稳定同位素技术在森林生态系统碳水循环中的应用①

刘 浩，周亚平，白 艳

(1.内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010010;2.内蒙古兴安盟突泉县林草局，内蒙古 兴安盟 137500；3.内蒙古自治区林业和草原有害生物防治检疫总站，内蒙古 呼和浩特 010010)

近年来，随着全球气候变暖，水资源短缺危机逐渐在许多地区出现。森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在生物化学循环过程中，森林生态系统在多层次、多尺度和多界面上与大气、水和土壤进行物质与能量交换[1]。森林生态系统的碳循环和水循环是陆地生态系统物质循环与能量交换的两个耦合的生态学过程[2]。碳循环和水循环并不是孤立的，而是密切联系且相互耦合，两者之间的耦合关系已成为碳循环、水循环和生态系统碳、水管理研究的重点问题之一[3]。碳水循环及其相互作用均受气候、大气成分和人类活动的影响，并对气候系统具有强烈的反馈作用，因而成为当前全球气候变化研究的热点[4-5]。因此，森林生态系统的碳水耦合研究已成为当前森林生态水文学的重点研究内容，也是分析和估算森林生态系统固碳能力的热点[3]。同时，对森林生态系统碳水耦合过程进行研究对于提高森林生产力、合理经营森林具有重要意义。

国内已有许多总结陆地生态系统碳水循环的研究。于贵瑞等阐述了陆地生态系统水碳耦合循环与模拟综合研究的设想[2]。赵风华提出陆地生态系统碳水耦合过程共包括土壤—植被节点、植被—大气节点(气孔节点)、土壤—大气节点和生化节点4个碳水耦合节点[2-3]，碳水间的生化反应、气孔对光合—蒸腾的共同控制和优化调控作用，以及生态系统对碳循环、水循环的同向驱动机制分别是陆地生态系统碳水耦合的生物化学、生物物理学和生态学基础，共同构成了碳水耦合的基本作用机制[4]。陈新芳等总结了国外近10多年生态系统中碳水循环的相互作用及模拟的研究进展，并分析不同类型生态系统模型在模拟生态系统与大气之间CO2和水汽交换的特点，指出了未来碳水耦合模型发展的方向[5]。谢馨瑶等论述了大尺度森林碳循环过程模型，以及各模型的主要特征、优缺点和应用现状，并探讨了各模型中存在的问题以及森林碳循环过程模型的主流研究方向[6]。

国内大多数不同尺度的碳同化模型都是基于20世纪70年代末Farquhar提出的碳同化模型，但是由于植被冠层结构和植物生理结构的复杂性，对于准确估测叶片到冠层尺度的碳水循环造成了一定难度。传统的水文学研究中，由于观测方式的限制无法对生态系统中水分来源以及水分在植物、土壤和大气中的迁移情况进行观测。随着科学技术的发展，一些用于测定森林生态系统碳水通量的设备不断涌现，其中最具代表性的是涡度相关法。但是涡度相关法对于下垫面是否平坦均一、大气边界层内湍流是否足够剧烈等具有较高的要求。另外，该方法无法区分不同树种、林下植被和土壤对碳水通量的贡献，同时该仪器设备较为昂贵。稳定同位素技术的出现为解决这些问题提供了契机。利用稳定同位素技术可以对森林生态系统不同尺度间的碳水循环进行研究。在大尺度方向上，利用稳定同位素技术可以对整个生态系统的碳水通量进行测定及拆分，同时还可以解析生态系统SPAC水分耗散的主要过程及形式；在小尺度方向上，稳定同位素技术可以对植物进行示踪，通过将同位素注射到植物体内，然后根据植物体内同位素组成的变化来分析植物的生理过程。重点论述了稳定同位素技术在森林生态系统碳水循环的应用及研究进展。

