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Picarro L2130-i((多基質(zhì)條件的水同位素分析儀應用 ? ——基于氫氧穩定同位素的云南松生態(tài)系統季節性蒸散發(fā)拆分研究)

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全球變暖直接增加了大氣水汽含量,加快了水循環(huán)的速度,并且預計水循環(huán)會(huì )加強并改變陸地表面蒸散發(fā)量,對區域和全球氣候系統的反饋將產(chǎn)生一系列重大影響。陸表蒸散發(fā)(Evapotranspiration, ET)主要包括土壤蒸發(fā)(Evaporation,E)和植物蒸騰(Transpiration,T)。蒸散發(fā)是影響生態(tài)系統水分散失的關(guān)鍵過(guò)程之一,也是生態(tài)系統水分循環(huán)和能量平衡的主要決定因素。然而,在面臨全球氣候變化背景下,它對于區域生態(tài)水文循環(huán)的定量描述在科學(xué)界仍然存在不同認識,被稱(chēng)為“主要未知變量”。因此,長(cháng)期以來(lái),從樣地尺度到全球尺度,定量估算植被蒸騰占蒸散發(fā)的比率(T/ET)在水資源管理、農作物產(chǎn)量估算、水循環(huán)過(guò)程以及應對氣候變化等研究中發(fā)揮著(zhù)重要作用。   

 

云南大學(xué)田立德實(shí)驗團隊韓姣姣博士,以麗江地區的森林類(lèi)型云南松為研究對象,基于穩定同位素技術(shù),通過(guò)對大氣水汽、降水、土壤及植被等水體同位素的原位觀(guān)測,開(kāi)展地表蒸散發(fā)過(guò)程研究,采用光腔衰蕩光譜法(CRDS)和箱室法相結合的方法估算了植被蒸騰占蒸散發(fā)的比率(T/ET)。研究成果為高寒森林生態(tài)系統水文循環(huán)研究提供了新的思路,并為森林生態(tài)系統保護乃至古同位素檔案研究提供了潛在的應用價(jià)值。

 

 

 

站點(diǎn)及方法描述

 

實(shí)驗于中科院昆明植物所麗江森林生態(tài)系統定位站開(kāi)展,該站位于麗江市中部、滇西北核心區、金沙江中游,地處喜馬拉雅山東側的橫斷山區域的南部,是橫斷山區的中心地帶。實(shí)驗選取云南松作為目標樹(shù)種,利用水同位素方法進(jìn)行植物蒸騰觀(guān)測。樣地群落高度在5 ~ 10 m之間。本研究將生長(cháng)季節定義為5 - 9月。  

 

圖1:麗江站的地理位置(a),麗江站在云貴高原的位置(b)和觀(guān)測點(diǎn)的景觀(guān)照片(c)。

 

 

大氣水汽同位素測量

 

利用Picarro L2130-i水同位素分析儀對大氣水汽同位素進(jìn)行了連續測量。該分析儀通過(guò)切換兩種模式(即固體模式和大氣水汽模式)來(lái)測量植物和土壤水樣中的水同位素或近大氣水汽同位素。 在水汽測量模式下,利用八通電磁閥測量了距地面 0.3、1、2、3、5、10、15 和 20m 的垂直剖面的 8 層大氣水汽同位素和水汽濃度,,并通過(guò)建立 Keeling Plot 模型以估計δET。 

 

 

植物和土壤水取樣和同位素測量

 

每隔一天分別測定土壤水、木質(zhì)部水和葉片水同位素( 降雨后加測),以揭示降雨對土壤水和木質(zhì)部水同位素的直接影響。在每次測量中,收集木質(zhì)部樣品,外皮迅速被剝離,僅使用白色(即非蒸騰)組織進(jìn)行測量。同時(shí)在采樣樹(shù)的附近鉆取不同深度土壤樣品以測量土壤水氫氧同位素。以云南松植物和土壤樣品為研究對象,采用L2130-i連用IM模塊對其進(jìn)行測定。IM模塊允許對小型固體樣品的水同位素進(jìn)行測量。該方法可以實(shí)現樣品的現場(chǎng)測量,以減少蒸發(fā)對水同位素的影響。    

 

 

降水取樣和測量

 

采用兩種方法收集降水樣品, 包括日降水樣品和降水事件樣品,其中每天降水前的樣品在雨天晚上20:00(北京時(shí)間)采集,使用專(zhuān)門(mén)設計的容器,避免采集的水樣再次蒸發(fā);降水事件樣品是按照降水事件來(lái)收集,即一場(chǎng)雨停止后,迅速密封到15ml的PET瓶中,并用Parafilm膜封口以防止蒸發(fā)和同位素分餾。所有樣品在實(shí)驗室分析前均保存在PET瓶中并冷凍在冰箱中。采用Picarro (L2140-i)液態(tài)水同位素分析儀直接對降水樣品進(jìn)行δ18O和δ2H分析。 

 

 

同位素通量分區

 

