氢氧稳定同位素技术在生态系统水分耗散中的应用研究进展

氢氧稳定同位素作为水的"DNA",对于研究水分的传输和转化具有重要的意义,而水分耗散是水循环的重要组成部分。简单介绍氢氧稳定同位素在水分耗散研究中应用的主要原理和比较新的一些技术方法,主要对其在森林、草原生态系统和农田生态系统中蒸散发分离,植物水分来源区分、叶片水同位素富集和水分利用效率等方面做较为详细的归纳总结和探讨,最后指出国内此类研究仍然存在的问题和可能的发展方向,以期对未来氢氧稳定同位素技术在水分循环和水分耗散方面的应用研究有借鉴作用。     

伊犁喀什河流域丰水期氢氧稳定同位素及水化学特征

气温升高加速高山冰雪消融,造成伊犁喀什河的水文循环及水量平衡发生变化。关于该流域水汽来源、水体补给等问题的研究大都基于年际变化分析、氢氧稳定同位素的季节性对比,缺少针对丰水期、枯水期的特征分析,不利于系统探究丰水期及枯水期水体水化学控制因素或水体补给情况的个别差异。本文利用2018—2021年丰水期在新疆伊犁喀什河流域采集的不同水体水样,运用不同水体氢氧稳定同位素方程线比对及离子比值法,综合Piper三线图、Gibbs图等分析区域水体水化学、氢氧稳定同位素特征,探讨水体补给问题。结果表明：(1)研究区水体均呈弱碱性。地表水水化学类型为HCO₃-Ca型,地下水受石膏溶解影响,SO₄^2-含量增加,水化学类型为HCO₃-SO₄-Na-Ca型;(2)岩石风化作用是研究区地表水与地下水水化学性质的主要控制因素。地表水受到降水的轻微影响但不显著、井水受蒸发-浓缩作用影响;地表水离子主要来源是硅酸盐矿物或石膏,地下水离子主要来源为碳酸盐、石膏或硅酸盐矿物;(3)综合地表水与地下水水化学及不同...     

稳定性同位素在干旱区生态水文过程中的应用特征及机理研究

本文重点阐述了稳定性同位素18O和D在生态-水文过程研究中的研究进展,主要包括植物水分来源与比例、土壤水分动态变化与植物根系吸水、干旱区水分转化与补给等方面的研究成果。并针对我国干旱区生态水文过程研究中的具体问题,指出在今后应加强利用稳定性同位素技术在荒漠植被不同水分来源识别、植物水-地下潜水-土壤水-大气降水的转化过程、干旱区降水对不同尺度范围土壤水分和地下潜水的转化补给、具有水力提升和逆水力提升功能植物识别等方面研究中的应用。     

柴达木盆地荒漠植物水分来源定量研究——以格尔木样区为例

选择柴达木盆地的格尔木作为研究区域,选取沙拐枣、合头草、驼绒藜和麻黄4种典型的地带性荒漠灌木,应用稳定氢氧同位素技术定量分析典型荒漠植物的水分来源。结果表明:1柴达木盆地典型荒漠植物能灵活利用各种水源(河水、地下水、降水和土壤水等),最主要的水源是土壤水。2不同种类植物水分利用方式存在差异:驼绒藜、麻黄和沙拐枣主要利用深层土壤水和地下水,合头草以土壤水为优势水源。3植物水分来源的时间变化为:生长季初期,植物主要利用河水和地下水;生长季中后期,合头草主要利用浅层土壤水,其他3种植物主要利用较深层土壤水和地下水。     

稳定氮同位素示踪技术在湿地脱氮研究中的应用进展

稳定同位素示踪技术广泛应用于现代环境科学研究中。其中,15^N作为氮循环过程唯一适用的示踪剂,在有关氮循环引发的环境污染问题的研究中发挥了极其重要的作用。湿地脱氮是湿地水质净化功能的重要体现,此过程有助于有效地减少受纳水体的外源氮负荷。在概述稳定氮同位素示踪原理和湿地脱氮过程的基础上,从湿地脱氮驱动机制、关键限制因素分析、脱氮定量研究3方面阐述15^N示踪技术在湿地脱氮研究中的应用,并展望了该技术在湿地脱氮研究中的应用前景。     

