氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用
稳定同位素技术在生态科学研究中的应用
稳定同位素技术在生态科学研究中的应用稳定同位素技术是一种先进的分析技术，其应用范围非常广泛，包括医学、环境科学、生态学等。
其中，生态学是一个非常热门的研究领域，稳定同位素技术在其中的应用越来越受到重视。
本文将介绍稳定同位素技术在生态科学研究中的应用。
一、稳定同位素技术的基本原理稳定同位素技术的原理是利用同位素的物理性质进行对比分析。
同种元素的不同同位素具有不同的质量数，因此在化学反应中其代表的物理参数也会有所不同。
在这里，我们以碳同位素为例进行介绍。
碳元素的三种同位素分别是12C、13C、14C，其中12C和14C 为稳定同位素，而13C为非稳定同位素。
在自然界中，12C的比例最高，13C的比例稍低，而14C的比例非常低。
当有机物质参与化学反应时，不同碳同位素的比例也会随之变化。
利用稳定同位素技术，我们可以通过测量不同碳同位素的比例来推断有机物质的来源、代谢途径等信息。
二、 1. 食物链研究稳定同位素技术可以用来研究食物链的物质传递。
不同生物体之间的碳同位素比例存在差异，因此可以通过测量同一食物链中不同生物体中碳同位素比例的变化来揭示物质传递的规律。
例如，通过测量草地生态系统中不同植物、土壤、昆虫、鸟类等生物体的碳同位素比例，可以了解不同生物体的食物释放源、食物选择行为等信息。
2. 水循环研究稳定同位素技术可以用来研究水循环的过程。
水分子中的氢原子存在两种同位素，分别是普通氢（1H）和重氢（2H）。
稳定同位素技术可以通过测量水中两种氢同位素的比例来揭示水循环的过程。
例如，在气候变化研究中，可以通过测量降水中重氢的含量来了解水循环的速度、路径等信息。
3. 氮循环研究稳定同位素技术可以用来研究氮循环的过程。
氮分子中存在两种同位素，分别是14N和15N。
在自然界中，14N的比例远高于15N。
稳定同位素技术可以通过测量不同生物体或环境中14N和15N的比例来揭示氮循环的过程。
例如，在土壤氮循环研究中，可以通过测量不同生物体、土壤、水体中15N的比例来了解氮转化的速度、途径等信息。
稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用
第25卷第9期2005年9月生 态 学 报ACT A ECOLOGICA SINICA V ol.25,N o.9Sep.,2005稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用孙双峰1,2,黄建辉1*,林光辉1,赵 威1,2,韩兴国1(1.中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室,北京 100093; 2.中国科学院研究生院,北京 100039)基金项目:中国科学院知识创新工程方向资助项目(KSCX2-SW -109);中国科学院“百人计划”资助项目收稿日期:2004-07-08;修订日期:2005-03-29作者简介:孙双峰(1972～),男,河南新乡人,博士生,主要从事植物生理生态学研究.E-mail:sfsu n@*通讯作者Auth or for corres pondence.E-m ail:Jh huang@Foundation item :Know ledge Innovation Direction Project (Grant No.KSCX2-SW -109);Hund red People Pr oject of CASReceived date :2004-07-08;Accepted date :2005-03-29Biography :SU N S huang-Feng ,Ph.D.cand idate,mainly engag ed in plant ecophys iology.E -mail:s fs un@摘要: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。
氢氧稳定同位素在植物水分提升机理研究上的应用
氢氧稳定同位素在植物水分提升机理研究上的应用祁亚淑;朱林;许兴【摘要】Through the promotion effect of moisture, the plant root systemin the soil deep can move water from moist deep soil to drier and shallow soil layers supplying water for plant roots of shallow layers. In arid regions, the phenomenon not only has a positive role in ecological terms, but also can improve the water used efficiency, promote plant absorption of soil nutrients, promote decomposition and maturity of soil system organic, and also can improve crop yields and change the community structure of plants. But hydraulic lift of plant roots and water transport mechanism is a difficulty in the way of conventional experimental research, therefore, in order to study the path process on hydraulic lift more clearly, domesticand foreign scholars combined application of stable isotopes techniques in the plant roots hydraulic lift process, in order to better reveal the mechanisms and ways to promote the moisture.