華北低丘山區(qū)栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)氧同位素日變化及蒸散定量區(qū)分

孫守家，孟 平，張勁松，何春霞，鄭 寧

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

華北低丘山區(qū)栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)氧同位素日變化及蒸散定量區(qū)分

孫守家*，孟 平，張勁松，何春霞，鄭 寧

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)華北低丘山區(qū)栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)氧同位素日變化及蒸散定量區(qū)分進(jìn)行研究，為華北低丘山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水汽交換研究提供基礎(chǔ)。試驗(yàn)采用離軸積分腔輸出光譜技術(shù)(OA-ICOS)連續(xù)測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)不同高度水汽濃度和δ18O值，同時(shí)采用真空提取和液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定枝條和土壤的δ18O值。結(jié)果顯示，4個(gè)晴天中大氣水汽濃度日變化復(fù)雜，變化趨勢(shì)差異大，而δ18O日變化均成高-低-高的“V”型變化，最小值出現(xiàn)在12:00—18:00。Keeling方程在10:00—12:00的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.71，方程達(dá)到極顯著水平，表明此時(shí)段蒸騰速率較高，滿足植物蒸騰的同位素穩(wěn)定態(tài)假設(shè)。利用Keeling方程估算的栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)δET值有相似的低-高-低日變化，與大氣的δv值變化趨勢(shì)相反。同位素分割結(jié)果顯示栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)中蒸騰占蒸散比例日變化呈現(xiàn)低-高-低的趨勢(shì)，10:00—14:00蒸騰占蒸散比例達(dá)到90%以上，盡管6:00—10:00和14:00—18:00的蒸騰占蒸散比例下降，但平均值仍高達(dá)69.38%，表明華北低丘山區(qū)栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)的蒸散主要來(lái)源于植物蒸騰。

栓皮櫟; 穩(wěn)定同位素; keeling plot 方程; 蒸散; 蒸騰

陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散包括植物蒸騰和土壤蒸發(fā)，在自然條件下將這兩部分區(qū)分開(kāi)來(lái)，有助于更好地理解的土壤-植被-大氣系統(tǒng)(SPAC)水汽交換過(guò)程[1]。蒸騰和蒸發(fā)過(guò)程中均會(huì)發(fā)生水汽相變，氫氧穩(wěn)定同位素發(fā)生平衡分餾和動(dòng)力分餾，土壤蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽中重質(zhì)同位素組成相對(duì)于土壤水發(fā)生了貧化，植物蒸騰則使葉片水的重質(zhì)同位素富集，當(dāng)蒸騰作用較強(qiáng)或蒸騰處于同位素穩(wěn)定態(tài)(isotopic steadystate, ISS)時(shí)，蒸騰水汽中同位素組成接近于木質(zhì)部水分的同位素組成。木質(zhì)部水分是根系所吸收不同深度土壤水的混合體[2-3]，因而高度分餾的土壤蒸發(fā)與分餾較少的植物蒸騰產(chǎn)生水汽之間的氫氧同位素組成存在顯著差異，這成為氫氧穩(wěn)定同位素研究生態(tài)系統(tǒng)蒸散組分區(qū)分的理論基礎(chǔ)[4-5]，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)已經(jīng)對(duì)植物水分來(lái)源[6-7]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[8-9]、灌木生態(tài)系統(tǒng)[10]和稀樹(shù)草原生態(tài)系統(tǒng)[4]的蒸散組分進(jìn)行定量區(qū)分。雖然森林在地球水汽循環(huán)中占有重要地位，但因其需要野外定位觀測(cè)，不確定性因素多[11]，且樹(shù)形高大研究較困難，故對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散定量區(qū)分研究少見(jiàn)報(bào)道。

