Picarro L2130-i（（多基质条件的水同位素分析仪应用 ǀ ——基于氢氧稳定同位素的云南松生态系统季节性蒸散发拆分研究）

实验于中科院昆明植物所丽江森林生态系统定位站开展，该站位于丽江市中部、滇西北核心区、金沙江中游，地处喜马拉雅山东侧的横断山区域的南部，是横断山区的中心地带。实验选取云南松作为目标树种，利用水同位素方法进行植物蒸腾观测。样地群落高度在5 ~ 10 m之间。本研究将生长季节定义为5 - 9月。  

图1：丽江站的地理位置(a)，丽江站在云贵高原的位置(b)和观测点的景观照片(c)。

利用Picarro L2130-i水同位素分析仪对大气水汽同位素进行了连续测量。该分析仪通过切换两种模式（即固体模式和大气水汽模式）来测量植物和土壤水样中的水同位素或近大气水汽同位素。 在水汽测量模式下，利用八通电磁阀测量了距地面 0.3、1、2、3、5、10、15 和 20m 的垂直剖面的 8 层大气水汽同位素和水汽浓度，，并通过建立 Keeling Plot 模型以估计δ_ET。 

每隔一天分别测定土壤水、木质部水和叶片水同位素（ 降雨后加测），以揭示降雨对土壤水和木质部水同位素的直接影响。在每次测量中，收集木质部样品，外皮迅速被剥离，仅使用白色（即非蒸腾）组织进行测量。同时在采样树的附近钻取不同深度土壤样品以测量土壤水氢氧同位素。以云南松植物和土壤样品为研究对象，采用L2130-i连用IM模块对其进行测定。IM模块允许对小型固体样品的水同位素进行测量。该方法可以实现样品的现场测量，以减少蒸发对水同位素的影响。    

采用两种方法收集降水样品， 包括日降水样品和降水事件样品，其中每天降水前的样品在雨天晚上20:00（北京时间）采集，使用专门设计的容器，避免采集的水样再次蒸发；降水事件样品是按照降水事件来收集，即一场雨停止后，迅速密封到15ml的PET瓶中，并用Parafilm膜封口以防止蒸发和同位素分馏。所有样品在实验室分析前均保存在PET瓶中并冷冻在冰箱中。采用Picarro (L2140-i)液态水同位素分析仪直接对降水样品进行δ¹⁸O和δ²H分析。 

基于土壤蒸发水汽和植物蒸腾水汽同位素的差异来区分二者在总蒸散发中所占的比例。建立地表水汽同位素质量守恒方程，利用二源混合模型进行区分：

式中，δ_ET、δ_E、δ_T分别为蒸散发(ET)、土壤蒸发(E)和植物蒸腾(T)的同位素组成。 

针对土壤蒸发水汽与植物蒸腾水汽的同位素组成，本文对不同方法(腔室法和Craig-Gordon模型与基于稳态假说)获得的同位素组成进行比较。基于高精度光腔衰荡光谱仪Picarro L2130-i连用定制箱体，提供了一种不使用混合同位素模型来估算δ_ET、δ_E或δ_T的替代方法。 本研究中，研制了两种圆柱形透明有机玻璃箱，分别提供环境背景值和稳态值来计算出水源水汽的同位素组成δ(δ_T或δ_E)。  

本文比较了不同水样(降水、土壤水、木质部和叶水)δ²H -δ¹⁸O关系与全球大气降水线(GMWL)(图2)。当地的大气降水线(LMWL)与全球大气水线非常接近。土壤水δ¹⁸O和δ²H的变化范围为-5.3‰~ -21.3‰和-60.6‰~ -165.8‰，平均值分别为-15.3‰和-119.6‰。土壤水同位素特征主要分布在LMWL的右下部，土壤水更多的是降水加权平均的信号。由于降雨后储存的土壤水分略有蒸发，土壤水线(SWL)的斜率和截距均小于LMWL。植物木质部水线(XWL)与土壤水线大致平行，但由于在不同水平土壤水分的选择性吸收，其截距较负。 

由于叶片蒸腾作用的影响，叶片蒸腾水线 (LWL)的斜率明显低于木质部水。季风前期和季风期叶水同位素有轻微的季节性变化，这与两个时期之间特定的相对湿度变化有关。 

图2：降水、土壤水、木质部水和叶片水中δ¹⁸O和δ²H的关系(分别为黑圈、红圈、绿圈、蓝圈) (a)和(b)分别为不同水体的δ¹⁸O和δ²H，(c)为不同水体的δ¹⁸O和δ²H的线性回归线。 

研究给出了地面以上0.3m、1m、2m、3m、5m、10m、15m、20m的大气水汽δ¹⁸O 和水汽浓度原位观测(图3)(未在3.0m以上进行连续测量)。大气水汽δ¹⁸O显著的季节性变化与6月初的印度夏季季风入侵有关，同时伴随着大气水汽浓度的同步升高。在季风期，由于受到局地降水事件的影响，大气水汽δ¹⁸O波动幅度较大，非季风期大气水汽δ¹⁸O波动较小。总之，大气水汽δ¹⁸O和水汽浓度在不同高度上均显示出较为一致的变化规律。  

