基于稳定氢氧同位素技术的兰州市南北两山典型植物用水模式研究

Plant water-use strategy investigation using stable isotopic approach is one of the frontiers and hot topics in stable isotope ecology. In this program, the northern and southern mountains of the Lanzhou City are selected as the study region. The precipitation, irrigation water, river water, groundwater, soil and plant will be synchronously sampled with high spatial density and long period. The water in soil and plant samples can be extracted using acryogenic vacuum distillation apparatus (LI-2100), and then isotopic ratios of 18O/16O and D/H in all the water samples can be analyzed using a liquid water isotope analyzer (DLT-100). The water-use strategies of typical species of trees, shrubs and herbages will be investigated for different growing seasons and water sources (precipitation and/or irrigation) in this region. The purposes of this program are to understand water-use strategies of different life forms of plants in the Loess Plateau and to contribute to regional hydrological processes and global change studies. In addition, this study will be useful for policy-maker about water management of urban greening as well as utilization efficiency of water resources in the Lanzhou City.

利用稳定同位素技术探讨植物的水分利用规律是稳定同位素生态学研究的前缘和热点问题之一。本项目拟以兰州市南北两山作为研究区域，通过高密度和长时间同期采集降水、灌溉水、河水、地下水、土壤和植物样品，利用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统提取土壤和植物中的水分，通过DLT-100液态水同位素分析仪测量样品中的18O/16O和D/H同位素的比率，进行兰州市南北两山不同林龄的乔木和灌木以及典型草本植物在不同生长季和不同水分（降水和灌溉）条件下的用水模式研究。旨在深化对黄土高原地区不同生活型植物在不同生长季和不同水分条件下用水规律的认识，为区域水循环过程和全球变化研究做出贡献。同时，为兰州市城市绿化用水的科学决策提供可靠依据，提高兰州市水资源利用效率。

氢氧稳定同位素是描述水循环的天然示踪剂，已成为水文过程研究的热点和前缘之一。南北两山作为黄土高原西部城市兰州的“城市森林”和重要生态屏障，其绿化过程中一直面临着水资源短缺的问题。本项目通过长时间同期采集降水、河水、地下水、灌溉水、土壤和植物样品，进行不同水体中氢氧稳定同位素的分析，明确了兰州市南北两山典型植物在不同生长季和不同水分条件下用水模式，有助于为南北两山生态恢复、合理利用水资源提供决策依据。项目完成了预定目标，取得如下主要成果：（1）采用直接对比法、多元线性混合模型（IsoSource）、贝叶斯混合模型（MixSIR、MixSIAR和SIAR）对兰州市南北两山的5种优势植物（侧柏、锦鸡儿、红砂、白榆和冰草）的水分来源贡献比率分别进行了计算，并选用了5种指标（RMSE、G值、R值、MaxE和MinE）对IsoSource、MixSIR、MixSIAR和SIAR模型的计算结果进行对比评估，发现了MixSIAR的模型性能最优。（2）选用最优模型MixSIAR分析了兰州市南北两山4种优势乔木（侧柏、白榆、新疆杨、国槐）、3种优势灌木（锦鸡儿、红砂、多枝柽柳）、1种草本植物（冰草）以及黄河兰州段河岸植物（多枝柽柳、榆树、旱柳、芦苇）在不同生长季的用水规律。（3）深入探讨了不同林龄的柠条锦鸡儿和多枝柽柳的水分来源及其对降水的响应，分析了相似生境中狭叶锦鸡儿和柠条锦鸡儿的用水模式的差异，以及不同生境中多枝柽柳水分来源的差异。（4）分析了兰州市南北两山土壤水氢氧稳定同位素时空变化特征及对降水的响应，探究了南北两山土壤蒸发的时空变化特征及其影响因素，验证了兰州市山坡、山麓、河漫滩“生态水文分离”假说的存在性。