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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2012 , Vol. 32 >Issue 3: 289 - 293

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.03.289

Orginal Article

Application of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes Technique in the Water Depletion of Ecosystems

  • ZHANG Yu-cui , 1, 2 ,
  • SUN Hong-yong 1 ,
  • SHEN Yan-jun 1 ,
  • QI Yong-qing 1
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  • 1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050021, China
  • 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China

Received date: 2011-03-23

  Request revised date: 2011-06-05

  Online published: 2012-03-25

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本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

Abstract

Stable isotopes of oxygen and hydrogen play an important role in the research on water transport and exchange. The composition of deuterium (D or 2H) and oxygen 18 (18O) in water is very stable, which would not change with time unless fractionation happens. Therefore, they are good fingerprint of water movement. The fractional process of stable isotope is the key for tracing water cycling and transfer. Fractionation leads to the heavy isotopes enrichment of water evaporation vapor. And isotope composition of plant transpiration vapor is similar to the soil water absorbed by the roots except some halophilous plants. Measurement technologies for the isotope composition are mass-spectrometric method and laser method. Water depletion structure was partitioned by the combination of isotopic method and other method like the eddy covariance system. The plant transpiration accounted for about 6%-90% in different ecosystems or for different growth periods. Isotope compositions of different water sources were compared for the judgment of main root uptake layers. The application of hydrogen, oxygen and carbon isotopes in the leaf water-carbon coupling research revealed that 18O was enriched because of the photosynthesis and transpiration. As the composition of carbon dioxide and water, isotope compositions of 18O, 2H and 13C in leaves could also be used to show the change of water use efficiency which was calculated by the carbon accumulation and water depletion. There still existed some problems in the application of this technique like the upscaling and impact factors analysis while some possible improvements were discussed.

Key words： Key Words: stable isotopes of D and 18O; evapotranspiration; water sources; carbon stable isotope; leaf water; water use efficiency

Cite this article

ZHANG Yu-cui , SUN Hong-yong , SHEN Yan-jun , QI Yong-qing . Application of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes Technique in the Water Depletion of Ecosystems[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2012 , 32(3) : 289 -293 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.03.289

蒸散量是 Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC) 系统中的重要研究内容,是提高农业水资源的利用效率等的核心内容[1]。利用氢氧稳定性同位素方法研究水分耗散结构是一种较为先进的手段,本文将就稳定同位素技术在生态系统水分耗散方面研究的原理方法和测定技术进行简单介绍,并主要对其在蒸散发分离、植物主要水分来源利用、叶片水和水分利用效率等相关应用研究进行系统的分析和综述。

1 氢氧稳定同位素方法的应用原理、测定技术

水中氢的天然同位素有氘（D）和氚（T）,氧的天然同位素有17O和18O,不同类型水的同位素组成相对稳定,也不会随时间而发生衰变,因此,水的同位素成分被视作水的“指纹”。此外,稳定同位素没有放射性,容易处理,不污染环境,所以该方法在研究中得到广泛应用。

1.1 应用原理

同位素的分馏过程是利用稳定同位素示踪水分循环与转化过程的基本依据,它导致了土壤蒸发的水蒸气中重同位素的贫化,而当蒸腾处于同位素稳态时,蒸腾水汽的同位素组成与根吸收的土壤水的同位素组成相似[2,3],所以蒸发与蒸腾的同位素组成有了明显不同,从而可以区分水汽的耗散结构,从目前研究看来,这对大部分植物是成立的[3,4],但是对于某些盐生植物例外[5],这与此类植物根的特殊解剖结构有关。利用稳定同位素技术还可以量化植物水分来源,主要原理是通过分析对比植物木质部水分与各种水源的同位素组成,利用二项或三项分隔线性混合模型来确定不同来源的水分的贡献[6]。
目前,研究蒸散分离常用的计算方法主要是基于Keeling-Plot法[7,8]和同位素质量守恒法[9,10],以及水汽同位素原位连续观测结合涡度相关的方法。虽然植物根部吸收水分（除抗盐植物外）一般不发生同位素的分馏,但叶片蒸腾过程中会发生非稳态的氢氧同位素分馏过程。光合作用过程中,由于植物叶片水H218O和叶片气孔内C16O2的交换作用,导致植物叶片内释放出的CO2中C18O16O的富集[11]。光合作用过程中,植物叶片水同位素特征与碳的同化过程密切相关,在植物光合作用吸收CO2过程中,会对重同位素13C产生排斥,导致光合产物中13C／12C比率比大气CO2中的低。