以前研究中大氣水汽采樣主要依賴?yán)溱寮夹g(shù)，對(duì)于大氣水汽穩(wěn)定同位素只能短暫或離散取樣，時(shí)間分辨率較低[12]，在冷卻過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)度冷卻或不完全冷卻，導(dǎo)致收集的樣品發(fā)生重質(zhì)同位素富集，影響試驗(yàn)結(jié)果。近年來(lái)，離軸積分腔輸出光譜技術(shù)(Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy，OA-ICOS)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水汽同位素進(jìn)行連續(xù)高頻觀測(cè)，適合野外連續(xù)采樣觀測(cè)和大量樣品分析。本研究利用該技術(shù)連續(xù)測(cè)定華北低丘山區(qū)栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)不同高度和背景大氣水汽中氧同位素變化，研究的主要目標(biāo)是：1)分析栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)中不同高度的水汽中氧同位素差異；2) 利用Keeling Plot方法結(jié)合同位素線性混合模型量化生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰占蒸散的比例，為進(jìn)一步研究該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水汽交換提供基礎(chǔ)。

1 理論概述

(1)

式中,Rsample和Rstandard分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物18O/16O的摩爾比率。

(2)

(3)

式中,T為5 cm深的土壤絕對(duì)溫度(K)。

定量區(qū)分蒸散比例研究中假定是處于“同位素穩(wěn)定態(tài)”(ISS)，即植物蒸騰水汽(δT)與枝條水分(δx)具有相同的同位素組成，用栓皮櫟(δxt)和扁擔(dān)桿(δxs)枝條中水的氧同位素組成代替植物蒸騰水汽中氧同位素的組成δT。

(4)

式中，δebl和Cebl分別是冠層大氣水汽δ18O和水汽濃度，Ca和δa分別是背景大氣水汽δ18O和水汽濃度。

利用二元線性混合模型確定植物蒸騰與土壤蒸發(fā)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)蒸散的貢獻(xiàn)率[13]，

(5)

式中,FT是植物蒸騰對(duì)生態(tài)系統(tǒng)蒸散的貢獻(xiàn)。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2011年5月至6月在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院黃河小浪底森林生態(tài)站進(jìn)行，該站隸屬于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)，地處河南省濟(jì)源市境內(nèi)的太行山南段與黃河流域的交界處，定位站中心地區(qū)海拔410 m。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫12.4—14.3 ℃，年日照時(shí)數(shù)2367.7 h，年日照率54%，歷年平均降水量641.7 mm，其中，6—9月為438.0 mm，占全年的68.3%。觀測(cè)區(qū)核心周圍1 km2范圍內(nèi)植被覆蓋率為96%左右，其中林木蓋度約占總蓋度76.7%，林木中以栓皮櫟(QuercusvariabilisBlume.)為主，占94.2%，栓皮櫟林分密度約1850株/hm2，郁閉度0.8，林齡是35a，平均胸徑11.5 cm，平均樹(shù)高是10.7 m，林內(nèi)灌木為扁擔(dān)桿(GrewiabilobaG.Don)，平均高度1.8 m。

2.2 觀測(cè)和采樣方法

2.2.1 連續(xù)測(cè)定水汽的同位素組成δv

利用水汽穩(wěn)定同位素測(cè)量系統(tǒng)(DLT-100，Los Gatos Research Inc.，USA)連續(xù)觀測(cè)水汽濃度及其同位素組成(18O/16O)的變化，該系統(tǒng)基于離軸積分腔輸出光譜(OA-ICOS)技術(shù)，18O/16O測(cè)定精度為0.15‰，測(cè)定分為4層進(jìn)行，高度分別為0.1 m(土壤)、2 m (灌木上緣)、11 m(冠層上緣)和18 m(背景大氣)。外徑為1/4英寸的聚四氟乙烯管子連接水汽穩(wěn)定同位素測(cè)量系統(tǒng)與取樣點(diǎn)，真空泵抽氣，16通道的多路器(Los Gatos Research Inc.，USA)控制不同高度氣體采樣時(shí)間，設(shè)置每層采樣時(shí)間為3 min，為排除管子中上次測(cè)定殘留氣體的影響，分別在0.1、2、11 m和18m的各層轉(zhuǎn)換之間分別設(shè)置0.5、0.5、1 min和1 min的管路清洗時(shí)間，15 min完成一個(gè)采樣循環(huán)，采樣頻率為1 Hz。

