区分土壤蒸发和植物蒸腾的稳定同位素研究进展(内容同生态学报英文版)

Abstract: It’s crucial to partition evapotranspiration (ET) into evaporation (E) and transpiration (T) components for better understanding eco-hydrological processes and their underlying mechanisms, and improving the establishment and validation of hydrological models at the ecosystem scale. Traditional eddy covariance technique serves as a useful tool to estimate ET, but it encounters difficulties in quantifying the relative contribution of E and T to ET. Combining with eddy covariance technique, it’s possible to partition ET based on the measurements of stable oxygen and hydrogen isotopes in liquid and gas phases. The key challenge is to precisely determine the oxygen-18 and deuterium isotope ratios of ET (δET), E (δE) and T (δT). δE can be estimated based on the Craig-Gordon model. δT is usually
区分土壤蒸发和植物蒸腾的稳定同位素研究进展
张世春 1,2，温学发 1，王建林 3，于贵瑞 1，孙晓敏 1*
(1.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101; 2.中国科学院研究生院，北京 100049; 3.青岛农业大学，青岛 266109)
摘要：精确区分生态系统蒸散组分土壤蒸发和植物蒸腾是解析生态系统生态水文过程与机制以及构建和验证生态 系统水循环模型的客观需要。传统涡度相关技术可以直接确定生态系统蒸散的强度，但无法解决区分土壤蒸发和 植物蒸腾对生态系统蒸散贡献的难题。与涡度相关技术结合，基于液态和气态水 δ18O 或 δD 的观测可以实现土壤 蒸发和植物蒸腾的拆分。其核心的科学问题是准确确定生态系统蒸散 δ18O 和 δD(δET)、土壤蒸发 δ18O 和 δD(δE)以 及植物蒸腾 δ18O 和 δD(δT)，从而量化土壤蒸发和植物蒸腾贡献的比例。δE 可以 利用 Craig-Gordon 模型求解。δT 通常基于稳态假设即假设未发生分馏的植物茎秆或枝条水 δ18O 和 δD(δx)与 δT 相等而获得；然而，稳态假设只有 在中午才近似有效。受大气水汽 δ18O 和 δD(δv)和叶片气孔腔内蒸发点液态水 δ18O 和 δD(δL,e)以及相对湿度等因素 昼夜变化的影响，δT 通常处于非稳态条件。基于大气水汽混合比(w)和 δv 的廓线观测数据，δET 可以利用通量-廓线 技术直接计算或 Keeling 图方法间接估算。但传统的大气水汽冷阱/同位素质谱仪技术限制了大气水汽 δv 数据的时 间分辨率，因而只能获取离散的 δET 数据。近年来，随着气态和液态水 δ18O 和 δD 观测技术与仪器的进步，高时 间分辨率和连续的大气水汽 δ18O 和 δD 的动态原位观测以及土壤和植物水 δ18O 和 δD 的大量样本测定成为可能， 这将有助于改进 δL,e 的预测精度，从而避免稳态假设而直接计算 δT。与通量-廓线技术或 Keeling 图方法结合，可 以获得连续的 δET 数据，从而可能实现土壤蒸发和植物蒸腾过程的精细拆分。该文综述了确定土壤蒸发和植物蒸 腾贡献比例的稳定同位素途径的最新进展、研究热点与难点。 关键词：稳定同位素；蒸散；植物蒸腾；土壤蒸发；原位观测；稳态/非稳态；Keeling 图
approximated by the δ18O and δD of water in xylem or twig (δx), assuming δT equals to δx under isotopic steady state (ISS). However, the steady-state assumption(SSA) is only likely satisfied during midday in field conditions. The diurnal variations of δT is affected by isotopic composition of atmospheric water vapor (δv) and leaf water at the evaporating sites (δL,e) and environmental factors such as relative humidity, reflecting the non-steady-state behavior of δT at the sub-daily cycles. δET can be estimated using the flux-gradient approach or the