1 森林生态系统碳水循环过程

基于森林生态系统的复杂性，碳水循环的相关研究主要包括蒸散、碳密度数量、分布及其影响因子等方面[7]。在森林生态系统中植被和大气通过蒸腾作用和光合作用分别进行水汽和CO2交换，光合作用和蒸腾作用是森林生态系统中物质循环和能量流动的两个重要生理过程，同时也是推进森林生态系统碳循环和水循环的两个过程。光合作用是森林生态系统利用光能固碳的主要途径，也是整个森林生态系统最初动力[3]。蒸腾作用被看作是森林生态系统水分损耗的过程，在森林生态系统中蒸腾作用常伴随着碳同化(光合作用)过程。

在光合作用中CO2经气孔向叶内扩散，而树木根部吸水，在蒸腾拉力的作用下到达叶片，与CO2一起发生生化反应，CO2和水在此过程中发生耦合。

气孔是植被吸收CO2和水分损耗的主要通道，植物的碳同化过程和蒸腾过程共同受到气孔行为的制约，生态系统是以气孔为节点将水循环与碳循环耦合成为有机整体(图1)[3]。

图1 碳水耦合关系Fig.1 Carbon and water coupling relationship

2 稳定同位素技术在森林生态系统碳循环中的应用

2.1 利用稳定碳同位素技术测定水分利用效率

水分利用效率(WUE)反映了植物光合固碳与耗水间的关系，是研究植物碳水循环关系的定量评价指标[7]。测定水分利用效率的方法较多，刘文兆利用田间测定的方法得出植物在某一阶段消耗单位重量水分所生产出的干物质量[8]，但是该方法工作量大、费用较高且忽视了土壤水分蒸发的存在。熊伟等通过测定叶片的CO2和水分通量确定了水分利用效率[9]，但是该方法测定的只是叶片瞬时的水分利用效率并不是长期的水分利用效率。Farquhar通过计算12C和13C的相对吸收估测植物的水分利用效率[10]，先确定了碳同位素的同位素比率(δ，%)，公式为：

δ=(Rsample/Rstandard-1)×1000

(1)

式中：Rsample表示样品中重同位素与轻同位素(13C/12C)丰度之比；Rstandard表示国际通用标准物的重同位素与轻同位素丰度之比。

同时Farquhar又确定了同位素判别Δ与δ之间的关系以及δ13Cp的值，公式为：

(2)

(3)

式中：δ13Cs表示大气中的稳定碳同位素比率；δ13Cp表示植物组织中的稳定碳同位素比率;Ci和Ca分别表示植物胞间和大气CO2浓度。

根据大气CO2浓度(Ca)、植物胞间CO2浓度(Ci)与水分利用效率(WUE)之间的关系导出δ13C与WUE之间的关系式：

WUE=(Ca-Ci)/1.6Δe

(4)

(5)

式中：Δe表示植物叶片与空气的水蒸气浓度梯度；系数1.6是根据Andrussow在1969年提出的水蒸气在空气中的扩散速度比CO2快，并且由于分子形状和相互作用以及电位等因素水蒸气与液态水和空气，CO2和空气减小质量的比例不同而确定的；a为4.4%，指CO2通过气孔时分馏的分馏系数(平衡分馏)；b为30%，指CO2被酶羧化过程中的分馏(动力分馏)。

Farquhar提出的方法使得测定植物长期水分利用效率的工作变得简单、快捷、准确。郑鹏飞等利用稳定碳同位素技术测定北京山区侧柏人工林的水分利用效率，其结果表明在侧柏生长季内WUE呈现先降低后增加的特征[11]。主要原因可能是植物刚进入生长季，光合作用小于呼吸作用，但随着温度升高以及植物生长能力的加强，植物利用水分的能力(光合作用)大于植物耗水的能力(蒸腾作用)；其次还分析了影响水分利用效率最主要的因素为植物叶内外水汽压差(VPD)和大气温度(Ta)，次要因素为土壤湿度(Ms)和空气相对湿度(RH)。陈平等利用稳定碳同位素技术测定了决明子(CatsiatoraLinn)的水分利用效率，结果表明决明子不同部位的δ13C值大小依次为根>茎>叶，不同部位的Δ大小依次为根<茎<叶；同时利用称重法和稳定碳同位素技术测定WUE，得出决明子叶片的WUE与整株决明子的WUE相关性最强[12]，这说明WUE的大小主要受叶片上气孔即气孔导度所控制，也说明在稳定碳同位素技术的基础上利用叶片测定WUE得到的结果更加可靠。

