基于根系水稳定同位素探究旱柳枝条水与土壤水之间的同位素失配现象 【摘要】越来越多的野外研究发现了植物茎干水与其潜在水源之间的同位素失配现象。然而，同位素偏移的形成原因尚不清楚，并且不确定它们是发生在根系吸水过程还是在从根部到枝干的水分传输过程。因此，该研究以旱柳（Salix matsudana Koidz）为研究对象，通过约每三天一次的采样频率测定了土壤−根系−树木枝条连续体中各组分（如总体土壤水、移动水、地下水、根系水和树木枝条水）的稳定同位素值（δ2H和δ18O），结果表明：（1）移动水和总体土壤水的同位素值有明显的分离，但随着土层深度的增加，两者之间同位素值的差异逐渐减小；（2）根系水接近于束缚水的同位素值，但不同于总体土壤水的同位素值。总体土壤水与根系水之间的δ2H和δ18O 的最大差值分别为−8.6‰ 和−1.8‰；（3）树木枝条水仅与 100-160 cm深度的根系水同位素值相似，并且在试验期间保持稳定，表明旱柳始终利用稳定的深层水源。总体上，旱柳枝条水与其潜在水源之间的同位素失配反映了根系水和总体土壤水之间的同位素偏移，这与土壤水的异质性密切相关。该研究揭示了不同移动性的土壤水、根系水和树木枝条水同位素值之间的关系，有助于加深对根系水分吸收和运输过程的理解。【研究区域】该试验是在中国黄土高原北部六道沟小流域 (38°46′-38°51′N...
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2022
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改进积雪密度的估计是目前雪研究的一个关键问题。表征密度时空变异性对于水当量的估算、水力发电和自然灾害（雪崩洪水等）的评估至关重要。高光谱成像是一种监测和估计其物理特性的有前途且可靠的工具。事实上，雪的光谱反射率在一定程度上受其物理特性变化的控制，尤其是在光谱的近红外（NIR）部分。为此，已经设计了几种模型根据光谱信息估算积雪密度。然而，还没有一个实现满意的结果。主要困难之一是积雪密度和光谱反射率之间的关系是非双射的（满射的）。事实上，几个反射振幅与相同的密度相关，反之亦然，所以密度和光谱反射率之间的相关性可能非常弱。基于此，为了解决该问题，本研究中提出了基于光谱数据的积雪密度估计混合模型。主要研究目标是利用高光谱NIR成像（PIKA NIR，RESONON Company）（900-1700 nm）以5.5 nm的光谱分辨率测试混合模型（HM）估计季节性积雪密度的性能。混合模型结合了一个分类器和3个与密度类别相关联的特定估算量（弱到中度变质雪（WMM），中度到高度变质雪（MHM）和高度到极高度变质雪（HVM））。利用2018（1.19-3.27）、2019（1.10-4.3）和2020（1.29-3.10）年冬季在加拿大魁北克国立科学研究院（INRS）的科技园内（46°47′43.22″北纬，-71°18′10″西经）收集的数据集校准和验证了HM。混合模型在两个...
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2022
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PROSDM：PROSPECT模型与光谱导数和相似性度量相结合从双向反射率中提取叶片生化性状的适用性叶片生化性状为理解植物光合功能、动态生长、养分循环和初级生产提供了有价值的信息。叶片叶绿素含量（Cab）、类胡萝卜素含量（Cxc）、含水量（Cw）和干物质含量（Cm）是四个重要的叶片生化性状，与植物光合作用、氮素、胁迫和衰老等健康和生长状态密切相关。能够对这些叶片生化性状进行高通量测量的方法对于表征植物生理状态和关键功能过程至关重要。PROSPECT模型是目前最常用的叶片辐射传输模型之一，可从叶片定向半球反射因子（DHRF）光谱来提取叶片生化性状，然而，在应用于叶片双向反射因子（BRF）光谱提取叶片生化性状方面尚待探索。叶片表面反射率和各向异性性状的存在可能是限制PROSPECT从叶片BRF光谱评估叶片生化性状的主要问题。基于此，在本研究中，研究者们提出了一个方法，整合了PROSPECT模型、光谱导数和相似性度量（SDM），称为PROSDM，去除了叶片BRF和DHRF光谱的差异，并从叶片BRF光谱提取了叶片生化性状。具体目标是：（1）通过PROSPECT反演调查叶片BRF和DHRF光谱差异随波长的变化以及对Cab、Cxc、Cw和Cm提取的影响，（2）开发PROSDM消除BRF和DHRF光谱差异，从叶片BRF光谱与PROSPECT和PROCOSINE以及PROCWT的比较来提取Cab、...
