基于稳定同位素的亚热带油茶林地SPAC水分传输机制研究

Seasonal drought is increasingly prevalent in the subtropical zone of China. The low use efficiency of water and land resources in hilly region has become a serious obstacle to the agricultural sustainable development. The water transport mechanism of Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC) is important to the efficient water use in agriculture. In this study, the comprehensive observations of hydrogen and oxygen isotope compositions of precipitation, soil water, plant water and air vapor will be conducted using stable isotopic method at Camellia oleifera land of a hilly region in Subtropical zone. The pattern of soil water movement and plant water uptake will be discussed. The proportion of Camellia oleifera root absorb water from each soil layer and root zone will be quantified, and the evapotranspiration (ET) will be estimated and partitioned. The main physical processes of water evaporation and condensation during precipitation will be clarified. Based on the above analysis, the mechanisms of the water transport and transformation will be revealed during processes of water transport in the root zone soil, plant stems and, leaves, and the atmosphere. The process of water transfer and its vapor exchange in the SPAC system at Camellia oleifera field will be analyzed and quantified. The scientific basis and guidance will be provided for developing water-saving agriculture and improving efficiency of agricultural water use through this project.

我国亚热带地区季节性干旱问题日趋突出，丘陵岗地水土资源利用效率低，严重制约着地区农业经济的可持续发展。土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分传输机制是农业水资源高效利用的重要理论基础。本研究以亚热带丘陵地区特色经济作物油茶为研究对象，利用稳定氢氧同位素技术，通过分析降水、土壤水、植物水和大气水中氢氧同位素分布特征及其时空变化规律，深入探讨丘陵地区土壤水分运动，精确量化植物根系吸收各土层、各土壤空间微域水分的比例，估算和区分植被蒸发蒸腾量，阐明大气降水过程中蒸发和凝结的物理过程机理，明确油茶根系吸水过程和传输过程及其分配规律，揭示水分在根区土壤、植物茎叶、背景大气各界面的传输和转化机制，实现对油茶林地“土壤-植物-大气”系统各界面水分转化关系及其循环机理的量化表征，为指导亚热带地区发展节水农业和提高水分生产力提供科学依据和决策参考。

我国亚热带地区季节性干旱问题日趋突出，提高丘陵区水土资源利用效率是国内研究的热点和难点问题。本研究选取亚热带丘陵地区特色经济作物油茶为研究对象，利用多种仪器设备开展了土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分传输机制及其水体同位素特征和环境因子的综合监测，揭示了油茶林SPAC水氢氧稳定同位素分布规律及指示意义，量化了油茶林的水分来源和蒸散比例，确定了油茶林地蒸散发的主要气象控制因子，筛选了适合于估算油茶气孔导度和水分来源的实用模型，实现了油茶林地SPAC系统中各界面的水分传输转化的量化表征。在试验研究与理论分析的基础上，受本项目资助，在《Agricultural Water Management》、《农业工程学报》、《湖南农业大学学报：自然科学版》等期刊共发表学术论文7篇（SCI、EI论文6篇），其中第一作者论文3篇，通讯作者论文3篇；授权实用新型专利2项。项目负责人在“中国农业工程学会农业水土工程专业委员会学术研讨会”等国内外学术会议报告2次。依托本项目，项目负责人2020年晋升为副教授，2021年入选“湖南省普通高校青年骨干教师”，培养研究生3名。研究结果对于准确了解油茶林SPAC水分传输、识别水分传输主要环境控制因子和定量模拟水分来源有一定的借鉴意义，对于应用同位素技术和农业水利学科发展有一定的促进作用。筛选的气孔导度和水分来源估算模型可为油茶的科学灌溉制度的制定，评估变化环境下的水分消耗提供一定的科学依据；为指导亚热带地区发展节水农业和提高水分生产力提供科学依据和决策参考。