陆地生态系统野外增温控制实验的技术与方法

由于人类活动导致的碳排放急剧增加, 工业革命以来全球地表温度显著增加约1 ℃, 未来全球气候还将持续变暖, 到21世纪末最高可升温4 ℃。这种前所未有的气候变化不仅影响陆地植被的适应策略, 也深刻影响生态系统的结构和功能。其中陆地生态系统碳收支对全球变暖的反馈, 是决定未来气候变化强度的关键因素, 因此全球已经开展了大量的生态系统尺度的野外增温控制实验, 研究生态系统碳收支对气温升高的响应, 从而提高地球系统模型的预测精度。然而由于增温技术和方法的不同, 不同研究的结果之间难以进行比较。该文系统总结了常见的野外增温技术和方法, 包括主动增温和被动增温, 阐述了其优缺点、适用对象以及相关研究成果。同时简要介绍了野外增温控制实验的前沿研究方向——新一代野外增温技术(包括全土壤剖面增温和全生态系统增温)和基于新一代增温技术开展的野外增温联网实验。     

Progress in the effects of elevated ground-level ozone on terrestrial ecosystems

浓度不断升高的地表臭氧(O₃)已成为全球性环境问题, 中国也不例外。目前, 高浓度O₃对叶片光合气体交换、植物生长或生物量的影响已备受关注, 但有关O₃对生态系统层次的研究还相对稀缺且存在较大的不确定性。该文梳理了近40年来地表O₃浓度及其影响相关领域的发展趋势和研究热点, 回顾了地表O₃浓度升高对植物影响的研究手段和评估方法, 综述了地表O₃浓度升高对陆地生态系统影响方面取得的重要进展, 主要包括植物应对O₃胁迫的响应机制、地表O₃对粮食产量和作物品质、生态系统固碳能力、群落结构和地下过程的影响及地表O₃污染区域风险; 此外, 针对目前研究的不足, 对未来研究进行了展望。建议利用先进的完全开放式O₃熏蒸系统模拟O₃浓度升高对生态系统影响的同时加强对地下生态过程的研究, 开展O₃与其他环境因子的复合作用研究; 关注O₃污染对粮食安全的影响; 开展联网研究, 建立统一评价体系; 探索减缓地表O₃污染的生态防控措施; 以期为地表O₃污染生态效应领域的发展提供助力。     

陆地生物圈模型的发展与应用

陆地生物圈与大气圈和水圈之间能量、水和碳氮等元素的交换和循环对整个地球系统产生了深刻的影响。陆地生物圈模型(TBM)是研究陆地生态系统如何响应和反馈全球变化的重要方法和工具。通过对从生态系统到区域和全球陆地生物圈不同空间尺度的植被动态、生物地球物理和生物地球化学循环过程、水循环和水文过程、自然干扰和人类活动等过程时间动态的模拟, 陆地生物圈模型被广泛地应用于评估和归因过去陆地生物圈的时空变化和预测陆地生物圈对未来全球变化的响应和反馈。该文简要回顾了陆地生物圈模型的发展, 总结了模型对陆地生态系统主要过程的刻画和模型在生态系统生态学的应用, 并对未来陆地生物圈模型的发展和应用进行了展望。     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

Impacts of elevated carbon dioxide concentration on terrestrial ecosystems: problems and prospective

理解生态系统对过去、现在和未来CO₂浓度变化的响应,对于在生态进化的时间尺度上认识和预测全球变化的后果至关重要。过去三十多年来CO₂浓度升高相关的科学问题主要集中在对植物生长和生产力的影响, 碳氮周转, 生态系统渐进式氮限制(PNL)形成, 与其他胁迫因子(O₃污染、氮沉降、升温、干旱)之间的交互作用等方面。尽管生态学家在数据累积、基础理论上取得了一定进展, 但是仍然存在较大不确定性和大量未知有待解决。该文探究了近30年来CO₂浓度升高对陆地生态系统影响研究的国际研究进展、重点领域及热点, 回顾了CO₂浓度升高对植物影响的模拟实验研究发展, 重点论述了CO₂浓度升高对粮食产量及品质、碳固定、水分利用效率、生态系统氮利用和土壤微生物响应等国际前沿动态研究中存在的主要问题与不足, 在此基础上展望了未来研究中值得关注的前沿研究方向。     

