氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用

综述了氢氧碳稳定同位素的概念、示踪原理及其应用于定量确定植物水分来源、水分利用格局和水分利用效率等方面研究进展。同时展望了全球气候变化条件下, 氢氧碳多种稳定同位素联合示踪先进技术在定量研究植物水分利用策略以及植被对全球气候变化的响应机制研究中的应用前景。     

稳定同位素技术在植物水分研究中的应用

五十年代,地球化学家在研究与生命有关的稳定同位素时发现,生物体中稳定同位素──特别是碳、氢、氧稳定同位素的含量与其自身特点、生存的环境条件密切相关,这就为生态系统中生物地球化学循环的研究奠定了基础,同时也为研究植物的生理生化活动、代谢机理以及环境因子对植物的影响提供了新的武器,在一定程度上满足了植物水分研究对新技术的需要。     

稳定性碳同位素对植物水分利用效率的指示作用

碳同位素技术已在地质学、生态学和植物学等领域得到广泛应用。文章概述了稳定碳同位素的基本理论,从不同植物类型、空间尺度和抗旱节水植物材料选育等方面对稳定碳同位素对植物水分利用效率的指示作用进行了简要总结,对碳同位素技术进行评价,并就未来发展方向进行展望。碳同位素分辨率与植物水分利用效率高度相关,因而利用碳同位素分辨率来衡量植物水分利用效率必将有广阔的应用前景。     

稳定同位素技术在森林生态系统碳水循环中的应用

碳水循环是森林生态系统养分循环的重要组成部分,稳定同位素技术因其准确、安全、灵敏等特点被广泛应用于生态、环境、林业等众多研究领域,已逐步成为了解森林生态系统养分循环的强有力工具.近年来,稳定同位素技术在构建森林生态系统碳水耦合模型、计算水分利用效率、量化植被蒸腾和土壤蒸发对森林蒸散量的贡献等方面研究较多.通过论述森林生...     

稳定性碳同位素对植物水分利用效率的指示作用

碳同位素技术已在地质学、生态学和植物学等领域得到广泛应用。本文概述了稳定碳同位素的基本理论,从不同植物类型、空间尺度和抗旱节水植物材料选育等方面对稳定碳同位素对植物水分利用效率的指示作用进行了简要总结,对碳同位素技术进行评价,并就未来发展方向进行展望。碳同位素分辨率与植物水分利用效率高度相关因而利用碳同位素分辨率来衡量植物水分利用效率必将有广阔的应用前景。     

杨树稳定碳同位素分辨率与水分利用效率和生长的关系

测定7个1.5年生杨树无性系的功能叶、当年生枝和树干的Δ¹³C,并转换成WUE,同时用气体交换法测定这些无性系的瞬时WUE。结果表明:杨树叶、枝、干的Δ¹³C依次显著降低,对应的不同时间尺度的WUE则依次显著增大;用气体交换法和叶Δ¹³C评价7个参试无性系的结果基本一致,用当年生枝Δ¹³C与用树干Δ¹³C的评价结果基本一致,但用气体交换法、叶Δ¹³C的评价结果与用枝Δ¹³C、干Δ¹³C的评价结果差异很大;枝Δ¹³C和干Δ¹³C与树高、胸径间有显著正线性相关,而叶Δ¹³C与生长的相关性不明显。枝、干Δ¹³C不仅可作为评价不同杨树无性系整株水平长期水分利用效率的良好指标,而且还有可能被用于预测和评价良好水分条件下杨树的生长潜力。     

碳氢氧稳定同位素在草地生态系统水循环研究中的应用

碳氢氧稳定同位素是存在于天然水体和植物组织中的良好的示踪剂,具有较高的灵敏度与准确性,可系统和定量地阐明草地生态系统水循环过程及各水体的转化关系、植物水分利用策略以及植被对全球变化的响应机制等。本文概述了稳定同位素的基本概念和原理,总结和分析了草地生态系统水循环的研究方法和现状,重点探讨和综述了氢氧稳定同位素技术在草地生态系统水循环过程（包括大气降水、地表水、土壤水、地下水、植物水、蒸发水等）以及碳稳定同位素技术在植物水分利用效率中应用的国内外研究进展,分析了其存在的问题,展望了这一领域未来的研究方向和应用前景,为我国草地资源保护、合理利用及退化草地生态系统恢复等提供理论依据。     