%植物在土壤深层的根系通过水分提升作用可以把土壤深处的水分运移到浅层较干的土壤中，为浅层植物根系补给水分。
稳定同位素在植物水分来源及利用效率研究中的应用
稳定同位素在植物水分来源及利用效率研究中的应用吴骏恩;刘文杰;朱春景【摘要】This paper described the application of stable hydrogen,carbon and oxygen isotopes techniques in tracing sources of plant water and water use efficiency.Since the process that plant roots uptake water is non-frac-tionating,plant xylem water has the same composition of stable hydrogen and oxygen isotopes as soil water utilized by the plant.By analyzing the composition of hydrogen and oxygen isotopes of plant xylem water and potential sources of water,we could quantitatively determine the contributions of the sources to plants.For the study of water use efficiency,there were many researches showed that the composition of stable carbon isotopes of leaves can be an indirect indicator of plant water use efficiency.Photosynthesis is one of the most significant processes of carbon iso-tope fractionation in nature.So,stable carbon isotopes techniques had become the best way to study the long-term water use efficiency of plant leaves presently.As a safe tracer material,stable isotopes technique will help people to understand the plant’s ecophysiological process.Anyway,with the continuous improvement of techniques,sta-ble isotope techniques will be widely used in many areas of ecology.%介绍了稳定氢、氧、碳同位素技术在定量区分植物水分来源及利用效率研究中的应用。
水资源管理中的氢氧同位素技术研究
水资源管理中的氢氧同位素技术研究水，是地球上最基本的生命之源，也是人类生存所必需的基础物质之一。
随着全球人口不断增长和经济的迅猛发展，水资源的需求量不断增加，但是水源的可利用量却是有限的。
因此，对水资源的管理和利用成为了世界各国所面临的重要问题之一。
而在水资源管理领域，氢氧同位素技术被广泛应用。
氢氧同位素技术简介氢氧同位素技术是用氢氧同位素比值来研究水的性质和运动过程的一种方法。
因为不同来源的水在组成方面会有所不同，故而不同种类的水同位素比值也不尽相同。
通过对水样中氢氧同位素比值的测定，并结合氢氧同位素与环境参数（温度、降雨等）之间的关系，可以推断出水体的来源、水文过程以及水的补给来源等信息。
氢氧同位素技术已被广泛应用于水资源开发、水文过程研究、水污染控制、农业灌溉、生态保护等领域。
氢氧同位素技术在水资源管理中的应用氢氧同位素技术在水资源管理中的应用主要包括以下几个方面：1. 水循环研究氢氧同位素技术可以用来研究水的流向、水文过程以及水循环等问题。
例如，对于地下水补给来源的研究，可以通过分析地下水中氢氧同位素比值的变化来确定水的来源。
同时，利用氢氧同位素技术可以分析水的补给来源和补给时间，从而帮助制定合理的水资源管理和保护措施。
2. 水污染控制氢氧同位素技术还可以用来控制水污染。
因为不同的水污染物在水体中分布不均，也会对水体中的氢氧同位素比值产生影响。
因此，通过对水体中氢氧同位素比值的分析可以帮助确定水体中污染物的来源和迁移路径，进而实现对水污染的预测和控制。
3. 农业灌溉氢氧同位素技术可以用来研究农业灌溉水的来源和使用情况，从而实现对土壤水分和养分的管理。
例如，在干旱地区，通过对灌溉水中氢氧同位素比值的分析，可以判断灌溉水的来源和补给周期，从而合理使用水资源，提高灌溉效率。
