加拿大溫帶落葉林生態系統氫氧同位素組成研究

朱珊嫻,肖 薇,2,*,張 彌,2,王 偉,2,沈 競,徐家平,胡勇博,溫學發,李旭輝

1 南京信息工程大學大氣環境中心,南京 210044 2 南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心,南京 210004 3 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網站觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101

加拿大溫帶落葉林生態系統氫氧同位素組成研究

朱珊嫻1,肖 薇1,2,*,張 彌1,2,王 偉1,2,沈 競1,徐家平1,胡勇博1,溫學發3,李旭輝1

1 南京信息工程大學大氣環境中心,南京 210044 2 南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心,南京 210004 3 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網站觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101

森林生態系統；氫氧同位素；過量氘；同位素通量；蒸散

陸地生態系統氫氧穩定同位素的研究能為陸地水循環過程研究提供準確可靠的示蹤信息[1- 5],目前穩定同位素方法已經被廣泛地應用于古氣候學、水文學和生態學等領域[6-8],被用于量化植被水分來源[9- 12]、計算水分利用效率[13-14]和拆分蒸散組分等[15-17]。

穩定同位素激光光譜技術的發展使得大氣水汽同位素原位連續觀測成為可能。相對于以前大氣冷阱/同位素質譜儀檢測的方法,它為更精細時間尺度上穩定同位素的研究提供了契機?；谶@一技術已經開展了許多關于大氣水汽同位素的觀測,近期關于大氣水汽同位素的研究包括森林、城市、草地和農田等不同下墊面[24,29-30],也有試驗設置不同的高度探測植被對近地面水汽過量氘的影響[26,31]。已有研究表明大氣水汽同位素與大氣濕度存在顯著的相關性[2,24,32- 35]；影響水汽日變化的過程主要有水汽團的湍流混合,邊界層大氣的夾卷作用和下墊面蒸散水汽供應等[24,30]。以水汽過量氘(dv)為例,水汽過量氘值下午較高,部分研究者認為是下墊面蒸散水汽的補給所致[26,31,35],也有研究者認為下午邊界層頂部的夾卷作用是水汽過量氘偏高主控的原因[24]。

下墊面蒸散對于大氣水汽同位素的貢獻仍具有不確定性,而森林內部不同類型液態水氫氧穩定同位素組成及其分布對探索大氣水汽同位素組成具有重要作用。加拿大南部的波登森林位于五大湖附近,其代表著溫帶地區自然再生的落葉闊葉混合林[36]。根據該森林生態系統氫氧穩定同位素和常規環境要素的同步觀測資料,分析該生態系統不同液態水、不同高度大氣水汽和蒸散同位素的時空分布特征,探討蒸散對邊界層水汽同位素的影響情況。本研究有助于補充擴展全球不同氣候梯度和生物梯度生態系統同位素的分布特征,并為研究森林葉水同位素富集以及陸―氣之間碳水交換(18O-CO2和18O-H2O)提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 站點描述

試驗站點為加拿大安大略省南部的波登森林研究站(44°19′N, 79°56′W),該站隸屬于加拿大碳計劃通量站(Canada Carbon Program Flux Stations)。該森林主要的樹種為紅楓(AcerrubrumL.)、北美白松(PinusstrobusL.)、大齒楊(PopulusgrandidentataMichx.)和白蠟木(FraxinusAmericanaL.),所占比例分別為52.2%、13.5%、7.7%和7.1%[37]。冠層平均高度為22 m,最大葉面積指數為4.05。該站年平均溫度為6.5 ℃,年均降水量858 mm[36]。森林土壤類型為壤砂土,沙土含量隨著深度而增加[4],土壤飽和含水量為46%[5]。本試驗的觀測時段為2009年5月28日到8月20日,處于植被生長季。

1.2 大氣水汽同位素原位觀測

用δ表示同位素組成,δ為樣品與維也納標準平均海洋水(Vienna Standard Mean Ocean Water, V-SMOW)同位素比率的千分差,即：

(1)

過量氘表征氫氧穩定同位素分餾的差異,表達式為：

d=δD-8δ18O,‰

(2)

