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。     

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。     

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。     

基于同位素技术的蒸散组分区分采样方案优化研究

采集2021年生长季和非生长季新安江源区常绿针叶林土壤-植物-大气多源水样进行氢氧稳定同位素测试,分析不同来源水分同位素组成(δ¹⁸O和δ²H)的差异及变化特征,评估不同季节多水源采样方案(植物不同部位、土壤不同深度)对蒸散发组分区分的影响程度,进而优化我国南方湿润区森林生态系统蒸散组分区分的氢氧稳定同位素采样方案。结果显示：多源水δ¹⁸O和δ²H在土壤-植物的水分传输过程中逐渐富集,非生长季较生长季更为富集。植物各部位水分的动力学分馏强度随着同位素不断富集而逐渐增大。河道水与山泉水同位素组成分布较为接近,大气水汽相较于其他水源明显最为贫化。土壤水同位素组成垂向分布主要呈现三种不同的规律：随深度增加而减小、先增大后减小或先减小后增大。浅层土壤水同位素组成变化范围大于深层土壤水,拐点位于50—90 cm。由植物各部位与土壤的水同位素组成分布特征及其差异可知符合同位素稳态假设的杉木最佳取样部位为韧皮部。比较基于不同深度土壤蒸发水汽同位素组成δ_E计算得出的T/ET(蒸腾与蒸散发比率)...     

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。     

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.     

稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用综述

稳定同位素技术凭借简捷、高效的特点, 在水文学、生态学和生物地球化学等众多科学研究领域中得到广泛应用, 同时也为植物水分关系研究提供了新的技术手段。植物的生长和分布与水分的可利用程度紧密相关, 对植物水分利用的研究有助于更好的了解生态系统的水分平衡以及结构和功能。就稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用, 综述了碳氢氧稳定同位素在植物水分利用效率以及水分来源等研究中的原理、方法及应用进展, 为稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用提供科学参考作用。      

陆生植物水分利用效率

植物水分利用效率（water use efficiency,WUE）作为叶片光合与水分生理过程的耦合因子,不仅是联系植被生态系统碳循环与水循环的重要变量,同时亦已成为揭示陆地植被生态系统对全球变化响应和适应对策的重要手段。稳定同位素技术和涡度相关技术的发展和应用,使植物WUE的概念和测定方法不断得到扩展,研究内容、尺度也不断拓宽。深入认识植物WUE的变化特征及其调控机制,一方面有助于揭示不同植物对生境的生理生态适应机理,另一方面能够促进对陆地生态系统碳-水平衡关系的理解。目前生态系统水平WUE的研究尚处初始阶段。如何建立不同尺度水平WUE间的联系机制,将成为今后该研究领域的关注点。本文在阐述植物WUE概念和测定方法的基础上,综述了植物叶片水平WUE的影响因子、种间差异与水分利用策略,以及WUE与其他叶性状的关系,介绍了当前生态系统水平WUE的研究状况,提出未来的研究趋势。     

典型林区水分氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气连续体中的分布特征

土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水循环是水文学和生态学研究的重要内容,氢氧稳定同位素在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程.本研究通过分析成都平原区亚热带常绿阔叶林中降水、土壤水、植物水的同位素组成,探讨SPAC系统中水分的氢氧稳定同位素演化特征,揭示区域水循环不同界面过程.结果 表明:研究区雨季大气降水线...     

黑河流域高寒草甸生态系统水分收支及蒸散发拆分研究

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要。基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价。研究结果表明(1)在生长季(5—9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0—40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134 mm,6—9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分。     

碳同位素技术在森林生态系统碳循环研究中的应用

碳同位素技术对碳素在生态系统中的迁移动态具有很好的示踪作用,在生态学各领域研究中应用广泛。土壤、大气、植物是森林生态系统的重要碳库,植物是大气和土壤交换碳元素的重要介质。本文简要总结了碳同位素技术在研究碳元素在植物体内以及植物、土壤、大气碳库之间的迁移规律和生态学过程中的应用,展望了该技术在森林界面学中的应用前景。     

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。     

稳定同位素在干旱区水分传输过程的研究进展

景观内部地下水-土壤-植物-大气界面的水分传输和不同景观界面间的水力联系是干旱区生态水文学研究的理论基础, 对提高认识不同景观格局水文连通性具有重要意义。鉴于干旱区水分循环的复杂性, 稳定同位素(δ2H、δ18O)在干旱区生态系统水分传输研究中广泛应用。综述了稳定同位素在干旱区植物/土壤-大气界面水分转换、植物根系-土壤界面水力联系与根系吸水过程和土壤水-地下水相互作用方面的研究。提出未来研究发展方向: 加强对干旱区非稳态条件蒸散发同位素量化; 优化不同生境植物根系吸水的同位素模型; 基于区域地下水-土壤-植被长时间序列同位素观测, 阐明干旱区不同景观界面间的水力连通性机制。     

锶同位素在森林生态系统研究中的进展

放射性成因锶同位素(87Sr/86Sr)作为一种有效的示踪工具,对理解陆相生态系统结构有极其重要的作用.而非传统稳定同位素δ88/86Sr可以揭示以前所忽略的阳离子在植被中的迁移过程.本文对锶元素在森林生态系统中的循环过程以及定量计算方法进行了综述,阐明了利用放射性成因锶同位素87Sr/86Sr在低温地表迁移过程中不分馏的特性示踪物质来源以及循环途径,利用非传统稳定锶同位素δ88/86Sr来示踪生态系统中生物分馏过程,以及锶元素在植被中的内循环机理,总结采用锶同位素在环境响应和生态系统演化的应用.指出非传统稳定锶同位素与放射性成因锶同位素联立应用将是其在陆地生态系统研究中的发展方向.     