4. 生态保护氢氧同位素技术在生态保护中也有重要应用。
例如，在海洋生态系统研究中，可以利用氢氧同位素技术分析海水中氢氧同位素比值的变化，从而研究海水运动和海洋生态系统的变化。
氢氧稳定同位素在植物水分来源研究中的应用
第 １ 卷 第 ５期 ８
２ １ １ 年 ０
安 全 与 环 境 工 程
Ｓ ｆ ｔ ｎ ｎ ｉｏ ｍ ｅ ｔ ｌＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ａ ｅ ｙ ａ ｄ Ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ａ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ
Ｖ ｏ ． ８ ＮＯ １１ ．５
Ｓｅ ． ｐ ２０１１
９月
氢氧稳定 同位素在植 物水 分来 源研究 中的应用
无 法提供 直 接 证 据嘲 。 目前 ， 氧 稳定 同位 素 示 踪 氢
０ 引 言
植 物 的生 长状 况 和分布 格局 都与 水分 的可 利用 程 度 紧密 相关 ， 尤其 在 干旱半 干旱 地 区 ， 分成 为植 水
物 生长 的限制 性 因子 。植物 主要 通过 活性 根来 吸 收 水分 ， 而活 性 根 的分 布 格 局 与植 物 地 下 生物 量 的分 布 格 局 可 能并 不 一 致［ ， １ 因此 传统 的根 系 调查 法在 ］
时 ， 性 混 合 模 型 就 不 能 得 到 一 个 唯 一 解 。 Ｄ． ＿ 线 Ｌ
Ｐ ｉ ｉｓ ｈｌｐ 等 对 端元数 超过 方 程数 时 的解 决 方 法 进 ｌ 妇 行 过专 门讨论 ， 并提 出确 定各 端元 贡献 比例上 、 限 下 的多源 质 量 守恒 的 Ｉｏ ｏ ｒｅ方 法 。该 方 法 是 基 于 ｓ ｓｕ ｃ
安 全 与 环 境 工 程
水资源开发中的氢氧同位素技术应用
水资源开发中的氢氧同位素技术应用随着社会经济的发展，人类对水资源的需求越来越大，特别是在干旱地区和人口密集地区，水资源的紧缺问题已经成为制约当地经济和社会发展的瓶颈。
传统的水资源开发方式已经无法满足人类对水资源的需求，因此，氢氧同位素技术在水资源开发中的应用变得越来越重要。
一、氢氧同位素技术的概念和原理氢氧同位素技术是一种利用水分子中的氢和氧同位素比例分析水质和水循环的技术。
氢氧同位素技术的原理是基于自然界中水分子氢和氧的同位素组成比例是固定不变的，并且各种水体中同位素比例的差异可以用来揭示不同水体来源、传输和地下水补给等特征。
具体来讲，氢氧同位素技术主要关注的是水分子中的两种同位素：氢同位素和氧同位素。
所谓同位素，是指元素原子核内中子数不同的同种原子。
对于氢元素来说，自然界中存在两种核含有一个质子的同位素，分别为普通氢同位素和重氢同位素，前者的质子核内只有一个质子，而后者的质子核内除一个质子之外还有一个中子。
对于氧元素来说，自然界存在两种核含有8个质子的同位素，分别为普通氧同位素和重氧同位素。
根据同位素的物理、化学性质的不同，同位素表达了多个环节的生物、地球化学和对环境响应。
二、氢氧同位素技术在水资源开发中的应用1.水资源的来源氢氧同位素技术可以通过分析水中氢同位素和氧同位素的组成比例来确定不同水体的来源。
因为不同的水体来源有着自己特殊的同位素组合特征，所以在区别水体来源方面，这种技术是非常准确和实用的。
利用这一技术，我们可以了解到降雨水、地下水、地表水、蒸发水和雪水等水体来源，并且可以根据同位素特征界定不同水源的水化学特征。
2.水循环过程研究水是一种很重要的物质，在生态环境中扮演着极其重要的角色，并且被广泛应用于生产和生活。
通过分析水中氢氧同位素的组成特征，可以在一定程度上推断出水循环过程中水体的转化和传输情况，如雨水、雪水、地下水和地表水等交换过程，以及河流、湖泊和海洋等水体之间的混合过程。
稳定同位素分析技术在生态环境中的应用
稳定同位素分析技术在生态环境中的应用稳定同位素分析技术（Stable Isotope Analysis, SIA）是一种快速、无损、高效的环境分析技术，广泛应用于环境科学、生态学和生命科学领域。
SIA基于稳定同位素的不同分布和比例来分析物质的来源、转化、氧化还原过程和生物地球化学循环等问题。
本文将重点介绍稳定同位素分析技术在生态环境中应用的情况。
一、稳定同位素分析技术简介稳定同位素是指具有相同原子序数但质量数不同的同种元素。
常见的稳定同位素包括氢、碳、氧、氮、硫等。
这些稳定同位素具有不同的地球化学特征，可以揭示物质的来源、地球化学过程和生态系统的功能。
SIA是一种基于稳定同位素比例变化来解释物质来源和转化过程的方法。
SIA能够分析不同体系中的稳定同位素比例差异，揭示物质的生物地球化学循环过程。
SIA技术原理是通过建立起稳定同位素的分析模型，实现分子体系同位素比例的定量确定。
SIA 属于一种定量分析技术，能够同时检测多种稳定同位素分布的变化，分析多维度的生态环境状况。
根据分析对象不同，SIA方法主要分为稳定同位素比值法、原位埋标法和稳定同位素示踪法。
二、稳定同位素分析技术在生态环境中的应用1. 水文生态学稳定同位素比值法可用于测定自然水体、地表水、地下水和河水的起源和水循环过程。
水的稳定同位素比值如δD和δ18O提供水的循环路径和水量变化的信息。
测量稳定同位素比例可以揭示水的来源和流向，可用于评估气候变化和水资源的分配。
利用稳定同位素示踪技术可以评估水分配、蒸散发、入渗和径流量等信息，为水文生态系统的脆弱性评估和水资源保护提供重要支持。
2. 植被生态学稳定同位素分析技术可用于植被的成分分析、地上与地下生物量计算、碳、氮等元素循环状况研究。