但是上述方法在利用稳定碳同位素技术测定WUE时只考虑到了植物叶片的气孔导度，由于植物生理结构极为复杂，而且气孔和叶肉均参与水分消耗和吸收的过程。近年来相关学者提出，在利用稳定碳同位素技术测定WUE时应考虑叶肉导度(gm)的影响，但是目前相关研究较少。

2.2 利用稳定碳同位素技术构建碳水耦合模型

Farquhar在1982年基于C3植物构建了植物叶片CO2光合作用的水碳耦合机理模型[10]，该模型分析了叶片亚细胞水平的光合作用，具体步骤为通过公式(2)提出了植物叶片同位素比率与CO2浓度之间的关系，然后提出光合速率(A)与CO2气孔导度(gCO2)、大气压强(P)及CO2浓度之间的关系，关系式为：

A=gCO2(Ca-Ci)/P

(6)

杨芝歌等在此基础上又提出了冠层碳水耦合模型[3]，关系式为：

gCO2=gH2O/1.6

(7)

gH2O=gc/LAI

(8)

式中：gH2O为植物叶片水汽气孔导度；LAI为叶面积指数；gc为林分冠层平均气孔导度。

联立公式(2)、(6)、(7)、(8)得到林分冠层尺度上平均净碳同化速率，公式为：

(9)

在公式(9)中只有林分冠层平均气孔导度(gc)无法直接测得。所以杨芝歌等结合树干液流(SF-L)技术测定单株林木蒸腾量，再通过尺度扩展的方法，建立林木边材模型，从而计算出整个林分的蒸腾量。然后通过Köstner等提出的林分冠层气孔导度(gc)的计算方法，推算出林分冠层气孔导度(gc)[13]。

树干液流仪选择的是SF-L热扩散式液流仪，单株林木液流速率的计算公式为：

(10)

(11)

式中：Js为树干液流速率，单位为mL/(cm2·min)；dtact为根据公式(11)计算出的dt值；dtmax一般采用空气相对湿度为100%时的dt值；T1-0、T1-2、T1-3分别为探头S0与S1、S2与S1、S3与S1的温度差。

假设同一时刻同一径阶的树木输水能力相同(水分迁移守恒原则)，则单位时间某一径阶内树木的总液流通量(Et)计算公式为：

Et=Js×As

(12)

式中：As为该径阶内林木的边材面积，单位为cm2。

则某一树种林分总蒸腾量(Ea)计算公式为：

(13)

式中：Jsi为林分某一径阶树木的平均液流密度；Asi为某一径阶内边材面积的总和。

通过建立林木胸径—边材面积模型计算可得到Asi，林分单位面积叶面积蒸腾量(Ei)计算公式为：

(14)

式中：Ag为林分树冠在地面上的垂直投影面积。

Konster等提出林分冠层气孔导度计算公式，其公式为：

(15)

式中：ρ为水分密度；T为大气温度；Gv为水蒸气气体常数；D为水汽压亏缺。

杨芝歌等利用稳定碳同位素技术构建了北京山区侧柏人工林生态系统的碳水耦合模型。在验证过程中实测值与模拟值较为接近，说明其模型精度较高。

但是由于森林生态系统的复杂性以及多样性，该方法存在一定缺陷：(1)从单株林木蒸腾转化成林分蒸腾的方法中，选择的样木缺少代表性及说服力；(2)整个森林生态系统的碳水耦合过程复杂，不能仅用几个公式联立得到，应考虑不同变量与光合速率相关的程度大小。

3 稳定同位素技术在森林生态系统水循环中的应用

3.1 根据氢氧同位素关系确定研究区域降水线

基于这样的理论基础，1961年Craig等收集了不同地区的降雨资料，做出了δD和δ18O的线性关系即全球降水线[15]，其线性关系为：

δD=8δ18O+10

(16)

