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

實(shí)驗(yàn)于中科院昆明植物所麗江森林生態(tài)系統(tǒng)定位站開(kāi)展，該站位于麗江市中部、滇西北核心區(qū)、金沙江中游，地處喜馬拉雅山東側(cè)的橫斷山區(qū)域的南部，是橫斷山區(qū)的中心地帶。實(shí)驗(yàn)選取云南松作為目標(biāo)樹(shù)種，利用水同位素方法進(jìn)行植物蒸騰觀測(cè)。樣地群落高度在5 ~ 10 m之間。本研究將生長(zhǎng)季節(jié)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)和觀測(cè)點(diǎn)的景觀照片(c)。

利用Picarro L2130-i水同位素分析儀對(duì)大氣水汽同位素進(jìn)行了連續(xù)測(cè)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(cè)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(cè)量模式下，利用八通電磁閥測(cè)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(jì)δ_ET。 

每隔一天分別測(cè)定土壤水、木質(zhì)部水和葉片水同位素（ 降雨后加測(cè)），以揭示降雨對(duì)土壤水和木質(zhì)部水同位素的直接影響。在每次測(cè)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(cè)量。同時(shí)在采樣樹(shù)的附近鉆取不同深度土壤樣品以測(cè)量土壤水氫氧同位素。以云南松植物和土壤樣品為研究對(duì)象，采用L2130-i連用IM模塊對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。IM模塊允許對(duì)小型固體樣品的水同位素進(jìn)行測(cè)量。該方法可以實(shí)現(xiàn)樣品的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，以減少蒸發(fā)對(duì)水同位素的影響。    

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，使用專門設(shè)計(jì)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(yàn)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(duì)降水樣品進(jìn)行δ¹⁸O和δ²H分析。 

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(qū)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(qū)分：

式中，δ_ET、δ_E、δ_T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(duì)土壤蒸發(fā)水汽與植物蒸騰水汽的同位素組成，本文對(duì)不同方法(腔室法和Craig-Gordon模型與基于穩(wěn)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δ_ET、δ_E或δ_T的替代方法。 本研究中，研制了兩種圓柱形透明有機(jī)玻璃箱，分別提供環(huán)境背景值和穩(wěn)態(tài)值來(lái)計(jì)算出水源水汽的同位素組成δ(δ_T或δ_E)。  

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(GMWL)(圖2)。當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓€(LMWL)與全球大氣水線非常接近。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(quán)平均的信號(hào)。由于降雨后儲(chǔ)存的土壤水分略有蒸發(fā)，土壤水線(SWL)的斜率和截距均小于LMWL。植物木質(zhì)部水線(XWL)與土壤水線大致平行，但由于在不同水平土壤水分的選擇性吸收，其截距較負(fù)。 

由于葉片蒸騰作用的影響，葉片蒸騰水線 (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(jié)性變化，這與兩個(gè)時(shí)期之間特定的相對(duì)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(lán)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的線性回歸線。 

研究給出了地面以上0.3m、1m、2m、3m、5m、10m、15m、20m的大氣水汽δ¹⁸O 和水汽濃度原位觀測(cè)(圖3)(未在3.0m以上進(jìn)行連續(xù)測(cè)量)。大氣水汽δ¹⁸O顯著的季節(jié)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。總之，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(guī)律。  

圖3. 麗江地區(qū)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(shù)據(jù)，5 m僅為2019年1-7月數(shù)據(jù)，10 m-20 m為2019年4-7月數(shù)據(jù)）  

基于觀測(cè)到的水汽&delta;¹⁸O和同期氣象數(shù)據(jù)，每隔一天計(jì)算一次土壤蒸發(fā)(&delta;_E)、植物蒸騰(&delta;_T)和生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)(&delta;_ET)的同位素組成。圖4為觀測(cè)日(13:00-15:00)&delta;_E、&delta;_T和&delta;_ET的&delta;¹⁸O季節(jié)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(guī)律，表明三者同位素信號(hào)的季節(jié)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(duì)&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(hào)與降水&delta;¹⁸O之間存在顯著的相關(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(qiáng)烈影響。  

