中科院内陆河流域生态水文重点实验室简介

1、中科院内陆河流域生态水文重点实验室简介中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室（以下简称内 陆河流域生态水文实验室）定位于国家内陆河流域水-生态-经济系统管理中亟待解决的基础及应用基础科学问题研究。主要 研究方向流域水文与水资源、流域生态水文过程、生态恢复和 流域管理研究。近年来，在内陆河流域水文过程、内陆河流域 水资源调控、内陆河流域生态恢复、生态系统恢复技术集成及 应用等方面取得了重大进展。内陆河流域生态水文实验室源于1950年代原冰JI冻土研究所水文研究室和沙漠所水土资源研究室的基础。1999年冰川、沙漠、高原大气三所整合后，于 2003年成立寒旱所“内陆河流域 水文与应用生态重点实验室”

2、试运行，2006年成为所级重点实验 室。2008年评估通过进入中国科学院重点实验室行列。三所整合以来，实验室结合国家内陆河水与生态方面的需求新建和完善了 流域野外观测试验站网，加强了室内分析测试能力建设， 注重了 新学科增长点的培育，立足流域生态水文科学前沿， 寻求国家西 部水-生态问题解决方案。在国内率先开展了生态水文学、生态 经济学和流域科学研究。发展为集野外监测与室内分析的流域生态水文科学研竺*阜早国*文 过程H渊生岳木0荒漠即洲生 盘水文生忠蛭矫与 水管理20162009复千区布交姓理题3水热姓性与甲T效域样字桁生 区生香水交 I中科Bi内的河宴躺室甘去古愿河4世室事早区康文上 120

3、08中科院内用河淄域生得水文点实验中（新尼）亭早区水宓毒就专19992006内随河流域水文重点实监室（所级）；2003内陆河流域水文与应用生态支检率（所报）率区水文酬究室哪究室）195 口水土空源室（研究室）区域特色显著.学科优势明显1总体定位实验室围绕内陆河流域水-生态-经济系统管理中亟待解决的 基础及应用基础的科学问题，以水为主线，通过长期野外定位 观测，建立流域大尺度、多维度的监测网络系统和实验室分析 为一体化的研究平台；在内陆河流域水文与水资源、流域水文 生态系统的互作机制、生态恢复和流域管理等领域取得标志性 创新成果，为内陆河流域可持续发展提供科技支撑，取得不可 替代地位；凝聚内陆河

4、流域科学研究的杰出人才和创新研究团 队，发挥引领作用，成为具有国际影响力的流域科学研究中 心。2主要研究方向内陆河流域生态水文学研究急需建立水循环的基础理论，需 要在方法和技术上创新，逐渐形成以生态水文研究为主线的流域科学体系，服务于集成流域管理。为此，集中开展如下三个方向的创新研究：1）流域水文与水资源高寒山区水文过程与冰雪、冻土水资源效应。研究冰川与积雪消融、冻土水热传输过程及其产汇流过程机理，分析高寒山区典型下垫面能水平衡过程，揭示冰雪消融及冻土变化对高寒山区流域水文过程的影响及其水资源效应，预估未来冰雪、冻土变化对流域水资源的影响。森林、草地产流机理。研究森林、草地生态系统结构及其格局

5、，分析典型森林、草地生态系统水热传输过程及能水平衡规律，揭示森林、草地地表径流、壤中流形成过程、尺度效应及形成机理，预测全球变化条件下森林、草地产流变化。荒漠绿洲地下水和地表水转化过程。基于野外监测、同位素示踪及模型模拟等手段，研究不同水文单元地下水与地表水转化过程、规律及影响因素，探讨荒漠绿洲地下水和地表水的联合利用途径。2 ）流域水文- 生态系统的互作机制高寒植被生态系统格局功能。研究高寒植被分布、结构与功能， 探讨森林斑块的形成机理及其稳定性机制， 揭示高寒植被生态系统格局功能演变过程。绿洲结构、功能与水分利用。分析不同尺度绿洲的结构与功能，研究绿洲水分利用效率、绿洲生产力及绿洲稳定性，