植被稳定同位素比值的变化反映了植物的水分利用效率、养分利用效率和生态环境的状况。
对于大规模生态系统监测和评估工作，稳定同位素分析可从原位的样品中得到相关的生态环境信息，评估和预测相关生态系统的变化趋势。
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第22卷 第4期世 界 林 业 研 究Vol.22 No.4 2009年8月World Forestry Research Aug12009氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用3徐 庆1 冀春雷1 王海英1 李 旸2(1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091;2中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091)摘要:综述了氢氧碳稳定同位素的概念、示踪原理及其应用于定量确定植物水分来源、水分利用格局和水分利用效率等方面研究进展。
同时展望了全球气候变化条件下,氢氧碳多种稳定同位素联合示踪先进技术在定量研究植物水分利用策略以及植被对全球气候变化的响应机制研究中的应用前景。
关键词:氢氧碳稳定同位素,植物水分来源,水分利用效率,水分利用策略中图分类号:S718.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2009)04-0041-06Use of St able Isotopes of Hydrogen,O xygen andCarbon to I den ti fy W a ter Use Stra tegy by Pl an tsXu Q ing1 J i Chunlei1 W ang Haiying1 L i yang2(1Research I nstitute of Forest Ecol ogy,Envir on ment and Pr otecti on,Chinese Academy of Forestry,Beijing100091,China;2Research I nstitute of Wood I ndustry,Chinese Academy of Forestry,Beijing100091,China)Abstract:Stable is ot op ic technol ogy is a ne w method t o deter m ine s ources and utilizati on patterns of p lant water.The main advantage of this technol ogy is that it can p r ovide results of relatively high ac2 curacy and sensitivity.The pur pose of this paper is t o p resent an overvie w of the concep ts and theory of stable is ot ope tracing,and the methods of using stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon t o quantify s ources of p lant water and pattern and efficiency of p lant water use.This paper uses s ome exa mp les t o demonstrate how the stable is ot op ic technol ogy may be used t o address different issues re2 lated t o p lant water use strategies,and p r ovides s ome pers pectives on app licati ons of the advanced technol ogy of si m ultaneously tracing multi p le stable is ot opes(hydr ogen,oxygen and carbon)in stud2 ying mechanis m s of potential vegetati on res ponses t o gl obal cli m ate change.Key words:stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon,water s ource of p lant,water use effi2 ciency,water use strategy 水是植物生命活动中最活跃的成分之一,对植物生长发育、数量和分布具有显著影响,尤其在干旱和半干旱地区,水成为植物生长的主要限制因子[1]。
全球气候变化的一个重要方面是区域降雨格局的变化[2],植物吸收和利用水分的模式一定程度上决定了生态系统对环境水分状况发生改变时的响应结果[3],因此,对植物水分利用策略及水分来源的了解,将有助于我们了解和预测降雨格局变化导致未来植被时空变化的规律[4],有助于林业科技人员根据生境选择合适的造林树种进行植被建设和恢复工作。
氢氧碳稳定同位素示踪技术有较高的灵敏度与准确性,为定量研究植物水分来源,水分利用格局和水分利用效率等提供了新的技术手段。
