稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用

近20a稳定同位素技术在植物生态学研究中的应用得到了长足发展,使得对植物与水分关系也有了更深一步的了解。介绍稳定同位素性碳、氢、氧同位素在研究植物水分关系中的应用及进展,以期能为国内植物水分利用研究提供参考。由于植物根系从土壤中吸收水分时并不发生同位素分馏,对木质部水分同位素分析有助于对植物利用水分来源,生态系统中植物对水分的竞争和利用策略的研究,更好地了解生态系统结构与功能。稳定碳同位素作为植物水分利用效率的一个间接指标,在不同水分梯度环境中,及植物不同代谢产物与水分关系中有着广泛的应用。同位素在土壤-植被-大气连续体水分中的应用,有助于了解生态系统的水分平衡。随着稳定同位素方法的使用,植物与水分关系的研究将取得更大的进展。     

A method for in situ monitoring of the isotope composition of tree xylem water using laser spectroscopy

Field studies analyzing the stable isotope composition of xylem water are providing important information on ecosystem water relations. However, the capacity of stable isotopes to characterize the functioning of plants in their environment has not been fully explored because of methodological constraints on the extent and resolution at which samples could be collected and analysed. Here, we introduce an in situ method offering the potential to continuously monitor the stable isotope composition of tree xylem water via its vapour phase using a commercial laser‐based isotope analyser and compact microporous probes installed into the xylem. Our technique enables efficient high‐frequency measurement with intervals of only a few minutes per sample while eliminating the need for costly and cumbersome destructive collection of plant material and laboratory‐based processing. We present field observations of xylem water hydrogen and oxygen isotope compositions obtained over several days including a labelled irrigation event and compare them against results from concurrent destructive sampling with cryogenic distillation and mass spectrometric analysis. The data demonstrate that temporal changes as well as spatial patterns of integration in xylem water isotope composition can be resolved through direct measurement. The new technique can therefore present a valuable tool to study the hydraulic architecture and water utilization of trees.     

利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较

水是影响植物分布的重要生态因子之一,对植物水源的研究有助于在全球变化背景下了解植物的时空分布格局.根据同位素质量守恒,利用稳定氢氧同位素可以确定植物水分来源,相关的方法也不断改进.利用三源线性混合模型、多源线性混合模型、吸水深度模型以及动态模型分别对格尔木白刺(Nitraria Tangutorum)的水分来源进行了对比研究,发现格尔木白刺主要吸收利用50-100 cm处的土壤水及地下水.在研究方法上,各模型都有自己的应用范围和局限:三源线性混合模型一般只能在植物吸收的水分来源不超过3个的情况下运行;多源线性混合模型弥补了三源线性混合模型的不足,可以同时比较多种来源水各自对白刺的贡献率及贡献范围;吸水深度模型弥补了混合模型中不能计算白刺对土壤水的平均吸水深度的缺陷;动态模型则会为未来降水格局变化对植物的时空分布的影响研究起很大作用.针对不同的适用范围,模型的选择及综合应用会更广泛.但是,该技术还存在一些不足,需要结合测定土水势,富氘水的示踪等方法来弥补.     

黄土塬区几种典型土地利用类型的土壤水稳定同位素特征

对陕西省长武县黄土塬区降水及主要土地利用方式下0～20 m剖面土壤水进行采样和稳定同位素测定,研究了该区深层土壤水稳定同位素特征及土壤水运动机制.结果表明：长武塬区大气降水线方程为δD=7.39δ18O+4.34（R2=0.94,n=71）,其降水稳定同位素值具有明显的冬春高、夏秋低的季节变化特征.土壤水稳定同位素值落于当地大气降水线下侧,且高于7-10月降水稳定同位素值,该区土壤主要接受同位素值偏负的夏秋降水的补给.土壤剖面上,不同土地利用方式之间土壤水同位素值随土壤深度增加而趋于一致;相同土地利用条件下,浅层土壤水同位素组成随时间推移而变化的程度剧烈,随土壤深度增加,土壤水同位素值的变化程度减弱,甚至无变化.对比降水和土壤水的稳定同位素值变化发现,在黄土塬区,活塞流和优先流并存于降水入渗过程中,但优先流入渗的发生与土地利用方式存在一定关系.通常情况下,高耗水型人工林草因水分负平衡形成的土壤干层将减小优先流发生的可能性,而农田、荒草地等土地利用方式均易发生优先流形式的降水入渗,从而对深层土壤水分或地下水形成补给.     

