(报告人:李胜功)(ppt) - 中科院植物所生态中心

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(报告人:李胜功)(ppt) - 中科院植物所生态中心

稳 定 同 位 素 技 术 在 蒙 古 高 原 生 态 系 统 生 态 水文 过 程 研 究 中 的 应 用-- A mini-talk on several eco-hydrological issues in Mongolia李 胜 功中 国 生 态 系 统 研 究 网 络 综 合 研 究 中 心中 国 科 学 院 地 理 科 学 与 自 然 资 源 研 究 所稳 定 同 位 素 生 态 学 国 际 研 讨 会 (2008 年 6 月 25 日 )1


Mongolia plateau most susceptible to climate change (IPCC)North-east Asia climate change from 1950-2000(averaged between 40-50N, 90-120E)• 目 前 形 势 :– 平 均 温 度 上 升 明 显 ;– 过 去 的 记 录 显 示 降 水 在 减 少 ;– 既 影 响 生 态 环 境 又 影 响 社 会 经济 ;– 主 要 原 因 是 过 度 放 牧 和 滥 伐• 未 来 趋 势 :– 温 度 增 加 幅 度 更 大 (1 ~ 5oC);– 降 水 减 少 , 蒸 散 相 对 增 加 ;– 年 度 变 异 性 增 大– 极 端 气 候 事 件 ( 干 旱 、 暴 雪 zod)频 发– 中 部 影 响 更 显 著– 草 地 退 化 、 沙 漠 化– 森 林 线 后 退 (???)(1) Instrumental record(2) Dendrochronology(3) GCM modelDryingWarming5


蒙 古 : 马 背 上 的 民 族Genghis Khan• 蒙 古 是 世 界 上 唯 一 的 马 的 数 量 超 过 其 人 口 数 量 的 国 度 。• 人 们 对 骑 马 充 满 浓 厚 兴 趣 和 激 情 , 所 以 蒙 古 也 许 是 最 擅 长 骑 马 的 民 族 。• 赛 马 是 那 达 慕 的 常 设 项 目 。• 在 蒙 古 历 史 上 , 即 公 元 12-13 世 纪 , 成 吉 思 汗 借 助 于 马 的 力 量 几 乎 征 服了 整 个 欧 亚 大 陆 。 蒙 古 人 至 今 引 以 为 豪 且 津 津 乐 道 。• 但 牛 和 羊 是 蒙 古 人 民 的 生 命 线 , 所 以 畜 牧 业 是 蒙 古 的 经 济 基 础 。6


16Sheep stocks (x 10^6)Introduction of market economy1514131211Data from WRI101955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000Over-grazing vs. desertificationUnder global warming conditions,drought has become more severe;and due to overgrazing, degradationand desertification have occurred insome part of Mongolia steppe.7


牲 畜 数 量 在 增 加 : 但 干 旱 和 zod 的 影 响 无 疑 是 致 命 的• 1999 年 至 2000 年 的 冬 季 , 夏 天 的 干 旱 加 上 冬 季 的 暴 风 雪 zud 造成 近 300 万 牲 畜 的 死 亡 , 其 景 象 惨 不 忍 睹 . Zud 有 黑 白 之 分 。• 同 样 的 灾 难 于 2000 年 至 2001 年 的 冬 季 再 次 降 临 , 又 造 成 300万 牲 畜 的 死 亡 。• 自 然 灾 害 ( 加 上 市 场 经 济 的 摇 摆 不 定 ) 深 刻 影 响 着 蒙 古 的 游 牧生 活 方 式 和 经 济 的 发 展 。http://www.the-human-race.com/images/environment/drought.jpg8


Outline• 蒙 古 高 原 生 态 系 统 与 全 球 变 化• RAISE project• 蒙 古 高 原 水 汽 来 源 与 降 水 的 再 循 环• 蒙 古 山 地 落 叶 松 林 的 水 分 利 用• 废 弃 道 路 植 被 恢 复9


以 人 为 “ 本 ” 的 蒙 古 草 地 生 态 系 统 的 生 态 水 文 过 程生 态 水 文 过 程人 类 活 动全 球 变 化草 地 生 态 系 统 变 化10


Outline of RAISE ProjectRangelandsAtmosphere-hydrosphere-biosphereInteractionStudyExperimentin northeastern Asia (RAISE(RAISE)Forest-steppe transect along Kherlen RiverBackground•Warming and drying trend over North-eastern Asia•Transitional zone of vegetation type•Market economy and overgrazingAim•Exploring the interactive relationship of eco-hydrological processesand bio-atmosphere over the transitional region of north-eastern AsiaMethods• Acquirement of background information based on multi-disciplinaryobservation• Determination of model parameters• Model based future projection11


