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...     

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。     

基于稳定同位素技术的塔里木河下游不同林龄胡杨的水分利用来源

水分是制约很多陆地生态系统植物生长和繁殖的重要因素, 在干旱地区尤为明显。利用稳定同位素技术探究塔里木河下游不同林龄胡杨(Populus euphratica)的水分来源情况, 了解生态输水背景下荒漠河岸林的水分利用循环与利用策略, 可为生态输水提供科学依据, 同时也可对同类地区的生态恢复提供借鉴。本研究通过测定塔里木河下游胡杨茎干水和各潜在水源(土壤水、地下水)的稳定氢氧同位素值(δD、δ¹⁸O), 应用多源线性混合模型(IsoSource)分析了各潜在水源对不同林龄胡杨的贡献比例, 并结合3种林龄胡杨不同土壤深度含水量的变化, 分析了胡杨的主要吸水层位。结果表明: (1)不同林龄胡杨样地的不同深度区间上的土壤水δ¹⁸O值存在显著差异(P < 0.05): 胡杨幼龄木、成熟木、过熟木木质部δ¹⁸O分别为-7.83 ± 0.07‰、-8.53 ± 0.11‰、-9.36 ± 0.21‰; 而δD值不存在显著差异(P > 0.05)。可据此来推断胡杨的主要吸水层位。(2)总体上, 三种林龄胡杨土壤水δ¹⁸O值随土壤深度增加而减小, 并趋于接近地下水的δ¹⁸O值。其中, 0-60 cm土壤水受蒸发影响比较大, 其同位素组成经历了强烈的蒸发分馏过程, 土壤含水量极少, 土壤水δ¹⁸O值偏正。(3)不同林龄胡杨所利用的水分来源不同: 胡杨幼龄木对于地表80 cm以下的土壤水以及地下水均有一定程度的利用, 对80-140 cm、140-220 cm和220-340 cm的土壤水平均利用比率依次为16.2%、21.4%和24.6%, 对地下水平均利用比率为24.5%; 成熟木主要利用220-340 cm的土壤水及地下水, 平均利用比率分别为36.9%和42.3%; 过熟木主要利用140-340 cm的土壤水及地下水, 平均利用比率分别为32.8%和49.3%。     

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。     

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。     

应用氢氧稳定同位素对极端干旱区蒸发水分来源的确定

长期监测发现敦煌莫高窟窟顶戈壁存在稳定的蒸发水分。为了进一步厘清蒸发水分的来源,利用拱棚-凝结法定期收集蒸发水分,应用水同位素示踪原理监测凝结水分、莫高窟降水和潜水的δD和δ~(18)O值,以揭示戈壁蒸发水分的来源。结果表明,蒸发水分的δD、δ~(18)O平均值分别为-33.06‰和-5.33‰,莫高窟降水为-66.44‰和-8.57‰,潜水为-72.19‰和-9.75‰,说明当地潜水并非来自于莫高窟降水;通过经纬度和海拔,应用在线降水同位素计算的当地降水δD和δ~(18)O值(-60.00‰,-8.50‰)和降水加权平均值(-5.30‰,-0.75‰)同样表明,当地降水不是地下潜水的合理来源,而党河源区(野马山)的降水(-86.00‰,-12.00‰)才是地下潜水的真正来源。土壤水分蒸发实验与土壤垂直剖面水分检测表明,戈壁深厚包气带土壤在潜水水汽向上运移过程中选择了δ值相对较高的潜水水分,因此,戈壁蒸发水分来自地下潜水,存在清晰的来源通道。极干旱区蒸发水分来源的再确定为蒸发潜水的利用奠定了基础,对极干旱区生态恢复有重要意义,并为干旱、半干旱区地下水的利用提供了新视角,为莫高窟洞窟水分来源研究亦提供了重要参考。     

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.     

基于同位素技术分析不同生长季节杨树水分利用

本文利用碳、氢、氧同位素示踪技术,将直接判断法、多元线性混合模型相结合,分析正蓝旗地区杨树不同季节的吸水来源和水分利用效率。结果表明:杨树吸水来源具有明显季节性规律,生长前期和末期(4、5、10月),主要利用0~50 cm浅层土壤水和150 cm以下的深层土壤水或地下水;生长中期(6、7、8、9月)主要利用0~150 cm土壤中的降水水源。该地区杨树的水分利用效率较高,5—9月水分利用效率为208.68、133.90、62.01、61.92、257.55 mmol C·mol-1H2O。当雨季浅层土壤水无法满足杨树的需水量时,杨树吸收较深层的土壤水,并逐渐提高水分利用效率;有降水时,杨树开始从最上层的土壤水中吸收降雨水源并逐渐降低水分利用效率。以上结果表明,半干旱地区杨树具有较高的水分利用效率,同时可以调节自身吸水来源和用水效率,朝着最有利于生长发展的方向最大程度上利用水分。     

