穩(wěn)定氫氧同位素定量植物水分來源的不確定性解析

于靜潔,李亞飛,*

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)因被應(yīng)用于研究植物水分來源時具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性,并且優(yōu)于對植物具有破壞性的根系調(diào)查法,因而成為生態(tài)水文研究的一種常用手段[1- 2],特別是被廣泛運用于干旱區(qū)生態(tài)水文研究[3- 10]。植物根系從土壤中吸收水分并運輸?shù)侥举|(zhì)部的過程不發(fā)生氫氧同位素分餾[11],這為從水源混合體中區(qū)分出植物的水分來源提供了理論前提；生態(tài)系統(tǒng)中不同水源的氫氧同位素組成存在廣泛差異,是從水源混合體中區(qū)分出各水源貢獻(xiàn)率的前提條件[11]。

穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)還可用于定量植物水分來源,以及研究植物水分來源的動態(tài)變化,如利用穩(wěn)定氫氧同位素可以示蹤不同群落類型中植物對各水源依賴程度的動態(tài)變化規(guī)律[1,12- 13]。但基于穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)定量植物水分來源,其結(jié)果仍有較大的不確定性[14],如：多水源植物水分來源定量無法得到各水源貢獻(xiàn)率的唯一解[15]；水源的交互作用即“生態(tài)水文聯(lián)系”所造成的水源氫氧同位素組成較為接近[16],植物木質(zhì)部水分的同位素相對于水源的同位素組成存在滯后性等[17]。

本文對利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)定量植物水分來源研究中存在的導(dǎo)致定量結(jié)果不確定性的一些因素進(jìn)行分析整理,并以已有研究成果為例舉證說明,以期為今后利用穩(wěn)定氫氧同位素定量植物水分來源研究的改進(jìn)提供參考。

1 利用穩(wěn)定氫氧同位素定量植物水分來源的原理

植物從土壤中吸收水分,而土壤水由降水、河水、地下水等水源補(bǔ)給。植物根系從土壤中吸收水分并運輸?shù)侥举|(zhì)部的過程,不發(fā)生氫氧同位素分餾,以及自然界不同水源的氫氧同位素組成存在廣泛差異,為利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)從水源混合體中區(qū)分出各水源的貢獻(xiàn)率提供了前提條件[11]。

利用穩(wěn)定氫氧同位素確定植物水分來源的基本原理為：以植物木質(zhì)部水分的氫氧同位素比率為基準(zhǔn),尋找與其氫氧同位素比率相近的土壤水所處層位,該層位即為植物的主要吸水層位[1,15]；各潛在水源補(bǔ)給土壤水后,若沒有發(fā)生明顯的氫氧同位素分餾,潛在水源混合體的氫氧同位素比率便等同于其所補(bǔ)給的對應(yīng)土壤層位土壤水的氫氧同位素比率。

自然界水樣中的氫氧同位素比率通常采用δ值來表示：

(1)

式中,δsample是樣品的氫(或氧)的同位素組成(‰),Rsample是樣品中氫(或氧)的重同位素和輕同位素豐度之比(2H/1H或18O/16O),Rstandard是維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water, V-SMOW)中氫(或氧)的重同位素和輕同位素豐度之比(2H/1H或18O/16O)。

獲取水分氫氧同位素比率值的常用方法是：周期性采集植物木質(zhì)部和土壤樣品并抽提獲取水分樣品、以及采集降水、河水、地下水等潛在水源樣品,經(jīng)過濾后利用液態(tài)水同位素分析儀獲取各水分樣品的δ18O、δ2H值。

植物吸收土壤水的層位為連續(xù)變量,在實際定量植物水分來源時,可將土壤層概化為若干層,每一層視為植物的一個水源。假設(shè)δ18OP(δ2HP)為植物木質(zhì)部水分的δ18O (δ2H)值；δ18OSi(δ2HSi)為某i層土壤水的δ18O (δ2H)值,則某i層土壤水對植物水分的貢獻(xiàn)率fi計算公式如下：

