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。

土壤-植物-大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展

介绍了水循环过程中界面水分迁移转化理论,及SPAC连续体的概念及其发展过程,阐明了一些国内外SPAC理论研究的主要成果;对国内外各种典型土壤-植物-大气界面模型的基本结构、适用范围、主要研究对象、优势以及局限性做了系统介绍和对比;在此基础上对土壤-植物-大气系统的相互作用过程以及系统模拟中存在的问题提出了展望。分析得出如何解决下垫面与土壤-植物-大气系统复杂的关系,以及尺度转化问题将是面临的主要挑战。认为借助于水分和能量交换过程中的模型参数优化,来实现界面中水分迁移过程的精确化和简化模拟是未来的重要研究方向。

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。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究II:模型验证与应用

根据北京永乐店试验站的田间试验资料,得出冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型计算需要的土壤参数与冬小麦遗传参数。将模型的计算值与实测值进行比较,表明模型能够较好地模拟叶面积指数、干物质重、土壤水分温度等。利用WheatSPAC模型对不同灌溉条件下的田间水热状况与作物产量进行分析,得到结论:对于北京地区的气候条件,返青后作物蒸腾消耗占净辐射的5 0 %以上;如果返青后墒情较好,在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利;如果在拔节之后进行一次灌溉,则灌溉进行得越早对产量越有利;三水以后,随灌溉量的增加,产量的边际效益递减;返青后,降雨与灌溉的总量约2 4

土壤-作物-大气连续体水分循环与作物生产关系的模拟模式研究

从土壤－作物－大气连续体（ＳＰＡＣ）的水分循环出发，以冬小麦为例，通过对土壤水分动态和有关作物生长过程的模拟，建立作物水分消耗与干物质积累和产量形成关系的动力－统计模式．经３年试验资料的验证，总干重、籽粒产量和根层土壤水分含量的平均模拟误差分别为６．３９％，５．６０％和５．４５％．发育期、叶面积动态和干物质积累动态的模拟与实测情况吻合得也较好．

土壤-植被-大气系统水和热传输机理及区域蒸散模型(英文)

在不同空间和时间尺度上建立了估算土壤 植被 大气系统水、热传输的模型 ,并且在华北平原中国科学院两个农业生态试验站设计了 3个试验 ,验证模型的精度和有效性 .第一个模型是基于瞬时通量观测基础上建立的植被冠层光合 导度 蒸散耦合模型 ,它模拟的结果与涡度相关系统测定结果比较一致 ;第二个模型为一维 3层的土壤水量平衡模型 ,此模型成功用于模拟 1 998— 2 0 0 3年度太行山山前平原不同灌溉条件下的土壤水分深层入渗和蒸散过程 ;第三个模型为区域能量通量和日蒸散模型 ,它基于卫星遥感数据和地面同步观测而建立 ,本模型可以监测区域地表的干旱状况 ,用于估算区域能量通量和日蒸散 .

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。

浅地下水埋深区潜水对SPAC系统作用初步研究

在地下水埋深较浅的地区，潜水参与和影响了ＳＰＡＣ系统的水分、生物、化学等过程．禹城综合试验站和南通农水科研站试验结果表明，潜水对土壤－植物－大气连续体的水分过程和生物过程都有着显著的作用．禹城试区１９９８年玉米灌浆期腾发量的１５６９％是由地下水蒸发“贡献”的；南通农水站试验表明，潜水通过控制土壤水分分布影响冬小麦根系发育和冬小麦产量，统计结果显示：对于冬小麦，在没有灌溉的条件下，存在着一个最优地下水位埋深，约在１５ｍ左右．研究成果对于深入分析水系统水分运移规律和充分利用地下水、制定合理的节水灌溉方案以及通过控制地下水对农作物生长进行调控等有着一定的理论价值和生产意义．

SPAC界面水分通量调控理论及其在农业节水中的应用

提出了农田五水(降水、土壤水、地表水、地下水与作(植)物水)的系统概念,讨论了SPAC(土壤-植物-大气)系统中水分运动过程.内容包括SPAC界面水分通量.基于SPAC界面水分耗散与调控研究,提出了农艺节水模式与应用效果.旨在推进农业节水中应用低成本高效益的农艺节水理论与技术.

