氢氧稳定同位素在SPAC水分循环中的应用研究进展

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等,从而成为广泛应用于水分循环研究中的重要手段。本文介绍了稳定同位素技术在土壤植物大气连续体(SPAC)水分循环中的应用原理及研究进展,并阐述了其在SPAC水分循环应用中存在的问题及发展前景,以期为氢氧稳定同位素技术在SPAC水分循环研究中的深入应用提供参考,为研究水资源、水环境问题,特别是干旱、半干旱地区的水分利用效率、水分分配机制等关键性问题提供理论依据和技术支持。

陆地植物有机分子化合物氢同位素组成及其古环境意义

近年来，随着高温裂解-色谱-同位素质谱技术的发展，使有机分子化合物氢同位素的生物地球化学研究成为可能，并已被应用到湖泊沉积物、泥炭等地质记录的古环境研究中。然而，由于目前对陆地植物有机分子化合物氢同位素组成变化与气候变化之间关系很好的认识，造成了地质纪录中有机分子化合物氢同位素组成变化解释的不确定性。笔者利用GC／TE／IRMS方法初步测定了中国西北地区干旱-半干旱地区现代植物和黄土估土壤序列中正构烷烃组分（主要来自植物叶蜡）的氢同位素组成。

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(δ^(2)H和δ^(18)O)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δ^(2)H与δ^(18)O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δ^(2)H与δ^(18)O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。

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方程为:δD=7.13δ^(18)O+2.35(R^(2)=0.99),土壤蒸发线方程为:δD=6.98δ^(18)O-0.32(R^(2)=0.92)。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。浅层土壤(0~35 cm)水δ^(18)O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35~100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。

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-δ^(18)O线性回归方程分别为:δD_P=7.97δ^(18)O_P+12.68(R^2=0.97)、δD_S=4.29δ^(18)O_S-18.62(R^2=0.81)、δD_B=3.31δ^(18)O_B-29.73(R^2=0.49)、δD_L=1.49δ^(18)O_L-10.09(R^2=0.81)、δD_V=3.89δ^(18)O_V-51.29(R^2=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。