1.2 测定技术

氢氧稳定同位素组成的主要测定技术是质谱法（质谱仪）和激光法（激光同位素分析仪）。两种测定方法都需要对水样进行前处理,但两者测定原理不同,对于质谱仪, 18O一般用CO2-H2O平衡法测定;D一般用金属铬（锌）还原法将水样中的氢转化为氢气测定;而对于激光稳定同位素分析仪,一种是基于可调谐式二极管激光器的吸收光谱法(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS),另一种是利用偏轴积分腔吸收光谱技术,通过测量不同波长光谱的吸收,得到绝对2HHO,HH18O和HHO分子浓度。

2 氢氧稳定同位素在生态系统水分耗散研究中的应用

2.1 氢氧稳定同位素在蒸散发分离研究中的应用

稳定同位素技术在生态系统水分耗散结构方面的研究,由最初的探索逐渐走向成熟并不断深入,开始逐步应用于不同生态系统的研究以及生态系统内不同植被类型或者不同水分处理条件下的水分通量研究。Walker[12]在20世纪90年代只研究各自水汽的同位素含量特征以及叶片同位素分馏与蒸腾速率的关系,却没有最终量化蒸散的结构;十几年后,对美国科罗拉多州草原生态系统研究表明[13],该地区由于蒸发缘故,土壤水比雨水更富集重同位素,土壤蒸发在生长季占到蒸散的0~40%,该研究肯定基于稳定同位素方法研究水分耗散结构的可行性。同一时期,wang等人对美国亚利桑那州东南部圣彼得河上游稀树草原上层林冠和下层植被水分耗散结构研究[14]发现,在雨季过后,蒸腾量占整个生态系统蒸散量的85%,同时期下层林草蒸腾量占到50%,这个结果与他们用涡度相关方法测定的结果一致。
水汽中稳定同位素含量在灌溉后随时间也有不同的变化。Yepeze[15]用Keeling曲线法研究灌溉后半干旱草原区蒸腾比例的变化：灌溉后第1 d蒸腾占蒸散总量的35%,第3 d升高到43%,在7 d比例下降到22%。而对于西双版纳地区的热带雨林来说[16],雾水中包含区域再循环的蒸发水汽,所以有重同位素的富集,持久浓重的辐射雾是导致西双版纳地区热带雨林蒸散和土壤蒸发率较低的重要因子。此外,水汽同位素特征还受纬度和季节的影响[17]。在蒙古东部Kherlen河流域对森林和草原生态系统的水汽研究中发现[18],由于蒸散的水汽与大气边界层以外的大气混合,δ18O在6~10月呈现下降趋势,当海拔升高时也会出现相同现象,这个地区森林蒸腾量大概占到60%~73%,林木对蒸散量的贡献一般较为稳定[19]。为使环境因素对同位素组成的影响减少到最低,还有研究者[20]在没有假设稳定条件的前提下探讨气候箱控制下的牛尾草的水分耗散情况,试验期间土壤蒸发对蒸散的贡献从100%（裸地）依次下降到94%（DAS16：播种后16 d）,83% (28 DAS),70% (36 DAS) 和5% (43 DAS)。
氢氧稳定同位素技术在对草原和森林生态系统水分耗散结构的研究比较深入和完善,对进一步发挥生态系统整体功能有促进作用。当稳定同位素技术应用到农田与果园水分耗散时,将会促进生产型用水的合理分配,但目前看来此类研究还相对比较少。用涡度相关法和稳定同位素法结合通过测定蒸散量和液态以及汽态水可以将植物蒸腾和土壤蒸发区分开来。对于华北地区冬小麦无露水日水汽蒸散研究发现[21],土壤蒸发的同位素含量在-50‰~-40‰ 范围内,存在显著的同位素分馏效应,表层土壤水的同位素显著富集,而蒸发水汽同位素明显贫化,并且中午时段的拟合结果较好。在麦田拔节、抽穗和灌浆3个发育期,蒸腾占总蒸散比例一般在94％~99％之间,与传统的平均值70%[22]有所不同,可能是冬小麦生长旺季,叶面积指数大,冠层覆盖密的缘故。此外,灌溉也影响着土壤蒸发和植物蒸腾的变化[23]。在橄榄树果园里,灌溉前蒸腾占总耗水量的100%,而灌溉后的5 d内蒸腾占69%~86%,土壤蒸发与日尺度的大气水汽压差正相关,但蒸腾却与之无关。运用可调谐式二极管激光器的吸收光谱法原位连续测定的大豆冠层水汽样同位素的研究发现,垂直水汽的混合和露水的形成都对蒸散水汽的同位素特征有影响[24]。

