不同动力学分馏系数对北京山区侧柏叶片水δ^18O的模拟

利用稳定同位素技术对植物叶片水18O同位素组成(δL,b)进行研究,可以为植物叶片生理及森林水文的研究提供理论参考。本研究连续监测北京山区侧柏人工林生态系统冠层大气水汽浓度(W_a)和大气水汽18O同位素值组成(δ_v),结合测定的侧柏枝条水18O同位素组成(δ_x)和δL,b,分析了动力学分馏系数εk1(32%)和εk2(28%)对δL,b的预测效果。结果表明:侧柏人工林生态系统W_a日变化无明显规律,大气相对湿度(RH)日变化呈"V"型,气孔导度(g_s)在日尺度上先增大后减小;同位素接近稳态时(正午前后),δL,b略有增加,W_a、RH、g_s与δL,b均呈显著负相关关系;同位素接近稳态条件下,将不同动力学分馏系数εk1、εk2应用于Craig-Gordon模型,预测δL,b,εk2的预测值更接近δL,b的实测值,表明εk2应用于模型更符合北京山区侧柏叶片水同位素富集情况。研究结果将加深对叶片水同位素富集模型、蒸散拆分模型的认识。

氢和氧稳定同位素示踪湖泊蒸发的对比研究

氢氧稳定同位素被广泛用于水文循环过程的研究。本文观测了2015年太湖湖水H^2HO和H_2^(18)O组分,分析了它们的时空变化规律及其控制因子,探讨亚热带大型浅水湖泊的同位素富集机制;基于稳定同位素质量守恒法计算太湖蒸发量;评价了动力分馏学系数的传统湖泊算法与海洋算法的适用性;重点分析了H^2HO和H_2^(18)O示踪湖泊蒸发的效果,对比二者之间的差异。研究结果表明,在空间上,太湖湖水和河水的氢氧同位素在南部特别是东南部较为富集但在北部区域较为贫化,这主要是受水流方向的控制,东南部湖水经历的蒸发时间较长,因此湖水中同位素累积较多;在季节上,冬季湖水同位素较贫化、春夏季较富集。对于2015年太湖的年蒸发量,用氢同位素示踪的结果与观测值较一致,为880mm;氧同位素的示踪结果略低,为690mm。使用传统湖泊研究中对动力学分馏系数的取值,会导致蒸发被显著低估,而氧稳定同位素的示踪结果对动力学分馏系数的取值更为敏感,同时氢稳定同位素在同位素分馏过程中主要是平衡分馏效应占主导,因此H^2HO在动力学分馏系数的参数化方案中影响较小,在实际应用中更为稳定。本文的研究结果表明了稳定同位素水文学研究中使用合适的动力学分馏系数的重要性。

华北平原农田土壤蒸发δ^(18)O的日变化特征及其影响因素

土壤蒸发δ18O(δE)是影响大气水汽δ18O(δv)变异的重要因素,也是农田生态系统蒸散组分土壤蒸发和植物蒸腾拆分的核心科学问题之一。δE主要基于Craig-Gordon模型计算,主要受地表大气水汽δv、相对湿度(h)、平衡和动力学分馏系数以及土壤蒸发前缘液态水δ18O(δs)的影响。该研究以华北平原冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zeamays)生态系统大气水汽δv的原位连续观测数据为基础,同时结合不同深度的土壤日变化采样,综合探讨了δE的日变化特征及其影响因素。结果表明:冬小麦和夏玉米生长季δE的日变化表现为双峰曲线,分别在6:00和15:00左右达到峰值。h强烈影响农田生态系统δE,特别是在h>95%的高相对湿度环境条件下Craig-Gordon模型并不适用。大气水汽δv的原位连续观测技术克服了传统的降水平衡预测大气水汽δv方法的不确定性,可以显著提高δE的准确性。不同的平衡分馏系数对δE的结果无显著影响。不同的动力分馏系数尤其是考虑湍流扩散对动力分馏系数的影响会显著影响δE的模拟结果。土壤蒸发前缘的确定直接影响δs和标准化到土壤蒸发前缘温度下的h,显著影响δE的准确性。结合动态箱或静态箱与稳定同位素红外光谱连续观测技术直接测定δE,从而避免模型参数化过程引入的不确定性是未来研究的重要方向。