(2)

假設(shè)δ18OWj(δ2HWj)為某j種潛在水源的δ18O (δ2H)值,則某j種潛在水源(降水、河水或地下水)對某i層土壤水的貢獻(xiàn)率fij的計算公式如下：

(3)

“某i土壤水對植物水分的貢獻(xiàn)率fi”和“某j種潛在水源對某i層土壤水貢獻(xiàn)率fij”相乘,同類別潛在水源的比例相加,即為某j種潛在水源對植物的貢獻(xiàn)率,計算公式如下：

(4)

在計算植物水分來源前,首先要確定植物有幾個水源,然后決定采用什么樣的方法進(jìn)行計算(圖1)。

圖1 植物水分來源計算方法判斷流程圖Fig.1 The flow chart of determining the methods of calculating plat water sources

假設(shè)植物有兩種潛在水源a、b,潛在水源的氫氧同位素比率分別為δ18Oa、δ18Ob(和δ2Ha、δ2Hb,在此以δ18O為例),潛在水源的貢獻(xiàn)率分別為fa、fb,則可建立方程組：

(5)

據(jù)此,潛在水源a、b的貢獻(xiàn)率求解公式分別如下：

(6)

假設(shè)植物有三種潛在水源a、b、c,潛在水源的氫氧同位素比率分別為δ18Oa、δ18Ob、δ18Oc(和δ2Ha、δ2Hb、δ2Hc),潛在水源的貢獻(xiàn)率分別為fa、fb、fc,則可建立方程組：

(7)

據(jù)此,潛在水源a、b、c的貢獻(xiàn)率求解公式分別如下：

當(dāng)植物水源為3個以上時,δ2H和δ18O所建立的方程組顯然無法得到各水源貢獻(xiàn)率的精確解[14]。IsoSource線性模型[18]和MixSir貝葉斯模型[19]即是解決3個以上水源的植物水分來源問題,通過混合模型得到多組可能解,以統(tǒng)計值(如平均值等)反映植物水分來源特征(圖2所示,圖中所展示數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[20])。

(8)

圖2 利用IsoSource線性混合模型計算3個以上水源的植物水分來源示意圖Fig.2 The schematic figure of calculating the plant water sources from more than three sources with the linear-mixed model called “IsoSource”圖中所展示數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[20]; 橫軸表示某種水源的貢獻(xiàn)百分比,縱軸表示在對應(yīng)的貢獻(xiàn)百分比上各水源出現(xiàn)的次數(shù); IsoSource模型見網(wǎng)址: https://www.epa.gov/eco-research/stable-isotope-mixing-models-estimating-source-proportions

2 利用穩(wěn)定氫氧同位素定量植物水分來源的不確定性因素

2.1 植物吸收水分的滯后性

植物根系吸收水分并將其運送到木質(zhì)部,需要一定的時間,因此植物根系周圍的土壤水需要經(jīng)歷一段時間后才能在植物木質(zhì)部中被檢測到(圖3),如：草本植物弗州草莓Fragariavirginiana根系周圍的水分出現(xiàn)在木質(zhì)部水分中,需要1—1.5 h；灌木山胡椒Linderabenzoin根系周圍的水分出現(xiàn)在木質(zhì)部中,需要7.5—11 h；而喬木異葉椴Tiliaheterophylla根系周圍的水分出現(xiàn)在木質(zhì)部中,需要30—37 h ；即植物吸收水分存在滯后性[17]。

在定量植物水分來源時,研究者們通常會同步采集植物木質(zhì)部水分樣品、土壤樣品,以及降水、河水和地下水樣品[9,16,21]。但事實上,水源的補(bǔ)給需要一定的時間(圖3),不論是降水、河水、地下水補(bǔ)給土壤水的過程,還是土壤水被植物吸收利用的過程。植物吸收水分的滯后性,決定了“利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)研究植物水分來源”的時間尺度不能太短,即樣本周期至少要長于植物吸水的滯后時間。因此在研究植物水分來源定量問題前,首先應(yīng)研究植物水分利用的滯后性問題,弄清楚各水源補(bǔ)給的滯后周期,可提高定量結(jié)果準(zhǔn)確性。

