穩(wěn)定同位素技術(shù)在植物水分利用效率研究中的應(yīng)用

王新雅，于志慧，韓 冰，王成杰

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019）

水分利用效率是植物生長(zhǎng)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究植物水分利用效率，是一種更便捷、更精準(zhǔn)的方法，它可定位植物水分的來源和利用情況，進(jìn)而有效分析它們之間的關(guān)系。研究不同尺度下不同種植物的水分利用策略以及內(nèi)在和外在因素，對(duì)植物水分利用的影響至關(guān)重要，可為生態(tài)環(huán)境研究提供更多的理論依據(jù)，能更有效提高植物的生產(chǎn)量，并可帶來更多的收益。

1 穩(wěn)定同位素（δD、δ18O）與植物水分利用

1.1 植物水分代謝過程中的δD、δ18O 變化

以往研究中，對(duì)葉片穩(wěn)定同位素的測(cè)定多數(shù)是基于模型的研究，缺少野外實(shí)驗(yàn)機(jī)制變化的研究，對(duì)大氣中水汽的氫氧同位素測(cè)量數(shù)量的研究也較少?；谀Ｐ偷难芯拷Y(jié)果，植物蒸騰作用對(duì)大氣中水汽的氫氧同位素有一定的影響，即通過葉片氣孔導(dǎo)度、溫度受到大氣相對(duì)溫度、濕度影響，調(diào)控和改變?nèi)~片中氫氧同位素的分餾過程[1-2]。試驗(yàn)表明，不同植物葉片在蒸騰作用過程中，葉片D、18O 受到了不同程度的氫氧分餾作用，也影響著水對(duì)葉片同位素分餾程度；在不同植物葉片中，可用水分蒸騰的線斜率測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)其進(jìn)行測(cè)量指示[3]。我國(guó)西部半干旱平原地區(qū)，多數(shù)水生植物及其葉片蒸騰速率的斜線率平均為1.5～3.2；斜線率越低，其蒸騰作用在生長(zhǎng)過程中越有顯著的分餾效果，且斜線率越小，越能體現(xiàn)出穩(wěn)定同位素與空氣環(huán)境之間的顯著關(guān)系[4]。

首先，由于土壤水、地下水和河流都與大氣降水相關(guān)，水分進(jìn)入葉片中，其氫、氧同位素的比例發(fā)生顯著變化，重同位素發(fā)生了判別作用，葉片水分D、18O 元素越來越豐富，存在明顯的空間不勻性[5]。截至目前，每一種可能的水源穩(wěn)定同位素成分都有較大的差異（比實(shí)驗(yàn)的誤差大），用此數(shù)值來比較植物穩(wěn)定同位素成分δD、δ18O 和每個(gè)水源的δD、δ18O 值，就可定義植物對(duì)這些水源的吸收程度[6]。但是，沉積物中穩(wěn)定同位素成分存在季節(jié)性差異，水分運(yùn)輸過程或相態(tài)變化中的同位素分餾以及不同水源的變化，導(dǎo)致δD、δ18O 值一般不相同[7]。水被葉片吸收、運(yùn)輸和利用過程中，水分δD、δ18O 一般沒有變化[8]，這可能與改變植物水分與每個(gè)水源中δD、δ18O 值的吸收相關(guān)[9]。植物水分輸送途中，很有可能會(huì)再一次發(fā)生氫氧同位素的分餾；植物根系在吸收水分過程中，一般陸地植物不會(huì)產(chǎn)生氫氧同位素的分餾，但海洋好鹽植物會(huì)顯著發(fā)生氫氧同位素的分餾[10]；水分向植物上部運(yùn)輸過程中,δD、δ18O值從根到莖部再向上呈逐漸遞減趨勢(shì)，其中δD 比δ18O 值的變化更顯著[11]。

