同位素生态水文学01：D、18O

1、D、18O稳定同位素技术 在生态水文学中的应用,孙 自 永 中国地质大学（武汉）,什么是生态水文学 ecohydrology - interaction between ecological processes and hydrological processes. ecological processes (terrestrial plant species) water absorption, sap flow, and evaporation (individual) germination, survival, and WUE (population) competition and

2、coexist of different species (community) spatial & temporal pattern of vegetation (landscape) hydrological processes canopy interception, stem flow, and throughfall evapotranspiration and groundwater recharge surface flow and subsurface flow runoff generation and water balance atmospheric moisture s

3、ources and regional climate,生态水文学前沿科学问题 - 以国家自然科学基金委 “黑河流域生态-水文过程集成研究”重大计划、联合国IGBP-BAHC (Biospheric Aspects of Hydrological Cycle)计划、美国SAHRA (Sustainability of Semi-arid Hydrology and Riparian Areas)计划为例 干旱环境下植物水分生态特征及适应机制 植物水分来源（where vegetation is extracting water?） 植物水分利用效率（water use efficiency,

4、WUE ） 物种间的水分竞争与共享机制（competition and partition for water） 不同尺度上生态过程对水文过程的影响 大气廓线上蒸散发的分割（ET partition, contribution of evaporation to ET） 植被对集水区产、汇流过程的影响（what are likely impacts of vegetation on surface flow, subsurface flow, and groundwater recharge?） 植被格局对河道径流量及成分的影响（what are likely impacts of veget

5、ation pattern on stream flow and its components?） 地表-地下水相互作用机理及其生态水文效应 气候变化和人类活动影响下流域生态-水文过程的响应机制,水分子稳定同位素D、18O的特点 - basis of the use of stable water isotopes in hydrological studies water isotopes They are labeled within and move with water molecules through all processes of the hydrological cycle.

6、 behave conservatively In most low-temperature, near-surface environments, as water molecules move through the subsurface, chemical exchange between the water and oxygen and hydrogen in the organic and inorganic materials through which flow occurs will have a negligible effect on the overall isotope

7、 ratios of the water (an exception is within certain geothermal systems, especially in carbonates, where large amounts of oxygen exchange between the water and rock can occur). The main processes that dictate the oxygen and hydrogen isotopic compositions of waters are: (i) phase changes and (ii) sim

8、ple mixing.,M,A,B,D、18O同位素在生态水文学中的应用,一、植物水分来源的示踪 二、河道径流成分的划分 三、ET的定量分割 四、植物水分竞争与共享机制 五、植被变化对水文过程的影响,D、18O同位素在生态水文学中的应用,一、植物水分来源的示踪 二、河道径流成分的划分 三、ET的定量分割 四、植物水分竞争与共享机制 五、植被变化对水文过程的影响,一、植物水分来源的示踪,降水,初始水源,吸水层位,植物对地下水的依赖程度 植物对水分胁迫的适应对策 植物物种的共存机制 生态建设中的物种选择 水资源开发对植物的影响 植物对气候变化的响应,因水分运移过程中的分馏作用，各水源D、18O值通

9、常存在显著差异,水分在被根系吸收并向叶片输送过程中，D、18O值不发生变化,植物茎干水D、18O值是各水源D、18O值以吸收比例为权重的混合值,White et al., 1985,根据茎干水及各潜在水源D、18O值，建立端元混合模型，定量计算植物对各水源的吸收比例,（一）原 理,1、确定植物吸收土壤水的主要层位,原理：以植物茎干水为标准，寻找D、18O同位素组成与之相同的土壤水所处的区间，该区间即为植物吸收土壤水的主要层位。,（一）原 理,问题：土壤剖面中可能有多个区间的同位素组成与茎干水相符。,植物从多个深度吸水（双层根，如苦豆子） 植物有水力提升作用（hydraulic lift，新发现

10、） 植物只从其中一个深度吸水,解决方案：同时监测植物清晨水势和不同深度处的土壤水势，进行对比。,1、确定植物吸收土壤水的主要层位,（一）原 理,2、计算植物对各潜在水源的吸收比例,原理：如果存在几个水源，则茎干水的同位素组成应该是各水源同位素组成的线性混合值，据此建立端元混合模型：,式中：Dp、18Op分别是植物茎干水的D、18O值；Di、18Oi分别是水源i的D、18O值；fi是植物对水源i的吸收比例。,（一）原 理,2、计算植物对各潜在水源的吸收比例,说明： 潜在水源可以是降水、地下水、地表径流这些需转化成土壤水后才能被植物吸收的“初始”水源，也可以是人为划分的土壤剖面区间内可被植物直接吸

11、收的土壤水，如浅层土壤水、中层土壤水、深层土壤水等。,（一）原 理,问题1：水分子D、18O值具有高度相关性(r2=0.95)，同时使用两个也不能提供额外信息，通常只使用其中的一个，所以只能解决两种潜在水源的问题。当潜在水源超过3个时，无法求得唯一解。,解决方案：Phillips & Gregg (2003)对端元数超过方程数时的解决方法进行过专门讨论，开发了确定各端元贡献比例上、下限的IsoSource软件。,2、计算植物对各潜在水源的吸收比例,（一）原 理,问题2：初始水源只有转化成土壤水才能被植物吸收，但在被吸收前，可能因蒸发作用发生同位素富集，D、18O值增高。若将各初始水源的D、18