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2022
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生态系统呼吸（Re）和甲烷（CH4）通量是两个重要的土壤-大气碳交换过程，已经在局地尺度上得到充分记录。然而，在流域尺度上，对青藏高原多年冻土区这些过程的空间格局和控制因素尚不清楚。基于此，为了填补研究空白，在本研究中，来自四川大学、中国科学院成都山地灾害与环境研究所、山西农业大学、中国科学院西北生态环境资源研究院和西南民族大学青藏高原研究所的研究团队在青藏高原风火山（34°40′-34°46′ N和92°50′–92°62′ E；4580-5410 m a.s.l.；图1a）测量了两个生长季节（2017年和2018年）不同坡向（北向（阴坡）和南向（阳坡））和不同海拔（低、中和高坡位）的生态系统呼吸（Re）和CH4通量，旨在阐明青藏高原草地流域尺度的Re和CH4通量模式并量化生物和非生物因子调节Re和CH4通量的相对贡献。作者利用LGR UGGA便携式温室气体分析仪+PS-3000便携式土壤呼吸系统（北京理加联合科技有限公司）+SC-11便携式呼吸室（北京理加联合科技有限公司）于2017年和2018年生长季节（6-12月）每30天测量一次Re和CH4通量。同时，还测量了土壤温度、体积含水量、地上生物量和地下生物量、土壤有机质、pH、土壤全氮、土壤容重、溶解性有机碳、微生物量碳、微生物量氮、土壤蔗糖酶活性、NH4+-N和NO3--N浓度。...
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2022
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全球气候变化引起的预计人口增长以及土地和农业资源可利用性的压力使未来几十年全球粮食供应的需求增加。提高光合作用能力已成为实现作物增产的目标。目前，测量光合作用的方法是耗时的且具破坏性的，这会减慢鉴定具高光合能力的农作物种质的研究和育种工作。作者在1分钟内收集样地（~2 m×2 m）向阳叶片像素的高光谱反射率以量化光合作用参数和色素含量。在两个生长季节（2017年和2018年）利用田间生长的经基因改变了光合途径的烟草，建立了8个光合参数和色素性状的预测模型。利用偏最小二乘法（PLSR）分析可见近红外（400-900 nm）光谱相机测得的植物反射像素，预测了Rubisco最大羧化速率（Vc,max，R2=0.79）和最大电子传递速率（J1800，R2=0.59），最大光饱和光合作用（Pmax，R2=0.54），叶绿素含量（R2=0.87），叶绿素a/b（R2=0.63），碳含量（R2=0.47）和氮含量（R2=0.49）。当使用两台400-1800 nm相机时，模型的预测并没有改善，这表明仅使用一台VNIR相机就能实现强大，广泛适用且更具“成本效益”的效果。该分析过程和方法可用于所有作物中，从而提供高通量田间表型筛选，并在田间试验中提高光合性能。高光谱图像收集建立基于地面的表型平台（图1），包括两个推扫式高光谱相机。第一台高光谱相机（P...