图3. 丽江地区逐日大气水汽浓度(a)和δ¹⁸O (b)的时间变化 （0.3 m-3 m为2019年1-12月数据，5 m仅为2019年1-7月数据，10 m-20 m为2019年4-7月数据）  

基于观测到的水汽&delta;¹⁸O和同期气象数据，每隔一天计算一次土壤蒸发(&delta;_E)、植物蒸腾(&delta;_T)和生态系统蒸散发(&delta;_ET)的同位素组成。图4为观测日(13:00-15:00)&delta;_E、&delta;_T和&delta;_ET的&delta;¹⁸O季节变化。平均而言，&delta;_T比&delta;_ET高2.8&permil;，比&delta;_E高10.4&permil;，三者显示出较为一致的时间变化规律，表明三者同位素信号的季节变化是受同一因素控制，其中&delta;_E的变化幅度最大。与日降水同位素比较表明，降水对&delta;_E、&delta;_T和&delta;_ET的时间变化有较大影响。相关分析表明，三者同位素信号与降水&delta;¹⁸O之间存在显著的相关性(R² = 0.85, 0.55, 0.83, p < 0.001)，表明&delta;_E、&delta;_T和&delta;_ET受到降水同位素的强烈影响。  

图4.日降水 &delta;¹⁸O_P、&delta;_E、&delta;_T和&delta;_ET（13:00-15:00）的时间变化特征，以及日降水量作比较  

利用中午时段的&delta;¹⁸O和&delta;²H，基于Keeling-CG法计算了T对ET的相对贡献(T/ET)。   结果表明，季节性 T/ET在0.59-0.81之间变化，短时间内波动较大，但是长时间变化具有一定的规律性。6月季风前期，T/ET 呈现快速的上升趋势，从0.5上升至 0.7；在季风期，T/ET 比值较高，波动在 0.7-0.8 之间。平均而言，基于&delta;¹⁸O的方法计算获得的T/ET与基于 &delta;²H 的结果基本相同，但随着时间的推移，两者之间存在轻微偏差。双同位素平均值为0.73&plusmn;0.06，这一结果表明植物蒸腾是云南松生态系统蒸散发的主要组成部分。

图5. 基于 &delta;¹⁸O和&delta;²H的 T/ET以及平均值在中午时段（13:00-15:00）的时间变化特征以及与叶面积指数 (LAI)的比较

Craig-Gordon 模型和基于稳态假设估算的土壤蒸发和植物蒸腾与基于箱式法直接测得的土壤蒸发和植物蒸腾结果吻合较好(图6)， 基于箱式法测得的&delta;_E和&delta;_T同位素数据的不确定性较小。观测期间，基于&delta;¹⁸O和&delta;²H的&delta;_T的平均标准偏差分别为0.6&permil;和1.4&permil;，非常接近实验室的测量精度。 

箱式法将为研究大规模的T或E行为提供新的思路，但需要对独立测量进行进一步验证。使用箱式法的潜在优势是，三种通量(例如来自同一激光仪器进行测量)的同位素组成的误差源相对一致，这可能使得在进行估算T/ET比率时误差被减少甚至抵消。  

图6.利用Craig-Gordon模型和基于稳态假设所估算的&delta;_E和&delta;_T与基于箱式法测量的基于&delta;¹⁸O和&delta;²H的&delta;_E和&delta;_T的散点图。

本研究通过对丽江云南松森林生态系统中大气水汽、降水、土壤水和植物水同位素进行原位测量，对云南松森林生态系统蒸散发进行了拆分，探讨了T/ET的控制因子，分析了箱式法在丽江地区森林生态系中的适用性。季节尺度上， T/ET 介于 0.59 ~ 0.81 之间变化，在生长初期随着时间的推移几乎持续增加，在生长旺季超过0.75，平均T/ET 为 0.73 &plusmn; 0.06，结果在以往研究范围之内，但略高于全球长期平均水平，表明植物蒸腾是丽江地区云南松森林生态系统的主要组成部分。季节尺度上，在整个雨季（6 月至 9 月），除叶面积指数（LAI） 外，T/ET 与土壤含水量（Swc）有更为显著的相关关系以及更高的偏相关系数，挑战了早期研究对于LAI 占主导地位的认识。这一结果可能与云南松生态系统生长季节LAI的微小变化有关。

本文的研究结果强调了基于箱式法和利用Craig-Gordon 模型与基于稳态假设的结果比较，表明这两种方法在获得&delta;_E或&delta;_T时具有较好的一致性，两者之间有较高的相关系数。我们的研究结果证明了箱式法在森林生态系统同位素蒸散发研究中具有合理可靠的实用性。研究结果揭示了丽江地区云南松森林生态系统蒸散发季节变化规律，进一步提高了对该地区生态水文过程的认识，为在持续气候变化背景下森林生态系统管理和生态系统保护提供了借鉴与科学依据。 

文中核心分析仪&mdash;&mdash;Picarro L2130-i水同位素分析仪能够同时高精度测量&delta;¹⁸O、 &delta;_D。搭配不同前端可以实现一台分析仪测量不同来源的水样，包括液态、气态和固态样品。目前已在同位素水文学、气象学、地质科学和生态学等领域为众多科研学者提供助力，欢迎联系咨询。