科尔沁沙地丘间低地樟子松人工林水分利用来源的稳定同位素解析

20世纪50年代以来,樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica在中国北方干旱半干旱地区沙地广泛引种.近年来一些早期引种的樟子松人工林出现了早衰现象.分析生境水分条件变化、判断樟子松采取何种水分利用策略对于认识其早衰现象很有裨益.因此,本研究利用稳定同位素示踪技术,研究了科尔沁沙地东南缘固定沙丘丘间低地30年生樟子松人工林的水分来源及其利用的季节动态,分析了降水和土壤水分变化对樟子松水分利用的影响,阐明了樟子松与伴生植物(黄柳Salix gordeieril)在水分来源方面的异同.结果表明,樟子松及其主要伴生植物黄柳枝条水的稳定18O同位素组成(δ18O)存在明显的季节变化;樟子松的水分来源主要来自20～ 40 cm或更深土层;樟子松和主要伴生植物黄柳之间存在明显的水分竞争,后者比樟子松先行利用最近较强降水(如降水量＞10 mm),从而影响樟子松水源的补给.本研究对于揭示沙地樟子松衰退与水分利用策略的关系具有重要意义.     

基于树轮稳定碳同位素的张北杨树防护林退化原因解析

三北防护林是京津冀地区重要的生态屏障,但近十年来张北县4/5的杨树防护林出现退化现象,接近1/3的杨树濒临死亡或枯死,导致杨树防护林生态功能下降.本研究用稳定碳同位素方法追溯研究了退化与未退化杨树年轮中δ¹³C值和内在水分利用效率(WUE_i)的差异,分析导致杨树退化和死亡的原因及其来源.结果表明:相同年龄杨树的直径随着退化程度增加而下降,退化杨树树轮的δ¹³C值变化范围为-25.26‰～-22.97‰,未退化杨树为-26.15‰～-23.50‰,从1997年开始,退化杨树δ¹³C值高于未退化杨树.退化与未退化杨树WUE_i值从1997年开始出现差异但不显著,2002年后其差异达到显著水平,退化与未退化WUE_i的差值ΔWUE_i连续正值可能是退化与未退化杨树产生分化的重要原因之一.退化和未退化杨树WUE_i与降雨量、相对湿度和潜在蒸散量(ET₀)的相关关系均不显著,但与气温和地下水埋深呈极显著的线性关系.1997年极端干旱事件是杨树林退化的起点,随后土地利用方式的改变导致地下水的过度使用,加剧了干旱持续时间和强度,进而加速杨树防护林的退化和死亡.     

Tracing water sources of terrestrial animal populations with stable isotopes: laboratory tests with crickets and spiders

Fluxes of carbon, nitrogen, and water between ecosystem components and organisms have great impacts across levels of biological organization. Although much progress has been made in tracing carbon and nitrogen, difficulty remains in tracing water sources from the ecosystem to animals and among animals (the "water web"). Naturally occurring, non-radioactive isotopes of hydrogen and oxygen in water provide a potential method for tracing water sources. However, using this approach for terrestrial animals is complicated by a change in water isotopes within the body due to differences in activity of heavy and light isotopes during cuticular and transpiratory water losses. Here we present a technique to use stable water isotopes to estimate the mean mix of water sources in a population by sampling a group of sympatric animals over time. Strong correlations between H and O isotopes in the body water of animals collected over time provide linear patterns of enrichment that can be used to predict a mean mix of water sources useful in standard mixing models to determine relative source contribution. Multiple temperature and humidity treatment levels do not greatly alter these relationships, thus having little effect on our ability to estimate this population-level mix of water sources. We show evidence for the validity of using multiple samples of animal body water, collected across time, to estimate the isotopic mix of water sources in a population and more accurately trace water sources. The ability to use isotopes to document patterns of animal water use should be a great asset to biologists globally, especially those studying drylands, droughts, streamside areas, irrigated landscapes, and the effects of climate change.     

基于稳定同位素的湿地食物源判定和食物网构建研究进展

湿地生物营养动力学是湿地生态系统结构和功能评价研究的基础.碳、氮稳定同位素作为识别营养关系的方法,已在湿地生态系统食物来源、组成和食物链传递研究中得到广泛运用.本文系统综述了稳定同位素食物贡献度计算模型和营养级确定的基本方法和理论;讨论了动物营养分馏值和基线的选择依据;概括了湿地生态系统典型食物源及其稳定同位素变化特征;总结了草食、杂食和肉食等不同营养级动物的食物来源.指出了稳定同位素在湿地食物源溯源和食物网研究中的不足;基于国内外研究现状和发展趋势及需求,展望了未来同位素技术在湿地食物网生态学研究中的运用前景和研究重点,提出需要加强稳定同位素营养分馏和基线的影响因素、样品处理和保存方式研究以及胃含物、分子标记物和多元素同位素结合分析.     