1.2 植物水分來源與利用

植物體內(nèi)的水主要來自降雨、土壤水、地表徑流和其他地下水等。由于水在一個(gè)循環(huán)階段內(nèi)發(fā)生蒸發(fā)、凝集、降落、滲透等物理化學(xué)反應(yīng)[12]，植物從根系吸收的多余水分，經(jīng)過根莖輸送至嫩枝或樹葉之前，一般不會(huì)再發(fā)生任何分餾[13]。因此，可通過植物木質(zhì)部的水和各潛在水源的同位素，確定植物水分來源。但是，傳統(tǒng)方法很難確定這些植物所需吸收的土壤水分是否為其來源。20 世紀(jì)80 年代以來，隨著同位素技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，可通過對(duì)植物木質(zhì)部的水分及其不同土壤深度的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)δD、δ18O，協(xié)助科研人員確定這些植物對(duì)土壤根系有效吸水面積，以及測(cè)定這些植物的土壤水源情況[14]。White 等[8]是最早通過穩(wěn)定同位素技術(shù)確定了植物體內(nèi)水分和土壤資源來源的科學(xué)家們，他們?cè)敿?xì)分析了夏季降雨前后松林的深層（包括地下水）和淺層的土壤水分綜合利用狀態(tài)；Dawson 等[15]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究了澳大利亞海岸桉樹（Eucalyptusrobusta）在其生長(zhǎng)旺盛期的水源情況，發(fā)現(xiàn)其生長(zhǎng)旺盛期利用的主要是地下水、由降水和沿河流的地表水轉(zhuǎn)化而成的土壤水。另外，于靜潔等[16]認(rèn)為，利用氫氧穩(wěn)定同位素測(cè)定植物水分來源存在不確定性，在河岸帶，混合水源的存在很明顯，地下水接近河流水的同位素，此時(shí)無法追蹤到潛在的水分利用率，必須尋找新的方法來定量分析植物的水分來源。

在半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候試驗(yàn)區(qū)，以冬小麥為對(duì)象，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)和MixSIAR 模型研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥主要利用來自不同深度的土壤水，即自然降水、人工灌溉水和土壤水的混合水；由于地下水位大于地下蒸發(fā)量水位，水分來源不考慮地下水[17]。隨著季節(jié)變化，河岸帶植物利用的水分來源也有所不同；雨季，植物僅吸收地下水而不利用來自淺層的土壤水；其他季節(jié)，主要利用來自地下的水源[18-19]。國(guó)外研究學(xué)者指出，河岸邊的樹木主要利用來自地下的水，而很少利用河水，由于河流附近經(jīng)常會(huì)人為改造，導(dǎo)致水位不穩(wěn)定，樹木選擇利用來自更為穩(wěn)定的地下水[7,20]。而海岸帶的植物生長(zhǎng)在含鹽量高的海邊，周圍多數(shù)是海水，普遍認(rèn)為其水源來自海水。但是一些研究表明，熱帶、亞熱帶的硬木植物水源主要來自降水，而耐鹽植物來自海水，僅僅紅樹等少數(shù)植物可同時(shí)利用降水和海水[21-22]。

以我國(guó)熱帶雨林季節(jié)性濕潤(rùn)林、石漠化地區(qū)的植物為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)干旱季的土壤水為植物的主要貢獻(xiàn)者，且雨季土壤水的利用率更高，達(dá)85%以上，而夏季落葉樹木更喜歡利用降水，常綠樹木更喜歡利用穩(wěn)定的土壤水[23-24]。我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)，植物水分來源相當(dāng)重要，及時(shí)補(bǔ)給水分能更長(zhǎng)久地存活。因此，不同生長(zhǎng)階段的植物水分利用策略也有差異。干旱區(qū)人工楊樹林在生長(zhǎng)末期會(huì)受到地下水的補(bǔ)給[25]，當(dāng)土壤越來越干燥時(shí)，地下水對(duì)植物的貢獻(xiàn)率就會(huì)越來越高[26]，但朱建佳等[27]研究發(fā)現(xiàn)，合頭草（Sympegma regelii）生長(zhǎng)中后期主要利用來自淺層的土壤水。劉保清等[28]在科爾沁沙地研究了不同生活型植物的水分來源，發(fā)現(xiàn)丘間低地的喬木到灌木利用土壤水的深度逐漸變淺，為喬木＞灌木＞半灌木＞草本；而固定沙丘植物更依賴中層的土壤水，這與土地類型、植物根系分布有著緊密關(guān)系。周雅聃等[29]研究了2 種常見的荒漠植物，在3個(gè)不同自然降水區(qū)之間的土壤水分來源與土壤水資源利用的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)年均降水總量最多的地區(qū)，這2 種植物在淺層土壤和土壤水的綜合利用占比最高；年均降水總量相對(duì)較低的2 個(gè)地區(qū)，植物綜合利用的主要水源是深層土壤水和地下水。隨著每年降雨量的提高，這2 類植物的生長(zhǎng)和水分利用效率也逐漸下降。