Research progress on the effects of grazing on grassland ecosystem

全球草地占据30%左右的陆地面积, 在全球气候变化、碳氮及养分循环、保持水土、调节畜牧业生产等方面具有重要的作用。目前草地的主要利用方式之一就是放牧, 不同的牲畜种类、放牧强度、年限、历史和制度等, 会影响草地植物群落、生物多样性及土壤微生物, 进而影响草地生态系统结构、功能和过程。该文围绕放牧对草地生态系统结构、功能和过程的影响, 1)回顾了20世纪50年代到现在各个历史阶段放牧对草地生态系统影响的研究; 2)利用文献计量分析的方法, 剖析了放牧对草地影响研究的热点内容、重要区域和关键词等; 3)阐明了放牧对草地植物生长、群落特征、碳氮及养分循环、生产力及土壤质量等的各方面影响的研究进展及国内相关研究的优势及存在的主要问题和不足; 4)基于上述分析, 从草地放牧精准管理、经典假说验证、放牧和全球变化研究相结合等方面, 提出未来研究的前沿方向和优先领域。该文在系统总结放牧对草地生态系统影响的研究进展、研究优势及存在问题的基础上, 提出未来的研究应与全球变化相结合, 为我国的草地放牧生态学研究、适应性管理和可持续利用等提供科学基础。     

A review of influences of land use and land cover change on ecosystems

随着人口的增长和人类社会的发展, 土地利用与土地覆盖变化已经是不可避免。土地利用与土地覆盖变化不仅对生态系统的要素、结构和功能产生深远的影响, 也会对全球变化产生反馈作用。针对土地利用与土地覆盖变化的过程、驱动机制以及在各个方面可能产生的生态环境效应的科学研究已经全面开展。该文综述了土地利用与土地覆盖变化对气候、土壤、生物地球化学循环、生物多样性以及区域生态环境等影响方面的研究进展, 并提出了相关研究的前沿方向展望。随着新技术的不断发展, 学者们将更多地侧重预测未来全球变化背景下的土地利用与土地覆盖变化趋势、合理性以及适应性, 为可持续发展提供基础资料和理论依据。     

新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

Responses and regulation mechanisms of microbial decomposers to substrate carbon,nitrogen, and phosphorus stoichiometry

The survival and growth strategies, community structure and functions of microbial decomposers vary with substrate stoichiometry, which profoundly influences substrate decomposition, turnover, and hence the carbon and nutrient cycles of terrestrial ecosystems. It is crucial to understand the relationships among microbial metabolism, community structure and ecosystem processes of terrestrial ecosystems and their responses and feedbacks to global changes. In this review, we first introduced the significance of microbial decomposers in the carbon, nitrogen, and phosphorus cycles of terrestrial ecosystems from perspectives of ecological stoichiometry and metabolic theories. Then we synthesized four potential mechanisms of microbial response and control on substrate stoichiometric variations, i.e., through (1) modifying microbial stoichiometry, (2) shifting microbial community structure, (3) producing extracellular enzymes to acquire limiting resources, and (4) changing microbial carbon, nitrogen, and phosphor use efficiencies. Finally, we proposed three research directions in this field: (1) to comprehensively explore various microbial mechanisms in response to changes in substrate stoichiometry and the relative importance of these mechanisms; (2) to examine influences of global changes on microbial-driven cycles of carbon, nitrogen, and phosphorus; and (3) to explore spatiotemporal changes in the strategies of microbial adaptation to changes in the substrate stoichiometry.     

Advances in the carbon use efficiency of forest

植物碳利用效率(CUE)指净初级生产力与总初级生产力的比率, 它不仅反映了植被生态系统将大气中CO₂转化为生物量的能力和固碳潜力, 而且可确定呼吸对植被生产力的影响。CUE是比较不同生态系统碳循环差异的重要参数, 了解生态系统CUE有助于分析陆地生态系统是碳源还是碳汇, 对于预测全球变化和人类干扰对森林碳收支的影响具有重要意义。我国在森林CUE研究方面还十分欠缺。该文在介绍森林CUE计算方法和测定技术的基础上, 综述了植被、气象、森林经营等因子对森林CUE的影响, 得出主要结论: (1)关于不同森林植被类型CUE变化有两种截然相反的观点, 即: 恒定CUE和变量CUE。越来越多的研究支持第二种观点, 不同生态系统、不同森林类型、不同物种和植物发育阶段的CUE存在较大差异, 森林CUE较灌丛和草地低, 落叶林比混交林和常绿林具有较高的CUE, 热带森林CUE通常低于温带森林, CUE与植被演替和林龄相关, 森林地上、地下部分和不同组织的CUE不同, 以树干为最高; (2)植被的CUE与气温相关, 全球尺度上, 森林植被年平均CUE与年平均气温呈抛物线关系, 温带、寒带、干旱地区植物呼吸的温度适应驱动其较高的CUE; CUE随着降水量的增加而减少, 在水分充足或过剩的地区保持不变; 光照减弱降低维持呼吸系数, 增加生长呼吸系数, 导致植物CUE降低, 生长在高光照下的植物CUE高于低光照下的植物; (3) CO₂浓度升高引起植物CUE的升高或降低, 也有人认为CO₂浓度升高对森林CUE没有影响, CO₂浓度升高对CUE的影响可能取决于树木年龄或基因型; (4)生长在土壤瘠薄、低温、干旱等胁迫环境下的植物CUE通常比生长在适宜环境下的植物具有较大的可塑性, 施肥、灌溉和择伐等管理措施影响森林CUE; (5)植物CUE具有明显的季节变化, 温带森林以春季CUE为最高。建议今后森林CUE研究应着重围绕以下3个关键问题: (1)从不同空间尺度和生态系统层次, 探讨森林CUE的变异特征及其驱动机制; (2)从不同时间尺度, 探讨森林CUE动态过程与机制; (3)森林CUE对气候变化的响应与适应。     

