岷江上游亚高山灌丛对降水的分配机制.docx
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岷江上游亚高山灌丛对降水的分配机制
岷江上游亚高山灌丛对降水的分配机制
——应用稳定同位素技术
（开题报告）
StudyonthePrecipitationPartitioningbytheSubalpineScrubsintheUpperReachesofMinjiangRiverbyStableIsotopes
一、稳定同位素技术及应用
1.1稳定同位素概况
原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子叫做同位素（Isotope），他们处在周期表上的同一位置。
不具有放射性的同位素称为稳定同位素（StableIsotope）。
稳定同位素可分为两类：
（1）放射成因稳定同位素：
由单个或系列放射性同位素母体衰变而形成的稳定同位素；
（2）非放射成因稳定同位素：
没有放射性母体的稳定同位素。
天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定，迄今为止还未发现他们能够自发衰变形成其他同位素，如氢同位素（1H和2H）。
自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有260余种。
1.2稳定同位素丰度及分馏
1.2.1稳定同位素丰度
稳定同位素含量一般用相对丰度表示，相对丰度是指某一元素中各同位素所占的原子百分比。
一些常用稳定同位素相对丰度：
氢1H99.985%，2H0.015%；碳12C98.89%，13C1.11%；氧16O99.762%，17O0.038%，18O0.200%；氮14N99.634%，15N0.366%。
1.2.2稳定同位素效应
稳定同位素的天然丰度，在不同地球样品中是不同的，有一定的变化范围。
造成这一变化的原因包括：
（1）与核合成有关的过程，
（2）与放射性衰变有关的过程，（3）同位素分馏。
由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差。
这种质量差异所引起的该分子在物理和化学性质上的差异，称为同位素效应（isotopeeffect）。
1.2.3稳定同位素分馏
同位素分馏（isotopefractionation）是指在一系统中，某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象。
分馏是由于同位素在物理及化学性质上的轻微差异产生的，因此一般情况下分馏的大小与同位素质量差成正比。
例如，氢的两个同位素（1H和2H）的相对质量差是所有元素的同位素中最大的，因此自然界中氢同位素分馏也最大，一般比其他元素的同位素分馏大一个数量级。
稳定同位素的分馏可分为三种：
（1）同位素热力学平衡分馏（thermodynamicequilibriumfractionation）：
体系经过同位素热力学平衡交换反应而达到平衡状态时，同位素在两种分子或化合物间的分馏。
过程中不发生一般的化学变化，只是在不同的化合物之间或各个分子之间，同位素比值发生一定的变化，因素有：
温度、压力、化学成分（重同位素倾向于富集在分子键性强的化合物中）、物质结构（在平衡条件下，2H和18O富集顺序为：
冰>水>水蒸气）、盐效应。
（2）同位素动力学分馏（kineticfractionation）：
是指由于轻重同位素分子的扩散速度、反应速度（包括物理的、化学的和生物化学的）不同引起的分馏，如光合作用、蒸发作用。
动力学分馏适用于非平衡过程。
（3）与质量无关的同位素分馏（massindependentfractionation）：
不符合质量相关分馏原则（同位素交换反应与质量有关，同位素的质量差愈大，则分馏越大）的分馏现象。
原因可能与核过程有关，也可能是由于光化学反应放电或激电作用的结果。