2 穩(wěn)定碳同位素（δ13C）與水分利用

2.1 不同功能群植物碳同位素與水分利用

由于羧化酶在各同位素反應(yīng)中的分餾作用不同，氣孔在不同光合作用下的氣孔擴(kuò)張作用也不同，C3、C4和CAM 植物的氣孔δ13C 之間往往存在著明顯的結(jié)構(gòu)差異[30]。通常，C3植物δ13C 為-23‰～-38‰，C4植物δ13C 為-12‰～-14‰，而CAM 植物δ13C 平均值在C3、C4植物之間。相同品種各個(gè)植物組織的13C 值可直接決定該物種在某領(lǐng)域和環(huán)境中的功能差別。因此，可使用δ13C 作為辨別不同品種植物功能集體的基礎(chǔ)[31]。Wang[32]研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)黃土高原中次生演替下的4 種最高優(yōu)勢(shì)植物，其物種δ13C 值隨著該類植物所處等級(jí)地位的提高而逐漸升高。因此，具有較高水分綜合利用效率，即低δ13C 值的植物，都能在次生演替中繼續(xù)具有較強(qiáng)的生存競(jìng)爭(zhēng)力。Chenshi-ping 等[33]在我國(guó)內(nèi)蒙古錫林河流域，針對(duì)6 種植物的功能組成群進(jìn)行δ13C 值綜合分析，不同功能群δ13C 值表現(xiàn)為：旱生植物（-26.38）=中旱生植物（-26.51）＞旱中生植物（-27.02）＞中生植物（-27.56）=濕中生和濕生植物（-27.80），表明隨著不同水分生態(tài)類群所適應(yīng)生境從干旱到濕潤(rùn)逐漸轉(zhuǎn)變，植物的水分利用效率顯著降低。目前，功能區(qū)域系統(tǒng)研究成為理解復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)功能的必要步驟，可將物種多樣性簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)和功能的多樣性；結(jié)構(gòu)是指喬木、灌木、草本和禾本科等不同的植物類型，而功能的變化與光合作用過程的種類、減少水分損失的能力、生長(zhǎng)時(shí)間等有關(guān)[34]。

2.2 不同尺度植物碳同位素與水分利用

碳同位素組成植物的總干物質(zhì)，它是代表一系列復(fù)雜的生理、生物、化學(xué)變化過程的長(zhǎng)期一體化，分析碳水化合物13C 值和碳儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)不同的植物，可研究植物的生命周期（結(jié)構(gòu)碳），從一天到十幾天，再到一個(gè)生長(zhǎng)周期的Ci/Ca 和WUE[35]。馬利民等[36]通過對(duì)賀蘭山油松（Pinus tabulacformis）在植物纖維素中穩(wěn)定碳同位素δ13C 實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)了植物纖維素中穩(wěn)定碳同位素δ13C，與其生長(zhǎng)年6－8 月的平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與1－7 月的平均總降水量呈顯著負(fù)相關(guān)；穩(wěn)定碳同位素13C 的變動(dòng)與環(huán)境變化的關(guān)系很大。Zheng等[37]研究了不同時(shí)空條件變化下不同植被區(qū)的遼東櫟葉片δ13C，其變化幅度為-25.102‰～-28.147‰，平均值約-26.183‰；20 世紀(jì)30－80 年代，青藏高原高寒植被地區(qū)的遼東櫟δ13C 呈上升趨勢(shì)，而暖溫帶落葉闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林地區(qū)的遼東櫟δ13C 則呈下降趨勢(shì)；這可能與青藏高原所處的地理位置及獨(dú)特的大陸性氣候等自然因素有關(guān)。林宇[38]以濱海沙地濕地松人工林中的不同葉齡葉片為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn)濕地松葉片δ13C 隨葉齡增加而增加，而WUE 隨葉齡增加而下降，且濕地松葉片δ13C 與WUE 呈明顯正相關(guān)；葉片磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能是影響水分利用效率的重要因子之一。