6、揭示绿洲功能与水分利用相互作用机理，提出绿洲稳定的水资源配 置模式。荒漠植被的水分适应机制。研究荒漠植被水分代谢及其调控机理，水分利用来源、水分利用效率，不同尺度蒸散耗水规律及尺度转换，荒漠植被稳定的水分阈值，探讨荒漠植被耐旱机制及水分适应策略。流域水文 - 生态系统相互作用机制。研究山地- 绿洲 - 荒漠植被格局与水文过程的耦合关系，探讨气候- 水文过程 - 生态格局变化之间的相互作用机理，揭示形成流域生态格局和过程的水文学机制。3）生态恢复和流域管理生态系统稳定性与生态恢复原理。建立内陆河流域山地- 绿洲-荒漠生态系统稳定性评估指标体系和方法，评估生态系统稳定性与生态服务功能，研发退化生态

7、系统恢复与重建的关键技术，研发生态系统结构与功能的优化配置与调控技术，构建内陆河流域山地- 绿洲 - 荒漠生态系统恢复与重建模式。流域生态经济与水资源配置。研究内陆河流域人类活动驱动的自然 - 社会系统水循环规律，评估流域水资源配置的环境效益，研发山区水源涵养保水技术、水资源紧缺型绿洲水调控技术和流域水分管理和生态输水技术，提出流域水资源可持续利用的生态经济管理模式。集成研究与综合管理。建立内陆河流域多维度的生态水文监测网络体系，集成山地- 绿洲 - 荒漠生态系统恢复与重建模式，构建基于生态修复的“山区保水- 绿洲节水 -荒漠配水”水资源综合管理模式，提出变化环境下流域水 - 生态 - 经济系

8、统集成管理与决策支持系统。3 目标通过建立内陆河流域科学观测 - 试验、数据- 模拟研究平台，揭示气候变化和人类活动影响下内陆河流域个体、群落、生态系统、景观、流域等不同尺度生态与水文相互作用的过程和机理；建立耦合生态、水文和社会经济的流域集成模型，提高内陆河流域水- 生态 - 经济系统演变的综合分析能力和流域综合管理能力；使我国流域生态水文研究进入国际先进行列，为国家内陆河流域水安全、生态安全以及社会经济可持续发展提供基础理论和科技支撑。4 科研平台4.1 人工气候模拟实验室人工气候模拟实验室自 2011 年建成以来，针对干旱区黑河下游极端环境，开展模拟和控制大气和土壤的温度、空气湿度、光照

9、，形成不同气温、湿度、光照等生境组合实验环境，利用室内盆栽典型荒漠植物红砂、梭梭、霸王、沙冬青和柽柳，完成不同水势、光、温、湿等组合的生态水文实验。通过室内模拟实验对荒漠植物对大气水汽的利用规律、边界条件及利用量的研究，揭示荒漠植物水汽利用生态水文机制，探讨荒漠植物大气水汽利用的生态、生理、分子生物学的响应特征及其适应性机理，认识荒漠植物适应极端干旱环境生存策略，为“黑河流域生态- 水文集成研究重大计划”提供相关研究基础。实验室现有仪器设备包括LT/ACR-2002 人工气候室控制系统、FLOW32A-1包裹式茎流仪、WP-4CS物露点水势仪、GFS-3000光合系统仪、MINIPAM光仪、P

10、TM4觥合仪、电子天平等。4.2 植物生理生化实验室实验室针对干旱区内陆河流域下游极端的干旱环境， 重点探索荒漠植物响应及适应干旱、 高盐、 低温等逆境胁迫的生理变化过程、细胞调控机制以及分子遗传机理等重要理论科学问题。近年来，主要开展了中下游荒漠区植物红砂基因组基础特征的研究，包括染色体特征、 倍性、 基因组大小及基因组序列构成特点等方面的研究；开展了下游主要荒漠植物红砂、柽柳、梭梭、霸王、白刺大气水汽细胞利用机制及水通道蛋白基因调控机理研究。 上述研究成果为深入认识干旱区内陆河流域极端干旱生态环境植物的适应存活对策、 生态恢复和可持续发展具有重要学术和决策价值。实验室配置有能进行染色体检测

