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)樹種，利用水同位素方法進(jìn)行植物蒸騰觀測。樣地群落高度在5 ~ 10 m之間。本研究將生長季節(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)和觀測點(diǎn)的景觀照片(c)。

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(xù)測量。該分析儀通過切換兩種模式（即固體模式和大氣水汽模式）來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，，并通過建立 Keeling Plot 模型以估計(jì)δ_ET。 

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。同時在采樣樹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(xiàn)樣品的現(xiàn)場測量，以減少蒸發(fā)對水同位素的影響。    

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收集，即一場雨停止后，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(wěn)態(tài)假說)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。由于降雨后儲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，這與兩個時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(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(圖3)(未在3.0m以上進(jìn)行連續(xù)測量)。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波動幅度較大，非季風(fēng)期大氣水汽δ¹⁸O波動較小?？傊髿馑?amp;delta;¹⁸O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間變化規(guī)律，表明三者同位素信號的季節(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&delta;_E、&delta;_T和&delta;_ET的時間變化有較大影響。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）的時間變化特征，以及日降水量作比較  

利用中午時段的&delta;¹⁸O和&delta;²H，基于Keeling-CG法計(jì)算了T對ET的相對貢獻(xiàn)(T/ET)。   結(jié)果表明，季節(jié)性 T/ET在0.59-0.81之間變化，短時間內(nèi)波動較大，但是長時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，從0.5上升至 0.7；在季風(fēng)期，T/ET 比值較高，波動在 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段（13:00-15:00）的時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)， 基于箱式法測得的&delta;_E和&delta;_T同位素?cái)?shù)據(jù)的不確定性較小。觀測期間，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，但需要對獨(dú)立測量進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。使用箱式法的潛在優(yōu)勢是，三種通量(例如來自同一激光儀器進(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。

本研究通過對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)行原位測量，對云南松森林生態(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，在生長初期隨著時間的推移幾乎持續(xù)增加，在生長旺季超過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)了早期研究對于LAI 占主導(dǎo)地位的認(rèn)識。這一結(jié)果可能與云南松生態(tài)系統(tǒng)生長季節(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)一步提高了對該地區(qū)生態(tài)水文過程的認(rèn)識，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高精度測量&delta;¹⁸O、 &delta;_D。搭配不同前端可以實(shí)現(xiàn)一臺分析儀測量不同來源的水樣，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。