3 研究植物水分利用效率的方法

研究植物水分利用效率（WUE）的途徑和方法很多，不同學(xué)科對(duì)其定義也不相同。隨著我國(guó)現(xiàn)代氣體交換測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，水分利用效率在各植物中都被廣泛應(yīng)用。在生態(tài)系統(tǒng)不同水平上，對(duì)植物葉片的水平進(jìn)行測(cè)定，可分為瞬間性、潛在性的水分利用效率，即光合速率與蒸騰效率、光合速率與氣孔導(dǎo)度的關(guān)系。體現(xiàn)在整個(gè)植株水平上，即用植物的生物量除以總的蒸騰量[39]。利用光合儀器對(duì)野外植物進(jìn)行測(cè)定時(shí)，大大限制了測(cè)定時(shí)間和空間范圍，且受天氣影響，工作量較大，只能測(cè)定野外植物瞬時(shí)的水分利用效率。由于植物可分餾出空氣中13C 穩(wěn)定碳同位素，植物組織中碳同位素比（δ）成為測(cè)定蒸發(fā)效率的方法[40]。與利用儀器測(cè)定水分相比，同位素方法不受時(shí)間和空間限制，解決了同時(shí)間不同地區(qū)中植物類型的各種變化因素問題，能更精準(zhǔn)、更便捷測(cè)定WUE[41]。目前，有很多研究者利用模型計(jì)算WUE，如二項(xiàng)和三項(xiàng)線性混合模型、多元線性混合模型（IsoSource）、貝葉斯混合模型（MixSIR、MixSIAR）[42]。相比較之下，貝葉斯混合模型具有更好性能、更能準(zhǔn)確區(qū)分水源的特點(diǎn)，利用此模型計(jì)算的植物木質(zhì)部水和潛在水源同位素組成的標(biāo)準(zhǔn)差小，其運(yùn)行結(jié)果的可信度高。

4 不同尺度的WUE 及其影響因子

4.1 不同尺度的WUE

大氣溫度和CO2濃度的不斷增加，使得植物δ13C值不斷升高，植物WUE 也隨之升高[43]。陳鑫濤[44]利用耦合模型計(jì)算了近15 年草地生態(tài)系統(tǒng)WUE，結(jié)果表明：西北到東南WUE 值逐漸遞增，且空間變化差異明顯，這可能與地區(qū)的降水和氣溫有著極大關(guān)系。我國(guó)暖溫帶落葉闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域的遼東櫟δ13C 值在20 世紀(jì)中后期呈下降趨勢(shì)，WUE 也逐年下降；而青藏高原高寒植被區(qū)域的遼東櫟δ13C 值呈升高趨勢(shì)，以至于WUE 也隨之升高，這可能是由于青藏高原所固有的地理氣候條件所致[45]。我國(guó)西南巖溶區(qū)年水分利用效率呈升高趨勢(shì)，與降水呈負(fù)相關(guān)；而在夏季呈降低趨勢(shì)，是由于海拔、氣溫等綜合因素影響了水分利用效率[46]。以我國(guó)北方9 個(gè)地區(qū)代表不同的生態(tài)系統(tǒng)類型為對(duì)象，研究不同時(shí)間尺度下WUE 的日變化，發(fā)現(xiàn)先降低后逐漸升高的趨勢(shì)居多，呈現(xiàn)不對(duì)稱的“U”型曲線變化；荒漠站W(wǎng)UE 的季節(jié)變化規(guī)律為生長(zhǎng)季開始和結(jié)束時(shí)的WUE 較高，生長(zhǎng)季中期WUE 較低，這與其他站恰恰相反，呈現(xiàn)單峰型的變化[47]。三江平原的不同植被類型，年均植被WUE 值最大的是混交林，最小的是永久濕地，這是由于植被間不同的生理生態(tài)結(jié)構(gòu)和用水策略，其中3－4 月份降溫達(dá)到了最適閾值，光合作用最強(qiáng)，使得植被WUE 值增加迅速[48]。劉憲鋒[49]等研究結(jié)果表明，近15 年黃土高原生態(tài)系統(tǒng)的WUE 值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，主要呈“雙峰”曲線，而且不同季節(jié)的變化也有較大的差異。

4.2 WUE 的影響因子

影響WUE 發(fā)生變化的因素很多。不同氣候、地區(qū)、植物類型等條件下的主要影響因子也不同。馮朝陽等[47]研究發(fā)現(xiàn)，較短時(shí)間尺度（0.5h、1d）上，溫度（Ta）、相對(duì)濕度（RH）、水汽壓虧缺（VPD）和光合有效輻射（PAR）是影響WUE 變化的主要因子，但隨時(shí)間尺度的擴(kuò)大，Ta 和RH 成為影響WUE 變化的主要因子，并且兩者的線性關(guān)系更加顯著。史曉亮等[48]研究表明，我國(guó)三江平原地區(qū)植被WUE，整體上與土壤降水、相對(duì)濕度、水氣壓之間呈正相關(guān)，與土壤氣溫、日照時(shí)數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)；土壤氣溫、日照時(shí)數(shù)共同作用下對(duì)植物蒸騰作用的影響更大，相同氣候條件下植物的蒸騰速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其光合速率，從而導(dǎo)致植物WUE 呈下降趨勢(shì)；三江平原地區(qū)植被在一個(gè)與氣溫變化呈負(fù)相關(guān)地區(qū)的WUE，與大氣降水呈正相關(guān)，表明該地區(qū)受限影響因素是降水。李浩然等[50]研究發(fā)現(xiàn)，固沙植被的溫度因子對(duì)研究該地區(qū)土壤水分和空氣蒸散所產(chǎn)生的影響程度最大，其次是輻射因子，水氣和風(fēng)力因子對(duì)環(huán)境的影響程度則較低。陳燁彬等[51]研究表明，林緣海桑幼苗生物量和葉片生物量所占比重都處于最高水平，通過增加葉面積和數(shù)量促進(jìn)生長(zhǎng)，并提高光合速率、水分利用率和光合利用率；研究發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度是決定幼苗快速生長(zhǎng)、占領(lǐng)生態(tài)位的重要因子。