2.2.2 植物水分和土壤水分收集與測(cè)定

5月25日和6月1日、6月6日、6月14日均為晴天，剪取栓皮櫟和扁擔(dān)桿的一年生枝條，為了避免發(fā)生因植物蒸騰引發(fā)的同位素分餾作用，快速剝?nèi)?shù)皮后裝入采樣瓶中，兩種植物各取樣6株。在枝條取樣的樹(shù)下，分別收集5和10 cm深度的土壤樣各6個(gè)，裝入小瓶中并用帕拉膠密封， 0—5 ℃儲(chǔ)藏在便攜式冷藏包內(nèi)，帶回到中國(guó)林科院林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，用低溫真空抽提儀器來(lái)抽取土壤樣和枝條中的水。液態(tài)水的氧同位素測(cè)定使用DLT-100液態(tài)水同位素分析儀(Los Gatos Research Inc.，USA)，輸出結(jié)果是以相對(duì)于V-SMOW的千分率(‰)給出，δ18O的測(cè)量精度是±0.2‰。

2.2.3 微氣象數(shù)據(jù)的測(cè)量

在同一觀測(cè)點(diǎn)裝有一套渦度相關(guān)系統(tǒng)，CSAT3三維超聲風(fēng)溫計(jì)(Campbell Sci. Inc., USA)、LI-7500開(kāi)路式紅外CO2/H2O分析儀(Li-Cor Inc.，USA)、AR-100風(fēng)速儀(Vector Instruments，UK)和 HMP45C型溫濕度傳感器(Vaisala，Helsinki，F(xiàn)inland)可以獲得不同高度的大氣相對(duì)濕度、大氣溫度、風(fēng)速和風(fēng)向，由CR5000數(shù)據(jù)采集器(Campbell Sci.Inc., USA)記錄和保存。土壤水分傳感器為ECH2O(Decagon Inc.USA)和土壤溫度傳感器AV-10T(Avalon Inc.，USA)，分別通過(guò)AR5數(shù)據(jù)采集器(Avalon Inc.，USA)和SQ2020(Grant instruments ltd, UK)自動(dòng)采集記錄5 cm和10 cm土壤水分，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定10 min采集1 次。

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)定期間環(huán)境條件變化

圖1顯示， 4個(gè)測(cè)定日均為晴天，最大太陽(yáng)輻射分別為824.83、815.77、879.83 W/m2和665.92 W/m2，較高的太陽(yáng)輻射有利于植物的蒸騰。最高溫度分別為28.18、32.61、39.94 ℃和32.21 ℃，最低相對(duì)濕度分別為30.99%、17.46%、11.93%和29.46%，均為高溫低濕，天氣干燥，有利于蒸發(fā)和蒸騰。5月25日、6月6日和14日的日均風(fēng)速分別為1.45 、1.02 m/s和1.19 m/s，風(fēng)速較大有利于水汽擴(kuò)散，而6月1日日均風(fēng)速為0.11 m/s，相對(duì)較小?？傮w上，4個(gè)測(cè)定日的蒸騰較強(qiáng)和相對(duì)一致的環(huán)境條件，這有利于降低蒸散定量區(qū)分的不確定性。

圖1 測(cè)定期間太陽(yáng)輻射、溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的變化Fig.1 Variations of solar radiation, temperature, relative humidity and wind speed during measurement time