基于土壤蒸發(fā)水汽和植物蒸騰水汽同位素的差異來(lái)區分二者在總蒸散發(fā)中所占的比例。建立地表水汽同位素質(zhì)量守恒方程,利用二源混合模型進(jìn)行區分:

 

 

式中,δET、δE、δT分別為蒸散發(fā)(ET)、土壤蒸發(fā)(E)和植物蒸騰(T)的同位素組成。 

 

針對土壤蒸發(fā)水汽與植物蒸騰水汽的同位素組成,本文對不同方法(腔室法和Craig-Gordon模型與基于穩態(tài)假說(shuō))獲得的同位素組成進(jìn)行比較。基于高精度光腔衰蕩光譜儀Picarro L2130-i連用定制箱體,提供了一種不使用混合同位素模型來(lái)估算δET、δE或δT的替代方法。 本研究中,研制了兩種圓柱形透明有機玻璃箱,分別提供環(huán)境背景值和穩態(tài)值來(lái)計算出水源水汽的同位素組成δ(δT或δE)。  

 

 

結果

 

 

 
 

不同水體δ2H-δ18O關(guān)系 

 

本文比較了不同水樣(降水、土壤水、木質(zhì)部和葉水)δ2H -δ18O關(guān)系與全球大氣降水線(xiàn)(GMWL)(圖2)。當地的大氣降水線(xiàn)(LMWL)與全球大氣水線(xiàn)非常接近。土壤水δ18O和δ2H的變化范圍為-5.3‰~ -21.3‰和-60.6‰~ -165.8‰,平均值分別為-15.3‰和-119.6‰。土壤水同位素特征主要分布在LMWL的右下部,土壤水更多的是降水加權平均的信號。由于降雨后儲存的土壤水分略有蒸發(fā),土壤水線(xiàn)(SWL)的斜率和截距均小于LMWL。植物木質(zhì)部水線(xiàn)(XWL)與土壤水線(xiàn)大致平行,但由于在不同水平土壤水分的選擇性吸收,其截距較負。 

 

由于葉片蒸騰作用的影響,葉片蒸騰水線(xiàn) (LWL)的斜率明顯低于木質(zhì)部水。季風(fēng)前期和季風(fēng)期葉水同位素有輕微的季節性變化,這與兩個(gè)時(shí)期之間特定的相對濕度變化有關(guān)。 

 

圖2:降水、土壤水、木質(zhì)部水和葉片水中δ18O和δ2H的關(guān)系(分別為黑圈、紅圈、綠圈、藍圈) (a)和(b)分別為不同水體的δ18O和δ2H,(c)為不同水體的δ18O和δ2H的線(xiàn)性回歸線(xiàn)。 

 

 
 

大氣水汽同位素的季節和日變化

 

研究給出了地面以上0.3m、1m、2m、3m、5m、10m、15m、20m的大氣水汽δ18O 和水汽濃度原位觀(guān)測(圖3)(未在3.0m以上進(jìn)行連續測量)。大氣水汽δ18O顯著(zhù)的季節性變化與6月初的印度夏季季風(fēng)入侵有關(guān),同時(shí)伴隨著(zhù)大氣水汽濃度的同步升高。在季風(fēng)期,由于受到局地降水事件的影響,大氣水汽δ18O波動(dòng)幅度較大,非季風(fēng)期大氣水汽δ18O波動(dòng)較小??傊?,大氣水汽δ18O和水汽濃度在不同高度上均顯示出較為一致的變化規律。  

 

圖3. 麗江地區逐日大氣水汽濃度(a)和δ18O (b)的時(shí)間變化 (0.3 m-3 m為2019年1-12月數據,5 m僅為2019年1-7月數據,10 m-20 m為2019年4-7月數據)  

 

 
 

土壤蒸發(fā)δE、植物蒸騰δT

和蒸散發(fā)δET 季節變化

 

基于觀(guān)測到的水汽&delta;18O和同期氣象數據,每隔一天計算一次土壤蒸發(fā)(&delta;E)、植物蒸騰(&delta;T)和生態(tài)系統蒸散發(fā)(&delta;ET)的同位素組成。圖4為觀(guān)測日(13:00-15:00)&delta;E、&delta;T和&delta;ET的&delta;18O季節變化。平均而言,&delta;T比&delta;ET高2.8&permil;,比&delta;E高10.4&permil;,三者顯示出較為一致的時(shí)間變化規律,表明三者同位素信號的季節變化是受同一因素控制,其中&delta;E的變化幅度最大。與日降水同位素比較表明,降水對&delta;E、&delta;T和&delta;ET的時(shí)間變化有較大影響。相關(guān)分析表明,三者同位素信號與降水&delta;18O之間存在顯著(zhù)的相關(guān)性(R2 = 0.85, 0.55, 0.83, p < 0.001),表明&delta;E、&delta;T和&delta;ET受到降水同位素的強烈影響。  

 

圖4.日降水 &delta;18OP、&delta;E、&delta;T和&delta;ET(13:00-15:00)的時(shí)間變化特征,以及日降水量作比較  

