植物水分来源稳定氢氧同位素偏移研究进展

稳定氢氧同位素技术能有效计算植物根系水分吸收量,确定植物水分来源贡献,评估植物水分利用策略,是生态水文学探究大气-植被-土壤系统水分传输过程机制的有效工具。然而土壤与木质部水稳定氢氧同位素比值(δ²H和δ¹⁸O)偏移造成植物水分来源贡献率计算偏差,引起氢氧同位素结果差异的原因尚不明晰。该文首先简要介绍氢氧稳定同位素比值偏移现象,其次沿水分在土壤-植物-大气连续体中的传输路径构建梳理框架,系统阐述了3个界面(植物-大气界面、土壤-大气界面和根系-土壤界面)与2个空间(植物体和土壤层)中引起δ²H与δ¹⁸O偏移的自然效应,同时概述了土壤与木质部样品提取与测定技术中引起δ²H与δ¹⁸O偏差的人为效应。最后,根据现有研究进展提出主要问题,从获取同位素时空数据,微尺度同位素偏移原因,提取与测定技术的优化三方面指出未来的发展方向。     

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。     

土壤-植物-大气连续体水流阻力分布规律的研究

本文依据田间实测资料,分析了土壤-植物-大气连续体水流阻力的相对重要性,结果表明在连续体中的水流阻力主要分布于从叶气孔腔到大气的扩散过程和根系的吸水过程。叶-气之间的水流阻力比土-根之间要大50倍。最后,讨论了控制连续体水流运动的气孔阻力的变化规律及其与环境因素之间的关系。     

亚热带季风区典型土壤-植物-大气连续体中水体平均滞留时间

平均滞留时间(MTT)在水循环过程中具有重要的指示意义,但目前对亚热带季风区典型土壤-植物-大气连续体(SPAC)中不同水体的MTT仍缺乏了解。本研究以长沙市郊区的樟树林为研究对象,基于稳定同位素技术并利用线性混合模型和正弦波拟合法计算2017年3月—2019年10月不同深度土壤水、枝条水和叶片水的MTT。结果表明：SPAC中不同水体稳定同位素呈现夏季贫化、冬季富集的季节变化模式;土壤水δ²H随深度增加而偏负,枝条水δ²H与土壤水接近,但叶片水δ²H偏正且变化范围较大。线性混合模型显示,土壤水和植物水MTT的较低值出现在6—9月,较高值常出现在1月前后和4—5月;降水补给比例与MTT呈显著的负相关关系,大多数时段土壤水MTT随深度增加而增加,但优先流也可增加深层土壤水的补给比例,从而降低MTT;枝条水和叶片水的MTT平均值接近。正弦波拟合法显示,随土壤深度增加,土壤水新水比例(F_yw)逐渐降低,而MTT逐渐增加;枝条水的F_yw和MTT分别低于和高于叶片水。线性混合模型与正弦波拟...     

土壤-植物-大气连续体水热动态模拟的研究

本文从能量平衡原理和质量守恒定律出发,描述了土壤-植物-大气连续体中的热量转换和水分输送,模拟了系统中水分和热量的动态变化过程,并用所建立的模拟模型计算了冬小麦群落的冠层温度、叶水势及系统的潜热与显热变化关系,结果表明该模型有一定的可靠性。     

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。     

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.     

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。     

基于氢氧稳定同位素的黄河兰州段河岸植物水分来源

多枝柽柳和旱柳是北方地区河岸生态修复的良好树种,具有护河防洪、调节区域气候的作用和营造河岸地带植被景观的功能。本研究选取黄河兰州段沿岸2处样点,采集了多枝柽柳和旱柳木质部以及各潜在水源的样品,利用氧同位素直接对比法、贝叶斯混合模型MixSIAR和相似性比例指数(PS指数),分析了多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用率以及两者之间的水分利用关系。结果表明:在整个生长季,浅层土壤水(0～30 cm)是多枝柽柳和旱柳的主要水分来源,利用率分别为28.3%和24.4%,多枝柽柳对河水的利用率最小(16.6%),旱柳对地下水的利用率最小(17.9%);在土壤含水量较低的月份,植物会增加对河水和地下水的利用比例,样点S₁和S₂的PS指数分别为91.0%和87.7%,两个样点均在5月的PS指数最大,不同月份的水分利用关系存在一定的差异;处于河漫滩这一特殊地理位置,多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用比较平均,最大程度地获取各潜在水源的水分,是一种最优的吸水模式。本研究可为开展黄河兰州段河岸休闲旅游活动和黄河流域生态环境保护中植物水分管理提供一定的理论基础。     