3收稿日期:2009-04-30基金项目:国家自然基金项目(30771712);“十一五”林业科技支撑项目(2006BAD03A04);948项目(2006-4-04)作者简介:徐庆,女,中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所副研究员,博士,研究方向:稳定同位素生态学,E-mail:xu2 qing@世 界 林 业 研 究第22卷1 稳定同位素示踪基本原理稳定同位素是指尚未发现存在放射性衰变的同位素,对水文和水资源研究而言,天然存在于水分子中的氢有1H(氢)和D(氘)共2种稳定同位素,氧有16O,17O和18O共3种稳定同位素。
天然存在于植物组织中的碳有12C和13C共2种稳定同位素。
不同环境条件下植物体内氢氧碳的同位素组成不同,通过分析植物体内同位素组成的变化,可以确定植物的水分来源、水分利用格局和水分利用效率。
由于稳定同位素在自然界中含量极低,用同位素比值的绝对量表示同位素的差异比较困难,因此,国际上规定统一采用待测样品中某元素的同位素比值(Rsam ple)与标准样品的同种元素的相应同位素比值(Rstanda rd)的相对千分差作为量度,记作为δ值,即δX(‰)=(Rsam ple/R standa rd-1)×1000式中Rsam ple是样品中元素的重轻同位素丰度之比,如(D/H)sam ple,(18O/16O)sam ple和(12C/13C)sam ple 。
Rstanda rd是国际通用标准物的重轻同位素丰度之比,如(D/H)standa rd,(18O/16O)standa rd 和(12C/13C)standa rd。
通过分析δ值的变化来解决实际问题[5-6]。
2 氢氧稳定同位素在定量确定植物水分来源和水分利用格局中的应用 植物中氢和氧的主要来源是水。
植物所能利用的水分主要来自降水、土壤水、径流(包括融雪)和地下水。
土壤水、径流和地下水最初也全部来自降水,但由于土壤水分输入的季节变化、地表层的蒸发或土壤水分和地下水之间的差异使得土壤水分产生同位素组成的梯度(Is ot op ic compo2 siti on gradients)[6-9]。
对一般植物而言,水分在被植物根系吸收和从根向叶移动时不发生氢氧同位素分馏[6-9],植物木质部水中的氢和氧稳定同位素比率反映了它们生活的环境中的水分来源[7,10-11]。
因此,通过分析比较植物木质部水分与植物生长环境水(潜在水源)的氢氧同位素组成,利用二项或多项同位素混合模型可以确定植物吸收利用水分的来源及不同水源对植物水分的相对贡献大小[7-9,12-13],还可研究植物水分利用在时间和空间上的变化[11]。
2.1 确定植物水分来源及其贡献大小根据植物体(木质部)水中氢氧稳定同位素组成确定植物所利用水源的研究国际上已有较多报道[14-19]。
S m ith等研究了Eastern Sierra河岸群落,发现优势树种在生长季逐渐由利用土壤水转到利用地下水[20]。
在美国西部盐湖城附近,雨水的δD 为-200‰(冬季)～-20‰(夏季),河水基本稳定在-12l‰,远离河流的小树利用土壤水,靠近河流的小树利用河水,而生长在河岸的大树利用地下水,并不利用河水[7]。
利用氢氧同位素研究澳大利亚河岸桉树(Eucalyptus cam aldulensis)得出,在生长季节,离河岸10～40m范围内的桉树不是利用土壤水而是利用地下水。
生长在河旁的桉树除了直接利用河水外,还利用了地下水和土壤水,各种水源的比例因季节而异[8]。
Mensforth等在犹他州与亚里桑那州交界处一个沙漠灌丛群落中,通过测定优势植物木质部水分δD研究了荒漠植物对夏季降水的利用,得出1年生植物和肉质植物如丝兰属(Yucca)只利用夏季降水;多年生种类利用夏季降水和深层土壤水以及保存的冬季降水。
其中草本种类水分的91%和木本种类的57%来自夏季降水;2种深根系多年生种类的δD与泉水相近,表明它们利用地下水和残留的冬季土壤水分[8]。
通过分析梣叶槭(Acer neganda)的年轮宽度(代表径向生长增量)和年轮中的δD,表明在生命最初20～25a 中,δD值与夏季降水相似,径向增长不规律。
25a 以后,δD与地下水相似,年轮较大,生长稳定,说明梣叶槭年幼时利用地表水源(如降水或河水),生长不稳定与水源的不稳定有关;树木长到一定大小,利用到了稳定的水源———地下水,因而稳定地生长[7]。
世界上许多海岸区域常被雾所覆盖,雾对植物可能是一种很重要的水分来源。
通过测定红杉林(Sequoia se m pervirens)中雾、雨水、土壤水及优势植物木质部水分的D和18O,发现植物利用了通过树木冠层截留滴落到土壤中的雾水,尤其在降雨量较少的夏季或年份中,植物利用雾水的比例更大[21]。
通过采用包括稳定同位素技术在内的一系列方法研究表明,红杉叶片可以直接吸收雾水[22]。
2.2 研究植物水分利用在时间和空间上的变化不同生活型植物水分利用方式不同。
前人根据植物木质部水中氢稳定同位素丰度研究分析不24第4期徐庆,冀春雷,王海英,等:氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用同生活型植物水分来源和水分利用方式的研究报道较多[14,16-19,23]。
如在干旱半干旱环境下,有些植物主要利用土壤水中冬季降水,有些植物主要利用土壤水中夏季降水[22,24],且不同生活型的植物(浅根和深根)通过扩展根系的分布以便吸收利用土壤垂直剖面中不同深度的土壤水[18]。
有时,添加示踪物(如富集氘的重水)与自然丰度同位素方法相结合,对于解释植物水分吸收动态[23-25]及水分在同株植物无性系分株之间转移特性很有帮助[26]。