稳定同位素技术在植物水分利用效率研究中的应用

王新雅，于志慧，韩 冰，王成杰

（内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010019）

水分利用效率是植物生长中的一项重要指标，利用稳定同位素技术研究植物水分利用效率，是一种更便捷、更精准的方法，它可定位植物水分的来源和利用情况，进而有效分析它们之间的关系。研究不同尺度下不同种植物的水分利用策略以及内在和外在因素，对植物水分利用的影响至关重要，可为生态环境研究提供更多的理论依据，能更有效提高植物的生产量，并可带来更多的收益。

1 稳定同位素（δD、δ18O）与植物水分利用

1.1 植物水分代谢过程中的δD、δ18O 变化

以往研究中，对叶片稳定同位素的测定多数是基于模型的研究，缺少野外实验机制变化的研究，对大气中水汽的氢氧同位素测量数量的研究也较少。基于模型的研究结果，植物蒸腾作用对大气中水汽的氢氧同位素有一定的影响，即通过叶片气孔导度、温度受到大气相对温度、湿度影响，调控和改变叶片中氢氧同位素的分馏过程[1-2]。试验表明，不同植物叶片在蒸腾作用过程中，叶片D、18O 受到了不同程度的氢氧分馏作用，也影响着水对叶片同位素分馏程度；在不同植物叶片中，可用水分蒸腾的线斜率测量方法的标准值对其进行测量指示[3]。我国西部半干旱平原地区，多数水生植物及其叶片蒸腾速率的斜线率平均为1.5～3.2；斜线率越低，其蒸腾作用在生长过程中越有显著的分馏效果，且斜线率越小，越能体现出稳定同位素与空气环境之间的显著关系[4]。

首先，由于土壤水、地下水和河流都与大气降水相关，水分进入叶片中，其氢、氧同位素的比例发生显著变化，重同位素发生了判别作用，叶片水分D、18O 元素越来越丰富，存在明显的空间不匀性[5]。截至目前，每一种可能的水源稳定同位素成分都有较大的差异（比实验的误差大），用此数值来比较植物稳定同位素成分δD、δ18O 和每个水源的δD、δ18O 值，就可定义植物对这些水源的吸收程度[6]。但是，沉积物中稳定同位素成分存在季节性差异，水分运输过程或相态变化中的同位素分馏以及不同水源的变化，导致δD、δ18O 值一般不相同[7]。水被叶片吸收、运输和利用过程中，水分δD、δ18O 一般没有变化[8]，这可能与改变植物水分与每个水源中δD、δ18O 值的吸收相关[9]。植物水分输送途中，很有可能会再一次发生氢氧同位素的分馏；植物根系在吸收水分过程中，一般陆地植物不会产生氢氧同位素的分馏，但海洋好盐植物会显著发生氢氧同位素的分馏[10]；水分向植物上部运输过程中,δD、δ18O值从根到茎部再向上呈逐渐递减趋势，其中δD 比δ18O 值的变化更显著[11]。

1.2 植物水分来源与利用

植物体内的水主要来自降雨、土壤水、地表径流和其他地下水等。由于水在一个循环阶段内发生蒸发、凝集、降落、渗透等物理化学反应[12]，植物从根系吸收的多余水分，经过根茎输送至嫩枝或树叶之前，一般不会再发生任何分馏[13]。因此，可通过植物木质部的水和各潜在水源的同位素，确定植物水分来源。但是，传统方法很难确定这些植物所需吸收的土壤水分是否为其来源。20 世纪80 年代以来，随着同位素技术的进步和发展，利用稳定同位素技术，可通过对植物木质部的水分及其不同土壤深度的测定标准δD、δ18O，协助科研人员确定这些植物对土壤根系有效吸水面积，以及测定这些植物的土壤水源情况[14]。White 等[8]是最早通过稳定同位素技术确定了植物体内水分和土壤资源来源的科学家们，他们详细分析了夏季降雨前后松林的深层（包括地下水）和浅层的土壤水分综合利用状态；Dawson 等[15]利用稳定同位素技术研究了澳大利亚海岸桉树（Eucalyptusrobusta）在其生长旺盛期的水源情况，发现其生长旺盛期利用的主要是地下水、由降水和沿河流的地表水转化而成的土壤水。另外，于静洁等[16]认为，利用氢氧稳定同位素测定植物水分来源存在不确定性，在河岸带，混合水源的存在很明显，地下水接近河流水的同位素，此时无法追踪到潜在的水分利用率，必须寻找新的方法来定量分析植物的水分来源。