利用大型蒸渗仪模拟土壤-植物-大气连续体水分蒸散

在农田水量转化各分量中,蒸散与潜水蒸发是最难测定的。在地下水浅埋地区,地下水通过毛管上升而补给包气带土壤水的作用十分明显,对作物生长意义重大。利用大型蒸渗仪、波文比、水力蒸发器等仪器,获得了大量水平衡因子的试验数据和土壤植物大气连续体(SPAC)模型中的有关参数。以大型蒸渗仪实测值为基准,验证了农田土壤植物大气连续体模型的模拟值,并主要就蒸散和潜水蒸发量,对实测与模拟值作了比较分析,探讨了导致两者差异的原因。     

北京土石山区水分在土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的稳定同位素特征

氢氧稳定同位素是广泛存在于自然界水体中的环境同位素,其在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程及植物用水机制.本研究在北京山区选取了两种主要的绿化树种——常绿针叶林侧柏和落叶阔叶林栓皮栎为研究对象,通过对降水、土壤水、泉水、植物茎干水和叶片水同位素的变化特征进行分析,讨论了水分在大气-土壤-植物连续体中的运动过程.结果表明: 研究区大气降水线方程为δD=7.17δ¹⁸O+1.45(R²=0.93), 土壤蒸发线方程为δD=3.85δ¹⁸O-38.02(R²=0.76), 降水入渗补给土壤水的过程中存在一定程度的蒸发分馏.在不同季节,降水、土壤水和泉水δD和δ¹⁸O值变化规律不同;雨季,δD和δ¹⁸O平均值大小为降水>地下水>土壤水,降水和土壤水共同补充地下水;旱季,δD和δ¹⁸O值大小排序为降水> 土壤水>地下水,降水和地下水都对土壤水有贡献.侧柏和栓皮栎年内茎干水分δD和δ¹⁸O的拟合线性方程分别为δD=5.03δ¹⁸O-30.78 和δD=3.0δ¹⁸O-48.92,栓皮栎利用的土壤水分相对于侧柏更加富集,其水分来源深度更浅.栓皮栎叶片水分同位素变化特征相对于侧柏对大气微环境的反应更加敏感,且其叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强,但是它们对环境条件的变化反应一致.     

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.     

基于氢氧同位素技术的流域水源涵养研究进展

水源涵养有助于拦蓄降水、调节径流,影响着生态系统水文调节、水质净化等功能。在城市化及气候变化的背景下,水资源供需矛盾、水体污染等生态环境问题不断加剧。深入理解流域水源涵养过程、能力及作用是防治上述生态环境问题的基础。随着同位素水文学的发展,同位素技术在水文水资源的研究中的优越性逐渐得到凸显。氢氧同位素是天然示踪剂,在水分溯源、水分滞留时间估算等方面具有独特优势。但相关研究多关注水文过程的某一具体方面,没有形成系统、明确的水源涵养研究框架。为更好地促进氢氧同位素技术在水源涵养研究中的应用,研究总结了应用氢氧同位素技术刻画水源涵养过程、能力和作用的相关研究。从水源涵养的能力估算、过程刻画、水源涵养的"蓝""绿"作用等方面,梳理了基于氢氧同位素技术的水源涵养研究框架,明确了本领域亟待加强的研究方向。研究对于理解流域水源涵养的机理、科学评估水源涵养服务价值等方面具有重要的理论和实践意义。     

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。     

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.