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2021
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【摘要】森林的长期生产力和固碳能力受气候变化影响，已成为全球关注的问题。本研究中，我们提供了一种简单且无损的方法来研究多时间尺度上树木CO2同化率。这种新的方法结合了树干液流和稳定碳同位素分辨率以估算碳同化率。我们通过分析变异性并进行配对样本t检验，比较了气体交换测量和新方法测得的CO2同化率，以验证其准确性和适用性。气体交换和同位素测量都表明早晨CO2同化率高于下午，峰值在10-11 am左右出现，可能是由于夜间的水储存和早晨的高气孔导度。侧柏日，月，年尺度上CO2同化率的变异性与供水条件有关。与以往的研究相比，我们利用稳定碳同位素分辨率（Δ13C）和树干液流测量估算的年CO2同化率的结果与传统方法结果相一致。侧柏对供水可以有效的响应，这就解释了为什么它可以很好地适应半干旱区环境。估算CO2同化率的新方法是准确的，且适用于北京周边的半干旱地区。【研究区域】位于燕山鹫峰国家森林生态系统研究站（NFERS，40°03′N，116°05′E）。【碳同位素测定】利用碳同位素分析仪（CCIA-36d-EP，LGR）结合廓线系统进行长期野外观测。研究区域的地理位置（a）研究区域2013年-2016年三个土壤深度（30cm，60cm和90cm）的月土壤含水量（SWC）；（b）月降水量（P）和平均气温（Ta）；（c）月平均饱和水汽压差（VPD）和光合有效辐射（PAR）。（a）...
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2020
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【摘要】最近研究发现，在混合落叶阔叶林中，相比于叶片氮含量，叶绿素含量可以更好地指示叶片的光合能力。叶片光合能力与叶绿素含量之间关系的一个关键概念就是光合成分（即光收集，光化学和生化成分）的协调调节。为了检验该假设，作者在生长季测量了水稻地叶片氮含量（NLeaf），叶片光合色素（即叶绿素（ChlLeaf），类胡萝卜素（CarLeaf）和叶黄素（XanLeaf））以及叶片光合能力（即1,5-二磷酸核酮糖（RuBP）在25℃被羧化（Vcmax25）和再生（Jmax25）的最大速率）的季节性变化。同时还调查了NLeaf，叶片光合色素，晴天中午的叶片光化学植被指数（PRILeaf,noon）的有效性及其可能的组合，以估算水稻地的叶片光合能力（即Vcmax25和Jmax25）。ChlLeaf与Vcmax25和Jmax25高度相关（R2分别为0.89和0.87），优于NLeaf（R2分别为0.80和0.85）。PRILeaf,noon与叶片色素的产物也与Vcmax25高度相关（R2=0.95-0.96）。而且叶绿素a和CarLeaf的产物可以很好地替代Vcmax25。总而言之，该研究支持了以前的发现，即叶绿素含量与Vcmax25的相关性比叶氮含量更好。而且，将PRILeaf,noon与叶片色素（即ChlLeaf，CarLeaf和XanLeaf）结合起来，为估算叶片光合能力（即Vcmax25）提...
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2020
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【摘要】正确理解地下水循环模式及其可更新能力对地下水资源的评估、合理开发和利用至关重要。在干旱或半干旱地区地下水补给量少且变异性高，因此难以估算。同位素研究和混合模型相结合可以直接估计含水层的可更新性。本文利用环境同位素方法研究了中国西北半干旱地区—银川盆地的潜水循环模式以及更新能力，主要研究了不同水体的同位素特征，潜水同位素年龄，水循环模式以及更新速率。结果表明，银川盆地主要有两个补给源，即局部大气降水（占13%）和黄河（占87%）。银川盆地潜水的平均滞留时间是48年，平均更新速率是3.38%/a。潜水具有较强的更新能力，更新速率与同位素年龄一致。【研究区域】位于中国西北地区的银川平原。图1 银川盆地位置图【样品收集和测量】收集了来自全球大气降水监测数据和国际原子能机构的30组降水数据，并收集了11个黄河水样品，47个潜水样品。利用LGR的液态水同位素分析仪测量所有水体的δ18O，δD和δT以分析其同位素特征。【结果：地下水补给来源的确定】根据1988到2000的降水观测，地区大气降水线（LMWL）为δD = 7.22δ18O + 5.50（图2）。降水δD和δ18O加权平均值分别为-45.59‰和-6.93‰。δ18O变异性范围为-19.97‰~3.86‰，δD变异性范围为-147.70‰~5.10‰。LMWL的斜率为7.22，略低于全球平均值8（δD = 8δ18O...