在半湿润大陆季风气候试验区，以冬小麦为对象，利用稳定同位素技术和MixSIAR 模型研究发现，冬小麦主要利用来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发量水位，水分来源不考虑地下水[17]。随着季节变化，河岸带植物利用的水分来源也有所不同；雨季，植物仅吸收地下水而不利用来自浅层的土壤水；其他季节，主要利用来自地下的水源[18-19]。国外研究学者指出，河岸边的树木主要利用来自地下的水，而很少利用河水，由于河流附近经常会人为改造，导致水位不稳定，树木选择利用来自更为稳定的地下水[7,20]。而海岸带的植物生长在含盐量高的海边，周围多数是海水，普遍认为其水源来自海水。但是一些研究表明，热带、亚热带的硬木植物水源主要来自降水，而耐盐植物来自海水，仅仅红树等少数植物可同时利用降水和海水[21-22]。

以我国热带雨林季节性湿润林、石漠化地区的植物为研究对象，发现干旱季的土壤水为植物的主要贡献者，且雨季土壤水的利用率更高，达85%以上，而夏季落叶树木更喜欢利用降水，常绿树木更喜欢利用稳定的土壤水[23-24]。我国干旱、半干旱地区，植物水分来源相当重要，及时补给水分能更长久地存活。因此，不同生长阶段的植物水分利用策略也有差异。干旱区人工杨树林在生长末期会受到地下水的补给[25]，当土壤越来越干燥时，地下水对植物的贡献率就会越来越高[26]，但朱建佳等[27]研究发现，合头草（Sympegma regelii）生长中后期主要利用来自浅层的土壤水。刘保清等[28]在科尔沁沙地研究了不同生活型植物的水分来源，发现丘间低地的乔木到灌木利用土壤水的深度逐渐变浅，为乔木＞灌木＞半灌木＞草本；而固定沙丘植物更依赖中层的土壤水，这与土地类型、植物根系分布有着紧密关系。周雅聃等[29]研究了2 种常见的荒漠植物，在3个不同自然降水区之间的土壤水分来源与土壤水资源利用的关系，发现年均降水总量最多的地区，这2 种植物在浅层土壤和土壤水的综合利用占比最高；年均降水总量相对较低的2 个地区，植物综合利用的主要水源是深层土壤水和地下水。随着每年降雨量的提高，这2 类植物的生长和水分利用效率也逐渐下降。

2 稳定碳同位素（δ13C）与水分利用

2.1 不同功能群植物碳同位素与水分利用

由于羧化酶在各同位素反应中的分馏作用不同，气孔在不同光合作用下的气孔扩张作用也不同，C3、C4和CAM 植物的气孔δ13C 之间往往存在着明显的结构差异[30]。通常，C3植物δ13C 为-23‰～-38‰，C4植物δ13C 为-12‰～-14‰，而CAM 植物δ13C 平均值在C3、C4植物之间。相同品种各个植物组织的13C 值可直接决定该物种在某领域和环境中的功能差别。因此，可使用δ13C 作为辨别不同品种植物功能集体的基础[31]。Wang[32]研究发现，我国黄土高原中次生演替下的4 种最高优势植物，其物种δ13C 值随着该类植物所处等级地位的提高而逐渐升高。因此，具有较高水分综合利用效率，即低δ13C 值的植物，都能在次生演替中继续具有较强的生存竞争力。Chenshi-ping 等[33]在我国内蒙古锡林河流域，针对6 种植物的功能组成群进行δ13C 值综合分析，不同功能群δ13C 值表现为：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）=湿中生和湿生植物（-27.80），表明随着不同水分生态类群所适应生境从干旱到湿润逐渐转变，植物的水分利用效率显著降低。目前，功能区域系统研究成为理解复杂生态系统功能的必要步骤，可将物种多样性简化为结构和功能的多样性；结构是指乔木、灌木、草本和禾本科等不同的植物类型，而功能的变化与光合作用过程的种类、减少水分损失的能力、生长时间等有关[34]。