圖3 某種水源的標(biāo)記同位素出現(xiàn)在植物木質(zhì)部水分中的歷時(即水源補(bǔ)給滯后性)Fig.3 The duration that the marked isotopes of a water source occured in the xylem water of a plant數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[17], 研究區(qū)位于美國紐約州伊薩卡島(Ithaca, New York, USA, 42°26′N, 76°30′E)

2.2 水源氫氧同位素的動態(tài)變化

2.2.1 水源氫氧同位素的季節(jié)性變化

通常研究植物水分來源時,以同步采集的潛在水源同位素值作為水源同位素值進(jìn)行定量計算,有時也采用時段平均值作為水源的同位素代表值[9,16,21- 23]。但事實上,各潛在水源因來源和季節(jié)因素的影響等,存在動態(tài)變化[16,24]。如在我國西北地區(qū)的黑河流域,主要由降水補(bǔ)給的河水,其氫氧同位素比率會有顯著的季節(jié)性特征,表現(xiàn)為夏季偏富集,冬季偏貧化的特點[25]；但當(dāng)河水來源于上游的地下水、冰雪融水等時,河水的氫氧同位素比率又表現(xiàn)為另一種規(guī)律,如來自于冰雪融水的河水同位素偏貧化,來自于上游地下水出流的河水同位素偏富集等(圖4)。地下水同位素也存在一定的動態(tài)變化,地下水補(bǔ)給源的不同會導(dǎo)致其氫氧同位素值變化,尤其是越流補(bǔ)給水量較大,可能導(dǎo)致地下水同位素波動較大[26]。

因此在定量植物水分來源時,不能盲目以同步水源同位素值或時段平均值帶入模型計算,而要通過大量連續(xù)采集水源樣品進(jìn)行同位素測試,分析其水源的同位素比率變化規(guī)律。

圖4 水源δ18O動態(tài)變化Fig.4 The dynamics of δ18O of the water sources (a) 黑河下游額濟(jì)納三角洲(99°30′—102°00′E, 40°20′—42°30′N)河水, 數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[26]; (b) 黑河流域(98°—101°30′E,38°—42°N)不同來源的河水,數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[25]; VSMOW：維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water)

2.2.2 混合作用對水源氫氧同位素的影響

自然界水循環(huán)過程中的分餾和混合作用導(dǎo)致河水、降水、地下水等具有不同的氫氧同位素比率,這為從水源混合體中區(qū)分出各水源貢獻(xiàn)率提供了前提條件[3]。而河岸帶河水和地下水的交互作用頻繁,可能導(dǎo)致河水、地下水的氫氧同位素比率呈現(xiàn)不同的動態(tài)變化特征。例如在我國西北干旱區(qū)黑河下游的額濟(jì)納三角洲河岸帶地區(qū)(圖5),河水、地下水的氫氧同位素比率非常接近,導(dǎo)致在定量河岸帶植物水分來源時,并無法從植物木質(zhì)部水分這一水源混合體中區(qū)分出河水和地下水的貢獻(xiàn)率[26]。而位于濕潤區(qū)的太湖沿岸(圖6),地下水保持相對穩(wěn)定的狀態(tài),而河水可能因其來源不同導(dǎo)致同位素值發(fā)生季節(jié)性變化。

圖5 黑河下游的額濟(jì)納三角洲河水、地下水氧同位素比率Fig.5 The δ18O of the river water and ground water in the Ejina Delta in the lower reaches of Heihe River(a)我國西北干旱區(qū)黑河下游額濟(jì)納三角洲(多年平均降水量為36mm,多年平均入境地表徑流量為5.50億m3)河岸帶(99°30′—102°00′E, 40°20′—42°30′N)河水、地下水δ18O,根據(jù)文獻(xiàn)[26]修改；(b) 研究區(qū)地理位置及樣點分布: S1—S5(樣點1—5)