3.2 大氣水汽濃度和δ18O值的變化

圖2顯示，5月25日水汽濃度呈高-低-高的“V”型日變化，最小值在14:00左右；6月1日6:00—18:00的水汽濃度變化相對(duì)平緩，18:00后開(kāi)始升高；6月6日水汽濃度先下降后略有升高，呈“U”型日變化；6月14日水汽濃度呈較為復(fù)雜的高-低-高-低-高的“W”型變化趨勢(shì)，水汽濃度最高值在12:00左右。4個(gè)測(cè)定日中大氣水汽濃度日變化比較復(fù)雜，變化趨勢(shì)差異較大。盡管生態(tài)系統(tǒng)中不同高度的水汽濃度有著相似的變化趨勢(shì)，但在高度上水汽濃度存在比較大的差異，圖2結(jié)果顯示0.1m的水汽濃度最大，18 m最小，2 m和11 m的水汽濃度相差較小，其大小處于0.1 m和18 m的水汽濃度之間。白天不同高度水汽差異更加明顯，4個(gè)測(cè)定日水汽濃度最大相差分別為1.56 mmol/mol、1.82 mmol/mol、0.89 mmol/mol和0.88 mmol/mol。

圖2 栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)不同高度水汽濃度日變化Fig.2 Diurnal variation in H2O concentration of atmospheric vapor at different height in oak woodland ecosystem

圖3表明，5月25日和6月1日水汽δ18O最大值出現(xiàn)在22:00—24:00，最小值分別出現(xiàn)在16:00—17:00和12:00—14:00；6月6日和14日δ18O最大值出現(xiàn)在4:00—5:00，最小值出現(xiàn)在16:00—17:00。4個(gè)測(cè)定日均呈高-低-高的“V”型日變化。在高度上水汽中δ18O值存在差異，0.1 m的δ18O值最大，2 m次之，11 m第三，18 m最小，δ18O值呈現(xiàn)隨高度增加而減小的變化規(guī)律。近地面水汽δ18O值與背景大氣水汽中δ18O值差異較大，平均約為0.92‰，最大相差約2.59‰，扁擔(dān)桿和栓皮櫟冠層上緣水汽δ18O值與背景大氣水汽中δ18O值差異較小，平均約0.25‰，最大值約1.29‰。

圖3 栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)不同高度水汽中氧同位素日變化Fig.3 Diurnal variation in δ18O of atmospheric vapor at different height in oak woodland ecosystem

3.3 土壤蒸發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)蒸散變化

表層土壤水分在蒸發(fā)過(guò)程存在同位素分餾效應(yīng)，表1結(jié)果顯示表層土壤水的δs值在-7.73‰—-2.48‰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.1 m大氣水汽的δv值。根據(jù)表層土壤δs值和近地層水汽δv值，使用Craig-Gordon模型獲得蒸發(fā)水汽同位素組成δE，結(jié)果顯示4個(gè)測(cè)定日的δE值均小于表層土壤水的δs值，表明蒸發(fā)水汽18O明顯貧化。其中，5月25日、6月1日和6月6日的δE值分別為-33.72‰—-31.26‰、-28.66‰—-27.90‰和-27.60‰—-26.43‰，日變化幅度均小于3‰，6:00—18:00的δE值逐步增大。而6月14日的δE值為-25.53‰—-24.63‰，6:00—18:00的δE值呈先升高后降低日變化。

栓皮櫟系統(tǒng)蒸散δET利用同一時(shí)刻冠層水汽濃度和水汽同位素δv值作Keeling圖來(lái)確定，表2擬合Keeling方程結(jié)果顯示，10:00—14:00方程相關(guān)系數(shù)R2均在0.71以上，方程達(dá)到了極顯著水平，但6:00—10:00和14:00—18:00的方程相關(guān)系數(shù)較低，均小于0.55，其中6月6日和6月14日中的6:00—10:00的Keeling方程、6月1日和6月6日中的14:00—18:00 Keeling方程均未達(dá)到顯著水平。方程截距代表生態(tài)系統(tǒng)的δET，表3的結(jié)果表明4個(gè)測(cè)定日的δET值呈先升高后下降的變化，最高值出現(xiàn)在10:00—14:00。

表1 利用Craig-Gordon模型計(jì)算得到土壤蒸發(fā)δE的參數(shù)表Table 1 Parameters used to estimate the isotopic composition of the evaporation flux (δE) with Craig-Gordon model