基于稳定氧同位素确定植物水分来源不同方法的比较

利用稳定同位素技术确定植物水分来源,对提高生态水文过程的认识和对干旱半干旱区的生态管理至关重要。目前基于稳定同位素技术确定植物水分来源的方法众多,但不同方法之间对比的研究较少。本研究基于原位样品采集,室内实验测试,利用直接对比法、多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)和吸水深度模型分析植物水分来源,并对比各方法的优缺点。结果表明:相对于多元线性混合模型(IsoSource)而言,贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)具有更好的水源区分性能,但对数据要求较高,且植物木质部水和潜在水源同位素组成的标准差越小,模型运行结果的可信度更高。本研究中贝叶斯混合模型(MixSIR)为最优解。在利用稳定氢氧同位素技术确定植物水分来源时,可先通过直接对比法定性判断植物可能利用的潜在水源,然后再用多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)计算出各潜在水源对植物的贡献率和贡献范围,必要时可评估模型性能,选择出最优模型,定量分析植物的水分来源。若植物主要吸收利用不同土层深度的土壤水,可结合吸水深度模型计算出植物吸收土壤水的平均深度。本研究为干旱半干旱地区利用同位素技术确定植物水分来源方法的选择提供了理论依据。     

植物水分利用策略研究进展

水分是影响植物生长发育的重要因子之一。地球上大多数生态系统中的植物都会经历一个降水相对稀少的干旱季节,植物在不同的季节与不同的生态系统中究竟如何利用水分,利用哪些水分去获得生存,成为一个人们关注的问题。在过去的20年,稳定同位素技术在植物生态学中的应用得到了稳定长足的发展。因为陆地植物(少数排盐种类除外)在水分吸收过程中不发生同位素分馏,因此可以利用δD与δ18O数据进行水分获取方式的研究。对植物木质部水分以及其潜在水源的稳定同位素进行分析,并参考土壤水势、叶片水势、土壤含水量等数据,同时运用二元或三元混合模型,可以定量确定植物的水分利用来源。大量的研究表明,不同功能型、生长阶段、季节的植物以及不同物种往往具有不同的水分利用策略。     

Increased snowfall weakens complementarity of summer water use by different plant functional groups

Winter snowfall is an important water source for plants during summer in semiarid regions. Snow, rain, soil water, and plant water were sampled for hydrogen and oxygen stable isotopes analyses under control and increased snowfall conditions in the temperate steppe of Inner Mongolia, China. Our study showed that the snowfall contribution to plant water uptake continued throughout the growing season and was detectable even in the late growing season. Snowfall versus rainfall accounted for 30% and 70%, respectively, of the water source for plants, on the basis of hydrogen stable isotope signature (δD) analysis, and accounted for 12% and 88%, respectively, on the basis of oxygen stable isotope signature (δ¹⁸O) analysis. Water use partitioning between topsoil and subsoil was found among species with different rooting depths. Increased snowfall weakened complementarity of plant water use during summer. Our study provides insights into the relationships between precipitation regimes and species interactions in semiarid regions.     

稳定同位素技术在个体溯源中的应用

个体身份确认是自然灾害、空难、爆炸、火灾、交通事故等事（案）件处置中的一项重要工作。利用稳定同位素分布的地域差异性对个体进行溯源，可以为个体身份确认提供重要信息。本文简要介绍了稳定同位素技术原理，系统阐述了用于个体溯源的元素类型和不同人体组织中稳定同位素蕴含的特征信息，并对该技术在个体溯源中的应用现状、存在问题以及未来发展进行了分析和展望。     

基于控水试验的喀斯特出露基岩生境植物水分来源分析

裂隙发育的喀斯特出露基岩生境,虽无土层覆盖却能维持不同生活型植物的水分消耗.然而目前对该类生境植物的水分来源缺乏清晰认识.本研究以植物潜在水分来源相对简单的孤立出露基岩为例,聚焦遮雨(即剔除雨水对浅层水源的补给)1年后仍然生长旺盛的代表性植物种,同时以无遮雨处理样地(即始终接受降雨补给)的同种植物为对照,运用稳定性氢氧同位素技术,结合对植物水势的测定,综合分析了3种典型植物(落叶乔木菜豆树、落叶乔木紫弹树、常绿灌木四子海桐)的水分来源.结果表明: 在降水充沛的雨季,遮雨条件下3种植物均依赖与泉水同位素比率相近的深层水源,这是植物在遮雨1年后仍能正常生长的根本原因;遮雨菜豆树和四子海桐凌晨水势与自然植株无显著差异,表明植物未受水分胁迫,而紫弹树凌晨水势显著低于自然植株,表明其受一定程度的水分胁迫;自然条件下,3种植物茎水同位素比率均显著低于遮雨植株,且处于近期雨水同位素比率波动范围内,表明植物均依赖受近期雨水主导的浅层水源.遮雨和自然条件下,四子海桐正午水势与凌晨水势始终无明显差异,表现出较为保守的水分利用策略;另外2种植物正午水势显著低于凌晨水势,属于偏挥霍型水分利用策略.具备利用浅层和深层水源的能力是喀斯特无土覆盖出露基岩生境植物适应不同水分环境和维持多样化水分利用策略的关键.     