為避免水汽在采樣管內壁凝結,用加熱帶加熱樣品室、采樣管和同位素分析儀,確保采樣管內溫度都高于40 ℃[2]。因同位素分析儀在測量水汽同位素時存在濃度依賴性,為了消除其對觀測結果的影響,采用滴定蒸發系統和干空氣機相結合的方式,激發出幾股水汽濃度不同但同位素組成相同的水汽,用于標定觀測結果[2,7,29,38]。同位素分析儀的采樣頻率為1 Hz,在滴定裝置溫度為15 ℃時,δ18Ov和δDv的測量精度為0.11‰和1.1‰[24]。

1.3 通量廓線法計算蒸散同位素組成

本研究采用通量廓線法計算生態系統蒸散水汽和土壤蒸發水汽的同位素比率,如下：

(3)

1.4 同位素通量的計算方法

同位素通量(Isoflux)可以衡量下墊面蒸散對于水汽同位素的貢獻[2],通過如下公式獲得：

Isoflux=(δET-δv) ×FET

(4)

其中,δET為生態系統蒸散(或土壤蒸發)同位素組成,δv為大氣水汽同位素組成,FET為生態系統蒸散(或土壤蒸發)速率。

1.5 生態系統不同來源液態水同位素觀測

本試驗觀測葉片水、枝條水、土壤水、地下水和降水等生態系統水源液態水的同位素組成。選取紅楓、大齒楊和白蠟木3種主要樹種的枝條和葉片,去除中心葉脈后密封冷藏,枝條選取非綠色枝條去除韌皮部后密封冷藏。每2—5 d進行一次采樣,采樣時間為東部標準時間的12:00,采樣時保證葉片表面沒有水分殘留,在試驗期間一共有26次采樣[5]。每周采集一次土壤樣品,深度分別為5、10、50 cm,密封冷凍。每次降水時采集降水水樣,使用直徑為15 cm的塑料漏斗放在絕熱聚乙烯塑料瓶上收集降水。地下水是從水井中采樣,本次實驗期間共采集兩次地下水。所有液態水同位素組成用質譜儀(型號Delta Plus XL,Thermo Fisher Scientific,德國)測量,δ18O和δD的測量精度分別為0.1‰和1.3‰[5,32]。

1.6 渦度相關通量和氣象因子觀測

在通量塔33.4 m高度處搭載有閉路式渦度相關系統測量整個生態系統的水汽通量、感熱潛熱通量、二氧化碳通量和動量通量,主要儀器為三維超聲風速計(型號CSAT3,Campbell Scientific Inc.,美國)和紅外氣體分析儀(型號Li- 6262,LI-COR,美國)。在同一高度安裝微氣象觀測系統,用于測量氣溫和相對濕度(型號HMP45A,Vaisala,芬蘭)以及長波輻射(型號CNR1,Campbell Scientific Inc.,美國),在42 m高度處測量入射光合有效輻射(型號Li- 190SB,LI-COR,美國)。其他配套觀測包括葉片濕度(型號237,Campbell Scientific Inc.,美國)、降水量(型號Belfort,Baltimore,美國)、土壤溫度(型號105T,Campbell Scientific Inc.,美國)和土壤含水量(型號CS615-L,Campbell Scientific Inc.,美國)。

2 結果與分析

2.1 生態系統不同來源液態水同位素組成的變化特征

圖1 2009年森林生態系統不同液態水(降水、土壤水、地下水、枝條水和葉片水)的δ18O和δD時間序列圖Fig.1 Time series of δ18O and δD for different ecosystem water pools (including precipitation, soil water, ground water, twig water and leaf water) in the forest, 2009