δs、δv和δE分別為0—10 cm土壤水、0.1 m水汽、土壤蒸發(fā)水汽的氧同位素組成

3.4 栓皮櫟和扁擔(dān)桿的穩(wěn)態(tài)蒸騰

表3結(jié)果顯示，4個(gè)測(cè)定日栓皮櫟枝條的δ18O值分別為-6.46‰、-7.76‰、-6.90‰和-6.68‰，明顯低于扁擔(dān)桿，分別相差1.68‰、1.84‰、1.08‰和1.24‰。生態(tài)系統(tǒng)中林木蓋度約占總蓋度76.7%，其余為灌木，故植物蒸騰δx=0.75δxt+ 0.25δxs，假設(shè)在同位素穩(wěn)定態(tài)，枝條中水的同位素組成可以代表蒸騰水汽中的同位素組成，即δT=δx，結(jié)果顯示4個(gè)測(cè)定日的植物蒸騰δT值相差較小，最大相差1.26‰。

表2 18m高度的大氣水汽同位素的Keeling plots方程回歸分析Table 2 Regression analysis of daytime Keeling plots of vapor collected at 18 m above ground

方程截距為生態(tài)系統(tǒng)蒸散δET，C.I為置信區(qū)間

表3 土壤蒸發(fā)(δE)、栓皮櫟(δxt)、扁擔(dān)桿(δxs)、植物蒸騰(δT=0.75δxt+0.25δxs)和生態(tài)系統(tǒng)蒸散(δET)的氧同位素組成

Table 3 Average isotopic values of vapor from soil evaporation (δE), average stem water values forQ.variabilis(δxt),G.bilobar(δxs), the weighted average isotopic value for plant transpiration (δT=0.75δxt+0.25xs), and average isotopic value for ecosystem evapotranspiration (δET)

日期Date時(shí)間TimeδE/‰δxt/‰δxs/‰δT/‰δET/‰05-25 6:00—10:00-33.72±0.15-6.46±0.51-4.78±0.36-6.04±0.43-11.3910:00—14:00-32.47±0.55-6.3914:00—18:00-31.62±0.12-10.7206-01 6:00—10:00-28.66±0.06-7.76±0.42-5.92±0.29-7.30±0.37-10.3310:00—14:00-28.12±0.01-7.9414:00—18:00-27.90±0.20-13.0206-06 6:00—10:00-27.60±0.09-6.90±0.20-5.82±0.34-6.63±0.20-15.6610:00—14:00-26.97±0.76-7.8914:00—18:00-26.43±0.57-14.2106-14 6:00—10:00-24.63±1.46-6.68±0.38-5.44±0.52-6.37±0.25-14.5910:00—14:00-25.53±0.76-8.0314:00—18:00-25.06±0.79-13.67

δE、δxt、δxs、δT和δET分別為土壤蒸發(fā)水汽、栓皮櫟、扁擔(dān)桿、植物蒸騰、生態(tài)系統(tǒng)蒸散的氧同位素組成

3.5 栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)蒸散定量區(qū)分

圖4結(jié)果顯示，4個(gè)測(cè)定日中午蒸騰占蒸散比例最高，分別為98.68%、96.93%、93.81%和91.34%。與10:00—14:00相比，6:00—10:00和14:00—18:00蒸騰占蒸散比例減小，6:00—10:00的比例僅為80.67%、85.81%、56.94%和54.98%，14:00—18:00比例僅為81.70%、72.23%、61.72%和60.94%?？傮w來(lái)看，栓皮櫟和扁擔(dān)桿的蒸騰占蒸散的比例均在54.98%以上，表明栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)的蒸散主要來(lái)源于植物蒸騰。

圖4 利用氧同位素(δ18O)分割獲得栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)蒸騰占蒸散的比例Fig.4 Fractional contribution of transpiration to ET using isotopic partitioning (δ18O) in the oak woodland

