄糖处理)、71.5%(乙酸处理)和40.9%(草酸处理),且CH4排放量与CH4激发效应之间极显著正相关关系说明土壤CH4排放主要要来自于土壤原有机质的分解,外源有机物质可能主要对土壤微生物活性及代谢途径有影响。     

Impacts of anthropogenic N additions on nitrogen mineralization from plant litter in exotic annual grasslands

Urban regions of southern California receive up to 45 kg N ha^-1 y^-1 from nitrogen (N) deposition. A field decomposition study was done using ¹⁵N-labelled litter of the widespread exotic annual grass Bromus diandrus to determine whether elevated soil N is strictly from N deposition or whether N mineralization rates from litter are also increased under N deposition. Tissue N and lignin concentrations, which are inversely related in field sites with high and low N deposition, determine the rate at which N moves from plant litter to soil and becomes available to plants. The effect of soil N on N movement from litter to soil was tested by placing litter on high and low N soil in a factorial experiment with two levels of litter N and two levels of soil N. The litter quality changes associated with N deposition resulted in faster rates of N cycling from litter to soil. Concentrations of litter-derived N in total N, NH₄⁺, NO₃⁻, microbial N and organic N were all higher from high N/low lignin litter than from low N/high lignin litter. Litter contributed more N to soil NH₄⁺ and microbial N in high N than low N soil. At the end of the study, N mineralized from high N litter on high N soil accounted for 46% of soil NH₄⁺ and 11% of soil NO₃⁻, compared to 35% of soil NH₄⁺ and 6% of soil NO₃⁻ from low N litter on low N soil. The study showed that in high N deposition areas, elevated inorganic soil N concentrations at the end of the summer N deposition season are a result of N mineralized from plant litter as well as from N deposition.     

碳氮稳定同位素检测能力的验证——2013年实验室间比对分析结果的汇总

稳定性同位素示踪技术,特别是碳、氮稳定性同位素已广泛地应用于农业化学、地球化学和环境化学。碳、氮同位素比值的质谱检测结果直接关系到示踪试验的可靠性。在目前缺乏富集碳、氮同位素的标准物质的条件下,通过实验室间的比对可以验证各实验室对碳、氮同位素比值检测能力、检测结果的准确性和可比性。我所在2013年组织和实施了一次由全国14个单位的检测实验室共17台仪器参加的农业、生态和环境样品中碳氮百分含量及其稳定性同位素比值的实验室间比对。我所制备了多种被检测的样品,有含碳氮的化学肥料、土壤和植物样品;在稳定性同位素富集度上,有自然丰度的和不同富集程度的同位素样品。除固体样品外,还有3种不同丰度的N2O和CO2气体样品。在进行检测结果的统计和评价时,采用Z比分衡量各实验室检测结果的可信度。本文汇总了2013年实验室间比对的结果。     

长沙地区樟树林土壤水稳定同位素的变化及影响因素

为揭示季风区土壤水稳定同位素的变化规律，基于长沙地区樟树林0~130 cm土壤水、降水和地下水稳定同位素以及环境因子连续2年的监测数据，分析了土壤水稳定同位素的变化特征。结果表明：0~60 cm土壤水稳定同位素的季节变化明显，与降水稳定同位素存在不同程度的时滞，60 cm以下土壤水和地下水稳定同位素的季节变化均不明显。不同深度土壤水中氢稳定同位素比率（δ²H）与区域大气水线（Local meteoric water line, LMWL）的差值（Line-conditioned excess, lc）均与δ²H呈显著正相关，即土壤水中δ²H越大时，δ²H偏离 LMWL的程度越小，土壤水经历的蒸发作用越弱；土壤水中δ²H越小时，δ²H偏离LMWL的程度越大，土壤水经历的蒸发作用越强。相关分析表明，前期大气的累积蒸发（∑E）和累积温度（∑TA）对0~60 cm土壤水中 lc的影响显著。研究显示，各土壤层中相对较低的水稳定同位素比率多散布于∑E和∑TA较大的暖季，由于期间经历的蒸发富集作用更强，土壤水中lc更小，土壤水稳定同位素散点更偏离LMWL；反之亦然，从而表现出不同深度土壤水线（Soil water line, SWL）的斜率较LMWL的斜率明显偏高。综上，大气降水稳定同位素是影响土壤水稳定同位素变化的直接因素；土壤水中稳定同位素的丰度与前期大气的湿热程度有关；SWL斜率较LMWL斜率偏高的原因与降水稳定同位素及土壤水稳定同位素蒸发富集作用强度的反向季节性变化有关。     

稻田甲烷产生途径研究进展

H2/CO2还原和乙酸(CH3COOH)发酵是稻田CH4产生的主要途径。C同位素示踪技术、添加CH4产生途径抑制剂和稳定性C同位素方法是稻田CH4产生途径的主要研究方法。本文综述了这3种研究方法及研究结果,并指出了今后的研究重点:加强我国有关稻田CH4产生途径的研究;对比分析3种研究方法,查明研究结果存在差异的原因;加强同位素分馏系数α(CO2/CH4)和ε(ac/CH4)以及C同位素组成δ13CH4和δ13CH4(CO2/H2)的研究。     