圖6 太湖流域西側(cè)殷村港河氧同位素比率 Fig.6 The δ18O of the river water and groundwater in the Yincungang River我國亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)長江三角洲太湖流域西側(cè)殷村港河(多年平均降水量1100—1400mm,多年平均徑流量22.99億m3)的河岸帶(31°27′22″N, 120°00′18″E)河水、地下水δ18O, 根據(jù)文獻(xiàn)[16]修改

2.2.3 蒸發(fā)作用對水源氫氧同位素的影響

在干旱區(qū),特別是極端干旱區(qū),淺根系植物主要吸收利用降水補(bǔ)給的淺層土壤水。而降水補(bǔ)給土壤水后,水分的氫氧同位素比率在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下發(fā)生顯著富集,使得降水、植物木質(zhì)部水分的氫氧同位素比率出現(xiàn)不一致(圖7),導(dǎo)致無法追溯淺根系植物的潛在水分來源；特別是在極端干旱區(qū),有時淺層土壤含水量較低,無法獲取有效的水分進(jìn)行同位素測試,因而有時無法獲得土壤水的氫氧同位素比率,這更加大了追溯植物潛在水分來源的難度。

圖7 降水與淺根系植物苦豆子(Sophora alopecuroides)木質(zhì)部水分的δ18O值對比Fig.7 The comparison of the δ18O from precipitation and the xylem water of shallow-rooted Sophora alopecuroides研究區(qū)位于中國西北干旱區(qū)黑河下游額濟(jì)納三角洲(99°30′—102°00′E, 40°20′—42°30′N)

3 討論與結(jié)論

穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)被廣泛運用于植物水分來源的研究,其理論假設(shè)為“植物水分被根系吸收并向木質(zhì)部運輸過程中不發(fā)生氫氧同位素分餾”。生態(tài)系統(tǒng)中不同水源的氫氧同位素組成差異為從水源混合體中區(qū)分出各水源的貢獻(xiàn)率提供了前提條件,但在實際應(yīng)用過程中,存在諸多挑戰(zhàn),導(dǎo)致利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)定量植物水分來源的結(jié)果具有較大的不確定性。

目前利用穩(wěn)定氫氧同位素定量植物水分來源存在的主要挑戰(zhàn)主要包括植物吸收水分的滯后性和水源的同位素動態(tài)變化導(dǎo)致定量結(jié)果的不確定性,而氫氧同位素比率的動態(tài)變化包括水源氫氧同位素比率的季節(jié)性變化、混合作用對水源同位素的影響、以及蒸發(fā)作用對水源同位素的影響等。植物吸收水分的滯后性在不同種植物間存在較大的差別,在研究植物水分來源的動態(tài)變化時,采樣周期的設(shè)定要考慮到植物吸水的滯后性,即采樣周期不能短于水源同位素出現(xiàn)在植物木質(zhì)部水分內(nèi)的時間；水源同位素的季節(jié)性變化可以通過連續(xù)采樣或在線監(jiān)測,獲取完整的水源同位素變化規(guī)律,為定量植物水分來源提供依據(jù)；水源的混合作用在河岸帶地區(qū)較為強(qiáng)烈,導(dǎo)致地下水與河水的同位素較為接近,無法通過穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)定量植物的水分來源,需要尋求新的手段,如引入氫氧同位素之外的其他同位素、DNA標(biāo)記等手段實現(xiàn)植物水分來源定量；蒸發(fā)作用導(dǎo)致植物木質(zhì)部水分同位素與潛在水源同位素組成存在顯著差異,而無法追溯潛在水源貢獻(xiàn)率,需尋求新的技術(shù)來定量植物水分來源。