圖2顯示,生長季內降水過量氘(dP)的平均值為(3.9±0.2)‰。dP波動范圍較大,最大值為10.9‰(DOY160,6月9日),最小值為-20.4‰(DOY176,6月25日)。不同深度5、10、50 cm土壤水過量氘(dS)的平均值分別為(-4.9±4.3)‰、(-3.5±2.4)‰和(-3.2±2.4)‰。土壤各層中表層土壤水dS的變化幅度最大,最大值為3.0‰(DOY177,6月26日),最小值為-14.2‰(DOY170,6月19日),10、50 cm深土壤水的dS基本相等。地下水過量氘(dG)比淺層土壤水高,其均值為(14.2±0.7)‰。白蠟木、白楊樹和紅楓三個樹種枝條水過量氘(dW)均值分別為：(-5.5±6.4)‰、(-2.4±3.1)‰和(-4.8±3.8)‰。白蠟木的dW變化振幅最大達到25.8‰,變化幅度最小的是白楊樹,為12.2‰。相比于生態系統其他液態水,葉片水的過量氘(dL)數值最低并且波動幅度最大,以上3種樹木dL平均值依次為(-86.5±26.8)‰、(-79.7±26.7)‰和(-110.5±29.5)‰,且3種樹木變化趨勢較為一致,其中白楊樹葉片水過量氘較高,變化范圍為-144.6‰—-31.7‰之間,紅楓葉片水過量氘含量最低并且最為離散,在-180.4‰—-45.1‰范圍內波動。

圖2 2009年森林生態系統不同液態水過量氘的時間序列圖Fig.2 Time series of deuterium excess for different ecosystem water pools in the forest,2009

2.2 大氣水汽同位素組成的時空變化特征

冠層上下大氣水汽同位素組成的時間變化特征如圖3所示。4個觀測高度(近地面：0.45 m和1.45 m、冠層上方：25.8 m和36.8 m)的大氣水汽δ18Ov的平均值分別為(-18.4±3.0)‰、(-18.6±3.1)‰、(-19.8±2.9)‰和(-20.0±3.0)‰；δDv分別為(-138.2±21.2)‰、(-138.9±21.7)‰、(-143.5±21.6)‰和(-144.2±21.4)‰；dv均值分別為(8.3±11.4)‰、(9.3±11.4)‰、(14.5±9.5)‰和(15.9±9.1)‰。冠層上方大氣水汽的同位素富集程度比近地面偏低,近地面水汽同位素組成變化幅度更大；相鄰兩個觀測高度上同位素組成差異較小。需要指出的是近地面和冠層上方的觀測不是同時開展的,以上比較只限于該生長季的平均狀況。

圖3 2009年森林生態系統上方(25.8 m圓點)和近地層(0.45 m圓圈)大氣水汽同位素組成的時間序列Fig.3 Time series of the isotopic composition of atmospheric water vapor above the forest canopy (25.8 m dots) and near the soil surface, 2009 (0.45 m circles)

圖4顯示,不同高度大氣水汽同位素組成存在差別,δ18Ov和δDv隨著高度上升而減小,dv隨著高度的升高逐漸增加。近地面δ18Ov和δDv分布呈現“W”的日變化特征,日出后逐漸減小,且在10:00和15:00左右分別達到極低值,13:00前后達到白天最大值,夜間則保持在較高水平。冠層上方δ18Ov和δDv呈現白天低夜間高的日變化特征,上午逐漸降低,12:00—19:00出現小幅波動,15:00達到小高峰,19:00之后δ18Ov逐漸回升。dv白天高夜間低,上午逐漸升高,近地面大氣dv日變化幅度大于冠層上方大氣,0.45 m高度處dv最大值(19.0‰)出現在正午時刻,最低值(2.4‰)在凌晨。冠層上方(25.8 m)大氣dv日組分變化范圍為9.5‰—21.1‰,最低值和最高值分別出現在早上6:00和上午10:00左右,整個下午都維持較高水平內,下午18:00之后逐漸下降。夜間邊界層逐漸穩定,蒸散減弱,近地面和冠層上方dv分層明顯,變化平緩。

圖4 森林生長季大氣水汽同位素組成的日組分特征Fig.4 Diurnal composites of the isotopic composition of atmospheric water vapor during the growing season of forest

2.3 土壤蒸發和森林生態系統蒸散δ18O的時間變化特征

由于傍晚到次日凌晨上下進氣口水汽濃度差異很小,公式3的分母非常小,δ18OE和δ18OET的觀測結果誤差較大,因此只討論9:00—19:00的變化情況。圖5顯示,9:00以后δ18OE逐漸降低,13:00達到最小值-15.2‰,下午穩定在-7.0‰左右。而δ18OET在9:00—19:00呈現“M”型的變化特征(圖5)。正午和15:00分別達到雙高峰-1.2‰和-1.1‰,15:00和19:00都是低谷值在-10.0‰左右,19:00之后迅速升高。9:00—19:00之間δ18OET的平均值為-5.7‰,日變化范圍為-11.2‰—1.1‰。