Predator‐mediated effects of severe drought associated with poor reproductive success of a seabird in a cross‐ecosystem cascade

Despite the profound impacts of drought on terrestrial productivity in coastal arid ecosystems, only a few studies have addressed how drought can influence ecological cascades across ecosystem boundaries. In this study, we examine the consequences of rainfall pulses and drought that subsequently impact the breeding success of a threatened nocturnal seabird, the Scripps's Murrelet (Synthliboramphus scrippsi). On an island off the coast of southern California, the main cause of reduced nest success for one of their largest breeding colonies is egg predation by an endemic deer mouse (Peromyscus maniculatus elusus). Mice on the island have an opportunistic diet of primarily terrestrial sources, but drastic declines in terrestrial productivity from drought might be expected to increase their reliance on marine resources, including murrelet eggs. We compiled data on terrestrial and marine productivity between 1983 and 2013 to determine how conditions in these ecosystems influence murrelet nest success. We found that the severity of drought had the strongest negative impact on murrelet nest success. We calculated that the reduction in fecundity during drought years due to increased egg predation by mice was substantial enough to produce a declining population growth rate. Nest success was much higher under normal or high rainfall conditions, depending on whether oceanic conditions were favorable to murrelets. Therefore, the more frequent and severe drought that is projected for this region could lead to an increased risk of murrelet population decline on this island. Our study highlights the need for understanding how species interactions will change through the effects of increasing drought and altered rainfall regimes under global change.     

Global change and ecosystems research progress and prospect

全球变化与生态系统研究是一个宏观与微观相互交叉、多学科相互渗透的前沿科学领域, 重点研究生态系统结构和功能对全球变化的响应及反馈作用, 其目标是实现人类对生态系统服务的可持续利用。《植物生态学报》的《全球变化与生态系统》专辑在对国内外全球变化研究进行历史回顾和综合分析的基础上, 总结了全球变化与生态系统研究的阶段性重大进展及存在的主要问题, 并对全球变化研究的前沿方向进行展望和建议。根据研究内容和对象, 该专辑系统地综述了不同全球变化因子, 包括CO₂和O₃浓度升高、气候变暖、降水格局改变、氮沉降增加、土地利用变化等对陆地植物生理生态、群落结构及生态系统功能等的影响以及全球变化对海洋生态系统的影响; 探讨生态系统关键过程以及生物多样性的变化; 在明确全球变化生态效应的基础上, 阐明这些影响对气候和环境变化的反馈机制, 为构筑全球变化的适应对策提供生态学理论基础。     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

磷影响陆地生态系统碳循环过程及模型表达方法

全球气候变暖已大大改变了陆地植物碳吸收能力, 提高了全球植被净初级生产力。随着气候变暖的加剧, 磷对植物生长的限制作用逐渐显现且不断增强, 磷影响陆地生态系统碳循环的机理和模型研究已成为研究热点。该文系统分析了磷影响陆地生态系统碳循环的相关机理以及模型对相关过程的定量化表达方法。综合对比分析了国际上的Carnegie- Ames-Stanford Approach-CNP (CASA-CNP)、Community Land Model-CNP (CLM-CNP)和Jena Scheme for Biosphere-Atmosphere Coupling in Hamburg-CNP (JSBACH-CNP)等碳、氮、磷耦合模型中磷影响植物光合作用与同化物分配过程、植物对磷的吸收过程、土壤中磷的转化过程以及生态系统磷输入与输出等过程的相关数学表达方法, 指出了模型算法的局限与不确定性以及未来模型发展与改进的方向。同时综合对比分析了CASA-CNP、CLM-CNP、JSBACH-CNP模型的基本特征, 总结了磷循环模型的建模方法, 为未来开展磷影响陆地生态系统碳循环的模型模拟研究提供了借鉴方法与参考思路。     