两种物质间同位素分馏的程度用同位素分馏系数α表示。
常以两种物质中的同位素比值之商来表示：
αA-B=RA/RB（RA和RB分别表示某一元素的两种同位素在A、B两种物质中的比值，如2H/1H）。
α值通常十分接近1，一般用1.00n（n为自然数）表示。
α值愈偏离1，则说明两种物质之间同位素分馏的程度愈大。
1.3应用稳定同位素的原理
在不同的物理、化学和生物作用过程中，出现不同的同位素效应，发生某种程度的同位素分馏。
正是这一特性，使得我们可以用来研究其在底物、产物之间的变化从而找出底物和产物的变化关系和反应途径，有多种底物的时候还可以区分来源和对产物的贡献比例。
在实验中使用最多的是氢稳定同位素，其存在于水中，以此为例。
当植物利用的是某一种水分来源时，通过将植物水分的δD与这种水源的δD进行对比，即可得知植物利用的水分来源（Sternberg&Swart，1987；Dawson&Ehleringer，1991；Sternbergetal.，1991；Gregg,1991；Phillips&Ehleringer，1995）。
如果通过δD数据的对比确定植物利用的是某两种水源时，可以用简单的两端线性混合模型确定每一种来源所占比例（Whiteetal.,1985）。
当两种水源的δD不同时，植物水分的δD一定介于两者之间。
将具有较大δD值的水源作为富集端，具有较小δD值的水源作为消耗端，则植物水分中消耗端水源所占的比例为：
P消耗＝（δD富集－δD植物）/（δD富集－δD消耗）其中P消耗表示植物水分中消耗端水源所占的比例，δD富集、δD消耗和δD植物分别表示富集端水源、消耗端水源和植物水分的δD（Dawson,1993）。
如果植物利用的两种水源中,有一种处于动态变化中,模型会稍复杂些。
已知一个植物的水分来源为地下水和一次夏季暴雨的混合物,模型可以写作:
δDsap=[X×δDGW+（1－X）×δDR]×（1－t/d）＋t/d×δDGW，其中δDGW为地下水的δD,δDR为雨水的δD，X为雨后地下水的比例,d为雨水在植物水分中的衰减期,单位为d，t为从下雨后开始的时间,单位为天。
t=0时,植物汁液的δD（即δDsap）等于刚下完雨时地下水和雨水混合物的δD；t=d时,δDsap等于地下水的δD。
如果植物没有利用地下水,δDGW也可以是径流或土壤水的δD。
这样,从下雨开始到植物水分重新等于地下水、径流或土壤水的δD为止,每天测定植物水分的δD即可确定X。
对于两次或更多次降水的情形以上方程可以扩展为:
δDsap=[X2×δDGW＋（1－X2）×δDR（rain2）]×（1-t2/d）＋δDsap（rain1）×t2/d，δDsap（rain1）是从第一次降雨得到的植物汁液的δD,X2是第二次降水后的X值,t2是从第二次下雨后开始的时间,单位为d。
另外的降水事件可以用同样的方法结合进来（Whiteetal.,1985）。
1.4可用于生物分析的稳定同位素元素特征：
（1）原子质量相对较小（一般≤40）；
（2）同位素之间原子质量差异足够大；
（3）存在多种氧化态/化合物种类多；
（4）重同位素丰度足够高。
1.5常用稳定同位素——2H（D）、18O
1.5.1H－O同位素分析标准
物质中一种元素的几个同位素的绝对量的测量，通常是十分困难的。
实际工作中往往采用相对测量法，即只要知道待测物质中某元素的两种稳定同位素的比值与一标准物质中同一元素的两种同位素的比值之间的差异即可。
这一差异用δ值来表示：
δ=（R样品/R标准－1）×1000，δ值是样品与标准之间同位素比值间的相对偏差，单位用千分值（‰）表示。
若一个样品的δ2H值为－5.0‰，即表示该样品中的δ2H，相对于标准样品少富集5.0‰。
（图1.4）
氢氧同位素分析结果均以标准平均大洋水（StandardMeanOceanWater，即SMOW）为标准表示。
这是一个假想的标准，其“绝对”同位素比值被定义为（Hayes，1982）：