11、、 荧光原位杂交分析的高级荧光显微镜OLYMPUS-BX5和自动原位杂交箱Abbott MolecularTermoBrite ,配置有能进行分子、生理操作的DNAS量仪ThermoND2000c 美国 PCR ABI VERITI、芬兰 PikoReal 实时荧光定量PCR佥测系统、美国伯乐Gel Doc XR+胶成像系统、电泳仪、美国低温高速离心机Thermo Scientific Sorvall Strato 、高温灭菌锅 SANYOMLS-375A生物安全柜、超低温冰箱ThermoScientific Forma 994、精密电子天平等一系列的基本实验仪器。实验室具备了能进行植物生理、

12、 细胞、 分子常规检测研究的实验条件。4.3 树木年轮学实验室实验室针对干旱区内陆河流域生态环境演变过程，近年来，在上游山区主要开展了冰川物质平衡线的高寒灌木年轮重建和不同海拔梯度针叶树径向生长与年轮形成监测研究， 在下游荒漠区主要开展了近200 年来尾闾湖湖泊水位变化灌木年轮水文学研究、 绿洲尺度生态演化的胡杨树木年轮学评价、 荒漠河岸林主要树种径向生长与年轮形成监测研究、 荒漠灌木年轮气候学研究、人工灌木林适应性年轮生态学评价及新灌木种的年轮学适宜性研究等工作。 上述研究成果对于深入认识干旱区内陆河流域生态环境演变、生态恢复和可持续发展具有重要学术和决策价值。实验室现有仪器设备包括Lint

13、ab 树轮宽度测量仪、高分辨率扫描仪、影像分析工作站、实体显微镜、照像显微镜、生长锥、微样芯采样器、 形成层切片制作系统、 样芯与树盘前处理系统和野外树木径向生长监测仪等。4.4 同位素水文实验室同位素水文实验室由气体稳定同位素质谱仪、 2 台元素分析仪和土壤 - 植物提水系统组成。该实验室主要用于测定液态水的稳定氢氧同位素组成和土壤和植物固态样品稳定碳、氮、氢、氧及硫同位素组成(8 13G 5 15M 5 DX 8 18O和8 34S)。其中液态水的SD和8 18O主要研究不同尺度的水循环过程，如生态系统植物水分来源、大气水汽来源、水汽内循环特征、生态系统蒸散发的分割、径流分割、地表水地下水

14、的转化、地下水补给源及补给时间等；植物 SD和8 18O主要用于研究全球气候变化、植物水分来源和大气环流特征等；土壤和植物S13C和S15N主要用于研究生态系统碳氮循环过程： 如全球气候变化、 植物水分利用效率和生态系统氮素来源等；硫同位素主要用于环境领域的硫循环和硫源解析等研究。同位素水文实验室针对西北干旱内陆河流域的生态- 水文过程， 对内陆河流域水循环过程、 生态水文过程和碳氮循环特征进行了研究。 借助该研究平台开展了下述工作： 通过对黑河流域和巴丹吉林沙漠不同水体SD 8 18O和S34S的测定，揭示了黑河源区大气水汽来源、 黑河源区降水对河川径流的贡献、 黑河流域地表水与地下水转化、

15、黑河流域不同水体与巴丹吉林沙漠地下水的关系及巴丹吉林沙漠湖水蒸发损失率等； 通过对黑河流域大气水汽、土壤、植物叶片、枝条及根系水的SD和8 18O的测定与分析， 揭示了黑河流域典型生态系统植物水分来源、 生态系统大气水汽交换特征、植物蒸腾与土壤蒸发对大气水汽的 d-excess的调节作用及黑河源区水汽内循环特征等；通过对沙坡头植物和土壤S13C和S15N及碳、氮含量的测定，揭示了荒漠植物水分利用效率、 氮素来源、 水肥关系及固沙植被系统演替特征等。4.5 离子色谱实验室离子色谱实验室核心设备为美国戴安公司的 ICS-5000 分析型离子色谱系统， 该系统是戴安公司最新推出的最高端研究级色谱系统