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。     

西双版纳绞杀植物斜叶榕的水分利用策略

以斜叶榕为研究对象,通过测定其不同生长阶段木质部与各潜在水源的稳定氢、氧同位素组成,以及土壤水分含量、土壤水势、叶片水势等参数,揭示西双版纳地区不同生长阶段的绞杀榕（斜叶榕）在不同季节的水分利用策略.结果表明：浅层土壤（10～50 cm）的水势在干热季与雾凉季变化较大,较深土壤（51～120 cm）的水势在各季节无明显变化;雾凉季与干热季的土壤含水量之间无显著差异（P=0.64）;植物黎明前叶片水势与中午叶片水势随不同生长阶段而异;根据木质部水与各潜在水源的稳定氧同位素以及植物水势等其他参数判定,浅层土壤水是斜叶榕全年最主要的水分来源,不同生长阶段的斜叶榕在不同季节采取了不同的水分利用策略来应对环境的变化.     

基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。     

水体中氮稳定同位素的研究进展

随着工农业生产的发展,水体氮污染已日益严重.利用氮稳定同位素来判别水体氮污染的源和汇、研究氮循环等显得尤为重要.本文就以下几方面进行综述:1)氮稳定同位素的基本概念、氮在水体中的循环及相应的同位素分馏情况;2)系统比较了水中氮同位素测定过程中氮同位素的分离、富集和不同形态氮的转化方法;3)讨论了氮稳定同位素在研究地表水、地下水及海水中的氮循环、判断氮污染的源和汇、氮在生态系统中转化以及水体富营养化等方面的应用;4)总结了水体中反硝化作用的判断方法和水体中硝酸盐的两种自然衰减机制——反硝化作用和稀释作用;5)指出了该研究领域的不足之处.     

Application of stable hydrogen isotope in study of water sources for Caragana microphylla bushland in Nei Mongol

小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)是我国内蒙古草原广泛分布的优势灌木,目前国内外有关小叶锦鸡儿水分利用来源的定量研究较少。该文运用氢稳定同位素法,分析了内蒙古小叶锦鸡儿木质部水和潜在水源(夏季降雨、冬季降雪和土壤水)的氢稳定同位素比率(δD)的季节变化,发现小叶锦鸡儿在遮雨处理和自然状态下δD季节变化差异不明显,分别为–101.36‰±13.02‰和–101.18‰±12.71‰。在遮雨处理条件下,小叶锦鸡儿主要利用0–20 cm土壤层水分,占其所利用水分的73.30%±16.14%;自然状态下,小叶锦鸡儿对0–20、20–60和60–100 cm不同土壤层土壤的水分利用较为均衡,分别为34.66%±7.83%、32.44%±7.42%和32.90%±4.14%。该结果表明不同生境下灌木与草本的水分竞争可能是小叶锦鸡儿对不同土层水分利用差异的原因。结合两源模型分析了降雨对各土壤层的贡献率,并用Iso Source多源混合模型分析了各土壤层对小叶锦鸡儿用水的贡献率,发现降雨对小叶锦鸡儿的贡献率为42.65%–63.92%。该结果反映了小叶锦鸡儿对夏季降雨和冬季融雪的利用情况。     

Oxygen isotope ratios between soil water and stem water of trees in pot experiments

Since the oxygen isotopic ratio of water extracted from stems reflects that of water taken up by roots, the stem water isotope ratio can be used to analyze the source of water for plant growth. However, it is known that the fractionation of isotopes during evaporation from the surface soil increases the isotope ratio in soil water drastically. In this study, it was experimentally confirmed that the stem water of Elaeocarpus sylvestris vs. ellipticus Hara seedlings is not isotopically similar to the water source in the case where evaporation from the soil occurs actively. However, since water in these plant bodies was replaced in about 2 days in the pot experiments, the 2-day-averaged values of the soil water isotope ratio approached the stem water isotope ratio. Thus, time-course samplings of the soil and stems, and measurements of the replacement time of water in the plant body (water volume in plant/transpiration rate) are recommended for correct interpretation of the isotopic signature of soil water and stem water.     