广西不同石漠化程度下典型植物水分来源分析

以广西岩溶地区不同石漠化程度下的典型优势灌木为研究对象,利用氢氧和碳稳定同位素技术,结合叶片水势和土壤水势等,分析广西石漠化地区典型植物的水分利用来源。实验结果表明：随着石漠化的加剧,植物叶片水势和d¹³C值呈降低的趋势,但并没有呈直线下降,且不同石漠化程度下植物的水势和碳同位素差异性均不显著。在轻度和中度石漠化环境下,灌木主要以吸收土壤水（＞70%）为主;重度石漠化环境下,黄荆以夏季早期降雨储存在裂隙孔隙中的水（71.1%）为主要水源,而红背山麻杆则主要吸收土壤水（57.6%）和夏季早期降雨储存在裂隙孔隙中的水（42.4%）。土壤水是石漠化地区植物水分利用的重要来源,在重度石漠化环境下,植物对岩溶裂隙水的利用比例增大。为适应石漠化地区水分不足的现象,植物具有相似的水分利用策略：保持比较低的水势,较高的水分利用效率。植物对不同水源的利用存在转移以适应石漠化环境的加剧。     

氮、氧、硼同位素的测定及其应用研究

环境问题已成为当今制约经济发展的重要因素之一。近年来 ,随着同位素地球化学的进步 ,人们逐渐重视同位素在环境监测中的作用。硼同位素及硝酸盐氮氧同位素均被用于水污染源的识别和污染示踪研究 ,但其应用深度和广度有赖于同位素测定方法的进步和地球化学意义的开发。硼和 NO3-均是广泛存在于各种水体的微量或痕量成分。不同来源的硼的同位素组成差异明显 ,适合于研究物质起源和污染物示踪。NO3-在水中以离子形式存在 ,其氮同位素因适合于研究硝化和去硝化而成为水体氧化性环境和还原性环境的灵敏指示剂 ,其氧同位素直接反映了硝酸盐的…     

青海湖沙柳河流域浅层地下水氢氧稳定同位素分布特征

地下水氢氧稳定同位素的组成与空间分布规律可为研究地下水补给及深入认识水循环过程提供重要理论依据。基于青海湖沙柳河流域浅层地下水样品的氢氧稳定同位素数据，通过空间插值法和δD-δ¹⁸O线性关系法，分析了氢氧稳定同位素组成、空间分布特征及地下水补给关系。结果表明：沙柳河流域中下游地区浅层地下水δ¹⁸O与δD值分别为-8.54‰~-6.02‰和-58.6‰~-34.6‰，平均值分别为-6.79‰和-41.8‰；δ¹⁸O值在流域空间上表现为西北、中部高，南北低的特征；流域西北和中部地区地下水主要受降水补给，补给来源单一、蒸发作用强是该区域地下水同位素值较高的原因，降水→地下水→泉水是其主要补给、排泄关系；流域北部、南部地区地下水与降水、河水、泉水等水体水力联系密切，不同补给来源的平滑作用是该区域地下水同位素值较低的原因，其补给、排泄关系主要为降雨→河水→地下水→泉水（或降雨→地下水→泉水→河水）。     

稳定同位素在湿地水文研究中的应用现状与前景

湿地水文过程对湿地形成、发育和演化起到了至关重要的作用,也是湿地保护和修复的关键。稳定同位素技术是湿地水文研究的有效工具,探讨了稳定同位素技术在湿地水资源性质与来源识别以及湿地水文循环研究等方面的应用,指出了当前应用中存在的问题,如缺乏湿地水文过程的系统性机理研究等,展望了稳定同位素在湿地水文中取样方法上的创新改进与人类干扰对湿地水文过程影响研究的应用前景。     

植物稳定同位素研究进展与展望

植物稳定同位素是近年来在地理学、生态学研究中逐步广泛应用的研究手段, 具有综合长 期生物地球化学过程和联系不同系统成分的特点, 国际上已经展开了较为广泛的应用, 国内也有 相关研究。本文对国内外植物C、H、O 稳定同位素研究的回顾, 显示植物稳定同位素与环境因子, 如气温、湿度、降水、环境稳定同位素组成等密切相关。目前植物稳定同位素技术主要应用于历史 时期环境气候的重建, 恢复大气CO₂ 同位素组成以及CO₂ 浓度的变化趋势。本文根据植物稳定同 位素的特点和研究基础, 认为植物稳定同位素方法不仅可以用来重建历史时期气候, 而且在区域 环境差异及其生态效应研究上有着重要应用前景。     

