稳定同位素在植物水分来源及利用效率研究中的应用

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。以往大量研究结果表明,由于植物根系在吸收水分过程中没有发生同位素分馏,所以通过比较和分析植物木质部水分及其可利用水源的氢氧同位素δ值,就可以定量判断植物的水源;植物在光合作用过程中会产生碳同位素的分馏,从而使得植物叶片中的碳同位素组成能够成为指示植物水分利用效率的一个间接指标,是目前研究植物叶片长期水分利用效率的最佳方法;稳定同位素技术作为安全的示踪剂,有助于人类了解植物的生理生态功能,随着该技术的不断完善和研究的不断深入,同位素技术将会在生态学研究的许多领域得到广泛的应用。     

Stable Isotope Technique—An Advanced Technology in Ascertaining Plant-Water Relations

介绍了稳定同位素的一些关键术语和相关标准,探讨了研究植物水分关系中 C、H、O三种稳定同位素的确定及其同位素效应,同时主要从植物水分来源、水分利用效率、根系吸收水分最活跃区域、植物群落内不同物种水资源利用差异等几个方面阐述了稳定同位素先进技术的应用进展,最后指出稳定同位素技术在植物水分关系研究中存在的问题。旨在此文能起到抛砖引玉的作用,以此推动稳定同位素技术在我国植物水分利用研究甚至整个生态学领域研究中的可持续发展。     

稳定同位素:探明植物水分关系的先进技术(英文)

介绍了稳定同位素的一些关键术语和相关标准,探讨了研究植物水分关系中C、H、O三种稳定同位素的确定及其同位素效应,同时主要从植物水分来源、水分利用效率、根系吸收水分最活跃区域、植物群落内不同物种水资源利用差异等几个方面阐述了稳定同位素先进技术的应用进展,最后指出稳定同位素技术在植物水分关系研究中存在的问题。旨在此文能起到抛砖引玉的作用,以此推动稳定同位素技术在我国植物水分利用研究甚至整个生态学领域研究中的可持续发展。     

滇东南岩溶山地不同恢复模式云南松水分利用策略的差异

研究云南松不同恢复模式下的水分利用策略以探究植物合理的种间配置结构,为岩溶区脆弱生态环境的恢复提供重要的科学依据。通过测定云南松及混交群落内4种植物（清香木、香樟、滇青冈、锥连栎）的茎秆水和不同水源的氢氧同位素值,结合植物叶片碳同位素值,进而探究植物的水分利用策略。结果表明:1）岩溶地下水是喀斯特植物的稳定水源,云南松混交林中20~60 cm土壤层含水量显著高于纯林,旱雨季最大相差10.36%和15.19%,表明混交林内水分条件更好。2）云南松混交林相较于纯林,水源的利用比例季节波动小,旱季香樟与清香木加大了对岩溶地下水的利用比例18.1%、19.2%,降低了种间竞争,其深根提升上来的水分又可惠及云南松及浅根植物。3）与纯林中云南松相比,混交林中云南松叶片δ¹³C值季节变化小,表明水分利用效率相对稳定。云南松可以与清香木、香樟等阔叶树种混交种植,能够提高云南松的存活率,也减少植物群落在水源利用中的竞争。     

植物叶片水稳定同位素研究进展

植物叶片水稳定同位素变化可以直接沟通植物叶片内部与外界的物质和能量联系,并能够反映植物生长周围的气候与生态信息.另外,植物叶片水作为参与水循环的一个重要环节,了解叶片水稳定同位素组成有助于揭示其在局地水体稳定同位素循环中的分配与贡献.概述了国内外叶片水稳定同位素研究现况;介绍了叶片水稳定氢、氧同位素在植物体中的分馏过程及形式(热力学平衡分馏、动力学分馏以及生化分馏)以及影响叶片水稳定同位素组成的气象和生态因子;阐述了叶片水稳定同位素修正的Craig-Gordon稳态模型、string-of-lakes模型、Péclet效应的稳态模型、非稳态效应的模型、Péclet效应的非稳态模型以及二维模型的构建与完善过程;最后讨论了植物叶片水稳定同位素研究存在的问题,并从叶片水稳定同位素与气象、生态因子的关系,叶片水蒸腾线的斜率和截距及过量氘的意义,模型适用性的验证以及叶片水稳定同位素在水文循环的应用等方面展望了研究方向.     