 

 
 

云南松生態(tài)系統T/ET的季節變化

 

利用中午時(shí)段的&delta;18O和&delta;2H,基于Keeling-CG法計算了T對ET的相對貢獻(T/ET)。   結果表明,季節性 T/ET在0.59-0.81之間變化,短時(shí)間內波動(dòng)較大,但是長(cháng)時(shí)間變化具有一定的規律性。6月季風(fēng)前期,T/ET 呈現快速的上升趨勢,從0.5上升至 0.7;在季風(fēng)期,T/ET 比值較高,波動(dòng)在 0.7-0.8 之間。平均而言,基于&delta;18O的方法計算獲得的T/ET與基于 &delta;2H 的結果基本相同,但隨著(zhù)時(shí)間的推移,兩者之間存在輕微偏差。雙同位素平均值為0.73&plusmn;0.06,這一結果表明植物蒸騰是云南松生態(tài)系統蒸散發(fā)的主要組成部分。

 

圖5. 基于 &delta;18O和&delta;2H的 T/ET以及平均值在中午時(shí)段(13:00-15:00)的時(shí)間變化特征以及與葉面積指數 (LAI)的比較

 

 
 

箱室法在森林生態(tài)系統中的適用性

 

Craig-Gordon 模型和基于穩態(tài)假設估算的土壤蒸發(fā)和植物蒸騰與基于箱式法直接測得的土壤蒸發(fā)和植物蒸騰結果吻合較好(圖6), 基于箱式法測得的&delta;E和&delta;T同位素數據的不確定性較小。觀(guān)測期間,基于&delta;18O和&delta;2H的&delta;T的平均標準偏差分別為0.6&permil;和1.4&permil;,非常接近實(shí)驗室的測量精度。 

 

箱式法將為研究大規模的T或E行為提供新的思路,但需要對獨立測量進(jìn)行進(jìn)一步驗證。使用箱式法的潛在優(yōu)勢是,三種通量(例如來(lái)自同一激光儀器進(jìn)行測量)的同位素組成的誤差源相對一致,這可能使得在進(jìn)行估算T/ET比率時(shí)誤差被減少甚至抵消。  

 

圖6.利用Craig-Gordon模型和基于穩態(tài)假設所估算的&delta;E和&delta;T與基于箱式法測量的基于&delta;18O和&delta;2H的&delta;E和&delta;T的散點(diǎn)圖。

 

 

 

結論

 

 

本研究通過(guò)對麗江云南松森林生態(tài)系統中大氣水汽、降水、土壤水和植物水同位素進(jìn)行原位測量,對云南松森林生態(tài)系統蒸散發(fā)進(jìn)行了拆分,探討了T/ET的控制因子,分析了箱式法在麗江地區森林生態(tài)系中的適用性。季節尺度上, T/ET 介于 0.59 ~ 0.81 之間變化,在生長(cháng)初期隨著(zhù)時(shí)間的推移幾乎持續增加,在生長(cháng)旺季超過(guò)0.75,平均T/ET 為 0.73 &plusmn; 0.06,結果在以往研究范圍之內,但略高于全球長(cháng)期平均水平,表明植物蒸騰是麗江地區云南松森林生態(tài)系統的主要組成部分。季節尺度上,在整個(gè)雨季(6 月至 9 月),除葉面積指數(LAI) 外,T/ET 與土壤含水量(Swc)有更為顯著(zhù)的相關(guān)關(guān)系以及更高的偏相關(guān)系數,挑戰了早期研究對于LAI 占主導地位的認識。這一結果可能與云南松生態(tài)系統生長(cháng)季節LAI的微小變化有關(guān)。

 

本文的研究結果強調了基于箱式法和利用Craig-Gordon 模型與基于穩態(tài)假設的結果比較,表明這兩種方法在獲得&delta;E或&delta;T時(shí)具有較好的一致性,兩者之間有較高的相關(guān)系數。我們的研究結果證明了箱式法在森林生態(tài)系統同位素蒸散發(fā)研究中具有合理可靠的實(shí)用性。研究結果揭示了麗江地區云南松森林生態(tài)系統蒸散發(fā)季節變化規律,進(jìn)一步提高了對該地區生態(tài)水文過(guò)程的認識,為在持續氣候變化背景下森林生態(tài)系統管理和生態(tài)系統保護提供了借鑒與科學(xué)依據。 

 

 

原文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.127672

 

 
 

核心儀器介紹

 

 

文中核心分析儀&mdash;&mdash;Picarro L2130-i水同位素分析儀能夠同時(shí)高精度測量&delta;18O、 &delta;D。搭配不同前端可以實(shí)現一臺分析儀測量不同來(lái)源的水樣,包括液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)樣品。目前已在同位素水文學(xué)、氣象學(xué)、地質(zhì)科學(xué)和生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域為眾多科研學(xué)者提供助力,歡迎聯(lián)系咨詢(xún)。

 

 

 
 

 

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