16、。 ICS-5000 除具备基础的离子分析功能外， 还可根据用户的需求进一步升级，通过添加电化学检测器、紫外检测器、不同的分析柱等模块实现生物液相、氨基酸分析等功能。离子色谱主要用于环境样品的分析，包括地表水、地下水、饮用水、雨水、生活污水和工业废水、酸沉降物和大气颗粒物等样品中的阴、阳离子。另外在食品、卫生、石油化工、水及地质等领域也有广泛的应用。可检测所有常规离子， 对于最常用的内陆河流域水环境化学阴、阳离子分析可以做到12-17 分钟得到一个样品的阴离子或阳离子分析结果，配合62 位自动进样器的使用更可以实现24 小时不间断样品测试，大大提高了离子分析效率。为配合离子色谱的使用， 实验室

17、还配备有赛默飞离子色谱自动进样器、 默克 - 密理博超纯水机、 梅特勒 - 托利多半微量电子天平以及配合土壤前处理的小型设备，包括振荡机、离心机、烘箱、冷藏柜等。本实验室核心设备ICS-50002015 年运行情况良好，累计分析超过 1000 个样品。4.6 土壤与水化学分析室土壤与水化学分析室主要承担土壤、植物与水样C、 N、 P、 K等营养元素及盐分离子的测定分析工作。 近年来分析室运行正常，基本能满负荷工作。 分析室主要完成了两方面的工作： 一是承担中国生态系统研究网络站沙坡头站和临泽站土壤与水样的监测分析工作， 每年提供的监测数据在质量上通过土壤分中心与水分中心的好评， 监测数据质量在

18、网络站评比中名次靠前。 二是完成了寒旱所多位研究人员承担的项目化验分析工作， 2015 年完成2000 多个土壤、 植物样碳、 氮、 磷的分析工作。 主要仪器及其用途如下：元素分析仪（德国 ELEMENTAR器公司，VARIO MACRO用于土壤、植物与水样碳、氮含量的测定；色谱分析仪（瑞士万通） ，用于水样盐分离子测定；全自动凯式定氮仪（瑞士布琪） ，用于土样、植物样全氮含量测士定；分光光度计（日本岛津） ，用于土样、植物样全磷、速效磷含量的测定及硝态氮、铵态氮等的比色分析；火焰光度计，用于钾元素的测定；其它配套的仪器包括电导率仪、PH计、烘箱、离心机、高速可变 速粉碎机、振荡仪等。5 野外

19、平台5.1 临泽内陆河流域研究站临泽站成立于 1975 年， 2003 年加入中国生态系统研究网络（ CERN） ， 2005年入选国家生态与环境野外科学观测站（ CNER）N，2007 年入选第一批水利部水土保持科技示范园区。临泽站地处甘肃省河西走廊中部的临泽县， 黑河流域中游， 区域上属于中温带干旱区。 已形成了以黑河中游绿洲农田生态系统和荒漠生态系统为中心基地， 以上游森林生态系统为辅助观测点， 以流域水资源、绿洲灌溉农田生态系统、绿洲与荒漠（沙漠）过渡带和荒漠生态系统为一体的多学科综合试验研究站。临泽站占地700亩，现有各类建筑面积 5000m2有试验用地164137mz其中长期试验地

20、 29375mz定位样地71637mz观测场地63125m2拥有环境综合观测场2个、气象观测场、农业试验地、水肥试验场、荒漠植物引种圃及温室等设施，在周边地区设有水分、 土壤、 植被、 地下水等长期观测样地 （点） 。 现有各类仪器设备 58 台（套） ，包括自动气象站、环境监测系统、农田和荒漠小气候梯度系统、涡动相关系统、光合速率测定系统、土壤呼吸系统、 植物茎流计、 水势仪、 植物生长箱、 原子分光光度计、离子色谱仪、定氮仪、水质分析仪等，总价值达815 万元。从 2009 年开始，在实验室的支持下，开展了绿洲生态水文、干旱区土壤与绿洲农业、 干旱区植物生理、 森林生态水文以及流域尺度水文