2.2 不同尺度植物碳同位素与水分利用

碳同位素组成植物的总干物质，它是代表一系列复杂的生理、生物、化学变化过程的长期一体化，分析碳水化合物13C 值和碳储存机构不同的植物，可研究植物的生命周期（结构碳），从一天到十几天，再到一个生长周期的Ci/Ca 和WUE[35]。马利民等[36]通过对贺兰山油松（Pinus tabulacformis）在植物纤维素中稳定碳同位素δ13C 实验，研究发现了植物纤维素中稳定碳同位素δ13C，与其生长年6－8 月的平均气温呈显著正相关，与1－7 月的平均总降水量呈显著负相关；稳定碳同位素13C 的变动与环境变化的关系很大。Zheng等[37]研究了不同时空条件变化下不同植被区的辽东栎叶片δ13C，其变化幅度为-25.102‰～-28.147‰，平均值约-26.183‰；20 世纪30－80 年代，青藏高原高寒植被地区的辽东栎δ13C 呈上升趋势，而暖温带落叶阔叶林、亚热带常绿阔叶林地区的辽东栎δ13C 则呈下降趋势；这可能与青藏高原所处的地理位置及独特的大陆性气候等自然因素有关。林宇[38]以滨海沙地湿地松人工林中的不同叶龄叶片为研究对象，研究发现湿地松叶片δ13C 随叶龄增加而增加，而WUE 随叶龄增加而下降，且湿地松叶片δ13C 与WUE 呈明显正相关；叶片磷质量分数可能是影响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）的途径和方法很多，不同学科对其定义也不相同。随着我国现代气体交换测量技术的进步，水分利用效率在各植物中都被广泛应用。在生态系统不同水平上，对植物叶片的水平进行测定，可分为瞬间性、潜在性的水分利用效率，即光合速率与蒸腾效率、光合速率与气孔导度的关系。体现在整个植株水平上，即用植物的生物量除以总的蒸腾量[39]。利用光合仪器对野外植物进行测定时，大大限制了测定时间和空间范围，且受天气影响，工作量较大，只能测定野外植物瞬时的水分利用效率。由于植物可分馏出空气中13C 稳定碳同位素，植物组织中碳同位素比（δ）成为测定蒸发效率的方法[40]。与利用仪器测定水分相比，同位素方法不受时间和空间限制，解决了同时间不同地区中植物类型的各种变化因素问题，能更精准、更便捷测定WUE[41]。目前，有很多研究者利用模型计算WUE，如二项和三项线性混合模型、多元线性混合模型（IsoSource）、贝叶斯混合模型（MixSIR、MixSIAR）[42]。相比较之下，贝叶斯混合模型具有更好性能、更能准确区分水源的特点，利用此模型计算的植物木质部水和潜在水源同位素组成的标准差小，其运行结果的可信度高。

4 不同尺度的WUE 及其影响因子

4.1 不同尺度的WUE

大气温度和CO2浓度的不断增加，使得植物δ13C值不断升高，植物WUE 也随之升高[43]。陈鑫涛[44]利用耦合模型计算了近15 年草地生态系统WUE，结果表明：西北到东南WUE 值逐渐递增，且空间变化差异明显，这可能与地区的降水和气温有着极大关系。我国暖温带落叶阔叶林、亚热带常绿阔叶林区域的辽东栎δ13C 值在20 世纪中后期呈下降趋势，WUE 也逐年下降；而青藏高原高寒植被区域的辽东栎δ13C 值呈升高趋势，以至于WUE 也随之升高，这可能是由于青藏高原所固有的地理气候条件所致[45]。我国西南岩溶区年水分利用效率呈升高趋势，与降水呈负相关；而在夏季呈降低趋势，是由于海拔、气温等综合因素影响了水分利用效率[46]。以我国北方9 个地区代表不同的生态系统类型为对象，研究不同时间尺度下WUE 的日变化，发现先降低后逐渐升高的趋势居多，呈现不对称的“U”型曲线变化；荒漠站WUE 的季节变化规律为生长季开始和结束时的WUE 较高，生长季中期WUE 较低，这与其他站恰恰相反，呈现单峰型的变化[47]。三江平原的不同植被类型，年均植被WUE 值最大的是混交林，最小的是永久湿地，这是由于植被间不同的生理生态结构和用水策略，其中3－4 月份降温达到了最适阈值，光合作用最强，使得植被WUE 值增加迅速[48]。刘宪锋[49]等研究结果表明，近15 年黄土高原生态系统的WUE 值呈现上升趋势，主要呈“双峰”曲线，而且不同季节的变化也有较大的差异。