Root water uptake of field-growing plants indicated by measurements of natural-abundance deuterium

Measurements of stable-isotope ratios of water extracted from stems and, in some studies, soils are increasingly being used to study the integrated root function of field-growing plants. This study explored if additional measurements on water extracted from roots could indicate the activity of roots in different areas of the soil profile and their influence on canopy water sources, so providing advantages over more common sampling strategies. Studies were conducted on trees and shrubs located in diverse habitats: a saline, semi-arid floodplain, a subhumid mountain-range front and a cold desert. At each site, roots, soil immediately surrounding the roots, and plant stems were sampled. Roots were taken from different depths in the soil, to approximately 2 m at one site. Overall, 80% of roots sampled had H isotope ratios different from the surrounding soil. The differences up to 37, were significant (p<0.05) at two of the sites. Thus water in most of the roots sampled did not come entirely, if at all, from the surrounding soil, illustrating movement and possible mixing of water within the root system. This condition was not simply related to the availability of water surrounding the soil, which was also measured. There were also differences in root and stem H isotope ratios (up to 17) in 67% of samples, although the difference was only significant in shallow samples from the floodplain. The general similarity in stem and root ²H values indicates that most roots sampled were involved in the main supply of water to the canopy. Patterns of root function varied between the individual sites. Trees were primarily using groundwater at the floodplain and mountain front sites, as the surface soils had mean matric potentials of-1800 kPa. At the mountain front site, the surface roots were transporting groundwater to the canopy in isolation form the surrounding soil. In contrast, surface roots at the floodplain were taking up water from the surrounding soil, although this water was not a significant source in the trees' overall water supply. This activity of surface roots would not have been evident from the ²H data without the root samples. At the cold desert the roots in moist surface soil provided the main source of water for the shrubs. There too the root data indicated different water uptake patterns than otherwise would have been assumed. The root data showed that groundwater could not have been a water source, a conclusion which had been reached in a previous study. Thus measurements of stable isotope ratios in root water may be a valuable tool in assessing water uptake patterns and root function.     

环境条件对植物稳定碳同位素组成的影响

植物稳定碳同位素技术是近年兴起的一项快速、可靠的技术。利用稳定碳同位素技术可以揭示碳同化的过程的许多方面的信息。1 3C和1 2 C同位素效应 ,使它们在进行碳循环时发生稳定碳同位素的分馏。植物光合作用过程中CO2 经气孔扩散分差和RUBPCase及PEPCase羧化分馏是造成植物稳定碳同位素比率 (R =1 3C/ 1 2 C)不同于源CO2 中碳同位素比率的主要原因。遗传因素和环境因子同时决定植物碳同位素组成。植物稳定碳同位素技术同时还是古气候重建和预测未来环境变化的理论基础。本文综述了光照、温度、水分、二氧化碳、矿质营养、盐分和大气污染物等环境因素对植物稳定碳同位素组成影响方面的研究进展。     

天山林区4种主要灌木夏季水分来源差异

天山林区群落结构相对简单、木本植物种类较少,但天山林区灌木群落中主要木本植物间的水分竞争模式尚不明确,水分利用动态缺乏定量分析。运用稳定同位素技术,对天山林区灌木群落4种主要灌木的茎杆水分及各潜在水源的氢氧稳定同位素组成进行测定,运用IsoSource模型定量分析4种灌木在夏季对各潜在水源的相对利用比例,探讨天山林区灌木群落主要灌木树种水分来源差异及动态变化。结果发现:7月,当浅层土壤含水量充足时,密刺蔷薇、黑果栒子和金丝桃叶绣线菊均大幅度吸收利用浅层土壤水,相对利用比例高于89.3%,异果小檗则相反,即吸收利用各潜在水源(浅层土壤水30.7%、中层土壤水29.4%、深层土壤水25.7%、溪水14.2%,下同);8月,当浅层土壤含水量降低时,密刺蔷薇转移至60-100 cm深层土壤水和溪水,相对利用比例分别为64.8%和27%,黑果栒子和金丝桃叶绣线菊以相似比例吸收利用各潜在水源(33.8%和36.8%、30.9%和29.7%、23.5%和22.3%、11.8%和11.2%),异果小檗则表现出可能吸收利用80-100 cm以下更稳定的深层土壤水;9月,当浅层土壤含水量升高时,4种灌木均大量吸收利用浅层土壤水,相对利用比例高于72.2%。这表明,天山林区灌木群落主要树种可通过可塑性转换水分来源来应对环境水分变异,在时间和空间上有效分割灌丛水源从而减缓对水分资源的竞争压力,从而通过在水分资源利用上的生态位分化促进物种间的共存。     

稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析

稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统、特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为"水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏"。生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件。但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性。综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性、水源同位素的季节性变化、蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考。     

基于稳定同位素的SPAC水碳拆分及耦合研究进展

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和技术的基础上,重点阐释了基于稳定同位素光学技术的SPAC系统水碳交换研究进展,包括:在净碳通量中拆分光合与呼吸量,在蒸散通量中拆分蒸腾与蒸发量,以及在系统尺度上的水碳耦合研究.新兴的技术和方法实现了生态系统尺度上长期高频的同位素观测,但在测量精准度、生态系统呼吸拆分、非稳态模型适应性、尺度转换和水碳耦合机制等方面存在挑战.本文探讨了现有主要研究成果、局限性以及未来研究展望,以期对稳定同位素生态学领域的新研究和技术发展有所帮助.