基于稳定同位素自然丰度技术的土壤氧化亚氮产生与排放过程研究进展

氧化亚氮(N₂O)是主要的温室气体之一,并且对平流层臭氧层分解起到重要作用。土壤中N₂O的产生和排放过程复杂多样,对其进行精准溯源与过程区分有助于制定减排策略。稳定同位素自然丰度技术利用N₂O的同位素值δ15Nbulk(N₂O中15N在整体水平上的同位素特征值)、δ18O(N₂O中18O在整体水平上的同位素特征值)以及δ15Nsp(N₂O分子内15N的位点特异性同位素值),可以示踪N₂O来源、指示N₂O产生的微生物作用途径,在N₂O转化过程溯源中已取得重要进展。而同位素分馏效应是稳定同位素自然丰度技术应用的理论基础,其中微生物过程及其导致的同位素分馏是需要重点关注的问题。本研究概述了同位素分馏效应在N₂O的产生、排放过程中的研究进展及其主要影响因素,梳理了同位素特征值δ15Nbulk、δ18O和δ15Nsp在分析N₂O来源的研究进展,并且提出了影响准确区分过程的因素。因素包括单一产生路径的同位素特征值范围广、不同产生路径的同位素特征值范围的重叠、反应底物同位素组成的变化以及与N₂O还原相关的分馏因子的可变性等问题。明确了今后需加强δ15Nsp等N₂O同位素特征值分馏效应的测定,利用组合同位素特征值及先进手段进行全面的N₂O溯源研究。图2参80     

同位素技术在水环境科学领域的应用研究

水汽稳定氢氧同位素作为水循环中的天然示踪剂,在土壤水、地下水、大气水汽及降水的研究中发挥着重要作用,在水环境污染研究中也成为了一种良好的研究手段,尤其在示踪污染源、探寻地下水来源和径流途径、估测地下水年龄等方面具有准确的指示作用。围绕同位素技术在水环境科学方面的应用研究展开,重点介绍了液态水稳定氢氧同位素的观测分析方法,汇总了大气水汽氢氧同位素的不同收集方法之间的差异及其优缺点,明确了目前同位素技术在水循环研究过程中的应用现状。为了能够使同位素技术最大化的实现科学价值,在今后的研究中应进一步补充完善采集样品的时空尺度,筛选典型样品代表,并着重于大气水汽循环的统一整体展开氢氧稳定同位素研究,获得整体循环过程中水汽同位素的运移规律和蒸散过程。     

基于氢氧稳定同位素的柽柳水分来源分析

【目的】柽柳(Tamarix)是荒漠和盐碱地的优势灌木之一,研究柽柳水分利用深度可为荒漠化治理物种选择提供科学依据。【方法】利用氢氧稳定同位素示踪法、土壤烘干法、多源线性混合模型IsoSource等方法,测定塔里木河下游英苏断面柽柳生长季茎杆水与不同深度土壤D同位素比率δ值,测定不同深度土壤含水率,计算柽柳对不同深度土壤水分的利用率。【结果】英苏断面柽柳在土壤深度50 cm处平均水分利用率为39.23%,70 cm处水分利用率为19.56%,90 cm处为17.26%,110 cm处为15.21%,130 cm处为14%,150 cm处为4.50%,柽柳更多地利用中层土壤水。【结论】研究区土壤含水量低且差异较大,在0.20%～23.81%间波动;英苏断面柽柳多利用50～100 cm间的中层土壤水;英苏断面柽柳呈现出距河道距离增加,转为逐渐利用更深层次土壤水的现象。     