植物水分利用效率的研究进展

阐述了水分利用效率概念和测定方法的发展、水分利用效率的时间和空间变化规律、不同生活型植物的水分利用效率与水分利用效率的外在和内在影响因子、水分利用效率的遗传背景分析、水分利用效率和抗旱性关系及提高水分利用效率的措施,最后分析了今后水分利用效率的研究趋势。     

碳稳定同位素技术在林木遗传改良中的应用

在植物水分利用特征研究领域,以δ^13C值和△值为分析指标的稳定同位素技术以其快速、简便的特点已逐渐被人们所接受。测定林木的δ^13C值来鉴定林木水分利用效率应用于遗传育种和节水生理方面的研究是目前的一个主要研究方向;植物碳稳定同位素,虽然是由遗传控制的,但环境效应仍然存在,光照和水分的可利用性是控制植物叶片δ^13C值的主要环境因子,影响上述2个因子的其他环境因素则会对δ^13C值产生间接影响,研究环境对δ^13C值的影响对于我们了解不同树种的水分利用特点,并根据生境选择合适的树种具有指导意义。与在作物上应用相比,碳稳定同位素技术在林木上应用还处在探索时期,进一步加强对碳稳定同位素技术的应用研究,对于提高育种效率和水平具有重要意义。     

植物水分利用效率与植物功能性群落结构的关系研究综述

植物水分利用效率（WUE）能够反映植物—土壤—大气的碳水循环耦合状况。从植物功能性状角度讨论WUE有助于理解植物对环境的适应策略、对资源的利用和分配过程以及植物生态策略与生态系统循环的耦合关系。目前关于功能性群落结构与水分利用效率关系的研究已取得了一些进展,但仍缺乏整体认识。文中总结前人研究成果,从WUE的概念及其与功能性群落结构之间的联系角度展开综述发现：1）WUE与其他功能性状间存在一定的联系与权衡,但同一种植物在不同生境条件下的叶片形态以及水分利用状况都可能发生相应的变异,不同植物功能性状对WUE的影响可能存在交互作用（叠加或抵消）,这种相互作用也受环境条件影响,进而导致研究结果存在差异;2）WUE与叶片经济型谱（LES）之间存在关联,但并不存在于所有植被类型中,对叶片水力学—经济性状关系需要进行更广泛的研究;3）此前研究更多地认为物种丰富度显著影响了WUE,但功能多样性与WUE之间是否存在明确关系尚无一致的结论。     

乌兰布和沙漠5种灌木的水分利用策略

利用稳定性同位素技术测定乌兰布和沙漠黑沙蒿、沙冬青、白刺、柠条锦鸡儿和梭梭5种灌木枝条木质部和土壤各层水分的δD值,分析它们在不同季节对不同深度土壤水分的选择性利用; 并通过测定灌木叶片（同化枝）的δ¹³C值,分析4种C₃植物的水分利用效率。结果表明：白刺在夏初和秋末主要利用土壤浅层30～60 cm的水分,而其他4种灌木则随着季节的变化选择性利用不同深度的土壤水分;白刺在夏初的水分利用效率显著高于秋末(P<0.05),黑沙蒿、沙冬青和柠条锦鸡儿的水分利用效率则比较稳定;沙冬青、白刺和柠条锦鸡儿的水分利用效率均高于黑沙蒿。     