Keeling plot from multi-level water vapor mixing ratio and δv dataset. However, δv observations by the traditional cold trap/mass spectrometer method are limited to a coarse time resolution, leading to discrete time series of δET. It’s now possible to make in-situ and high time resolution measurements of δv and to analyze a large number of plant and soil samples due to technical and instrumental advances in recent years. It will benefit to improve the model prediction of δL,e, and more importantly, to calculate δT from δL,e without invoking SSA. Combining with the flux-gradient approach or the Keeling plot technique, continuous δET measurements can be made. It offers us a premise for accurate ET partitioning at diurnal scale. In this review we introduced the recent advances, foci and challenges for studies on ET partitioning into E and T components using the stable isotopes technique. Key words: stable isotope; evapotranspiration; transpiration; evaporation; in-situ measurement; isotopic steady state; keeling plot 生态系统蒸散(Evapotranspiration, ET)是植物蒸腾(Transpiration, T)和土壤蒸发(Evaporation, E) 的总和，是生态学、水文学和气象学共同关注的土壤-植被-大气系统重要的水交换过程。生态系 统蒸散强度可以利用涡度相关技术直接测定，但这并不能为理解和预测生态系统蒸散过程提供足 够的信息[1]。生态系统蒸散主要由土壤蒸发和植物蒸腾的强度和相对变化所决定，而土壤蒸发和 植物蒸腾受环境影响的方式与程度不同。 由于同位素效应的存在，H218O，HD16O 和 H216O 成为土壤、植被、大气和海洋间不同形式水 分运动的最佳示踪剂，成为涉及大气、水文和生态等多种学科的重要研究工具[2-4]。自然环境中某 一样品的 18O 和 D(或 2H)含量通常用其与主要元素 16O 和 1H 的摩尔数之比即同位素比值 R 来表示， 通常用 δ 的符号表达为 δ = ( R / RV −SMO期：
修订日期：
基金项目：国 家自然科学基金项目(30770409,30670384)，中国科学院知识创新工程重要 方向项目(编号:KZCX2-YW-423)，中国科学院百 人计划“基于 样带的草 地生态系统碳水循环过程研究”和中国科学院 知识创新工程青年 人才领域前沿项目共同资助 *通讯作者 Corresponding author E-mail: sunxm@
式中 R 是所测定样品的同位素比值 18O/16O 或 D/H，RV-SMOW 是标准物质维也纳标准平均海水 (V-SMOW)的同位素比值， 其 18O/16O 为 0.0020052， D/H 为 0.00015576。 δ 的单位为千分之一(‰)。 [5] 18 Moreira 等 尝试利用稳定同位素(液态和气态水 δ O 和 δD)技术确定了土壤蒸发和植物蒸腾对 蒸散通量的贡献。目前，已有大量研究利用 δ18O 和 δD 技术实现了生态系统土壤蒸发和植物蒸腾 的区分[4, 6-11]，但 δ18O 和 δD 技术在应用于区分土壤蒸发和植物蒸腾时仍存在一些未解决的难题， 至今仍难以实现土壤蒸发和植物蒸腾过程的精细(如日变化)拆分。如：对植物蒸腾 δ18O 和 δD(δT) 的估计大多基于稳态假设，但稳态假设只有在中午才近似有效[12]；生态系统蒸散 δ18O 和 δD(δET) 可以通过通量廓线技术直接计算或 Keeling 图方法间接估算，但传统的大气水汽冷阱/同位素质谱 仪技术使得大气水汽 δ18O 和 δD(δv)的观测局限于离散观测[13, 14]或短期集中试验[15]。 近年来， 气态 18 水和液态水 δ O 和 δD 观测技术和仪器的进步为土壤蒸发和植物蒸腾过程的精确拆分研究提供了 新的契机[16-20]。如：大气水汽 δ18O 和 δD 高时间分辨率的原位连续观测成为可能，这将提高叶片 气孔腔内蒸发点 δ18O 和 δD(δL,e)的预测精度， 从而可能避免稳态假设， 实现利用 δL,e 直接计算植物 [12] 蒸腾 δT ；与通量-廓线技术结合时，可以直接测定并获得连续的 δET 数据[12, 21]，这又为 ET 的精 细拆分提供了基础。图 1 描述了土壤-植被-大气系统水分运动过程中 δ18O 的分馏过程和主要影响