12、O值直接代入模型，将导致“重”水源所占比例较真实值偏大。在蒸发强烈的干旱地区，这种偏差尤其显著。,2、计算植物对各潜在水源的吸收比例,降水,以18O为例,（一）原 理,解决方案1-区间模型：根据初始水源对土壤水的补给深度，将土壤剖面划分为垂向上的几个区间，用不同区间内土壤水D、18O值代替各初始水源D、18O值，代入模型进行计算。 前提：不同初始水源只对特定土壤区间有补给作用，各区间与各初始水源之间具有一一对应的关系。,2、计算植物对各潜在水源的吸收比例,解决方案2-蒸发效应校正：Corbin et al., (2005)提出，基于土壤蒸发线对茎干水D、18O值进行校正，然后进行计算。 适用范

13、围：各初始来源都为大气降水，其D、18O值位于LMWL上。,（一）原 理,1、各潜在水源的D、18O值存在显著差异,降水,以18O为例,Depth (m),D (),土壤水,茎干水,（二）应用前提,2、所有对植物有显著贡献的水源都已考虑,降水,以18O为例,漏掉某一种可能对植物有显著贡献的水源，会增大剩余水源所占比例，导致错误结论。 对植物有水分补给作用的除降雨、融雪水、地下水、地表水等易于察觉的水源外，还有雾水、露水、土壤吸附水等难以察觉的“隐性降水”(occult precipitation，国内称“凝结水”)。研究表明，隐性降水对植物有着重要的水分补给作用，有时甚至超过降雨。,（二）应用

14、前提,3、水分被根吸收向叶片传输中不发生同位素分馏,理论研究：Steady state时，受叶片表面水分蒸腾时平衡分馏和动力学分馏的影响，叶片中会产生同位素富集，但水分在从根系向叶片蒸腾点传输过程中不发生同位素分馏。 温室实验和野外观测：除部分排盐的盐生植物(salt-excluding halophytes)外，其他植物的根系在吸收水分时不发生同位素分馏。 注意事项：野外采样时，要以非光合作用组织中的水作为植物水样。,（二）应用前提,（三）操作方法,现象观察,头脑风暴,科学问题,提出假说,预测与推断,研究方案,数据获取,预测的检验,解释现象,不吻合,构建理论,无法解释,数据获取,（三）操作方

15、法, 植物茎干水 操作困难 混入有机物和矿物质，需进一步处理 发生同位素分馏 土壤水 抽取不完全，只能抽取部分重力水 无法保证定深采样 很多情况下抽不出水（干旱、半干旱区） 发生同位素分馏,野 外 固体样品采集,野外与室内 低温保存,室 内 液体样品抽提,（三）操作方法,1、样品采集-固体样品, 植物茎干样 乔木与灌木取木栓化的枝条，草本植物取根或根茎结合处的非绿色部分。 采样量根据植物的含水量有所不同，一般以能够提取0.10.5 mL水为宜（如34 cm长的枝条23个即可）。样品过多将导致抽提时间过长，并容易造成抽提不完全而影响结果；过少则难以获得测试所需的足量水分。 取样要迅速，取样完毕后

16、立即装入带盖和内垫的硼硅酸玻璃瓶中，用Parafilm封口，然后-5下冰冻保存。 土壤样品 开可挖土壤剖面或用取样钻定深取样。 采样位置最好靠近植株，取根系较集中处，样品保存前将根系挑检出来。 采样量根据土壤含水量有所不同，一般装满5 mL小瓶的2/33/4即可。对于极干燥土壤，可用8 mL取样瓶取样。样品保存方法同植物茎干样。,（三）操作方法,1、样品采集-潜在水源(液态), 降雨（或透冠雨） 融雪水 不能用积雪样（固态）代替融雪水（液态）。研究表明：融雪水D、18O值会随时间发生变化，且有别于积雪D、18O值。早期研究主要用深度平均雪样代替融雪水，其结果有较大的系统误差。 隐性降雨 在某些

17、地区，隐性降雨（主要是雾水和露水）可能是植物的潜在水分来源，需用特制设备取样。 地下水 地表水（河水、湖水等）,（三）操作方法,2、固体样品中水分的抽提,（三）操作方法,曾使用的提取方法有：挤压法(squeezing)、不互溶液体的置换(immiscible fluid displacement) 、低温真空蒸馏(cryogenic vacuum distillation)、以甲苯或煤油为溶剂的共沸蒸馏(azeotropic distillation)等。 Walker et al. (1994)利用国际上14个权威试验室，比较了不同提取技术对土壤水同位素分析的影响。使用的土壤为砂土、石膏质砂

18、土、高含水量粘土、低含水量粘土，使用的提取方法有共沸法、真空法和微蒸馏法。 误差产生的主要原因是水分提取不充分时相态转变所导致的同位素分馏，当土壤含水量降低时，误差增大。 低温法误差最大。该方法是为了避免提取粘土中的孔隙水，因为通常认为这部分水对植物无补给作用。 为了实现完全提取，必须进行加热。如果土壤被加热到100以上，在提取过程中分馏作用可以忽略。,2、固体样品中水分的抽提,（三）操作方法,目前公认的水分提取方法是低温真空加热蒸馏法，该方法综合了上述各方法的优点： 在真空状态下进行，避免土壤水或茎干水与大气中水汽的同位素分馏； 对固体样品进行加热，可实现水分的完全提取，避免水分提取不完全可能导致的同位素分馏； 加热温度控制在100以下(98 )，避免了植物无法吸收利用的强结合水被提取出来； 样品收集端进行低温冷却，保证提取系统中的水分能完全收集，避免系统内水汽残留及其所导致的同位素分馏。 最近