Study area (the Khelren River basin)#*#*#*110°E115°ELarch forestFORMNGBGNBGN (hillslope)JGHKBUUDHCHBDHKhelren River45°NSteppe110°E115°E50°N45°N1000 m1500 m2000 m FOR1500 m")MNGBGN ")") ")")")")")KBU1500 m1500 m1000 m1000 m")")")")")")")")")")")JGH ")")") UDH")")DH")1000 mElevation contour")115°E")CHB")110°E 115°EVegetation,Soil, Climate,and Grazingpressure varyalong thebasin110°E 115°E50°N300 mm300 mmFOR#* #*#* #*#*#* #* MNGBGN #*#*#* #* BGN (hillslope)#* #*JGH#*#*KBU#* #* #*#*#*#* #*#*#* #*DHPrecipitation contour350 mm250 mm#* #*CHB#*#*#* #*#*#*#*#*#* #*#* #*#*UDH#*#*#*200 mm150 mm1245°N 45°N110°ESugita et al. 2007; Li et al. 2007


Outline• 蒙 古 高 原 生 态 系 统 与 全 球 变 化• RAISE project• 蒙 古 高 原 水 汽 来 源 与 降 水 的 再 循 环• 蒙 古 山 地 落 叶 松 林 的 水 分 利 用• 废 弃 道 路 植 被 恢 复13


Our concerns• Where does water come from?– Globally, terrestrial annual mean precipitation (PPT)is 130 mm– In Mongolia, PPT varies from 0 to 400 mm– In Mongolia, over 80% of land surface is grassland,hence, it is hypothesized that evapotranspiration (ET)from this ecosystem is of paramount importance inwater cycling• Where and how does water go?– Groundwater and river charge– Runoff– Soil storage– Movement in SPAC14


GMWL vs LMWLδ 18 O (per mil)-30 -25 -20 -15 -10 -5 0Groundwatery = 6.7x - 11.2Rivery = 7.6x + 1.2Lakey = 5.5x - 28.5LMWLy = 7.6x + 0.5GroundwaterRiverSpringLakePrecipitationLMWL0-50-100-150-200-250δD (per mil)15


Isotopic composition of precipitation in the Khelren basinTemporal variation patterns arealmost uniform among sites.The variations of monthly δDand δ 18 O clearly show theannual cycle with minordeviations among sites, thoughthe deviation in deuteriumexcess (d) seems to be relativelylarge.Points are averaged data from sevensites along the river basin.16Yamanaka et al. 2007


Isotopic composition of precipitation in the Khelren basinslopeInterceptnr 2Monthly7.41 (±0.15)–1.10 (±2.82)660.975Daily7.14 (±0.12)–5.91 (±1.43)2040.946For both monthly and daily data, the linearrelationship between δD and δ 18 O can beclearly identified. The regression coefficients (i.e.,slope and intercept) for each site are notsignificantly different from those for the wholedata set.April – September 200317Yamanaka et al. 2007


Isotopic composition of precipitation in the Khelren basinThe similarities in the δD–δ 18 O relationship and the seasonal variationpattern among locations suggest that isotopic compositions ofprecipitation are primarily determined by large-scale (at least far greaterthan the eastern part of Mongolia) atmospheric moisture transport.The correlation analysis shows that seasonal and day-to-day variations ofisotopic composition in precipitation are characterized by a strongcorrelation with air temperature and a weak correlation with precipitationamount.18Yamanaka et al. 2007


Isotopic composition of precipitation in the Khelren basinA Rayleigh-type model successfullyreproduces not only the seasonalvariation but also the day-to-dayvariation of precipitation d values,indicating that isotopic compositionof precipitation is primarily controlledby rainout history duringtransportation from a vapor-sourcereservoir.The assumption of asingle source is effective, and itsconditions can be treated in thesame way as for a subtropicalmarine atmosphere. This result alsosuggests that the continentalrecycling process generally has aminor effect on isotopic variationsin precipitation over, at least,eastern Mongolia.19Yamanaka et al. 2007


Contribution of surface ET to PPTBGNKBUFTJGHUDHDRH20


Aircraft sampling of water vapor• Periods: Jun, Jul, Aug, Oct• Flight height: 100,200,500,1000 m• Additional measurements on aircraft:Ta, Rh, etc.21