稻田CH4产生途径研究进展

H2/CO2还原和乙酸（CH3COOH）发酵是稻田CH4产生的主要途径。碳同位素示踪技术、添加甲烷产生途径抑制剂和稳定性碳同位素方法是稻田CH4产生途径的主要研究方法。本文综述了这三种研究方法及研究结果,并指出了今后的研究重点：加强我国有关稻田CH4产生途径的研究;对比分析三种研究方法,查明研究结果存在差异的原因;加强同位素分馏系数a(CO2/CH4)和e(ac/CH4)以及碳同位素组成δ13CH4和δ13CH4(CO2/H2)的研究     

大气浓度下N2O、CH4和CO2中氮、碳和氧稳定同位素比值的质谱测定

利用一种带全自动预GC浓缩接口(PreCon)的同位素质谱计,可以高精度地测定大气浓度下N2O、CH4或CO2中的碳、氮、氧稳定性同位素比值。本文就采样、浓缩和质谱测定技术进行了一系列方法试验,测得的结果准确可靠,证实方法是可行的。其可应用于空气质量监测、以及大气化学、植物的呼吸作用和土壤气体发生的研究。     

Methane turnover and temperature response of methane-oxidizing bacteria in permafrost-affected soils of northeast Siberia

The abundance, activity, and temperature response of aerobic methane-oxidizing bacteria were studied in permafrost-affected tundra soils of northeast Siberia. The soils were characterized by both a high accumulation of organic matter at the surface and high methane concentrations in the water-saturated soils. The methane oxidation rates of up to 835 nmol CH₄ h⁻¹ g⁻¹ in the surface soils were similar to the highest values reported so far for natural wetland soils worldwide. The temperature response of methane oxidation was measured during short incubations and revealed maximum rates between 22 °C and 28 °C. The active methanotrophic community was characterized by its phospholipid fatty acid (PLFA) concentrations and with stable isotope probing (SIP). Concentrations of 16:1ω8 and 18:1ω8 PLFAs, specific to methanotrophic bacteria, correlated significantly with the potential methane oxidation rates. In all soils, distinct 16:1 PLFAs were dominant, indicating a predominance of type I methanotrophs. However, long-term incubation of soil samples at 0 °C and 22 °C demonstrated a shift in the composition of the active community with rising temperatures. At 0 °C, only the concentrations of 16:1 PLFAs increased and those of 18:1 PLFAs decreased, whereas the opposite was true at 22 °C. Similarly, SIP with ¹³CH₄ showed a temperature-dependent pattern. When the soils were incubated at 0 °C, most of the incorporated label (83%) was found in 16:1 PLFAs and only 2% in 18:1 PLFAs. In soils incubated at 22 °C, almost equal amounts of ¹³C label were incorporated into 16:1 PLFAs and 18:1 PLFAs (33% and 36%, respectively). We concluded that the highly active methane-oxidizing community in cold permafrost-affected soils was dominated by type I methanotrophs under in situ conditions. However, rising temperatures, as predicted for the future, seem to increase the importance of type II methanotrophs, which may affect methane cycling in northern wetlands.     

Identification of in situ 2,4-dichlorophenoxyacetic acid-degrading soil microorganisms using DNA-stable isotope probing

Stable isotope probing (SIP) was used to investigate the microorganisms responsible for degradation of the herbicide, 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) in soil samples. Soils were unamended or amended with either unlabeled 2,4-D or UL(ring) ¹³C-2,4-D. Degradation of 2,4-D was complete after 17 days, whereas little removal (11±3%) was observed in the sterile controls. Terminal restriction fragment length polymorphism (TRFLP) on soil DNA after 17 days indicated a consistent increase in the relative abundance of one fragment (217 bp in Hae III digests) in soils spiked with 2,4-D (both unlabeled and labeled samples) compared to the unamended soils. DNA extracts from labeled and unlabeled 2,4-D amended soils were subject to ultracentrifugation, fractionation of centrifuged samples, followed by TRFLP on each fraction. TRFLP profiles from ultracentrifugation fractions illustrated that the same fragment experienced an increase in buoyant density (BD) in samples spiked with ¹³C-labeled 2,4-D. This increase in DNA BD indicates the organisms represented by this fragment were responsible for uptake and degradation of the herbicide. 16S rRNA sequencing of the heavy, ¹³C-enriched fraction suggests the organisms belong to the β subdivision of Proteobacteria. Herein, SIP facilitated the identification of unique organisms degrading 2,4-D in soil without the need for isolation and provided more direct evidence for a functional role of these organisms than would have been possible with the molecular-based methods alone.     

土壤有机碳稳定同位素的古环境指示意义及影响因素

土壤有机C稳定同位素受控于生长其上的植物类型及其生物量,而后者又取决于环境条件。因此利用土壤有机质δ13C值可以反映地质历史时期C3、C4植被变化,从而进一步揭示环境变化进程。目前,土壤有机C稳定同位素特征分析已成为古生态与古环境恢复、古气候重建、全球变化研究的重要内容。由于大气湿度、CO2分压、温度和微生物分解等众多因素的影响,土壤有机质δ13C特征、C3与C4植物组成比例、区域环境(主要是气候)三者间并不完全呈现一一对应关系,因此,其应用机理和影响因素尚需要进一步探讨。今后应着重加强现代地表植被特征与土壤有机质δ13C关系、人类活动方式对土壤有机C稳定同位素特征的影响、土壤-植物-大气系统C循环过程等方面研究,才能使土壤有机C稳定同位素特征研究获得更为广泛的应用。