氣孔是植物氣體交換的一個(gè)重要場(chǎng)所。氣孔對(duì)光合作用和蒸騰所產(chǎn)生的影響也不一樣；光合作用對(duì)氣孔閉合的依賴性應(yīng)小于水分流失對(duì)氣孔閉合的依賴性，水分流失對(duì)光合作用的依賴性應(yīng)小于蒸騰的依賴性[52]。葉面積指數(shù)、CO2通量是影響水分利用效率的主要因素，相對(duì)濕度、飽和水汽壓差等環(huán)境條件是影響水分利用效率的次要因素。植物生長(zhǎng)過程中，氣孔作為和外界環(huán)境物質(zhì)互相交換的重要通道，是調(diào)控植物光合和蒸騰作用的重要關(guān)鍵[53]。研究表明，植物氣孔導(dǎo)度與溫度呈正相關(guān)[54]，作物為了適應(yīng)大氣溫度而進(jìn)行氣孔調(diào)節(jié)，控制CO2吸收和水分蒸騰，對(duì)作物光合作用和蒸騰效應(yīng)產(chǎn)生影響；農(nóng)田自然生態(tài)系統(tǒng)中水分的利用效率凈輻射，與大氣溫度對(duì)作物水分利用效率的影響機(jī)制類似[55]。

5 存在問題與展望

使用穩(wěn)定的氫氧同位素技術(shù)能確定植物水分及其來源等，但還有很多需要研究，如采集的穩(wěn)定同位素樣品易受蒸發(fā)、蒸騰等分餾的影響，分析植物水分來源結(jié)果也會(huì)偏差和誤差。因此，將該方法應(yīng)用于干旱地區(qū)試驗(yàn)時(shí)，必須規(guī)范樣品采集、儲(chǔ)存、測(cè)定技術(shù)。同時(shí)，穩(wěn)定同位素技術(shù)應(yīng)與其他方法結(jié)合，分析結(jié)果相互補(bǔ)充，對(duì)比驗(yàn)證植物的水分來源，通過植物葉片氣體交換，提高水分利用效率，從而更深刻理解植物如何吸收水分，并加以利用和了解植物的各種特性。

穩(wěn)定同位素技術(shù)可測(cè)定大、小尺度不同區(qū)域的水分來源，不會(huì)受時(shí)間和空間限制，其精準(zhǔn)度較高，并可利用優(yōu)良模型計(jì)算出水分來源的貢獻(xiàn)率。隨著自然環(huán)境變化，多種因素共同交互作用的自然環(huán)境條件下，植物水分和水分來源之間產(chǎn)生了不同程度的差異；之后研究中，需要對(duì)植物構(gòu)建更加完善的水分分析模型，以便應(yīng)對(duì)不同規(guī)律的自然變化，更有利于深刻認(rèn)識(shí)和了解植物類型生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能，并可為管理植物類型生態(tài)系統(tǒng)及其改善自然環(huán)境工作提供可靠的理論基礎(chǔ)。

植物類型、物候期、生長(zhǎng)季節(jié)和環(huán)境條件都會(huì)影響植物對(duì)水分的利用。但是，不同地區(qū)同一種植物的水分利用，或同一種植物在不同生境下是否有很大差異，目前尚未有明確結(jié)果，有待進(jìn)一步研究。穩(wěn)定同位素技術(shù)越來越受到廣大科研工作者的重視，經(jīng)常會(huì)跨學(xué)科研究水分來源和利用效率，廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)、景觀水文學(xué)、農(nóng)學(xué)、植物生理學(xué)、物理學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域，已成為研究干旱、半干旱地區(qū)植物水源和用水模式的有力手段[56]。