Flight recordsRoute1:UB,KBU,FT,BGN (3hr)Route2:UB,KBU,FT,BGN,JGH, DRH, UDH (5hr)Flight Route Date Time(LST) Altitude of each passnumber Start End FT KBU BGN UDH JGH DRH1 R1 Jun 17, 20032 R1 Jun 18, 2003 8:30 11:55 500 200,500(2)3 R2a Jul 19, 2003 12:10 15:50 200 200, 500 200, 5004 R2b Jul 20, 2003 8:30 12:50 100(2), 200, 200, 400, 200, 400200, 500,700500(2) 700, 10005 R1 Jul 23, 2003 9:15 13:00 200(2),500, 1000200, 500,10006 R2a Aug 21, 2003 8:40 13:15 200, 500, 200(2), 500(2) 200, 500 150, 200,900(2)7 R2b Aug 22, 2003 9:45 14:40 200, 500,10008 R1 Aug 23, 2003 9:00 13:00 200,500(2),10009 R2a Oct 02, 200310 R2b Oct 03, 200311 R1 Oct 04, 2003300200,500(2),1000200,500(3),1000400500 200 200, 500,1000200,500(3),100022


Ground sampling of water vapor• Periods: Jun, Jul, Aug, Oct• Flight height: 0. 5 m and 25 m at the larch forest; 0.5 m and 3 m at the steppe• Surface measurements at super-sites: Rs, Rn, eddy fluxes, etc.PumpFlow meterWater vaporδ VWater trapGlassbeadsLiquid N 2δ l23


Diurnal changes in water vapor δ 18 O in the atmosphere1) Condensationmight cause adecrease in theδ 18 O WV.2) The atmosphereat 0.5 m wasaffected more byET than that at25 m.3) PPT input mightdecreaseδ 18 O WVon July20.24Tsujimura et al. 2007


Temporal changes in water vapor δ 18 O in the atmosphere1) The δ 18 O WVdecreased from June to October, in a similar way asδ 18 O PPT.2) The daily variation range was smaller than that of the seasonal variation.3) The δ 18 O WVin both the forest and steppe ecosystems tended to changein parallel, though the time resolution of the data was not completely thesame between the two sites.25Tsujimura et al. 2007


Turbulence profile in ABL276KBUFOREST1.2276Kaimal et al.(1976)Sorbjan(1989)1.2Kaimal et al.(1979)Sorbjan(1989)Top of the mixing layerz h i-10.8z h i-10.8Oct0.40.4276AugJul00.1 1 10 100σ θv2T *-200.1 1 10 100σ θv2T *-2Kotani et al. 2007 26


Temperature and humidity profile in ABLTsujimura et al. 200727


Air water vapor δ 18 O profile in ABL1) The δ 18 O WVinat the groundsurface washigher thanthat at a heightof 200–1000 m.2) The δ 18 O WVseems to behomogenizedthroughout analtitude abovea height of200 m, thoughthe verticalprofile ofδ 18 O WVvariedfrom day today.28Tsujimura et al. 2007


Plant water use and its contribution to ET & atmosphere-26 -42 -24 -40 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8δ 18 O(‰)Overstory TR25025200150Height(m)δatm ‰(free atm)Mixing-15.1 ~ -13.5‰TR100-10.3 ~ -9.1‰TRSoil evapUnderstory TR500.5-41.5‰Evap0Water uptakeδ 18 O profile of water vapor, soil water (7/19, 2003, Forest)-50-100-150Depth (cm)Water uptake29Li et al. 2006, 2006


水 蒸 气 Keeling plotδ TTranspired VaporδD D or δ 18 Oδ ETSoil EvaporationAtmosphereδ E1/AH Fm18δ Owv= +[H2O]aδ18OETϕ =18( δ O18( δ OETT18−δO18−δOEE))30


蒙 古 山 地 落 叶 松 林 蒸 发 散 的 同 位 素 分 析 II: 蒸 发 散 的 分 解水蒸气的氧同位素比值0-10-20-30-40δ 18 O of vapor from transpirationStipa steppeTranspiration 30-60%,Soil evaporation 40-70%Larch forestTranspiration 60-70%,Soil evaporation 30-40%-50δ 18 O of vapor from evaporation0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25水 蒸 气 浓 度 的 倒 数1/[H 2O] (m 3 g -1 )Li et al. 2006, Trees,Tsujimura et al. 2007, J. Hydrol31


Sources of atmospheric water vapor: measuredWater source and moisture recycling: Water vapor of the mixingboundary-layer of the atmosphere (up to 2000 m) contained 30-46%of ET-derived water at the forest and 25-44%at the steppe70Forest70GrasslandEvapotranspiration (mm)605040302010019.042.0July2003EvaporationTranspiration15.431.0AugustEvapotanspiration (mm)605040302010025.327.6July2003EvaporationTranspiration12.410.9AugustTsujimura et al. 2007, J. Hydrol32