该线性模型中的截距10表示全球大气降水的平均值，若某一地区降水线的截距大于10，则表明降水云气形成过程中气、液两相同位素分馏不平衡的程度偏大；若某一地区降水线截距小于10，则表明在降雨过程中蒸发作用影响较大。

1983年郑淑慧确定了中国大气降水线模型为：

δD=7.9δ18O+8.2

(17)

这个模型与全球大气降水线相比，其截距值较为接近。

2015年，邓文平等基于稳定同位素技术确定了北京鹫峰地区的局地降水线[16]，降水线模型为：

δD=7.17δ18O+1.45

(18)

从鹫峰地区局地降水线模型可看出，其截距远小于全球降水线的截距(10)，说明鹫峰地区在降水过程中存在非常明显的蒸发作用，同时鹫峰地区局地较强的水分循环也是导致其截距远小于全球降水线截距的原因。

3.2 利用氢氧同位素关系确定植物水分来源

利用稳定同位素技术确定植物水分来源的理论基础是同位素稳态假设，即叶片蒸腾水的同位素组成等于根吸收的土壤水同位素组成。根据这一理论基础，通过分析对比植物体内水分与各种水源的同位素组成即可确定植物的水分来源。

植物体内的水分是各种水分来源的混合物，其线性关系为：

δD=X1δD1+X2δD2+…+XnδDn

(19)

式中：δD是植物体内的δD值；X1、X2…表示各水分来源所占的比例；δD1、δD2…表示各水分来源的δD值。

White等利用这种方法研究了紫衫的水分来源，发现当紫衫的根系位于浅水层之下，降水的多少对其水分利用情况影响较小且其主要利用地下水；对于地下水位较深的地区，北美乔松在降水后主要利用降水，对地下水依赖较小；而在地下水位较浅的地区，北美乔松的δD值介于雨水和地下水δD值之间，这说明在地下水位较浅的地区北美乔松的生长既利用了地下水也利用了大气降水[17]。

徐庆等利用稳定同位素技术分析了川西亚高山暗针叶林在不同降水条件下林中的降水、林冠穿透水以及壤中流的变化特征，结果表明降水δ18O值与林冠穿透水δ18O的差值，随着日降雨量的增大呈偏正态结构；壤中流与降水强度及降水量呈负相关关系[18]。

从White等的研究结果可看出，植物对于不同水分的来源利用是有选择性的，至于优先利用何种水源主要取决于地下水位的深浅程度以及植物根系的分布。利用稳定同位素技术确定植物水分来源的研究已很多，但是到底何种水源对植物的生长影响最大，目前尚无定论。

随着科学技术的发展，有研究者提出利用稳定同位素技术确定植物水分溯源的方法不仅是植物体内不同水分同位素简单的线性关系。基于此理论的提出，不同的水分溯源模型不断地出现，其中最具代表性的模型有SIAR、MixSIR、IsoSource、MixSLAR。

王剑等对几个水分来源模型进行了比较，得出SIAR和MixSLAR模型相比MixSIR模型具有更好的植物水分溯源效果，造成3种模型间差异的原因可能是后验分布仿真算法的不同；同时根据不同方法，结合野外实测数据的相互比较结果和模型本身的特点，利用MixSLAR模型进行植物水分溯源最优。

3.3 利用稳定同位素技术拆分森林生态系统水分通量

森林生态系统主要通过蒸散的形式消耗水分，蒸散包括植物蒸腾和土壤蒸发。但是通过蒸腾和蒸发消耗的水分到底占生态系统总蒸散量的多少较难确定。稳定同位素技术为实现拆分森林生态系统的水分通量提供了理论基础和技术支持。娄源海等利用稳定同位素技术对北京山区人工林的森林生态系统水分通量进行了拆分[19]。

确定植物蒸腾量的方法主要是利用不同植物的水汽同位素组成来计算，植物总的水汽同位素组成(δT)公式为：

δT=Y1δ1+Y2δ2+…

(20)