2H/1H=（155.76±0.10）×10-6，18O/16O=（2005.20±0.43）×10-6，17O/16O=（373±15）×10-6；国际原子能委员会（IAEA）研制和分发了两个用作同位素标准的水样（Gonfiantini,1978）：
一个是V-SMOW（Vienna-SMOW），它是用海水经蒸馏后加入其他水配制的，一个是SLAP（StandardLightAntarcticPrecipitation），它是由南极融冰水配制的。
这两个标准的氢、氧同位素组成分别为：
δDVSMOW=0‰，δ18OVSMOW=0‰；δDSLAP=－428‰，δ18OSLAP=-55.50‰。
1.5.2蒸发与凝结
天然水是H216O，HD16O，D216O，H217O，HD17O，D217O，H218O，HD18O，和D218O等不同类型同位素水分子的聚合体。
最轻的同位素水分子H216O在天然水的含量中占绝对多数。
蒸发与凝结是在大气与地表水，大气与海洋之间的一种大面积的H、O同位素的交换过程。
该过程对于海洋﹑大气﹑大陆地表水的H﹑O同位素组成有重要影响。
当水蒸发时，由于较轻的水同位素分子的零点能（E0）较小，饱和蒸汽压较低，所以轻同位素分子优先富集于蒸汽相中进入空间，气体中的轻同位素16O和1H的含量增加。
相对而言，留下的水中富集重同位素分子，水中的重同位素18O和氘（2H）的含量增加。
当水蒸发过程进行的很慢时，水/汽界面处于同位素平衡状态。
空气湿度对一个地区水蒸发过程中的同位素平衡有很大影响。
如果水的蒸发速度进行得很快，水/汽之间的同位素分馏就会出现不平衡状态。
这是由于在自然界的蒸发作用多半在非平衡条件下（相对湿度远小于100%）。
在云中的水蒸汽冷凝成雨滴过程中，液相和气相之间往往达到了同位素平衡。
当从海洋表面蒸发水蒸汽时，水气中亏损δD和δ18O，液相中富集δD和δ18O。
1.5.3大气降水
所有大陆地表水，例如江水，河水，湖水，冰川，地下水，以及一些沉积盆地的卤水和地热水，都是来源于大气降水。
而大气降水的来源是海洋表面的蒸发。
大气降水的同位素组成变化较大，δD值一般在+50～－500‰，δ18O值一般在+10～－55‰。
影响大气降水H,O同位素组成的因素：
（1）纬度效应。
纬度增加，则大气降水的δD和δ18O值减少。
随着从海面蒸发的水汽的不断降雨的过程，剩余的水汽中越来越亏损D和18O，其雨水和雪水中的δD和δ18O值也越低。
自然界最富集轻同位素的水是南极冰水：
δD值为～－428.5‰，δ18O值为～－55.5‰。
（2）海拔高度效应。
高度上升，则大气降水的δD和δ18O值减少。
一般对于δD值，每升高100m，降低1.2～4‰；对于δ18O值，每升高100m，降低0.15～0.5‰。
（3）离岸远近。
越向内陆，大气降水的δD和δ18O值越降低。
（图1.1，图1.2）
（4）季节效应。
在冬季或干季，大气降水的δD和δ18O值增加；在夏季或雨季，δD和δ18O值减少。
主要是温度效应。
1.5.4河水
河水有两种补给源：
大气降水和地下水。
不同地区，不同季节，它们对河流的补给量也不同。
大气降水形成径流和小河，这些小河的同位素组成反映大气降水的特征，具有季节性变化特征。
大河水系是由小河汇集而成，所以它们的同位素组成要复杂得多。
高山区的径流往往依赖于冰雪的融化，这种成因的小河流的同位素组成显示出季节性变化，但其季节性变化与大气降水的情况相反。
在夏季时，大量冰雪融化，融水与夏季降雨相比亏损D和18O，甚至低于冬季降雨。
纬度，高度，离岸远近，季节（温度）等因素都对河流体系的同位素组成有影响，常常造成在一条大河水系中，从源头到各支流，一直到河流的下游，水的同位素组成都有变化。
1.5.5雨水线方程
全球雨水H,O同位素组成的一个重要特征是D值与δ18O值间有明显的线性关系（Craig,1961），该关系式如下：
δD=8δ18O+10（雨水线方程，图1.3）