圖4.日降水 &delta;¹⁸O_P、&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  

利用中午時(shí)段的&delta;¹⁸O和&delta;²H，基于Keeling-CG法計(jì)算了T對(duì)ET的相對(duì)貢獻(xiàn)(T/ET)。   結(jié)果表明，季節(jié)性 T/ET在0.59-0.81之間變化，短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大，但是長(zhǎng)時(shí)間變化具有一定的規(guī)律性。6月季風(fēng)前期，T/ET 呈現(xiàn)快速的上升趨勢(shì)，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(jì)算獲得的T/ET與基于 &delta;²H 的結(jié)果基本相同，但隨著時(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(jié)果表明植物蒸騰是云南松生態(tài)系統(tǒng)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(shù) (LAI)的比較

Craig-Gordon 模型和基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)估算的土壤蒸發(fā)和植物蒸騰與基于箱式法直接測(cè)得的土壤蒸發(fā)和植物蒸騰結(jié)果吻合較好(圖6)， 基于箱式法測(cè)得的&delta;_E和&delta;_T同位素?cái)?shù)據(jù)的不確定性較小。觀測(cè)期間，基于&delta;¹⁸O和&delta;²H的&delta;_T的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.6&permil;和1.4&permil;，非常接近實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量精度。 

箱式法將為研究大規(guī)模的T或E行為提供新的思路，但需要對(duì)獨(dú)立測(cè)量進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。使用箱式法的潛在優(yōu)勢(shì)是，三種通量(例如來(lái)自同一激光儀器進(jìn)行測(cè)量)的同位素組成的誤差源相對(duì)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(wěn)態(tài)假設(shè)所估算的&delta;_E和&delta;_T與基于箱式法測(cè)量的基于&delta;¹⁸O和&delta;²H的&delta;_E和&delta;_T的散點(diǎn)圖。

本研究通過(guò)對(duì)麗江云南松森林生態(tài)系統(tǒng)中大氣水汽、降水、土壤水和植物水同位素進(jìn)行原位測(cè)量，對(duì)云南松森林生態(tài)系統(tǒng)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(qū)森林生態(tài)系中的適用性。季節(jié)尺度上， T/ET 介于 0.59 ~ 0.81 之間變化，在生長(zhǎng)初期隨著時(shí)間的推移幾乎持續(xù)增加，在生長(zhǎng)旺季超過(guò)0.75，平均T/ET 為 0.73 &plusmn; 0.06，結(jié)果在以往研究范圍之內(nèi)，但略高于全球長(zhǎng)期平均水平，表明植物蒸騰是麗江地區(qū)云南松森林生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分。季節(jié)尺度上，在整個(gè)雨季（6 月至 9 月），除葉面積指數(shù)（LAI） 外，T/ET 與土壤含水量（Swc）有更為顯著的相關(guān)關(guān)系以及更高的偏相關(guān)系數(shù)，挑戰(zhàn)了早期研究對(duì)于LAI 占主導(dǎo)地位的認(rèn)識(shí)。這一結(jié)果可能與云南松生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季節(jié)LAI的微小變化有關(guān)。

本文的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了基于箱式法和利用Craig-Gordon 模型與基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)的結(jié)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(shù)。我們的研究結(jié)果證明了箱式法在森林生態(tài)系統(tǒng)同位素蒸散發(fā)研究中具有合理可靠的實(shí)用性。研究結(jié)果揭示了麗江地區(qū)云南松森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)季節(jié)變化規(guī)律，進(jìn)一步提高了對(duì)該地區(qū)生態(tài)水文過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為在持續(xù)氣候變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供了借鑒與科學(xué)依據(jù)。 

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(cè)量&delta;¹⁸O、 &delta;_D。搭配不同前端可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)分析儀測(cè)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?yàn)楸姸嗫蒲袑W(xué)者提供助力，歡迎聯(lián)系咨詢。