土壤水动力学模型在SPAC系统中应用研究进展

从土壤水动力学典型的裸地蒸发模型、蒸发蒸腾量模型、土壤水分入渗模型出发,综述了SPAC系统下国内外现行的植物根系吸水模型、溶质运移模型、农业生态系统模型等研究进展,归纳和讨论了目前土壤水动力学模型在SPAC系统建模中存在的问题与不足。并对该领域的研究方向和应用前景进行了展望:建立准确的数值模型来解决实际问题是蒸发蒸腾量模型未来研究的趋势;入渗模型从点至区域的动态扩展,并结合土壤侵蚀、污染物运移等因素的农业倾向性研究为潜在的重要分支方向;根系吸水模型应更多被用于监测土壤水分动态、设计合理的灌溉制度及干旱预警等体系;利用计算机、遥感等技术手段建立农业生态系统物能循环的机理性模型将为模型的实用性和精度提供有力支撑。

SPAC中的水分运动

本文对土壤—植物—大气连统体(SPAC)中水分运动的诸多方面,如非饱和土壤水分的导水参数,植物根系吸收土壤水分,植物根系中的水分运动。SPAC中的水流阻力及水容,土壤水分有效性动力学,滞后效应以及SPAC中水流的电模拟等。进行了介绍,评述和论述。

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。

土壤水研究进展与评述

土壤水是联系地表水与地下水的纽带， 在水资源的形成、转化及消耗过程中有重要作用， 与农业、水文、环境等领域都有密切联系。所以土壤水研究越来越引起人们的重视， 有了长足的进步。目前， 土壤水研究走向多学科的交叉， 如水热盐的耦合运移， 冻结土壤中水分的运移， 土壤植物大气连续体中的水热运移等。土壤水运动机理研究也更加深入， 如优先流、土壤水参数的测定及确定、土壤水参数的空间变异性等。土壤水研究的数值模拟方法也有一些突破， 如有限解析法、特征有限元法、交替方向有限元法等。土壤水研究的应用也更加广泛， 如用于水资源评价、土壤水分与作物的关系、水环境评价等。

植物水分传输过程中的调控机制研究进展

农田土壤水分的转化利用与调控是以土壤-植物-大气连续体(SPAC)为基础,以植物为核心,其中水分在植物体内的传输与调控研究一直是国际学术研究的前沿性热点课题。概述了植物水分传输的驱动力和传输途径,重点从植物的气孔调节、水容调节、渗透调节、水孔蛋白调节、贮水调节、气穴和栓塞调节等方面综述了植物水分传输过程中的调控机制研究进展。通过对植物存在优化调控水分平衡的潜在能力的研究,不仅可充实SPAC系统水分传输理论,而且有助于明确植物对环境的适应机制和高效用水的潜力及其节水调控的效应,对指导干旱半干旱地区农业生产提供理论依据。

根土系统中的根系水力提升研究综述

根土系统可看作是土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统的子系统,根土间存在着内在优化协调的动态机制以更大限度地为SPAC过程提供水分和养分。植物根系的水力提升现象是根土系统对水分分异的根土环境中土壤水资源优化利用的过程,是植物根系所具有的一种普遍现象。植物根系的水力提升作用利于植物对土壤水分利用最大化,同时也促进了对土壤养分的吸收利用及对土壤环境的改善。可以从系统优化的观点对这一现象的存在进行理论解释,其发生受一定的条件制约,是必然中的偶然。根系水力提升量不容忽视,在一些环境的植物中,水力提升提供了很大比例的蒸腾水分,不仅对植物蒸腾耗水有利,更存在广泛的生理生态意义。研究根系提水的应用对干旱区农业发展和生态修复有着潜在的价值,具有广泛的研究前景。