Stable isotope techniques in plant water sources：a review

The stable hydrogen and oxygen isotopes widely exist in various kinds of natural water.Plants have to cope with various water sources:rainwater,soil water,groundwater,sea water,and mixtures.These are usually characterized by different isotopic signatures (18O/16O and D/H ratios).Because there are relative abundance variations in water,and plant roots do not discriminate against specific water isotopes during water uptake,hydrogen and oxygen stable isotope ratios of water within plants provide new information on water sources,interactions between plant species and water use patterns under natural conditions.At present,the measurement of δD,δ18O composition of various potential water sources and stem water has become significant means to identify plant water sources.Based on previous studies,this review highlights recent advances such as theory basis,methodology,as well as different spatial and temporal scales,and existed questions and prospects.Stable isotope techniques for estimating plant water sources have provided valuable tools for conducting basic and applied research.Future studies emphasize the modification of preparing methods,isotope technique combined with other measurements,and aerial organs of plant water source should be en-couraged.     

东台沟实验流域降水氧同位素特征与水汽来源

运用环境同位素技术研究水循环中水分子组成发生的微观变化,是兴起于20世纪中期研究宏观、微观水文过程机理的新技术。研究流域降水同位素时间和空间变化规律以及与降水要素的相关关系,对于研究流域水资源属性具有重要的理论与实践意义。本文以北京市怀柔区汤河口镇东台沟实验流域为研究对象,研究了该流域2003年7月至10月降水氧同位素含量及降水的时空变化,分析了降水δ¹⁸O与降水量、高程及空气湿度的关系,评估了雨量、高程及空气湿度等因子对降水过程的影响及作用,阐明了其间实验流域降水δ¹⁸O的时空分布规律,并得出实验流域在实验期间降水的主要水汽来源为由东南向西北方向。     

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015 年13 号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”（1513）影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ¹⁸O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1）整个台风影响过程水汽δ¹⁸O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2）根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ¹⁸O变化特征,将其划分为3个阶段：Ⅰ阶段水汽δ¹⁸O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ¹⁸O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ¹⁸O和高水汽过量氘。     

阿尔泰山降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源分析

阿尔泰山横亘于亚欧大陆中部,是中纬度西风带气候研究的重点区域之一。利用阿尔泰山地区4个站点的监测数据,研究了该区域降水氢氧稳定同位素的年内变化特征及大气降水线方程,分析了降水同位素的温度效应,并利用后向轨迹探讨了水汽来源。结果表明：（1） 阿尔泰山各站点降水同位素比率在季节上表现为夏高冬低,且南侧站点的季节差异比北侧大,除Novosibirsk外大多数站点的降水氘盈余值为夏低冬高。（2） 除Novosibirsk外,研究区大多数站点大气降水线方程的斜率和截距都低于全球平均值。（3） 各站点降水同位素存在明显的温度效应,体现在季节变化和空间分布上。（4） 后向轨迹表明,研究区受到西风水汽、极地水汽和近源水汽路径的影响,且偏北站点可能受极地水汽路径的影响更大。上述认识有助于明确阿尔泰山不同区域降水同位素时空变化反映的水文气候信息,并为该区域大气水循环及气候变化研究提供参考。     

青海湖沙柳河流域土壤水氢氧稳定同位素组成与土壤贮水量关系北大核心CSCD

氢氧稳定同位素技术和土壤贮水量是探究区域土壤水分特征的有效手段。基于青海湖沙柳河流域土壤水氢氧稳定同位素组成(δ2H和δ^(18)O)和土壤贮水量数据,分析其在流域的空间分布特征,探讨土壤水氢氧稳定同位素组成和土壤贮水量之间的相关性。结果表明:(1)沙柳河流域土壤水δ^(18)O值从西北向东南呈现富集—贫化—富集的趋势;土壤水d-excess值在流域南部最低,在流域东北部支流上游地区最高。(2)土壤贮水量在流域空间分布上表现为北高南低的趋势。(3)土壤水δ^(18)O值、d-excess值与土壤贮水量间存在分段线性关系。当0—30 cm各土层土壤贮水量≤30 mm时,各土层土壤贮水量与土壤水δ^(18)O值分别显著负相关、与d-excess值显著正相关。青海湖沙柳河流域自然地理环境和植被特征的空间差异导致其土壤水氢氧稳定同位素组成和土壤贮水量表现出明显的空间变异性。温度变化对土壤水氢氧稳定同位素组成与土壤贮水量之间的相关性影响是通过其对土壤蒸发作用的影响来实现的。     