图1.1海水蒸发云团和内陆雨水、冰盖的氧同位素组成变化
图1.2中国现代地表年平均大气降水D等值线趋势图（张理刚，1989）
图1.3标准雨水线
但在实际中，有些地区雨水δD与δ18O的关系往往与上述雨水线方程有偏差。
其中我国西南区大气降水H，O同位素的关系为：
δD=7.54δ18O+4.84。
图1.4氢同位素在天然物质中的一般分布（以D表示）
1.6应用实例
1.6.1古气候研究
20世纪70年代初开始的对有机物中重氢的调查以及之后的研究表明植物纤维素的氢、氧稳定性同位素组成与主要气候因子如温度、湿度及降雨量之间有密切的相关关系。
因此，根据树木年轮中纤维素的δD可推测古气候的变化。
Libby等发现从1700年到1975年，一株德国橡树纤维素的δD、δ18O的变化与冬季温度的变化相吻合。
1.6.2植物光合途径
有不同光合途径的植物δD不同，CAM植物的δD明显大于C3和C4植物，温室条件下，C4植物的δD又比C3植物高。
通过分析植物硝化纤维素的δD，可区分出植物这3种主要光合途径。
1.6.3动物生理生态学
可用双标水法（DoublyLabeledWaterMethod）研究动物的水分、食物及能量需求。
双标水DH18O注入机体后,标记的氧元素18O将以H2O和CO2方式失去，标记的氢元素D以H2O的方式消失。
两种标记元素转化速率的差异与CO2排放量成正比。
监测δD、δ18O的变化可以得到动物的水分损失及CO2排放量。
此方法可以在动物自由活动时测定，测定CO2排放量的标准误差不超过5%，标准差只有3%～10%。
利用这一技术，Schoeller等研究了人体的能量消耗。
1.6.4食物链研究
动物机体组织中的δD与所吃食物的δD相近。
分析生态系统内各营养级生物的δD能揭示该系统的营养关系及元素在系统内的流动过程。
在早期的研究中，通常只分析一种稳定性同位素，主要是碳同位素，对于复杂的食物网，就需要两种或两种以上稳定性同位素综合技术，因为一种元素的同位素比率相同的有机体，另一种元素的同位素比率可能完全不同。
1.6.5氢稳定性同位素分析确定植物水分来源
确定植物利用的水分来源，首先用同位素质谱仪测定环境中可能的水分来源（如降水、土壤水、径流、地下水等）和植物水分（根系水、茎水或木质液）的氢同位素组成。
然后，通过对比和模型计算可得到植物利用的不同来源水分所占的比例。
当植物利用的是某一种水分来源时，通过将植物水分的δD与各种水源的δD进行对比，即可得知植物利用的水分来源。
植物根系在吸收水分时，氢、氧稳定同位素一般不发生分馏；沿木质部向上运输的时候不存在汽化过程，也不发生分馏，但是随着高度的增加木质部、韧皮部的水分在蒸腾时氢、氧同位素会强烈富集。
氢、氧同位素穿过凯氏带时表现截然不同，穿过凯氏带需主动运输而打断键，1H和2H的差异相对16O和18O的差异大的多，相对打断键的能量要大很多，因此凯氏带完整的植物根系吸收水分时氢稳定同位素会发生分馏而氧同位素分馏不明显。
所以利用氢、氧稳定同位素确定植物利用水源的时候要注意植物本身的特性。
森林群落实例：
White等分析了阿肯色州沼泽地优势树种Taxodiumdistichum的边材木质液的δD，发现它不受夏季降水影响，因为它的根在浅水层下，降水影响不到它利用的地下水的δD。
纽约州干燥处的白松Pinusstrobus在暴雨后5d里几乎完全利用雨水，第6天开始吸收心材水分——多次降水的时间平均值；湿润处的白松暴雨后的木质液δD界于雨水和地下水之间，表明两者都利用，5d或6d后，δD几乎与地下水相同。
通过计算，干燥处的白松，在干旱和湿润的夏季分别利用了雨水的20%和32%,湿润处的树木这个数字为10%和16%。
植物间的相互作用实例：
深根系种类（如高大的乔木）将吸收的深层土壤水释放到上层土壤，这个过程称为“水力提升”（hy-drauliclift）。
提升上来的水分帮助它度过旱季，同时相邻的植物（如树下的草本）也可以“坐享其成”。