圖5 森林生態系統土壤蒸發、生態系統蒸散δ18O的日組分特征Fig.5 Diurnal variation of δ18O for soil evaporation and ecosystem evapotranspiration in the forest

2.4 同位素通量的時間變化特征

圖6 森林冠層上方和土壤上方同位素通量的日組分特征Fig.6 Diurnal composites of O isoflux above the forest canopy (top panel) and near the soil surface (bottom panel)

3 討論

3.1 森林生態系統不同來源水分同位素δD-δ18O關系

各水體中氫氧穩定同位素都存在一定的相關關系。在陸地生態系統中,降水、土壤水、地下水和大氣水汽的δD-δ18O關系有各自的特征但是也存在一定規律。圖7顯示,當地大氣降水線(LWL)為δD=7.7δ18O-0.8(R2=0.95,P<0.01),與全球大氣降水線有輕微偏離[39]。各地的大氣降水線受到當地氣象環境因素控制以及下墊面水汽供應的影響,其斜率與截距有所不同[40]。比如,中國大氣降水線斜率為7.48,而在中國中南部地區春季由于大氣干燥,降雨的再蒸發導致該區域降水重同位素明顯富集,降水線斜率為5.36[41]。當地土壤水氫氧穩定同位素的分布(當地蒸發線LEL)為δD=7.4δ18O-8.3(R2=0.93,P<0.01),斜率和當地大氣降水線(LWL)非常接近,主要是因為該森林冠層密閉度較高,土壤蒸發弱。水汽蒸發面的蒸發強度越大,LEL的斜率越低。例如澳洲南部的寒溫帶森林,由于冠層覆蓋度不高,其表層土壤水蒸發線的斜率為3.7[42]。本研究的森林所在地的五大湖區,湖水蒸發線的斜率為8,受到蒸發、高緯度的重同位素貧化的降水補給和地表徑流等的綜合作用使其斜率與GMWL相等[43]。但是在更低緯度的湖泊蒸發線斜率較低,如中國東部淺水湖泊太湖全年LEL斜率低至5.5[44]。相比于較為封閉的湖泊,同緯度區域的河流蒸發線的斜率一般較高,例如北美所有河流水線(RWL)的斜率為8.2[45],而中國湘江流域河流的LEL斜率為8.02[46]。本研究中森林生態系統地下水分布在當地大氣降水線的左側,比土壤水氫氧穩定同位素更加貧化。位于大氣降水、土壤水以及水汽相接處,這也表明地下水的來源是區域或更大尺度上的降水和地表徑流。

圖7 加拿大落葉林生態系統不同液態水和大氣水汽的和HDO組成關系圖Fig.7 The relationship of δ18O and δD for different ecosystem water pools and atmospehric water vapor in the Canada deciduous forest

3.2 大氣濕度對dv的影響

大氣濕度是指示大氣dv最佳的氣象要素[33]。Welp等[24]根據同一站點下午均值水汽過量氘(dv)與大氣相對濕度(RHS)得出dv與RHS的線性回歸系數為-0.22‰/%(R=-0.57,P<0.01),本研究為-0.37‰/%(R=-0.57,P<0.01)。圖8顯示,該森林半小時平均dv隨著RHs的變化率(dv/RHs)為-0.55‰/%(R=-0.38,P<0.01),冠層上方和冠層內部分別為-0.54‰/%(R=-0.47,P<0.01)和-0.55‰/%(R=-0.33,P<0.01)。許多研究也表明dv與RHS存在顯著的負相關性[25,53],說明下墊面對大氣水汽同位素的貢獻不可忽略。當然,水汽過量氘值還受控于水汽來源蒸發環境,Pfahl和Wernli[54]用后向軌跡模擬出海洋表面20 m相對濕度與dv之間的相關系數達到-0.84。