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2020
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冷害是造成作物严重损失和不可逆转伤害的灾害之一。为避免产量损失，可利用高通量表型选择耐寒胁迫的作物品种。如今，无损光谱图像分析已成为一种有效方法，并已广泛应用于高通量表型分析中，反映出植物结构组成，生长发育过程中的生理，生化特性和特征。本研究利用卷积神经网络（CNN）模型提取可见-近红外范围的特征光谱估计玉米幼苗的冷害。文中以五个品种的冷处理玉米幼苗的高光谱图像为研究对象。光谱范围为450-885 nm。高斯低通滤波和Savitzky-Golay平滑方法结合一阶导数进行光谱数据的预处理。从每种玉米幼苗选定的感兴趣区域获取3600个像素样本用于CNN建模。CNN模型建立后，从高光谱图像中提取400个像素样本作为每个品种的测试集。最后，通过分析分类准确度和计算效率确定一个CNN模型。CNN检测到的不同类型的玉米幼苗的冷害水平分别为W22 (41.8 %)，BxM (35%)， B73 (25.6%)，PH207 (20%)， Mo17 (14%)，与化学方法的结果高度相关。两种方法检测结果的相关系数为0.8219。因此，研究证明基于CNN建模的光谱分析可以为玉米幼苗冷害监测提供参考。高光谱成像采集利用推扫式高光谱相机（PIKA II，Resonon）成像系统的整个结构感兴趣区域样本数据选择程序样本的3D光谱分布CNN和化学方法结果的比较结论自卷积神经网络发...
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2020
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【摘要】氢氧稳定同位素可用于追踪土壤水分的运移。尽管我们对土壤剖面渗透的水的追踪及其在径流和地下水补给中运移过程的研究已经很完善了，但土壤水的运动也包括蒸发分馏。迄今为止，土壤水的分馏因子主要是基于经验性的。与开放型水分蒸发（温度，湿度，蒸气压梯度定义的分馏）不同的是，土壤水蒸发包括土壤基质效应的分馏。我们对这些效应特征的理解仍然很差。在这里，我们使用ABB LGR的水汽同位素分析仪（IWA-45-EP）提供了一个初步结果，实验使用了4种土壤混合物，粒度从砂粒到粉粒和黏粒。结果表明土壤张力可能控制着土壤水分的同位素分馏。土壤张力与平衡分馏的关系与土壤质地无关，且得到热力学理论的充分支持。虽然结果是初步的，认为未来的工作应该关注作为土壤水和水蒸气分馏可能解释因素的土壤张力的影响。插图（a）显示了4种添加土壤混合体的水分释放曲线。在萎蔫点到吸着水范围内，2个石英砂样品的重量含水量保持在0.05 g/g。但在同一范围内，粉砂的重量含水量高达0.15 g/g。在毛细管水范围内，黏土的最高重量含水量可达0.2 g/g。土壤张力为106 hpa时，砂土样品I和II的重量含水量分别为0.01和0.005 g/g。在相同的土壤张力下，粉砂的重量含水量为0.05 g/g。重量含水量在0.05和0.005 g/g的粘质土在105 hpa以上获得了更多的数据点。（b）图表明平衡分馏因子（aP/Q）与土壤...
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2020
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