Sources of atmospheric water vapor: modeledWSB, western Siberia; ESB,eastern Siberia; CTA, central Asia;MON, Mongolia; NEA, northeastAsia; TIB, Tibetan Plateau; ECA,east China; IDO, India and IndianOcean; SEA, Southeast Asia; NPO,North Pacific Ocean; SPO, SouthPacific Ocean.Locally-derived PWV•Iso-measurements:•30–46% at the larch forest•25–44% at the stipa steppe•Iso-model:•25–40% at both the forest and steppe•Tropically derived PWV: less than 10%33Sato et al., 2007, JGR


Outline• 蒙 古 高 原 生 态 系 统 与 全 球 变 化• RAISE project• 蒙 古 高 原 水 汽 来 源 与 降 水 的 再 循 环• 蒙 古 山 地 落 叶 松 林 的 水 分 利 用• 废 弃 道 路 植 被 恢 复34


Water use by mountain larch forest in northeastern MongoliaOur taigaMongonmorit 1993-20033020100Monthly mean air temperatureM onthly mean rain( mm)Data source: IMHForest site Apr-Sep 2003140120100806040200Annual mean 302 mmJ F M A M J J A S O N DMonth-10-20-30Annual mean -2.7 degCDominant species:Larix sibirica Ledeb-40JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDecLAI: ~ 335


蒙 古 高 原 山 地 落 叶 松 林 的 水 分 利 用 策 略0土壤深度-0.2-0.4-0.6JuneJulyAugustSept-0.8-1-16 -12 -8 -4水 的 氧 同 位 素 比-16 -12 -8 -4δ 18 O (SMOW, %o)-16 -12 -8 -4-16 -12 -8 -4 5 10 15 20土 壤 含 水 量Soil water content (%)在 水 分 供 应 充 足 的 条 件 下 , 落 叶 松 主 要 利 用 浅 层 土 壤 水 ; 而 在 水 分 短 缺 时 , 可利 用 深 层 土 壤 水 。Li et al. 200636


蒙 古 山 地 落 叶 松 林 的 水 分 利 用 策 略 的 同 位 素 证 据0-5水的同位素比值-10-15-20-25-30RainLarchShrub-35120 140 160 180 200 220 240 260 280Julian dayLi et al. 200537


蒙 古 高 原 山 地 落 叶 松 林 的 水 分 利 用 策 略 Based on Romero-Saltos model水 的 氧 同 位 素 比 18 O-17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -80June 18OJuly 18OAugust 18OSeptember 18O-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1土壤深度m0June July August September10203040506070809010018OD38Li et al. 2007


蒙 古 山 地 落 叶 松 林 的 蒸 发 散 的 同 位 素 分 析 I: : 日 进 程 和 饱 和 差 控 制6005004003002001000-100201510水的同位素比值560-6-12Ta净 辐 射VPD气 温δ 18 O wlmodeledδ 18 O wsRnLE潜 热饱 和 差δ 18 O wlmeasured(a)(b)(c)6 9 12 15 18 21Time of day (h)1.61.20.80.40叶片蒸腾的同位素分馏作用2520151050-0.1 0 0.1 0.2 0.3252015105y = 42.64x + 7.03, r 2 = 0.36ET (mm h -1 )y = 18.39x + 0.46, r 2 = 0.7700 0.3 0.6 0.9 1.2VPD (kPa)(a)蒸 散 量(b)饱 和 差39Li et al. 2005, Trees


研 究 了 蒙 古 高 原 北 部 山 地 落 叶 松 泰加 林 的 水 分 利 用 效 率 与 氮 素 的 关 系-22-22-24d13d13-24-26-26-28-280 1 2 3 4 5N concentration (%)有 研 究 指 出 , 落 叶 松 林 的 水 分 利 用 效 率 与 植物 体 的 氮 素 含 量 没 有 显 著 关 系 , 但 我 们 的 研究 却 发 现 , 二 者 之 间 存 在 非 常 好 的 线 性 关系 。 说 明 氮 对 蒙 古 泰 加 林 可 能 有 限 制 作 用 。40Li et al. 2007


Outline• 蒙 古 高 原 生 态 系 统 与 全 球 变 化• RAISE project• 蒙 古 高 原 水 汽 来 源 与 降 水 的 再 循 环• 蒙 古 山 地 落 叶 松 林 的 水 分 利 用• 废 弃 道 路 植 被 恢 复41


Vegetative Restoration from the Degraded Steppe Induced byMulti-traffic TrackingHypothesis: Isotopic signals in the steppe ecosystem components (soil and plantorganic matter) might offer useful information of vegetation restoration afterdisturbance42


CDMaximalLAI = 0.6 in 2003Grazing intensity0.68 sheepequivalent or (0.11Bod) per ha in 2003ABSoil sampling43


Carbon stable isotopic evidence for vegetation restoration44


Proportion of C4-derived carbon in the soil organicmatter within upper 2-cm depth45


谢 谢 大 家 !46

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