2.2 氢氧稳定同位素在植物对不同水源的利用研究

土壤水分是调控植被群落结构与动态的关键性因子[25],稳定同位素技术在判定植物土壤水分来源研究中主要集中在两方面,一方面是植物吸收利用的土壤水的层次问题;另一方面是被植物吸收利用的土壤水的主要来源转化及各自所占比例。针对植物吸收利用土壤水的层次问题,在地下水埋深较浅的山西省运城地区的研究发现夏玉米生育期内主要的吸水深度为0~50 cm,棉花主要的吸水深度比夏玉米深,变化幅度较大,在吐絮成熟期主要的吸水深度可达到110 cm[8]。通过比较植物水与土壤水、地表水、雨水等各种来源水分的稳定氢氧同位素组成,可区分各来源水分对植物生长的相对贡献[26]。石辉等[27]2003年的文章介绍了稳定性氢氧同位素在水分来源、径流响应和植物用水的研究进展。
此外,不同水分来源利用方面,稳定同位素技术在植物的根系水分再分配现象,群落的水分竞争关系方面也有应用。Caldwell和Richards[28]用添加氘化水的实验在美国大盆地的植物根系水分提升研究表明,该现象与各土层的土壤水势,植物根系密度,根的径向传导以及根-土间的传导有关系。现在越来越多的研究将同位素示踪法和茎流法结合使用,测量植物根系的资源获取和利用模式[29]。植物根系水分的再分配还会对植物间水分关系产生一定的影响。Ludwig等[30]对东非坦桑尼亚北部旋扭相思树的同位素分析研究表明,与树木竞争的草使用了更多比例的深层水分,推论在萨瓦那群落里水分竞争和水力提升所带来的促进作用都存在。

2.3 氢氧稳定同位素在叶片水碳耦合和水分利用效率研究中的应用

除陆地生态系统与大气水汽进行交换会发生稳定同位素的分馏,生态系统光合和呼吸过程中也会对碳和氢氧稳定同位素产生分馏。富集H218O的叶片水18O信号会传递给光合作用释放的O2和从气孔扩散出的CO2,因此,植物叶片水H218O富集对大气中O2和CO2的18O收支有着重要的影响[31]。直接影响18O16O和C18O16O交换的是植物叶片气孔腔内蒸发部位水的δ18O,植物叶片蒸腾运输过程与叶片气孔腔内蒸发部位H218O的反向扩散过程是相反的, 这个过程称为Péclet效应[32]。C3作物在光合作用过程中,有2/3的CO2在碳酸酐酶(CA)催化下,与叶片水经过同位素平衡反应后重新扩散回大气,叶片水发生蒸腾作用而富集18O,因而从叶片扩散回大气的CO2,其18O含量明显升高[33]。 Zhou[34]研究发现,叶片水在20℃要比30℃时富集程度低。Farquhar[35]发现叶片经呼吸作用释放到大气的CO2中18O含量受叶绿体或叶肉内水分18O、CO2从叶片扩散到大气的分馏以及土壤和作物组织中水的同位素平衡反应等影响。
植物水分利用效率（WUE）大小由植物的CO2同化效率和蒸腾效率决定,所以WUE的变化可以通过叶片的δ13C,δ18O和δD来指示[36]。Tanaka-Oda等人[37]基于稳定性碳同位素研究发现,在干旱区,叶片水分效率随树木高度增加呈现出的规律变化与研究区的水分和养分条件有关系。不同水分处理下对梨树的水分利用效率研究发现[38],与充分灌溉处理相比,水分亏缺处理的叶片同位素判别值在不同的时期下降约1.23%。

3 存在问题

深入研究水分耗散规律,将有利于减少非生产性用水,实现农业水资源的可持续发展,对整个社会的发展至关重要[39,40]。虽然稳定同位素技术在水分耗散研究中已经有许多应用,但目前依然存在许多问题：
1） 如何利用同位素技术示踪的优势研究水汽在区域尺度乃至全球尺度时空上的变化特点,以探究气候变化背景下,陆地生态系统的水分耗散和转化,需要进一步深入研究;
2） 应将水分耗散放入到降水-径流-土壤-植物-地下水-水汽这个完整的系统中来研究,运用同位素的标记特点,认识界面间水分传输和转化关系,为干旱、半干旱地区生态需水、农业用水等问题的解决提供科学理论依据。
3） 生态系统中水汽关系涉及的影响因素非常多,比如说温湿度,土壤蒸发和植物蒸腾,以及降水和灌溉等的影响等,研究具有复杂反馈性,怎样处理和分析各环境因素对水汽中同位素含量变化的影响,判断特定状态下研究的合理性,也是一个亟待解决的问题;
4） 利用不同来源水分特有的稳定同位素天然丰度,深入研究作物生长过程中用于蒸腾的有效水分和消耗于土壤蒸发的无效用水所占比例及其影响因素,将对理解农田水分传输与转化过程,改善农田水管理,提高土壤水分利用效率有非常重要的意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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