基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅰ:模型

本文开展了冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移的耦合研究,建立了可以同时动态模拟冬小麦生长过程与SPAC水热运移过程的动力学模型WheatSPAC模型。模型中,采用有限元差分格式进行土壤水热运移的数值模拟;采用双层模型进行冠层水热运移的模拟;采用改进的Feddes根系吸水模型及负指数分布形式的根系密度模型,实现土壤与冠层的耦合;通过生育阶段、干物质生产、干物质分配等过程的模拟,建立了冬小麦生长的机理性模型;通过对冬小麦叶面积指数、株高、根系分布的模拟,实现冬小麦生长与SPAC水热运移的耦合。

植物根系吸水模型研究进展

根系是植物获取水分的主要器官,它直接影响整个植株的输水量以及生命活动。在水资源短缺的状况下,了解根系生长过程中的需水特性并提高农业中水资源的利用率,一直是节水灌溉技术中研究创新的热点。因此,在研究过程中需要对植物根系的吸水量进行精确估算,建立根系吸水模型是定量化研究植物根系吸水特性的重要方法。概述根系吸水的原理及其主要影响因素,对不同研究方法下的根系吸水模型进行分类研究,并阐述其适用范围及优缺点,同时介绍了水盐共同胁迫下的根系吸水模型。最后对目前的根系吸水模型进行分析,提出了今后的研究方向。研究成果为构建水稻根系三维动态吸水模型提供了基础。

广西不同石漠化等级下SPAC水势梯度及其环境效应

以野外观测为基础,对广西不同石漠化等级(无石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和重度石漠化)下土壤-植被-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum,简称SPAC)系统中的水势日变化、气象因子日变化过程进行了研究。结果表明:随着石漠化程度的增加,大气水势降低,大气水势对不同石漠化程度的反应敏感。岩溶区石漠化等级下植物和土壤水势较低,不同石漠化条件下的植物叶水势在-7.79±0.43^-2.68±0.11 Mpa之间,土壤水势在-4.00±0^-0.08±0.04 Mpa之间,重度石漠化等级下植物处于萎蔫状态。植物在正午受到的水分亏缺程度为:重度石漠化>中度石漠化>无石漠化>轻度石漠化。无石漠化下植物叶片水势与大气温度呈正相关关系,与大气相对湿度呈负相关关系,轻度石漠化、中度石漠化和重度石漠化下植物叶片水势与大气温度呈负相关关系,与大气相对湿度呈正相关关系。水分在SPAC系统中运移,其能量消耗主要集中在叶片-大气的过程。叶-气水势差差值大小为:中度石漠化>重度石漠化>轻度石漠化>无石漠化。随着石漠化程度的增加,SPAC水势梯度提高,各介质层水势差的增大,提高了水分循环和能量交换的强度。

土壤水分对黄土区苹果园土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水势梯度的影响

开展土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水势变化的联动分析对于揭示植物水分状况对环境变化的响应机制有重要意义。在黄土高原苹果园对果树生长季大气水势(Ψair)、木质部水势(Ψstem)、土壤水势(Ψsoil)进行连续监测与分析。结果表明:苹果树在生长季的日平均Ψstem为-0.57 MPa,在-0.24^-2.0 MPa间变化。苹果树SPAC连续体中水势梯度(Ψsoil:Ψstem:Ψair)平均为1∶9.8∶1155,其中植-土界面的水势梯度(Ψstem:Ψsoil)与土壤体积含水率(VWC)间呈极显著的线性正相关关系,Ψstem与Ψsoil间呈良好的线性关系,且相关性强于Ψstem与Ψair间的相关性。当Ψsoil<-0.08 MPa(VWC=17%,约为田间持水量的0.56倍)时,Ψstem对Ψsoil变化响应的敏感性明显降低,气-植界面的水势梯度(Ψair:Ψstem)与Ψsoil间由无明显关系转变为紧密的线性相关关系(R2=0.93)。Ψair对Ψstem的驱动存在阈值效应,在Ψair降到-69 MPa前,Ψstem日变化幅度随Ψair增加而增加,之后呈下降趋势。土壤含水率降低引起苹果树水势、SPAC各界面上的水势梯度明显下降,且在土壤含水率降至约17%时存在阈值效应。研究结果为理解树木水分状况对土壤、大气干旱的响应机制提供了重要依据。

基于稳定同位素的SPAC系统水分转化研究进展

大气⁃土壤⁃植被连续体(soil⁃plant⁃atmosphere continuum,SPAC)系统水分转化过程是生态水文学重要的研究内容。稳定同位素作为天然的示踪剂能有效示踪、整合和指示SPAC系统中的水分输入、输出以及转化过程。笔者在简述稳定同位素应用原理的基础上,以垂直方向上SPAC系统水分运移的视角,阐释基于稳定同位素技术的土壤⁃根系界面水分运移、植物传输水分中存在的分馏和植物冠层⁃大气界面水分交换的研究进展,探讨了SPAC系统水分转化研究中稳定同位素技术在分馏机制、时间分辨率与空间异质性方面的局限性。认为未来基于稳定同位素的SPAC水分转化研究还需着重在以下3个方面进行:①借助广泛应用于其他领域的便携式同位素分析仪对各种同位素水池同位素组成进行原位观测;②结合多种同位素分析水体同位素组成来分析土壤⁃根系界面水分运移过程,进一步确定树木水分来源,提高识别和划分的准确性,并以此完善稳定同位素应用模型;③利用同位素标记盆栽实验精准控制叶片吸水的水源,高分辨率地解析叶片吸水的发生位置以及时间;④结合控制性同位素标记实验并利用离心技术提取木质部导管中的汁液水,对比分析各水池同位素偏差,以深入开展同位素分馏机制的研究。

试论红壤生态系统

从土壤学与生态学结合的趋势,提出“红壤生态系统”问题,并联系国内外红壤农业开发开展了讨论.文章指出,重建良性循环的红壤生态系统,走生态大农业(或持续农业)建设的道路,将促使红壤地区农业持续、稳定、协调地发展,兹举浙江省金衢盆地红壤农业开发利用为例稍加说明之.