科尔沁沙地杨树水分利用策略

目的在科尔沁沙区, 杨树人工林出现了不同程度的退化现象, 水分是本地区植物生存的主要限制因子, 本文为了探究科尔沁沙地杨树人工林的水分来源及水分利用机制, 揭示水分与杨树人工林退化的关系, 为科尔沁沙地杨树人工林生态系统恢复和重建提供参考依据。方法利用氧稳定同位素技术以科尔沁沙地杨树人工林为研究对象, 采用“DELTA plus XP”稳定同位素比例质谱仪测定植物(木质部)水及各潜在水源δ18O值, 结合自动气象站(HOBO U30-NRC)连续观测降雨量等环境和气象因子, 利用同位素质量守恒多元分析方法, 分析雨季和旱季杨树人工林水分利用策略。结果(1) 雨季土壤含水量均高于旱季, 雨季在0~100 cm土层的土壤含水量随土层深度显著增加(P < 0.05), 而100~170cm土层的土壤水分含量显著下降(P < 0.05);旱季林内土壤水分含量均大于林外土壤水分含量, 但差异均不显著(P>0.05)。(2)土壤水和植物水δ18O值都高于地下水δ18O值; 旱季土壤水δ18O值整体上比植物水δ18O值低; 雨季土壤水δ18O值反而高于植物水δ18O值。(3)杨树人工林旱季主要吸收利用130cm以下的深层土壤水, 对浅层土壤水利用较少; 雨季杨树人工林除了吸收130cm以上土壤水, 还少量的吸收深层土壤水和地下水。结论(1) 浅层土壤水氧同位素值受到太阳辐射和降水的干扰程度较大, 而深层土壤水受到的干扰程度较小。在旱季, 林内各层土壤水均大于林外各层土壤水, 尤其是80~170cm土壤层更加显著, 这从侧面解释了杨树在利用较深的土壤水及地下水时, 会将少量水分释放到土壤表层这一现象。(2)雨季沙地杨树人工林主要利用浅层土壤水, 旱季杨树人工林主要利用深层土壤水和地下水。杨树人工林根系在浅层和深层土壤中均有分布, 此种根系分布特征保证了杨树人工林在不同季节采用不同的水分利用策略, 从而确保自身水分的生理需要, 是植物应对干旱沙地环境适应性的表现。      

滇中岩溶高原滇青冈原生林植物水分利用来源的稳定同位素分析

为阐明滇中岩溶高原滇青冈Cyclobalanopsis glaucoides原生林植物水分利用机理及其对岩溶干旱生境的适应策略,运用氧稳定同位素技术,分析了滇青冈,云南木樨揽Olea yue nnanensis,清香木Pistacia weinmannifolia等3种不同年龄阶段常见优势木琴植物小枝木质部水分及土壤水、表层岩溶带水氧同位素值的相关性,确定植物水分来源,并通过IsoSource模型计算不同潜在水源对滇青冈原生林的贡献。结果表明：滇青冈及其伴生的乔木水分利用层位及利用比例呈现时空差异,并形成明显的水分竞争关系。旱季,滇青冈、成熟云南木樨揽、幼龄清香木主要利用55～115 cm深层土壤水,成熟的滇青冈和清香木对表层岩溶带水利用比例增加。雨季,成熟的滇青冈、云南木樨揽、清香木和幼龄清香木因大气降水对浅表层土壤的补给主要利用20-55cm土壤水,利用比例分别为100％,33．3％,66．0％,37．4％,幼龄植株对表层岩溶带水的利用比例大于成熟植株。图2参23     

Stable Isotope Studies of Crop Carbon and Water Relations： A Review

Crop carbon and water relations research is important in the studies of water saving agriculture, breeding program, and energy and material cycles in soil plant atmosphere continuum （SPAC）. The purpose of this paper is to review the current state of knowledge on stable isotopes of carbon, oxygen, and hydrogen in the research of crop carbon and water relations, such as carbon isotope discrimination （△^13C） during carbon fixation process by photosynthesis, application of △^13C in crop water use efficiency （WUE） and breeding programs, oxygen isotope enrichment during leaf water transpiration, CO2 fixation by photosynthesis and release by respiration, application of hydrogen isotope composition （619） and oxygen isotope composition （6180） for determination of water source used by a crop, stable isotope coupling Keeling plot for investigating the carbon and water flux in ecosystem, energy and material cycle in SPAC and correlative integrative models on stable isotope. These aspects contain most of the stable isotope researches on crop carbon and water relations which have been widely explored internationally while less referred in China. Based on the reviewed literatures, some needs for future research are suggested.     

