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。     

植物水分利用策略研究进展

水分是影响植物生长发育的重要因子之一。地球上大多数生态系统中的植物都会经历一个降水相对稀少的干旱季节,植物在不同的季节与不同的生态系统中究竟如何利用水分,利用哪些水分去获得生存,成为一个人们关注的问题。在过去的20年,稳定同位素技术在植物生态学中的应用得到了稳定长足的发展。因为陆地植物(少数排盐种类除外)在水分吸收过程中不发生同位素分馏,因此可以利用δD与δ18O数据进行水分获取方式的研究。对植物木质部水分以及其潜在水源的稳定同位素进行分析,并参考土壤水势、叶片水势、土壤含水量等数据,同时运用二元或三元混合模型,可以定量确定植物的水分利用来源。大量的研究表明,不同功能型、生长阶段、季节的植物以及不同物种往往具有不同的水分利用策略。     

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吸收土壤水的平均深度。本研究为干旱半干旱地区利用同位素技术确定植物水分来源方法的选择提供了理论依据。     

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。     

Water isotope analysis for tracing ecosystem processes: measurement techniques,ecological applications,and future challenges

水分是生态系统的重要因子, 水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法, 利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征, 通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况, 可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究, 是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史, 在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理, 概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及 ¹⁷O-excess的研究进展, 并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后, 指出了水同位素研究亟待解决的问题, 展望了水同位素应用的前沿方向, 旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

水同位素分析与生态系统过程示踪:技术、应用以及未来挑战

水分是生态系统的重要因子,水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法,利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征,通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况,可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究,是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史,在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理,概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及~(17)O-excess的研究进展,并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后,指出了水同位素研究亟待解决的问题,展望了水同位素应用的前沿方向,旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

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.     

稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用综述

稳定同位素技术凭借简捷、高效的特点, 在水文学、生态学和生物地球化学等众多科学研究领域中得到广泛应用, 同时也为植物水分关系研究提供了新的技术手段。植物的生长和分布与水分的可利用程度紧密相关, 对植物水分利用的研究有助于更好的了解生态系统的水分平衡以及结构和功能。就稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用, 综述了碳氢氧稳定同位素在植物水分利用效率以及水分来源等研究中的原理、方法及应用进展, 为稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用提供科学参考作用。      

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。     

准噶尔盆地东南缘多枝柽柳、白刺和红砂水分来源的异同

荒漠生态系统中, 水是植物生长最主要的限制因子。为了比较同一生境下不同荒漠植物的水分来源特征, 选取了同一生境下的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、白刺(Nitraria sibirica)和红砂(Reaumuria soongorica), 测定了这3种植物茎水和各潜在水源(降水、土壤水和地下水)的氢、氧稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O)值, 并利用IsoSource软件计算了3种植物对潜在水源的利用比例。结果表明: 红砂和白刺的茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源有明显的季节波动特征。其中, 红砂为浅根系植物, 春季(3-5月)以表层土壤水为主要水源, 夏秋季节(6-10月)表层土壤含水量显著降低, 其主要的水分来源逐渐偏向于较深层的土壤水; 白刺的根系分布范围介于红砂和多枝柽柳之间, 在春季能够较多地利用表层土壤水, 而到了夏秋季节, 所利用的水分更多地来源于深层土壤水或地下水; 多枝柽柳为深根系植物, 其90%以上的水分来源于深层土壤水和地下水, 而且茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源没有季节波动特征。3种植物水分来源特征的差异与其水分利用策略密切相关, 同时, 也说明荒漠灌木可以通过自身调节向着最优(最有利)表现型发展, 从而最大限度地获取水分。     

Variations in the natural abundance of oxygen-18 and deuterium in plant carbohydrates