Source partitioning using stable isotopes: coping with too many sources

Stable isotopes are increasingly being used as tracers in environmental studies. One application is to use isotopic ratios to quantitatively determine the proportional contribution of several sources to a mixture, such as the proportion of various pollution sources in a waste stream. In general, the proportional contributions of n+1 different sources can be uniquely determined by the use of n different isotope system tracers (e.g., δ¹³C, δ¹⁵N, δ¹⁸O) with linear mixing models based on mass balance equations. Often, however, the number of potential sources exceeds n+1, which prevents finding a unique solution of source proportions. What can be done in these situations? While no definitive solution exists, we propose a method that is informative in determining bounds for the contributions of each source. In this method, all possible combinations of each source contribution (0–100%) are examined in small increments (e.g., 1%). Combinations that sum to the observed mixture isotopic signatures within a small tolerance (e.g., ±0.1‰) are considered to be feasible solutions, from which the frequency and range of potential source contributions can be determined. To avoid misrepresenting the results, users of this procedure should report the distribution of feasible solutions rather than focusing on a single value such as the mean. We applied this method to a variety of environmental studies in which stable isotope tracers were used to quantify the relative magnitude of multiple sources, including (1) plant water use, (2) geochemistry, (3) air pollution, and (4) dietary analysis. This method gives the range of isotopically determined source contributions; additional non-isotopic constraints specific to each study may be used to further restrict this range. The breadth of the isotopically determined ranges depends on the geometry of the mixing space and the similarity of source and mixture isotopic signatures. A sensitivity analysis indicated that the estimated ranges vary only modestly with different choices of source increment and mass balance tolerance parameter values. A computer program (IsoSource) to perform these calculations for user-specified data is available at http://www.epa.gov/wed/pages/models.htm.     

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。     

Determining the sources of calcium for migratory songbirds using stable strontium isotopes

We investigated natural variations in the stable isotopic composition of strontium (a surrogate for calcium) in the bones of a single species of breeding migratory songbird, as well as in their eggshells, egg contents, and food sources. We use this information to determine the sources of calcium to these migratory songbirds and their offspring. Samples were collected from two locations in the northeastern USA (Hubbard Brook, NH, and Downer Forest, VT.) that differed in soil geochemistry. The mean ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios of food items (caterpillars and snails), eggshells, and egg contents were indistinguishable within each site, but significantly different between the two sites. Mean ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios for the bones of adult females were significantly different between the two sites, but values were significantly lower than those of food items and eggshells at each site. Two of four adult individuals studied at each site had ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios lower than the entire range of values for local food sources. Mixing calculations indicate that up to 60% of skeletal strontium and calcium was derived from foods consumed in the winter grounds where lower ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios predominate. At each study site, the ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio of eggshells differed significantly between clutches, but the mean clutch ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios were unrelated to the skeletal ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio of the laying adult. These findings suggest that strontium (and hence calcium) for eggshell production in this species is derived predominantly from local food sources in breeding areas. Thus, reductions in available calcium in northern temperate ecosystems due to the influences of acid deposition could be potentially harmful to this and other species of migratory bird.     

Inferring foliar water uptake using stable isotopes of water

A growing number of studies have described the direct absorption of water into leaves, a phenomenon known as foliar water uptake. The resultant increase in the amount of water in the leaf can be important for plant function. Exposing leaves to isotopically enriched or depleted water sources has become a common method for establishing whether or not a plant is capable of carrying out foliar water uptake. However, a careful inspection of our understanding of the fluxes of water isotopes between leaves and the atmosphere under high humidity conditions shows that there can clearly be isotopic exchange between the two pools even in the absence of a change in the mass of water in the leaf. We provide experimental evidence that while leaf water isotope ratios may change following exposure to a fog event using water with a depleted oxygen isotope ratio, leaf mass only changes when leaves are experiencing a water deficit that creates a driving gradient for the uptake of water by the leaf. Studies that rely on stable isotopes of water as a means of studying plant water use, particularly with respect to foliar water uptake, must consider the effects of these isotopic exchange processes.     

利用氮、氧稳定同位素识别水体硝酸盐污染源研究进展

水体硝酸盐污染已经成为一个相当普遍且重要的环境问题.为了保证人类的身体健康、水环境的良性演化,有效识别水体中硝酸盐污染的来源就显得尤为重要.水体中不同来源的硝酸盐具有不同的氮、氧稳定同位素组成,因此,可以利用氮、氧稳定同位素对水体中的硝酸盐污染进行源识别.本文介绍了氮、氧稳定同位素在氮循环主要过程中的分馏系数和主要硝酸盐来源的氮、氧稳定同位素组成,对比了5种硝酸盐氮、氧同位素分析预处理方法的优缺点,综述了国内外学者在该方向的研究进展并划分为3个阶段:单独使用氮稳定同位素;同时使用氮、氧稳定同位素;结合数学模型的应用.最后,对该领域今后的研究方向进行了展望.