干旱半干旱区河岸带植物水分来源多示踪技术及不确定性研究

Riparian zone acts as corridor, filter and barrier for the mass, energy and biological flows between aqua-land ecosystems. Riparian zone of the arid and semi-arid zones is sensible and vulnerable. Vegetation reacts strongly to the changes of the hydrological conditions. Tracer technology using isotopes, water chemicals and so on as the traces is the important technique to determine sources of vegetation water. However, so far the research on the uncertainty associated with the tracer technology is not abundant. Erodos-Yulin is the energy base of China, and is facing the risk of hydrological changes caused by energy exploitation. This research takes Hailiutu river as research project. Isotope, EC and water chemical components will be used as tracer to partition the soil water and vegetation water sources. The spatio-temporal variation will be analysed and the environmental factors will be evaluated. The tracer data will be combined randomly and interpreted respectively. The uncertainty will be analysed with Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) method. The results will be assimilated with Bayesian theory. The results will be compared with HYDRUS modelling results. The research outputs will enrich the water cycle theory of riparian zone and the tracer technique and can guide the application of tracer technology. Thus this research is of significant theoretical and application values.

河岸带对水陆生态系统间的物质流、能量流和生物流发挥廊道、过滤和屏障作用。干旱半干旱区河岸带生态系统敏感而脆弱，植被对水文条件变化反应强烈。以稳定同位素及水化学成分等为示踪剂的示踪技术是确定植被水分来源的重要技术手段，但目前对示踪法应用中的不确定性研究不足，缺乏对不确定性的完整、科学的量化描述，对多示踪剂减少不确定性的作用研究有待深入。本研究拟以预期有显著水文条件变化的海流兔河岸带为研究对象，利用稳定同位素、EC和水化学离子作示踪剂区分河岸带植被水分来源，应用统计方法寻求植物水分来源时空变化规律和主要影响因子，对示踪数据进行多方案随机组合并分别解读，利用普适似然不确定性估计法进行各组合的不确定性分析，基于贝叶斯理论建立多源数据同化方法，并结合HYDRUS模拟结果进行综合分析。研究成果将丰富示踪技术不确定性理论，为河岸带水分运动实验研究提供参考，指导示踪剂的选择和应用，具有良好的理论和应用价值

河岸带对水陆生态系统间的物质流、能量流和生物流发挥廊道、过滤和屏障作用。干旱半干旱区河岸带生态系统敏感而脆弱，植被对水文条件变化反应强烈。以稳定同位素和水化学组成为示踪剂的示踪技术是确定植被水分来源的重要技术手段，但目前对示踪法应用中的不确定性研究不足，缺乏对不确定性的完整、科学的量化描述。本研究以显著水文条件变化的干旱半干旱区风沙草滩典型区海流兔河为研究对象，应用各类统计方法和小波分析方法分析五十多年来在气候变化和人类活动影响下海流兔河流量和基流量变化规律，比较了海流兔河和相近河流径流变化的异同；通过野外观测研究海流兔河河岸带优势植被的蒸散发特性和非饱和带土壤含水率变化，推求外界环境对植物蒸腾的影响；利用稳定同位素作示踪剂区分河岸带植被水分来源，对示踪数据进行多方案随机组合并分别解读。.研究结果表明：.1）海流兔河近五十年来受变化环境影响径流量呈总体减少趋势，在1967年、1988年和2000年出现突变。其中水利工程建设和作物种植面积变化等人类活动影响为径流变化的主要原因。2）风沙草滩区和黄土沟壑区河流的径流变化规律区别明显，海流兔河主要受地下水补给影响，各代际基流指数基本在0.70以上，流量稳定，年内变幅小，而黄土沟壑区河流降雨产生的直接地表径流远大于风沙草滩区河流。.3）降雨，日照、植被覆盖、植被根系、坡度等因素影响植被下土壤水分分布。同位素检测结果发现非饱和带土壤水中氘和18O的含量都小于同期雨水、地下水和河水中的含量，原因有待进行进一步分析。.4）植物蒸腾速率测定随着采集部位和时间的不同而存在很大的差异。7-8月旱柳和沙柳的蒸腾速率显著小于5-6月；日蒸腾过程曲线以双峰型为主。同位素结果表明海流兔河河岸带沙柳水分主要来自雨水，其次是地下水，最后是土壤水，其中浅层土壤水多于深层土壤水。.5）水样的同位素检测发现同一场雨水的同位素组成随采集时间变化区别很大，地下水和河水的同位素组成不同时间也存在很大差别，如果利用同期的水样同位素数据必然导致水分来源区分结果误差，在建立模型进行同位素组成解译时应考虑不同水分运移路径的历时问题。由于部分水样分析还未完成，有关同位素数据和其不确定性分析正在进行中。.研究成果丰富了生态水文领域的示踪技术不确定性理论，为干旱半干旱区风沙草滩区生态水文实验研究提供参考，可以指导示踪剂的选择和应用，具有良好的理论和应用价值。