如在纽约州的夏季干旱中，地下水被糖槭Acersaccharum水力提升上来，附近浅根系的草本、灌木和幼树随着到大树距离的增大表现出越来越重的萎蔫程度。
δD分析显示它们利用的水分中“水力提升水分”所占的比例：
野草莓Fragariavirginiana为46%～61%,矮灌木越橘Vacciniumvacillans、多年生草本秋麒麟草Solidagoflexicaulis和禾草Holcuslanatus为19%～25%,小山毛榉树Fagusgrandifolia为7%。
与其它种类比，利用水力提升水的草本种类一般有较高的叶片水势、叶片传导率和有利的水分平衡，对于竞争水分优势明显。
植物水分利用的历史再现实例：
通过测定年轮纤维素的δD，可以重建植物对水分利用的变化历史，树轮中δD能够指示树木生长过程中利用的水源。
Dawaon等分析叶槭Acernegundo的年轮宽度（代表径向生长增量）和年轮中的δD，表明在生命最初20～25a中，D值与夏季降水相似，径向增长不规律。
25a以后δD与地下水相似，年轮较大，生长稳定。
说明叶槭年幼时利用地表水源（如降水或河水），生长不稳定与水源的不稳定有关；树木长到一定大小，利用到了稳定的水源——地下水，因而稳定地生长。
二、应用稳定同位素技术研究岷江上游亚高山灌丛对降水的分配机制的意义
随着技术的发展和认知手段的提高，稳定同位素技术从地球化学逐渐被引入生物学中应用，已被称为生态学三大现代技术之一。
研究发现，生物体中稳定同位素的含量与其自身特点、生存的环境条件密切相关。
生物，尤其是植物的机体组织中的重氢（D）反映了生活环境中的水分来源。
环境水中的D值变化很大（地球样品变异范围达700%），与新陈代谢过程有关的同位素分馏进一步影响机体组织的D。
来源水、植物水分和树轮纤维素的氢同位素组成分析可用于在各种群落类型和环境中分析植物短期和长期的水分利用形式，还可用于研究植物与植物之间的相互作用。
稳定同位素技术的应用，给研究植物群落对降水的分配机制提供了新的研究思路、技术方法，从分子的水平来揭示植物体、植物群落对水分的分配机制（来源、对不同来源选择性吸收及利用、走向），从而深刻的认识其转化、利用规律，为区域层次上调节植物群落的类型、结构、分布方式以趋利避害（如有利于水土保持，减少洪涝灾害发生的几率）和科学管理提供理论依据。
并为建立降水分配实验室模型提供实践参照和理论依据。
三、研究目的
本研究是973项目“西部典型区域森林植被对农业生态环境的调控机理”第四课题“森林植被对区域洪涝灾害和水资源的调节作用”研究内容之一。
在分析岷江上游流域亚高山灌丛植被特征基础上，利用稳定同位素技术，测定亚高山灌丛降水、土壤水、地表径流、植物水的氢稳定同位素值，阐明亚高山灌丛在不同降水条件下水分循环的特征，得出对降水的分配机制和转化规律，建立氢同位素的空间相关模型，为研究森林植被的演变过程、洪涝灾害发生规律提供科学依据和参考。
四、研究内容
以岷江上游为研究对象，利用稳定同位素技术，研究特定植被类型（亚高山灌丛）对降水、土壤水、地表径流的分配与转化关系，揭示不同降水条件及气象特征下该植被类型对径流形成与分配的影响以及植被结构与配置格局对径流分配的作用机制。
（1）选择适当地点，设置有效样地（以一种主要植被类型为对象），按预先制订的标准采取降水、植物、土壤、地表径流（包括河水）样品；
（2）观测和记录水文资料（水文站）以及气温、降水、湿度等气象数据（生态定位站）；
（3）获取所选主要植被类型、对象植物和样地的一些基本特征；
（4）测定降水、植物、土壤、地表径流样品中的稳定同位素值，建立降水、植物和地表径流同位素值对比关系模型，探讨该植被类型、植物体在其中的地位、作用；
（5）进一步扩展，建立降水分配的实验室模型。
五、技术路线与实施计划
5.1研究地点概况
岷江发源于岷山南麓，按照自然区划，都江堰渠首以上为岷江上游，区域位置在北纬30°45'至33°09'，东经102°35'至103°56'之间，幅员面积23012.65km2，上游干流全长337km。