洞庭湖流域不同水体中同位素研究

在洞庭湖流域内的长沙、汨罗、怀化对大气降水、地表水（河水）、地下水（泉水、井水）进行了取样,分析了流域内不同水体中稳定水同位素的变化特征以及它们之间的转化关系。研究发现地处亚热带季风区的洞庭湖流域,地表水、地下水中同位素继承了降水同位素冬半年富集、夏半年贫化的特征,但存在不同程度的滞后。同时,降水同位素的变化幅度及波动性明显大于地表水及地下水,而地表水、地下水中同位素较降水中要富集。流域内河水中同位素大致表现出随纬度升高而贫化的趋势,这主要受降水同位素场的影响。流域内长沙河水、井水、泉水中同位素组成均位于大气水线附近且分别大致位于一直线上,这说明大气降水是这3种水体的主要补给源。不同季节河水、井水、泉水中同位素组成与大气水线的比较则进一步反映出了不同水体在不同季节的转化关系。     

Satellite-measured water vapor isotopologues across the Tianshan Mountains,central Asia

The satellite-based water vapor stable isotope measurements have been widely used in modern hydrological and atmospheric studies. Their use is important for arid areas where the precipitation events are limited, and below-cloud evaporation is strong. This study presents the spatial and temporal characteristics of water vapor isotopologue across the Tianshan Mountains in arid central Asia using the NASA Aura Tropospheric Emission Spectrometer (TES). The near-surface water vapor stable isotopes are enriched in summer and depleted in winter, consistent with the seasonality of precipitation isotopes. From the surface to 200 hPa, the isotope values in water vapor show a decreasing trend as the atmospheric pressure decreases and elevation rises. The vapor isotope values in the lower atmosphere in the southern basin of the Tianshan Mountains are usually higher than that in the northern basin, and the seasonal difference in vapor isotopes is slightly more significant in the southern basin. In addition, bottom vapor isotopologue in summer shows a depletion trend from west to east, consistent with the rainout effect of the westerly moisture path in central Asia. The isotopic signature provided by the TES is helpful to understand the moisture transport and below-cloud processes influencing stable water isotopes in meteoric water.     

基于稳定氢氧同位素的盐水与纯水蒸发差异分析

水面蒸发是水循环的重要部分,目前大量的研究集中在淡水或低盐度咸水体蒸发,仅以淡水的蒸发特性或计算方法应用于全部水体并不准确。研究盐水蒸发与淡水蒸发的差异对蒸发过程机理研究、推动蒸发模型的创新改进至关重要。研究中使用蒸发皿对比盐水与纯水的蒸发过程,利用稳定氢氧同位素比较盐水与纯水蒸发的动力学分馏过程,结果表明：盐水蒸发量较纯水少,但仍存在蒸发日内变化规律,蒸发速率与气温变化规律同步,并在正午前后达日最大值;随着蒸发的进行,重同位素在液相富集,盐度对于H/D分馏有更显著的抑制作用;盐水与纯水的蒸发线拟合均有良好的线性关系,盐分使水体蒸发受到更强的非平衡分馏影响;热红外拍摄液面观测到蒸发过程中盐水液面温度始终高于纯水0.1~2.2℃,平均温差达1℃,这是因为盐水蒸发量较纯水小,更少的热量通过潜热释放;Craig & Gordon模型计算蒸发水汽同位素特征值,表明随着蒸发的进行,蒸发水汽组分重同位素也在不断富集,但程度不如剩余水体,检验盐水与纯水蒸发水汽氢氧同位素拟合方程却无明显差异,与前述结论相悖,说明该方程在小尺度上的应用还有待研究。