式中：δT表示植物总的水汽同位素组成；δ1、δ2…表示各植物的水汽同位素组成；Y1、Y2…表示各植物的盖度。

此外，Gat等确定了土壤蒸发水汽同位素的计算方法[20]，其公式为：

(21)

ε*=(1-α*)×103

(22)

Δε=(1-h)×θ×n×CD×103

(23)

式中：δE为土壤蒸发水汽同位素组成；δL为对应深度的土壤水同位素值；h为对应深度土壤温度的相对湿度；δa为大气水汽稳定同位素组成；α*为水汽从液态转为气态发生相变时候的热力学平衡分馏系数，与ε*表达的意思相同；Δε为同位素动力扩散系数；θ为分子扩散分馏系数与总扩散分馏系数之比，对于蒸发通量不会干扰环境湿度的小水体而言，其值一般取1.0，但是对于大水体，取值范围为0.5～0.8；n为描述分子扩散阻力与分子扩散系数相关性的常数，对于土壤蒸发和叶片蒸腾而言，其值取1.0；CD为描述分子扩散效率的参数，相对于H218O来说一般取28.5%。

娄源海等利用Craig-Gordon模型[21]，结合土壤样品和植物样品采样测定相应的同位素值，计算得出土壤蒸发δE和植物蒸腾δT。同时采用Keeling Plot曲线的方法确定整个森林生态系统的蒸散量，Keeling Plot曲线的截距即为森林生态系统的蒸散量，其曲线表达式为：

(24)

式中：δr为林分边界层大气水汽δ18O的值；Wa为大气水汽的水汽混合比；δa为大气水汽同位素组成；δET为森林生态系统的蒸散量。

将植被蒸腾和土壤蒸发拆分的方法是基于同位素质量守恒原理，公式为：

(25)

(26)

娄源海等利用上述方法对北京山区侧柏人工林森林生态系统水分通量进行了拆分，结果表明，在其连续原位观测期内总体上植被蒸腾占蒸散比例的变化趋势为由低到高最后趋于稳定，第一阶段为植物生长阶段前期，植物生长较为缓慢，所以其蒸腾比例较低；第二阶段植物蒸腾比例逐渐上升，主要是因为随着植物生长速度加快，其生理活动较为频繁导致蒸腾比例升高。袁国富、温学发等利用此方法对麦田的水分通量进行了拆分[19]，结果表明，在冬小麦生长盛期，蒸腾占总蒸散比例在94%～99%[22-23]。

4 研究展望

稳定同位素技术在森林生态系统碳水循环中的应用已趋于成熟，但是就目前的研究来看还存在一些不足：在利用稳定同位素技术确定森林生态系统WUE的研究中，大多数研究方法还是采用Farquhar在20世纪70年代提出的方法，但影响森林生态系统WUE的因素是多方面的且植物的生理结构也非常复杂，并不是由几个因子所决定的，因此在以后研究过程中应引入更多的因子，如叶肉导度等。

在利用稳定碳同位素技术构建碳水耦合模型的研究中，大多数研究者均是结合树干液流技术，通过尺度扩展的方法计算林分蒸腾，但是该方法缺少代表性和说服力。在今后研究中应结合涡度相关法来计算林分蒸腾，同时结合森林生态系统碳同位素组成的连续原位观测，从而构建森林生态系统碳水耦合模型，而不仅是通过采样来测定植物的碳同位素组成。

在确定植物水分来源的研究中，应对各种模型进行校准，引入不同参数，提高模型的精度及扩大适用范围。

利用稳定同位素技术和Keeling Plot方法对森林生态系统水分通量拆分的研究方法也存在较多问题。该方法的理论基础主要是基于同位素稳态假设，若在研究过程中发生了同位素分馏现象即同位素稳态假设不成立，则该方法测定的森林生态系统蒸散量存在很大的误差。今后研究中应加大对如何判断同位素的稳态，以及在非稳态的情况下如何准确地测得森林生态系统蒸散量等方面的研究。