圖8顯示，在下午12:00—18:00期間，dv隨著大氣水汽混合比(w)的增加而減小,其變化率為-1.84‰/(mmol mol-1) (R=-0.41,P<0.01),冠層上方和下方dv/w分別為-1.58‰/(mmol mol-1) (R=-0.42,P<0.01)和-1.88‰/(mmol mol-1)(R=-0.39,P<0.01)；dv與w下午均值的相關性為-0.61(P<0.01)。已有研究結果指出水汽同位素組成與w呈現對數分布關系[2-3,30,35],這種關系說明水汽團在平移過程中發生瑞利分餾。盡管瑞利分餾不影響水汽過量氘[55],但是本研究中dv與w的塊平均依然分布在dv與w對數關系曲線周圍,如8所示,dv與w的對數關系為y=46.97-10.52ln(x)。

圖8 森林上方下午(12:00—18:00) dv與表面相對濕度、水汽混合比和分布Fig.8 dv versus surface relative humidity (RHS) and water vapor mixing ratio (w) in the afternoon (12:00—18:00) above the forest canopy

3.3 土壤蒸發和生態系統蒸散對大氣水汽同位素組成的影響

蒸散同位素組成受環境條件和葉片水同位素富集程度的共同影響,同時也影響著大氣水汽同位素組成。同位素穩態假設指蒸騰水汽的同位素組成與進入植物體的水分的相等[56],但是研究者發現這樣的狀態一般很難達到[57],它取決于葉片表面濕度以及葉片水的周轉速率[58]。在正午前后,蒸騰速率快、葉水周轉時間短,蒸騰趨于同位素穩態[17]。12:00—15:00期間,相對濕度很低,蒸騰速率較強，此時間段蒸騰同位素接近枝條水同位素(趨于穩態)[37,59- 61]。15:00之后,相對濕度開始增加,加之下午葉片水同位素較富集[15],因此蒸散δ18OET迅速增加。有研究表明,蒸騰作用促使邊界層大氣重同位素富集[2],但是過量氘對蒸散強度如何響應則缺乏研究。本文結果顯示冠層上方和近地面大氣dv與FET(FE)分別呈極顯著相關關系(R=0.10,P<0.01;R=0.39,P<0.01),線性回歸系數分別為3.34‰/(mmol m-2s-1)和12.4‰/(mmol m-2s-1)。在12:00—18:00期間,dv與FET(FE)的日均值之間也呈現極顯著的相關性,相關系數分別為0.25(P<0.01)和0.54(P<0.01)。

圖9 dv與森林生態系統蒸散和土壤蒸發之間的關系(12:00—18:00)Fig.9 Correlation between dv with forest ecosystem evapotranspiration and soil evaporation in the afternoon (12:00—18:00)

4 結論

本研究根據加拿大落葉林生長季不同來源液態水以及大氣水汽同位素組成的觀測數據,發現該森林生態系統不同來源液態水同位素組成存在明顯差異,冠層上方水汽同位素比土壤上方貧化。水汽過量氘與大氣濕度存在顯著的負相關關系,與蒸散蒸發速率存在顯著的正相關關系。白天生態系統蒸散和土壤蒸發都會使大氣水重汽同位素富集。蒸散水汽中氧同位素組成在正午和傍晚較高,下午較低,這與蒸騰速率和葉片水重同位素富集有關。因此,在蒸散同位素模擬研究中,需要考慮時間變化特征及環境要素的影響。

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HydrogenandoxygenstableisotopiccompositioninadeciduousforestecosysteminCanada

ZHU Shanxian1, XIAO Wei1,2,*, ZHANG Mi1,2, WANG Wei1,2, SHEN Jing1, XU Jiaping1, HU Yongbo1,WEN Xuefa3, LI Xuhui1

1Yale-NUISTCenteronAtmosphericEnvironment,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China2CollaborativeInnovationCenterofAtmosphericEnvironmentandEquipmentTechnology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210004,China3KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

forest ecosystem; hydrogen and oxygen isotopes; deuterium excess; isoflux; evapotranspiration

國家自然科學基金項目(41475141, 41505005, 41575147)

2016- 09- 13; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wei.xiao@nuist.edu.cn

10.5846/stxb201609131851

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