氢稳定性同位素确定植物水源的应用与前景

介绍了氢稳定性同位素的测定方法和δD分析在植物水分来源研究中应用的原理,方法和典型案例,植物对不同水源的选择性和植物水分的δD分析被用于各种群落类型和环境中分析植物短期和长期的水分利用形式,甚至定量确定不同环境中各种植物对不同水分来源的利用,如白松、荒漠植物,河岸林和海岸植物,δD分析还用于研究植物与植物之间的相互作用。此外,氢稳定性同位素分析在古气候研究,植物光合途径,动物生理生态学和食物链等生态学领域也有着广阔的应用前景。     

亚热带地区常绿阔叶林SPAC系统水分的氢氧稳定同位素特征

森林的土壤-植物-大气连续体(SPAC)是陆地重要的水循环连续界面过程。本研究通过分析亚热带常绿阔叶林的降水、大气水汽、土壤水、叶片水的同位素组成,探讨森林SPAC系统水分的氢氧同位素组成特征以及植物蒸腾与叶片性状和环境因子的关系。结果表明: 研究区大气降水、土壤水、竹柏枝条水、竹柏叶片水和大气水汽的δD-δ¹⁸O线性回归方程分别为: δD_P=7.97δ¹⁸O_P+12.68(R²=0.97)、δD_S=4.29δ¹⁸O_S-18.62(R²=0.81)、δD_B=3.31δ¹⁸O_B-29.73(R²=0.49)、δD_L=1.49δ¹⁸O_L-10.09(R²=0.81)、δD_V=3.89δ¹⁸O_V-51.29(R²=0.46)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集,而从土壤蒸发和从植物蒸腾的水汽同位素贫化。在降水和蒸发作用的影响下,土壤水同位素随深度增加有贫化的趋势,而且整体上旱季土壤水同位素比雨季富集。观测期间,枝条水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内运输过程中存在受到蒸腾富集作用的可能性。旱季,乔木的枝条水同位素比灌木贫化,说明根系分布更深的乔木植物更倾向于利用深层土壤水。由于在叶片性状、蒸腾速率以及对环境因子的响应程度等方面存在差异,不同植物的叶片水同位素组成随叶龄增长的变化特征有所不同。雨季的环境条件更有利于叶片蒸腾,使雨季的叶片水同位素比旱季富集。叶片水同位素组成与植物叶片含水量呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系,综合反映了植物应对环境变化的水分调控功能。     

稳定性碳同位素技术在生态学研究中的应用

 植物光合作用是自然界产生碳同位素分馏的最重要过程,也是碳同位素技术在生态学研究中应用的基础。最初,碳同位素主要应用于光合途径的鉴别。随着技术的不断完善和研究的不断深入,目前此项技术在生态学研究的许多领域都得到了广泛的应用。作者从植物叶片、功能群、群落冠层、生态系统以及全球等几个不同的尺度上,对碳同位素技术在生态学研究中的主要应用进行了简要的总结。     

加拿大温带落叶林生态系统氢氧同位素组成研究

陆地生态系统氢氧稳定同位素能为陆地与大气的水分交换和陆地生态系统水文循环研究提供独特的示踪信息。基于2009年生长季加拿大落叶林生态系统氢氧稳定同位素组成及环境要素的观测数据,分析了生态系统不同来源液态水和大气水汽同位素组成的时空变化特征,分析了生态系统蒸散与土壤蒸发的同位素组成和同位素通量(Isoflux)的变化特征,并讨论了主要的环境控制因素。结果表明,生态系统中不同来源液态水的同位素组成差别较大,与枝条水和土壤水相比,叶片水同位素组成最富集且变化幅度最大。大气水汽H_2~(18)O和HDO同位素组成随着高度升高而降低,水汽同位素值日变化呈"W"型分布,上午水汽同位素值降低,正午有一定的起伏,傍晚回升。水汽同位素组成与大气湿度有显著的相关性,大气水汽过量氘下午均值与表面相对湿度和水汽混合比的相关系数分别为-0.61(P0.01)和-0.57(P0.01)。受蒸腾速率和叶水同位素富集程度的共同作用,白天蒸散H_2~(18)O组成在正午和傍晚高,下午低。Isoflux的计算结果表明白天下垫面蒸散有助于大气水汽同位素富集,蒸散同位素通量最高可达147.5 mmol m~(-2)s~(-1)‰。本研究结果能为同位素水文模型提供数据支持和理论参考。     

植物叶片水稳定同位素研究进展

植物叶片水稳定同位素变化可以直接沟通植物叶片内部与外界的物质和能量联系,并能够反映植物生长周围的气候与生态信息.另外,植物叶片水作为参与水循环的一个重要环节,了解叶片水稳定同位素组成有助于揭示其在局地水体稳定同位素循环中的分配与贡献.概述了国内外叶片水稳定同位素研究现况;介绍了叶片水稳定氢、氧同位素在植物体中的分馏过程及形式(热力学平衡分馏、动力学分馏以及生化分馏)以及影响叶片水稳定同位素组成的气象和生态因子;阐述了叶片水稳定同位素修正的Craig-Gordon稳态模型、string-of-lakes模型、Péclet效应的稳态模型、非稳态效应的模型、Péclet效应的非稳态模型以及二维模型的构建与完善过程;最后讨论了植物叶片水稳定同位素研究存在的问题,并从叶片水稳定同位素与气象、生态因子的关系,叶片水蒸腾线的斜率和截距及过量氘的意义,模型适用性的验证以及叶片水稳定同位素在水文循环的应用等方面展望了研究方向.     

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中, 氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史, 综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例, 包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率, 利用¹⁵N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题, 以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。