植物稳定同位素组成对干旱区绿洲化、荒漠化过程的指示研究—以黑河流域为例

绿洲化、荒漠化是干旱区最突出的陆表过程，两者反向发展而又相互联系。绿洲化优化了局地生态环境,扩大了人类的生存空间,但绿洲低水平、无序的开发使绿洲稳定性下降,同时引发包括荒漠化在内的一系列生态环境问题。迫切需要选择典型流域针对干旱区最为关键的主要陆表过程进行多尺度深入研究。本项目以干旱区黑河流域做为研究区域，采用稳定同位素（C、H、O）技术分析流域主要生境类型（绿洲带、荒漠带以及绿洲-荒漠过渡带）内C3/C4植物组成比例、植物水分利用效率和植物水分来源状况以及土壤有机质碳同位素特征，结合植物生理、生态学的手段解释不同植物类型其同位素组成响应于环境因子的生理适应机制，确定不同植被类型（C3/C4）内植物和表土有机质碳同位素之间的转化幅度，揭示不同区域、不同时间尺度下干旱区绿洲化、荒漠化过程及其变化趋势。为干旱区绿洲化、荒漠化研究中利用植物同位素指示环境变化提供科学理论依据。

绿洲化、荒漠化是干旱区最突出的陆表过程，两者反向发展而又相互联系，探讨干旱区绿洲化、荒漠化过程的背景下植物与环境相互关系有着重要的理论意义。选取了西北干旱区最具代表性的黑河流域为研究区域，通过测定黑河流域三种典型生境类型（绿洲、绿洲-荒漠过渡带、荒漠）中优势种植物稳定碳、氢、氧同位素组成，结合土壤水分含量，分析植物水分利用效率和水分来源情况，得出以下主要结论：1. 黑河流域三种典型生境类型（绿洲、绿洲-荒漠过渡带、荒漠）中，荒漠生境中植物倾向于利用深层土壤水（＞160 cm）；绿洲-荒漠过渡带中沙蒿和沙拐枣主要利用20-40 cm层位的土壤水，梭梭可能的利用层位是60-80 cm，花棒可能利用100 cm左右的水分，柽柳则利用120 cm以下的土壤水；绿洲植物吸水层位多集中在0-100 cm，其中假苇拂子茅可能水源是20 cm左右的土壤水，玉米则为20-40 cm，柽柳和杨树的吸水层位为60 cm左右，棉花则是利用80 cm左右的水分。2. 各生境植物水分来源的结果与其土壤含水量的结果一致，同一生境中吸水层位相似的植物间存在水分来源竞争。不同生境中植物水分来源的深浅存在递变，植物吸水层位从浅到深依次表现为：绿洲＜过渡带<荒漠，不同生境同种植物也存在同样变化，说明植物稳定氢氧同位素组成可以用来指示干旱区绿洲化、荒漠化过程。3. 黑河流域三种典型生境类型（绿洲、绿洲-荒漠过渡带、荒漠）中优势种植物水分利用效率均存在显著性差异，其中绿洲生境中灌木植物水分利用效率高于草本植物，这可能是全球荒漠生态系统中的一种共性。三种生境间植物δ13C值表现为绿洲-荒漠过渡带中最高，其次是荒漠，最低为绿洲生境，这可能与各个生境中土壤质地、土壤含水量及植物水分来源等有关，表明在干旱环境下，植物对环境的适应是朝着有利于提高水分利用效率方向发展的。因此可利用植物稳定碳同位素技术指示植物生境的水分亏缺及干旱胁迫情况，进而可以为利用植物稳定碳同位素组成指示干旱区绿洲化、荒漠化过程提供理论依据。