4 討論

4.1 水汽中δ18O變化與生態(tài)系統(tǒng)蒸散δET和植物蒸騰δT估算

大氣水汽濃度和δ18O受到生態(tài)系統(tǒng)蒸散、大氣夾卷、降雨和氣團(tuán)水平運(yùn)動(dòng)等影響，存在著時(shí)間變異[17]。本文結(jié)果顯示，盡管4個(gè)測(cè)定日的水汽濃度分別成“V”、“U”和“W”型日變化，但δ18O日變化均成高-低-高的“V”型變化，大氣水汽δ18O最小值出現(xiàn)在12:00—18:00。δ18O的變化規(guī)律與Lai 等[18]研究華盛頓南的針葉林時(shí)發(fā)現(xiàn)在中午大氣背景水汽中的δv值低于清晨和午后相似。Welp等[19]在大豆冠層水汽也發(fā)現(xiàn)類似的變化，δ18O值在中午前后最低，日落后則迅速升高了2‰。栓皮櫟的δ18O日變幅在5‰—8‰之間，明顯高于美國(guó)新英格蘭海岸地區(qū)大氣水汽2‰左右的日變幅[17]，可能與晴天中栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰較強(qiáng)和空氣湍流活動(dòng)有關(guān)。生態(tài)系統(tǒng)不同高度的水汽δ18O存在差異，袁國(guó)富[9]研究發(fā)現(xiàn)冬小麥下層水汽同位素組成高于上層水汽同位素組成，兩個(gè)高度的δ18O值有0—1‰之間的差異。本文結(jié)果顯示，栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)中δ18O值呈隨高度增加而減小，可能是由于近地面氧同位素來(lái)自地表蒸發(fā)，2—11 m水汽中氧同位素主要來(lái)源于扁擔(dān)桿和栓皮櫟蒸騰，其來(lái)源不同，并且隨著高度增加，氧同位素因擴(kuò)散阻力的差異而存在擴(kuò)散分餾過(guò)程，導(dǎo)致δ18O值隨高度逐漸減小。

生態(tài)系統(tǒng)蒸散δET難以直接測(cè)定，但利用通量-廓線技術(shù)獲得同一時(shí)刻冠層水汽濃度和水汽同位素組成δv利用Keeling方程來(lái)獲得δET[5,13]。表3結(jié)果表明，4個(gè)測(cè)定日栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)δET值有相似的低-高-低日變化，與大氣水汽δ18O值變化趨勢(shì)相反，且δET值遠(yuǎn)高于大氣δ18O值，可能的原因是生態(tài)系統(tǒng)蒸騰出的水汽中18O貧化[16,19]，中午蒸騰強(qiáng)烈時(shí)水汽中18O貧化較嚴(yán)重，導(dǎo)致了水汽的δ18O值低于δET值。6:00—10:00和14:00—18:00的Keeling方程相關(guān)系數(shù)低，部分方程未達(dá)到顯著相關(guān)。利用Keeling圖方法對(duì)δET計(jì)算的前提是邊界層的水汽濃度和水汽δ18O的差異只來(lái)自生態(tài)系統(tǒng)蒸散[1,20]，但在較短時(shí)間尺度(h或d)上，除蒸散外還有其它諸多因素如氣團(tuán)平流、大氣夾卷和降水等都會(huì)引起水汽δ18O值的改變。6:00—10:00和14:00—18:00正處于水汽濃度下降或上升的起始階段，Keeling方法在擴(kuò)散環(huán)境中處于非線性和非穩(wěn)定態(tài)[21]，導(dǎo)致計(jì)算蒸散δET可能產(chǎn)生偏離。Good等[22]研究發(fā)現(xiàn)Keeling方法估算δET的不確定性與水汽濃度范圍成負(fù)相關(guān)，因此在試驗(yàn)時(shí)增加樣本數(shù)和大氣水汽變異系數(shù)可以提高Keeling方法估算δET的準(zhǔn)確性。