土壤水分模拟与墒情预报模型研究进展

土壤墒情预报是在土壤水分模拟模型的基础上对农田耕作层土壤水分的增长和消退程度所进行的预报。墒情预报是灌溉预报的基础 ,对于水资源短缺条件下农田水分的合理调控具有重要意义。墒情预报模型可以分为确定性模型与随机性模型两大类 ,其中确定性模型包括水量平衡模型、土壤 -植物 -大气连续体 (SPAC)水分传输模型、SPAC水热耦合传输模型等 ,随机性模型包括数理统计模型 (包括回归模型、时间序列模型、人工神经网络模型等 )、随机水量平衡模型与随机土壤水动力学模型等。本文对各类墒情预报模型进行比较 。

核磁共振技术在土壤-植物-大气连续体研究中的应用

植物体内的水分状态与传输过程是土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分传输理论的核心内容,也是研究植物水分利用与调控的基础.植物体内水分的传输过程受外界环境影响较大,植物需要通过对体内水分状态的适当调整来适应环境变化和维持自身的生长发育.由于蒸发通量、压力室、高压流速仪、热脉冲等传统检测方法往往会对植株造成破坏和损伤,因此难以准确反映和定量描述植物体内水分传输的真实过程.核磁共振技术(NMR)由于其无损、非侵入的特点,在植物水分分布和传输相关研究中日益得到关注.本文概述了NMR在检测植物体内水分分布、传输以及含量测定等方面的研究进展,还分析了目前NMR技术在SPAC系统研究中存在的问题及可能的解决方法,并指出NMR技术将来可能在植物水分生理、植物与环境互作以及水分代谢等相关研究领域的应用.NMR技术在SPAC系统研究中的应用在我国仍处于初级阶段,开发户外便携式、开放式检测仪器是NMR技术在SPAC研究领域进一步应用和推广的关键所在.

典型林区水分氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气连续体中的分布特征

土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水循环是水文学和生态学研究的重要内容,氢氧稳定同位素在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程。本研究通过分析成都平原区亚热带常绿阔叶林中降水、土壤水、植物水的同位素组成,探讨SPAC系统中水分的氢氧稳定同位素演化特征,揭示区域水循环不同界面过程。结果表明:研究区雨季大气降水线方程为:δD=7.13δ^(18)O+2.35(R^(2)=0.99),土壤蒸发线方程为:δD=6.98δ^(18)O-0.32(R^(2)=0.92)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集。浅层土壤(0~35 cm)水δ^(18)O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35~100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。

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。

亚热带地区常绿阔叶林SPAC系统水分的氢氧稳定同位素特征

森林的土壤-植物-大气连续体(SPAC)是陆地重要的水循环连续界面过程。本研究通过分析亚热带常绿阔叶林的降水、大气水汽、土壤水、叶片水的同位素组成,探讨森林SPAC系统水分的氢氧同位素组成特征以及植物蒸腾与叶片性状和环境因子的关系。结果表明:研究区大气降水、土壤水、竹柏枝条水、竹柏叶片水和大气水汽的δD-δ^(18)O线性回归方程分别为:δD_P=7.97δ^(18)O_P+12.68(R^2=0.97)、δD_S=4.29δ^(18)O_S-18.62(R^2=0.81)、δD_B=3.31δ^(18)O_B-29.73(R^2=0.49)、δD_L=1.49δ^(18)O_L-10.09(R^2=0.81)、δD_V=3.89δ^(18)O_V-51.29(R^2=0.46)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集,而从土壤蒸发和从植物蒸腾的水汽同位素贫化。在降水和蒸发作用的影响下,土壤水同位素随深度增加有贫化的趋势,而且整体上旱季土壤水同位素比雨季富集。观测期间,枝条水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内运输过程中存在受到蒸腾富集作用的可能性。旱季,乔木的枝条水同位素比灌木贫化,说明根系分布更深的乔木植物更倾向于利用深层土壤水。由于在叶片性状、蒸腾速率以及对环境因子的响应程度等方面存在差异,不同植物的叶片水同位素组成随叶龄增长的变化特征有所不同。雨季的环境条件更有利于叶片蒸腾,使雨季的叶片水同位素比旱季富集。叶片水同位素组成与植物叶片含水量呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系,综合反映了植物应对环境变化的水分调控功能。