Litter standing crop of shrubland ecosystems in southern China

Aims Litter is an important component of terrestrial ecosystems, which plays significant roles in carbon and nutrient cycles. Quantifying regional-scale pattern of litter standing crop would improve our understanding in the mechanism of the terrestrial ecosystem carbon cycle, also with help in predicting the responses of carbon cycle of terrestrial ecosystems to future climate change. Our objective was to examine variation in litter standing crop of shrublands along the environmental gradients in southern China.
Methods During 2011-2014, we investigated the litter standing crop at 453 shrublands sites by the stratified random sampling, reflecting climatic and soil attributes across southern China.
Important findings We found that the mean value of litter standing crop in these shrubland ecosystems across southern China was 0.32 kg·m^-2. It was 68% of forest litter standing crop (0.47 kg·m^-2) and was five times higher than that in grasslands (0.06 kg·m^-2) in China. Litter standing crop increased with latitude. Our results showed that litter standing crop was negatively correlated with mean annual temperature, soil total P and soil pH, but not significantly correlated with other environmental variables, including mean annual precipitation, soil carbon, nitrogen and soil organic matter. The conversion coefficient of carbon in litter standing crop was 0.41, which is significantly lower than that of vegetation in shrublands (0.50), resulting in an overestimate in carbon storage of litter standing crop in shrubland up to 22% by applying wrong conversion coefficient. We concluded that litter standing crop of shrublands is an important component in terrestrial ecosystems. Mean annual temperature was the most important environmental variable, accounting for the variation in litter standing crop of shrublands in southern China. To our best of knowledge, this is the first study to quantify variation in litter standing crop of shrublands at the regional scale. Therefore, our study will have important implications for assessing the carbon budget of terrestrial ecosystems in China.     

Ecological impacts of nitrogen deposition on terrestrial ecosystems: research progresses and prospects

Due to huge consumption of fossil fuels and chemical fertilizers, substantial amount of anthropogenic reactive nitrogen (N) has been released into the environment. Therefore, N deposition has gradually increased worldwide and become one of the most important issues of global change. China has been a N deposition hotspot, and N deposition is projected to last long duration, which poses serious threats to ecosystem stability and functionality. In this synthesis paper, we summarized the impacts of N deposition on aboveground vegetation, soil microorganisms and biogeochemical cycling of major elements (carbon, N and phosphorus) in terrestrial ecosystems by outlining the progresses in the research field during the past 40 years. Results indicate that the accumulation of reactive N compounds induced by N deposition alters the soil environment, ecological stoichiometric balance and species co-occurrence patterns, thereby changing biodiversity and ecosystem functions. The rates, forms and duration of N deposition and the homeostasis of biosystem together with abiotic environments determine the direction and extent of the ecosystem response to N deposition. Through analysing local and foreign studies in this research area, we explore the weaknesses of relevant research that are being conducted in China. To advance the basic research on and risk management of N deposition, we propose the establishment of a N deposition monitoring and research network across the country with consideration of different ecosystems to promote regional and global risk assessments. Future research should highlight the combined multiple factors with N deposition and conduct direct and in-depth mechanism studies.     

干旱对中亚草地总初级生产力时滞和累积效应的影响评估

随着全球气候变化加剧,干旱对草原生态系统碳循环的影响更加复杂。作为全球陆地生态系统碳通量的最大组成部分,总初级生产力(GPP)对整个陆地碳循环具有深远影响,因此,探讨干旱对草地GPP的影响,对于理解区域碳循环机制,维护草地生态系统稳定发展具有重要意义。以中亚为研究区,基于NIRv-GPP和SPEI base v.2.7数据集,利用Theil-Sen Median斜率估计结合Mann-Kendall显著性检验、M-K突变检验和相关分析方法,探究1982-2018年干旱对草地GPP的时滞和累积效应。结果表明:(1)中亚地区草地GPP年平均值随时间变化整体上呈下降趋势,标准化降水蒸散指数(SPEI)年平均值呈降低趋势;(2)干旱对中亚绝大多数草地(95.6%)产生了时滞效应,滞后时间尺度集中在2-3个月;随着干旱状况的加重,滞后时间变长,滞后效应对草地GPP影响减弱;(3)中亚绝大多数草地(95.8%)对干旱存在累积响应,累积时间尺度以4、5、10月为主;随着干旱状况的加重,累积时间变短,累积效应对草地GPP影响增强;(4)通过对比研究时滞效应和累积效应发现:中亚超过四分之三(76.84%)的草地区域,干旱对草地GPP的时滞效应大于累积效应。研究结果可为理解气候变化背景下中亚生态环境动态变化特征及区域碳循环机制提供参考。     

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

Water isotope analysis for tracing ecosystem processes: measurement techniques,ecological applications,and future challenges

水分是生态系统的重要因子, 水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法, 利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征, 通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况, 可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究, 是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史, 在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理, 概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及 ¹⁷O-excess的研究进展, 并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后, 指出了水同位素研究亟待解决的问题, 展望了水同位素应用的前沿方向, 旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。