多數(shù)對(duì)植物蒸騰δT的估計(jì)仍基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)即δT=δx[9,10,23]，但Wang和Yakir[2]在控制相對(duì)濕度的條件下研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)葉片在恒定濕度3 h以上也沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，蒸騰水汽比水源的δ18O低1.5‰—3.0‰，表明同位素穩(wěn)定態(tài)在短時(shí)間尺度上很難達(dá)到。在短的時(shí)間尺度(如h、d)上，葉片受到迅速變化的環(huán)境條件影響，更多的是處于同位素非穩(wěn)定平衡狀態(tài)[24-26]，葉片的δ18O值不是一個(gè)常數(shù)，其日變幅在4‰—8‰[27]，生長(zhǎng)季內(nèi)δT平均變化幅度大約為15‰，δT與穩(wěn)態(tài)值(δx)間偏差最大超過(guò)20‰，尤其在夜間或蒸騰速率低的白天[18]。在較長(zhǎng)時(shí)間尺度或者蒸騰強(qiáng)烈的中午，植物蒸騰δT更傾向于與植物所利用的水源δx相同[4,28]，本研究選取的測(cè)定日均為蒸騰強(qiáng)烈的晴天，并將栓皮櫟和扁擔(dān)桿以蓋度為權(quán)重對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，以減小蒸騰δT的估算誤差。

4.2 蒸散組分的拆分

不同來(lái)源水汽同位素組成差異為確定植物蒸騰對(duì)蒸散貢獻(xiàn)的百分比提供了可能。本文通過(guò)假設(shè)植物處于同位素穩(wěn)定狀態(tài)和Keeling plot方程進(jìn)行計(jì)算，栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)在晴天中午蒸騰占蒸散的比例均在90%以上，結(jié)果與亞馬遜盆地森林蒸騰占整個(gè)蒸散的76%—100%[29]、麥田生態(tài)系統(tǒng)蒸騰占蒸散比例達(dá)到96%—98%[30]和94%—99%[9]相似，表明栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)的蒸散來(lái)源于植物蒸騰。但是，在6:00—10:00和14:00—18:00栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)蒸騰占蒸散比例比10:00—14:00低，可能原因有3個(gè)，一是這兩個(gè)時(shí)間段正是蒸騰快速上升和下降時(shí)期，同位素處于不穩(wěn)定態(tài)，導(dǎo)致δT計(jì)算存在誤差；二是在較短的時(shí)間尺度上Craig-Gordon模型的主要控制因子是相對(duì)濕度[16]，6:00—10:00和14:00—18:00相對(duì)濕度變化幅度較大，易造成δE估算精度下降；三是keeling曲線反映的是一個(gè)時(shí)段的平均狀況[4,10]，6:00—10:00和14:00—18:00的水汽濃度與同位素比率之間的線性關(guān)系較低或不顯著，Keeling plot方程估算的蒸散δET可能產(chǎn)生偏離。因此，要實(shí)現(xiàn)土壤蒸發(fā)δE和植物蒸騰δT的精確估計(jì)需要增加樣本數(shù)量[31]，同時(shí)考慮同位素的非穩(wěn)定態(tài)，精確計(jì)算時(shí)刻變化的葉片蒸騰水汽的δ18O[25,32]，對(duì)于δET估算則需要與通量-廓線觀測(cè)技術(shù)相結(jié)合來(lái)提高采樣的頻率。δE、δT和δET測(cè)定數(shù)量的增加可以有效地減少二元線性混合模型的不確定性[22,31]。

5 結(jié)論

本研究利用離軸積分腔輸出光譜技術(shù)連續(xù)測(cè)定栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)不同高度水汽濃度和δ18O值，結(jié)果顯示晴天中生態(tài)系統(tǒng)水汽的δ18O值呈現(xiàn)隨高度增加而減小的變化規(guī)律，不同高度水汽的δ18O值成相似的高-低-高的“V”型日變化，水汽的δ18O最小值出現(xiàn)在12:00—18:00。利用Keeling方程估算的栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)δET值呈先升高后下降的變化，最大值出現(xiàn)在10:00—14:00。同位素分割結(jié)果顯示10:00—14:00栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰占蒸散比例達(dá)到90%以上，表明華北低丘山區(qū)栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)的蒸散主要來(lái)源于植物蒸騰。