绍兴淡水湿地人工林优势树种水分利用策略

目的: 以浙江省绍兴市汤浦水库库区3种15~20年生湿地人工林（阔叶林、针阔混交林、针叶林）中的优势树种美洲黑杨、北美枫香、柳叶栎、河桦和池杉为研究对象,分析3次不同量级降水后9天内各树种植物水δD组成,定量阐明不同量级降水对各树种植物水的贡献率及各树种的水分利用策略,为该地区湿地人工林生态系统水循环过程的定量研究、水资源合理利用及管理提供理论依据。方法: 利用氢氧稳定同位素技术,分析植物茎（木质部）水δD随采样时间（雨后9天内）的动态变化,并将植物水δD与潜在水源（大气降水、雨前土壤水和浅层地下水等）的δD值进行比较,判断各树种水分来源,并运用贝叶斯混合模型（MixSIAR）计算不同量级降水对各树种植物水的贡献率。结果: 汤浦水库库区淡水湿地人工林优势植物水主要来源于大气降水、雨前土壤水和浅层地下水;降水事件是影响植物水δD以及该次降水对植物水贡献率的主要因子;降水后9天内,小雨（7.5 mm）对阔叶林中各树种植物水的贡献率表现为北美枫香（45.2%~1.5%）>美洲黑杨（38.0%~0.6%）>柳叶栎（31.2%~0.8%）,小雨对针阔混交林中各树种植物水的贡献率表现为河桦（39.0%~0.6%）>池杉（32.4%~0.8%）>柳叶栎（25.5%~0.6%）;中雨（14.5 mm）和大雨（35.0 mm）对阔叶林中各树种植物水的贡献率表现为美洲黑杨>柳叶栎>北美枫香,中雨和大雨对针阔混交林中河桦植物水的贡献率皆最高;小雨、中雨和大雨对针叶林中池杉植物水的贡献率分别为40.2%~2.6%,58.2%~2.7%和67.4%~20.9%。结论: 汤浦水库库区淡水湿地人工林各优势树种能够快速吸收利用当次降水;小雨对浅根（0~20 cm）树种植物水的贡献率较高,而中雨和大雨对根系分布较深树种植物水的贡献率更高,该库区针阔混交林和阔叶林中的深根和浅根树种具有不同的水分利用策略,有利于该湿地人工林群落的稳定和各树种共存。建议今后在我国长三角地区进行淡水湿地植被恢复过程中,应考虑选择根系分布不同的树种混种,以合理利用水资源、维持湿地森林生态系统的稳定性。     

河南民权与陕西白水刺槐径向生长与水分利用效率对气候响应的差异

目的

分析不同地区刺槐径向生长、内在水分利用效率(WUE_i)对气候因子响应的差异,确定影响其生长和水分利用的主导因子,为我国刺槐人工林在气候变化背景下的管理经营提供参考。

方法

在河南民权(MQ)与陕西白水(BS)两地,利用树木年代学方法建立刺槐轮宽年表,测定树轮稳定碳同位素值(δ¹³C),计算刺槐年际间的WUE_i,结合气象资料分析刺槐径向生长与WUE_i对气候响应的差异。

结果

两地刺槐林龄相似且民权刺槐轮宽随着林龄的增加呈线性下降趋势,白水呈“升-降”曲线变化。两地刺槐的胸高断面积增量(BAI)变化趋势相似,均呈“升-降”的曲线。民权刺槐的δ¹³C和WUE_i均低于白水刺槐。Pearson相关结果显示：月尺度上,两地刺槐标准化年表(STD)指数主要与夏季降水和干旱指数(SPEI)显著正相关(P < 0.05),且白水刺槐与上年11月平均降水、SPEI显著负相关(P < 0.05);民权刺槐WUE_i与当年3月和8月的平均温度、最高温度显著正相关(P < 0.05),白水刺槐WUE_i与当年3、4月、上年及当年6、7月平均温度、最高温度和最低温度显著正相关(P < 0.05)。路径分析模型表明,年尺度上,白水县刺槐STD指数与平均降水、平均温度存在显著正效应(P < 0.05),而民权刺槐对气候因子响应不显著;两地刺槐WUE_i均与平均温度存在显著正效应(P < 0.05)。

结论

平均降水是两地刺槐径向生长的主导因子,白水刺槐生长对平均降水的敏感性高于民权刺槐,平均温度是两地刺槐WUE_i的主导因子,白水刺槐WUE_i较民权刺槐对温度变化更敏感。