21、水资源效应和水资源管理等方面的研究， 取得了重要研究成果。2.5.2 阿拉善荒漠生态水文试验研究站阿拉善站始建于 1982 年，隶属于中国科学院寒区旱区环境与工程研究所。该站地处黑河流域下游、阿拉善高原的西部，毗邻巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，大本营地理坐标为42 01 N,100 21 E,海拔920m本站以额济纳绿洲和荒漠为研究载体，开展极端干旱条件下生态水文学、恢复生态学、荒漠生态学、沙漠化防治及可持续管理学的基础理论研究， 注重荒漠生态系统的技术开发、 试验示范和技术推广。 突出极端干旱区荒漠植被动态、水分平衡，生态水文、能量平衡、物质流和荒漠化过程研究。为解决极端干旱条件下人类活动 -

22、大气 - 植被 - 水的耦合关系，黑河下游生态环境演化、 巴丹吉林沙漠水来源， 干旱区资源优化配置和可持续发展等问题提供科技支撑。截至目前，试验站拥有300亩实验用地和50hm2荒漠生态系统观测用地。实验用地中布设有荒漠综合观测场（面积为50mx 50中、辅助观测场（面积为30X 50ml和规范气象观测场（面积为25X25m 日光温室观测试验场（面积为20mx 10n）,作为荒漠生态系统长期定位观测场地。此外，设有绿洲 - 荒漠过渡带、 河岸林和盐化草甸等长期观测样地和黑河河岸到荒漠样带地下水观测井20 眼。 主要的仪器有： 自动气象站、 涡动相关仪、波文比系统、 微机资料处理系统以及常规电子

23、测量仪器等多台设备。 建立和完善了干旱区生态水文长期多次度监测网， 积累了大量干旱区生态水文观测资料，包括雨量数据、气温数据、土壤温度和湿度监测数据、土壤水势和热导率数据、涡动相关通量、胡杨和柽柳树干液流数据、 地下水位实时观测数据等。 与多家单位实现基础数据共享。2015 年， 由该试验站承担和执行中科院重点部署项目 1 项，中科院科技创新交叉与合作团队1 项， 国家自然科学基金和社会科学基金 20 余项。同时，试验站与中国科学院地理科学与资源研究所，北京师范大学，兰州大学，陕西师范大学等科研部门长期合作共同承担科研项目和人才培养。 推动了试验站的跨区域合作和国际交流。2.5.3 黑河上游生

24、态-水文试验研究站黑河上游生态- 水文试验研究站（黑河上游站）成立于 2008年， 为中科院寒旱所所级站， 地处黑青海省祁连县扎麻什乡河西村（北纬38 15,东经99 52,大本营海拔3040米）。该站以寒区水文和寒区生态水文学为主要研究方向， 探讨高寒山区流域生态、 水文过程机理及其对全球变化的响应， 为变化环境下高寒山区径流预估及水源地保护服务。2009 年以来，在中科院内陆河流域生态水文重点实验室和研究所共同支持下， 黑河上游站得到了较大发展， 现生活区面积4000mz总建筑面积600mz水、电、网络、通讯设施齐全，站区配备数据采集中心、网络通讯设备、样品室、土壤水热参数实验室以及生态水

25、文实验室等， 建立了寒区水文和寒区生态水文多尺度监测网络，拥有寒区气象监测网络、冰川水文观测场、冻土水文监测网络、雪水文场、寒漠水文试验小流域、森林水文场、灌丛水文场以及地下水监测网络等。 近年来， 支撑了国内相关单位的研究课题 30 余项， 夏季每天在站工作人数30 余人， 数据共享数十个单位，基本实现了公用平台的功能。2014年加入中国科学院陆面过程观测网（CAS-LASON和世界气象组织全球冰冻圈监测网络（WMO-GCW考站）。6仪器设备序号设备名称设备型号购买时问价格（万元）使用总时间（小时）非本室使用时间（小时）1环境监测系统ZENO3200200130.049960-2定氮仪Bu chiK37020025921672-3自动气象站ENVIS200343.21156836804环境气象站HS-50/Li-7500200436.4621600-5环境观测系统ENVIS20041602593128537大型称重式蒸渗仪WeightingLysimeter200454194767008包裹式植物茎流测量系统FLOW322005821629686259双系统多路沙地温度冠层温湿度采集仪2005327584-10稳定同位素质谱仪Isoprime20052809600-11波义比系统ENVIS20064783