区域土壤有机氮迁移的研究进展

农田土壤氮素迁移是影响区域环境质量的重要过程。通过综述近期在区域有机氮迁移以及稳定性同位素和模型研究方法方面的进展,指出:我国有机氮源的氮素损失在人口稠密和养殖业发达的区域已经成为非点源污染的重要来源;小流域氮素输出中可溶性有机氮是一个重要组成,其输出过程受气候以及人为引起的植被、土壤及水文过程的变化的影响;稳定性氮氧同位素可以识别水体中陆源氮污染物的分布;基于GIS的过程模型可以定量分析区域氮素迁移的数量及其环境效应。进一步提出了目前需要加强农田有机氮迁移过程及其影响机制的研究,发展基于稳定性同位素的区域氮素迁移定量方法,建立稻田生态系统和水旱轮作系统的氮素迁移定量评价模型,并归纳了减少面源污染的区域氮素迁移调控措施。     

浅埋条件下地下水-土壤-植物-大气连续体中水分运移研究综述

地下水-土壤-植物-大气连续体系统中水分运移研究对于水资源的有效利用及生态环境问题有着重要的科学研究意义。在地下水浅埋条件下,地下水、土壤水、植物水、大气水是一个连续的水分过程。通过归纳国内外在地下水浅埋条件下土壤水分运移、土壤盐分运移、以及水盐运移对植物生长发育等生物过程作用的机理等方面的研究成果,综述了近年来国内外在地下水浅埋深条件下GSPAC系统水运移在研究方法、试验和模型方面的进展、各种研究方法的原理、优缺点和今后的研究方向,分析指出定量地研究浅埋深地下水对SPAC系统水分过程、生物过程和能量过程等的作用和影响是一个复合过程,由单个过程研究向过程的综合分析发展难度较大,目前研究相对比较薄弱,是今后需要重点发展的一个方向,在此基础上阐述了GSPAC系统水运移的研究需要深入发展的几个方面。     

油松人工林SPAC水势梯度的时空变异

为了解油松林水分运作机制 ,给干旱区造林树种的选择提供依据 ,该文利用压力室、露点水势仪对京西低山油松人工林土壤 植物 大气连续体 (SPAC)的水势梯度及相关因子进行了连续同步测定 .结果表明 :在空间水平上 ,油松林地SPAC各要素水势由土壤到植物再到大气逐步下降 ,梯度比约为 1∶5∶30 ;灌水后SPAC相临界面水势差增大 ,水势梯度比提高至 1∶15∶90 .在时间序列上 ,持久干旱条件下的油松林SPAC各要素水势的日变化和连日变化均呈下降趋势 ,下降的幅度以大气最甚 ,叶片次之 ,土壤最小 ;叶片水势日变化波峰出现于 14:0 0 ,较土壤和大气(18:0 0 )早 4h ;土壤水势的下降幅度随土层由浅而深逐渐减小 .灌水后各层土壤水势由浅而深水势先后升高 ,升高幅度表层和中层较大 ,深层较小 ;叶片水势虽提高 ,但幅度明显小于土壤 .在影响油松林SPAC水势的环境因子中 ,空气温湿度与大气水势和土壤水势相关性显著 ;空气和土壤湿度则是影响叶片水势的主导因子 .     

~(13)C同位素判别技术在评价植物水分利用效率中的应用

由于在农田中无法直接测量植物水分利用效率,本文通过介绍13C同位素判别技术的原理及其测定方法,以及利用13C/12C技术测定植物生理水分利用率的原理,评述了碳的稳定同位素的判别技术在研究植物长期的水分利用效率(Season-long water use efficiency,缩写为WUEsl)的可能性以及在其他方面的应用。     

土壤水运动理论研究综述

土壤水是陆地植物赖以生存的源泉,是农业生产的必要务件.土壤水研究在理论和应用上均有重要意义.从土壤水运动的基本方程、土壤水分入渗、土壤水分运动参数的确定、土壤水分运动数值模拟、SPAC等几方面论述了国内外土壤水分的研究概况,并对未来土壤水的研究进行了展望..     

丘陵区玉米农田水分响应指标的筛选及其相关性研究

在水分胁迫及其复水条件下,分别测定代表不同土层厚度的18个丘陵区农田的土壤、植株、群体水分参数,采用系统聚类方法分析农田尺度的土壤-作物-大气连续体的关系,研究水分胁迫与胁迫后复水的响应差异,并通过主成分分析筛选出茎流强度、土壤含水量、伤流、冠气温差作为综合反映农田水分响应的诊断指标。