本次研究定点在阿坝州汶川县内卧龙自然保护区邓生生态定位站（海拔2731m，北纬30°51.511'，东经102°58.381'），具体点为巴朗山阳坡，在相对干旱条件下生长了亚高山灌丛（主要是高山栎），是该海拔梯度下的一个顶级群落。
5.2研究对象
在邓生生态定位站巴朗山阳坡的高山栎（川滇高山栎）＋高山柳（牛头柳）亚高山灌丛，按照海拔梯度（大约每上升100m）选择3个固定的典型性样地（10m×10m），在每个样地选择高山栎、高山柳各3棵，做好标记。
并在采样点附近找到地表径流小溪I和小溪II。
具体位置为样地A海拔3072m，北纬30°51.810'，东经102°58.147'；样地B海拔2929m，北纬30°51.845'，东经102°58.286'；样地C海拔2834m，北纬30°51.782'，东经102°58.364'；小溪I海拔3032m，北纬30°51.845'，东经102°58.171'；小溪II海拔2786m，北纬30°51.850'，东经102°58.531'。
5.3取样
5.3.1取样内容
水样：
群落外雨水（气象站），群落内雨水（气象站），地表径流（小溪），河水，雪水；
固体：
高山栎、高山柳的枝条和叶片，主要草本，枯枝落叶，腐殖质，土壤（0cm—5cm、5cm—10cm、10cm—20cm、20cm—30cm、30cm—40cm、40cm—50cm）。
5.3.2取样方法
设置固定样地3个（10m×10m），在6棵固定的标记树上取枝条和叶片，封入封口袋中；在样地内挖取完整主要草本类型的植株3棵，封入大封口袋；样地内选择固定点做土壤剖面，分别采取枯枝落叶层、腐殖质层及6层土壤，装入塑料瓶（350ml，带密封橡皮塞）；在小溪I、小溪II和巴朗河灌取水样，也装入塑料瓶。
植物样品封装后放入携带的低温冷藏容器里以降低或者停止生物学活性。
气象数据由邓生生态定位站提供，群落外和群落内雨水也由定位站采取。
5.3.3取样时间和频率
5月初（雪水）—6月—9月底（雨水）：
固体（上午10点半以前）、水样（雨水结束时）。
雪水期采样频率：
1次/5天，连续2个月；雨水期采样频率：
无雨或者小雨时，1次/5天；大雨（≥10mm，接着以5mm为梯度）连续采样10天。
同时每个月采取含水量测定样品一次（植物取样与正常一致，土壤及枯枝落叶、腐殖质则一般取30g～40g）。
2003年7月25日～9月6日已完成第一次采样。
共采集样品3次28天，对照样品2次2天，含水量样品2次2天（对照和含水量样品同天同次采取）。
具体时间为：
7月25日、8月25日采集对照、含水量样品。
7月28日～8月6日（10mm级），8月10日～14日、16～20日（15mm级），8月30日～9月6日（30mm级）采集样品（具体降水量及期间较大降水见降水量.xls）。
同时采样期期间若有较大降水采集穿透水穿透水.xls。
5.4技术路线
5.4.1含水量
采取的含水量测定标本在采样地点即封好，回到定位站立即称取湿重。
土壤、腐殖质标本在烘箱里105℃～110℃烘24小时～48小时，直至恒重；植物、枯枝落叶标本在烘箱里80℃烘24小时。
得到的干重/湿重就是干湿比，进而得到含水量（含水量＝1－干重/湿重）。
土壤植物含水量.xls
5.4.2同位素值（D）处理
在1.5.1中已经提到δ=（R样品/R标准－1）×1000，故氢稳定同位素的比率（δD）的表达式为：
D＝（R样品/R标准－1）×1000，R样品为样品的D/H同位素之比，R标准为标准物质的D/H，标准值采用SMOW/VSMOW或者SLAP。
样品D按照1.3中原理处理分析。
5.4.3同位素样品制备
5.4.3.1植物体液水氢同位素制备
5.4.3.1.1制备原理
从植物样品中提取水，然后与活化锌反应：
Zn+H2O→ZnO+H2↑
把生产的氢气用活
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