4.2 WUE 的影响因子

影响WUE 发生变化的因素很多。不同气候、地区、植物类型等条件下的主要影响因子也不同。冯朝阳等[47]研究发现，较短时间尺度（0.5h、1d）上，温度（Ta）、相对湿度（RH）、水汽压亏缺（VPD）和光合有效辐射（PAR）是影响WUE 变化的主要因子，但随时间尺度的扩大，Ta 和RH 成为影响WUE 变化的主要因子，并且两者的线性关系更加显著。史晓亮等[48]研究表明，我国三江平原地区植被WUE，整体上与土壤降水、相对湿度、水气压之间呈正相关，与土壤气温、日照时数之间呈负相关；土壤气温、日照时数共同作用下对植物蒸腾作用的影响更大，相同气候条件下植物的蒸腾速率远远大于其光合速率，从而导致植物WUE 呈下降趋势；三江平原地区植被在一个与气温变化呈负相关地区的WUE，与大气降水呈正相关，表明该地区受限影响因素是降水。李浩然等[50]研究发现，固沙植被的温度因子对研究该地区土壤水分和空气蒸散所产生的影响程度最大，其次是辐射因子，水气和风力因子对环境的影响程度则较低。陈烨彬等[51]研究表明，林缘海桑幼苗生物量和叶片生物量所占比重都处于最高水平，通过增加叶面积和数量促进生长，并提高光合速率、水分利用率和光合利用率；研究发现，光照强度是决定幼苗快速生长、占领生态位的重要因子。

气孔是植物气体交换的一个重要场所。气孔对光合作用和蒸腾所产生的影响也不一样；光合作用对气孔闭合的依赖性应小于水分流失对气孔闭合的依赖性，水分流失对光合作用的依赖性应小于蒸腾的依赖性[52]。叶面积指数、CO2通量是影响水分利用效率的主要因素，相对湿度、饱和水汽压差等环境条件是影响水分利用效率的次要因素。植物生长过程中，气孔作为和外界环境物质互相交换的重要通道，是调控植物光合和蒸腾作用的重要关键[53]。研究表明，植物气孔导度与温度呈正相关[54]，作物为了适应大气温度而进行气孔调节，控制CO2吸收和水分蒸腾，对作物光合作用和蒸腾效应产生影响；农田自然生态系统中水分的利用效率净辐射，与大气温度对作物水分利用效率的影响机制类似[55]。

5 存在问题与展望

使用稳定的氢氧同位素技术能确定植物水分及其来源等，但还有很多需要研究，如采集的稳定同位素样品易受蒸发、蒸腾等分馏的影响，分析植物水分来源结果也会偏差和误差。因此，将该方法应用于干旱地区试验时，必须规范样品采集、储存、测定技术。同时，稳定同位素技术应与其他方法结合，分析结果相互补充，对比验证植物的水分来源，通过植物叶片气体交换，提高水分利用效率，从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种特性。

稳定同位素技术可测定大、小尺度不同区域的水分来源，不会受时间和空间限制，其精准度较高，并可利用优良模型计算出水分来源的贡献率。随着自然环境变化，多种因素共同交互作用的自然环境条件下，植物水分和水分来源之间产生了不同程度的差异；之后研究中，需要对植物构建更加完善的水分分析模型，以便应对不同规律的自然变化，更有利于深刻认识和了解植物类型生态系统的基本结构和功能，并可为管理植物类型生态系统及其改善自然环境工作提供可靠的理论基础。

植物类型、物候期、生长季节和环境条件都会影响植物对水分的利用。但是，不同地区同一种植物的水分利用，或同一种植物在不同生境下是否有很大差异，目前尚未有明确结果，有待进一步研究。稳定同位素技术越来越受到广大科研工作者的重视，经常会跨学科研究水分来源和利用效率，广泛应用于生态学、景观水文学、农学、植物生理学、物理学、生物化学等领域，已成为研究干旱、半干旱地区植物水源和用水模式的有力手段[56]。