Variations in the natural abundance of ¹⁸O and ²H in plant cellulose are influenced by the isotopic composition of the water directly involved in metabolism—the metabolic water fraction. The isotopic distinction between the metabolic source water and total tissue water must reflect the formation of isotopic gradients within the tissue that are influenced by the rate of water turnover, by properties of the water conducting system and by environmental conditions. It seems that the ¹⁸O abundance in the metabolic water is conserved in cellulose with a relatively constant isotope effect. The relationship of the ²H abundance between metabolic water and cellulose is more complex. Hydrogen incorporated into photosynthetic products during primary reduction steps is highly depleted in ²H. However, a large proportion of these hydrogens are subsequently replaced by exchange with water, leading to ²H enrichment during heterotrophic metabolism. Deciphering the oxygen isotope ratio of cellulose could help in providing insights into the carbon and oxygen fluxes exchanged between plants and the atmosphere. This is because the ¹⁸O abundance in cellulose records the ¹⁸O abundance in the metabolic water, which in turn, controls the oxygen isotopic signatures of the CO₂ and O₂ released by plants into the atmosphere. The hydrogen isotope effects associated with carbohydrate metabolism provide insights into the autotrophic state of a plant tissue. This is because the hydrogen isotope ratio of carbohydrates must reflect the net effects of the two opposing isotope effects associated with photosynthesis and heterotrophic metabolism.     

A simplified GIS approach to modeling global leaf water isoscapes

The stable hydrogen (delta(2)H) and oxygen (delta(18)O) isotope ratios of organic and inorganic materials record biological and physical processes through the effects of substrate isotopic composition and fractionations that occur as reactions proceed. At large scales, these processes can exhibit spatial predictability because of the effects of coherent climatic patterns over the Earth's surface. Attempts to model spatial variation in the stable isotope ratios of water have been made for decades. Leaf water has a particular importance for some applications, including plant organic materials that record spatial and temporal climate variability and that may be a source of food for migrating animals. It is also an important source of the variability in the isotopic composition of atmospheric gases. Although efforts to model global-scale leaf water isotope ratio spatial variation have been made (especially of delta(18)O), significant uncertainty remains in models and their execution across spatial domains. We introduce here a Geographic Information System (GIS) approach to the generation of global, spatially-explicit isotope landscapes (= isoscapes) of "climate normal" leaf water isotope ratios. We evaluate the approach and the resulting products by comparison with simulation model outputs and point measurements, where obtainable, over the Earth's surface. The isoscapes were generated using biophysical models of isotope fractionation and spatially continuous precipitation isotope and climate layers as input model drivers. Leaf water delta(18)O isoscapes produced here generally agreed with latitudinal averages from GCM/biophysical model products, as well as mean values from point measurements. These results show global-scale spatial coherence in leaf water isotope ratios, similar to that observed for precipitation and validate the GIS approach to modeling leaf water isotopes. These results demonstrate that relatively simple models of leaf water enrichment combined with spatially continuous precipitation isotope ratio and climate data layers yield accurate global leaf water estimates applicable to important questions in ecology and atmospheric science.     

Water uptake by plants: perspectives from stable isotope composition

Stable isotope studies of hydrogen and oxygen stable isotope ratios of water within plants are providing new information on water sources, competitive interactions and water use patterns under natural conditions. Variation in the utilization of summer rain by aridland species and limited use of stream water by mature riparian trees are two examples of how stable isotope studies have modified our understanding of plant water relations. Analyses of xylem sap and tree rings have the potential of providing both short-term and long-term information on plant water use patterns.     

Isotopic composition and identification of the origins of individuals buried in a Neolithic collective grave at Bronocice (southern Poland)

The oxygen present in a human organism comes from numerous sources, but the major factor that causes variation in the isotopic composition of this element in a tissue is available drinking water. The isotopic ratio of oxygen in an organism's tissue, including that found in bones and teeth, reflects the isotopic oxygen composition typical for the area where a given individual developed and lived.Of particular interest with regard to this issue were a series of skeletons from the multiple grave discovered at the Funnel Beaker-Baden settlement at Bronocice (southern Poland). The question therefore arose whether the specimens buried in this grave were part of the local community.The oxygen isotope level was established using apatite isolated from bones or teeth. A femur and root dentine samples taken from permanent teeth were subjected to oxygen isotope analysis. The oxygen isotope level of the site was established on the basis of local water precipitation and measurements taken from the oxygen isotope concentration in apatite samples isolated from the bones of animals co-occurring with the studied human group.It has been found that the oxygen isotope levels in the bones and dentine of almost all the analysed specimens from the excavated site at Bronocice were within the established range for the area's environment, providing evidence for their local origin. Thus, it can be assumed that the analysed group inhabiting the macrosettlement at Bronocice during the Funnel Beaker phase of the Baden culture was most probably of local origin.