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Variation of vapor oxygen isotopic composition and partitioning evapotranspiration of oak woodland in the low hilly area of north China

SUN Shoujia*, MENG Ping, ZHANG Jinsong, HE Chunxia, ZHENG Ning

KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivationofStateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

The relative contributions of plant transpiration (T) and soil evaporation to total evapotranspiration (ET) were determined by using stable isotope measurements in a semiarid oak woodland in the rocky mountainous area of north China. Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (OA-ICOS) was used to obtain continuous atmospheric vapor concentration and itsδ18O value at different height gradients in the stand. Cryogenic vacuum distillation and liquid water isotope analyzer were used to determine theδ18O value of the branch and the surface soil. The results from 4 sunny days showed that water vapor concentrations at 2 m and 11 m above ground were lower than that on the ground (0.1 m) and higher than that in the background atmosphere (18 m), but there was no significant difference of water vapor concentration between 2 m and 11 m. Whereas the diurnal change of atmospheric water vapor concentration exhibited “V”, “U” and “W” pattern on four sunny days, the diurnal change ofδ18O showed a “V-shaped” pattern, and the minimumδ18O value appeared at the time between 12:00 and 18:00. The atmospheric water vaporδ18O value was greatest at 0.1 m height above ground, followed by 2 m, 11 m and 18 m height, while the diurnal variations ofδ18O for all sampling heights had similar trends. TheδEvalues, which were calculated based on the Craig-Gordon model, were all smaller thanδson May 25, June 1, June 6, and June 14, indicating considerable18O depletion in the water vapor of evaporation. The isotopic compositions in 10:00 — 14:00 intervals were significantly correlated with the reciprocal of water vapor concentration (P<0.001) and theR2values were higher than 0.71, which suggested that transpiration rate was faster at that period of a day and satisfied the steady state hypothesis of isotope in plant transpiration. TheδETwas determined from the Keeling plots and regression analyses showed the intercepts for the three intervals were different. TheδETvalue in the oak woodland increased initially and decreased thereafter. The maximum enrichment ofδETappeared during 10:00 —14:00. The isotope partitioning result showed that the diurnal change of the contribution of transpiration to total ET in the oak woodland was a convex pattern. The percent of T/ET increased from the morning, reached maximum values during 10:00 — 14:00 interval, with maximum values of 98.68%、96.93%、93.81% and 91.34% for May 25, June 1, June 6 and June 14, respectively. The contributions of transpiration to total ET in 6:00 —10:00 interval were 80.67%、85.81%、56.94%， and 54.98%, in 14:00—18:00 interval were 81.70%,72.23%,61.72%, and 60.94%, respectively. Although the contributions ofT/ETin 6:00 —10:00 and 14:00 — 18:00 intervals were smaller than those in 10:00 —14:00 interval, the averaged percent was still more than 69.38%, indicating that plant transpiration played a major role in the oak woodland ET in the low hilly area of north China. The approach would improve the understanding of water exchange of forestry ecosystem.

QuercusvariabilisBlume.；stable isotope；keeling plot；evapotranspiration；transpiration

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31000182); 國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD38B06)

2013-06-09;

日期:2014-05-16

10.5846/stxb201306091514

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ssj1011@163.com

孫守家，孟平，張勁松，何春霞，鄭寧.華北低丘山區(qū)栓皮櫟生態(tài)系統(tǒng)氧同位素日變化及蒸散定量區(qū)分.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(8):2592-2601.

Sun S J, Meng P, Zhang J S, He C X, Zhen N.Variation of vapor oxygen isotopic composition and partitioning evapotranspiration of oak woodland in the low hilly area of north China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2592-2601.