同位素生态水文学01：D、18O

解决方案2解决方案 蒸发
效应校正 ： Corbin
et al., (2005)提出，基
于土壤蒸发线对茎干 水δD、δ18O值进行校 正，然后进行计算。
前提 ：不同初始水源只对
特定土壤区间有补给作用， 各区间与各初始水源之间具 有一一对应的关系。
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适用范围 ：各初始
来源都为大气降水， 其 δD 、 δ18O 值 位 于 LMWL上。
D、18O同位素在生态水文学中的应用 、 同位素在生态水文学中的应用
一、植物水分来源的示踪 二、河道径流成分的划分 三、ET的定量分割 ET的定量分割 四、植物水分竞争与共享机制 五、植被变化对水文过程的影响 植被变化对水文过程的
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D、18O稳定同位素技术在生态水文学中的应用 、 稳定同位素技术在生态水文学中的应用
D、18O同位素在生态水文学中的应用 、 同位素在生态水文学中的应用
一、植物水分来源的示踪 二、河道径流成分的划分 三、ET的定量分割 ET的定量分割 四、植物水分竞争与共享机制 五、植被变化对水文过程的影响 植被变化对水文过程的
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一、植物水分来源的示踪
降水 吸 水 层 位 初 始 水 源 河水 地下水
Depth (m)
土壤水 茎干水
解决方案：同时监测植物清晨水
势和不同深度处的土壤水势，进行 对比。
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（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
原理：如果存在几个水源，则茎干水的同位素组成应该是各水
源同位素组成的线性混合值，据此建立端元混合模型：
δ D p = ∑ f i ⋅δ D i
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植物对地下水的依赖程度 植物对水分胁迫的适应对策 植物物种的共存机制 生态建设中的物种选择 水资源开发对植物的影响 植物对气候变化的响应
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（一）原 理
White et al., 1985
水分在被根系吸收 并向叶片输送过程 中 ， δD 、 δ18O 值 不 发生变化 植 物 茎 干 水 δD 、 δ18O值 是各水 源δD、 、 δ18O 值 以 吸 收 比 例 为权重的混合值
个也不能提供额外信息，通常只使用其中的一个，所以只能解决两 种潜在水源的问题。当潜在水源超过3个时，无法求得唯一解。
解 决 方 案 ： Phillips
红柳对不同区间土壤水的吸收比例
&
Gregg (2003)对端元数超过方
程数时的解决方法进行过专 门讨论，开发了确定各端元 贡 献 比 例 上 、 下 限 的 IsoSource软件。
A B C
δ D P = f ⋅δ D R + (1 − f) ⋅δ DG
即：
δ D P −δ DG f = δ D R −δ DG
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（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
问题1 问题 ：水分子δD、δ18O值具有高度相关性(r2=0.95)，同时使用两
说明： ⑴ 潜在水源可以是降水、地下水、地表径流这些需转化成
土壤水后才能被植物吸收的“初始”水源，也可以是人为划分的土 壤剖面区间内可被植物直接吸收的土壤水，如浅层土壤水、中层土 壤水、深层土壤水等。 ⑵ 以降雨(R)和地下水(G)两种水源 为例，若植物水源中R所占比例为f， 则G所占比例为(1-f)，可得到：
⑵ hydrological processes
canopy interception, stem flow, and throughfall evapotranspiration and groundwater recharge surface flow and subsurface flow runoff generation and water balance atmospheric moisture sources and regional climate
因水分运移 过程中的分 馏作用，各 水 源 δD 、 δ18O值通常存 在显著差异
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根据茎干水及各潜 在水源 δD、 δ18O值 ， 建立端元混合模型， ， 定量计算植物对各 水源的吸收比例
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（一）原 理
1、确定植物吸收土壤水的主要层位 、
原理：以植物茎干水为标准，寻找D、18O同位素组成与之相同
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（二）应用前提
1、各潜在水源的δD、δ18O值存在显著差异 、各潜在水源的 、 值存在显著差异
以
δD (‰)
δ18O 为 例
Depth (m)
降水
-5.1‰ -5‰
河水
-5‰
水 水
地下水 -4.9‰
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（二）应用前提
2、所有对植物有显著贡献的水源都已考虑 、
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生态水文学前沿科学问题
--- 以国家自然科学基金委 “黑河流域生态-水文过程集成研究”重大计划、联 合国IGBP-BAHC (Biospheric Aspects of Hydrological Cycle)计划、美国SAHRA (Sustainability of Semi-arid Hydrology and Riparian Areas)计划为例
⑴ ecological processes (terrestrial plant species)
water absorption, sap flow, and evaporation (individual) germination, survival, and WUE (population) competition and coexist of different species (community) spatial & temporal pattern of vegetation (landscape)
的土壤水所处的区间，该区间即为植物吸收土壤水的主要层位。
δD (‰)
Depth (m)
土壤水 茎干水
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（一）原 理
1、确定植物吸收土壤水的主要层位 、
问题：土壤剖面中可能有多个区间的同位素组成与茎干水相符。
δD (‰)
植物从多个深度吸水（双层根， 植物从多个深度吸水（双层根， 如苦豆子） 如苦豆子） 植物有水力提升作用（ 植物有水力提升作用（hydraulic lift，新发现） ，新发现） 植物只从其中一个深度吸水
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（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
问题2 问题 ： 初始水源只有转
化成土壤水才能被植物吸收， 但在被吸收前，可能因蒸发 作用发生同位素富集，δD、 δ18O 源的δD、δ18O ， 比例 的 ， 水源 在蒸发
-2‰ -7‰ -1‰ 5‰ 地下水 -2‰
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δD: -10‰
δD: -20‰
δD: -10‰
A
B
A
?
M
?
?
?
M
?
δD: -10‰ δD: -15‰ δD: -5‰
δD: -10‰
?%
A
?%
B
M
δD: -10‰
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D、18O稳定同位素技术在生态水文学中的应用 、 稳定同位素技术在生态水文学中的应用
⑶ 地表-地下水相互作用机理及其生态水文效应 地表 地下水相互作用机理及其生态水文效应 气候变化和人类活动影响下流域生态-水文过程的响应机制 ⑷ 气候变化和人类活动影响下流域生态 水文过程的响应机制
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水分子稳定同位素D、 18 O的特点 、 的特点 --- basis of the use of stable water isotopes in hydrological studies
i =1 n
δ O p = ∑ f i ⋅δ 18O i
18 i =1
n
1 = ∑ fi
i =1
n
式中：δDp、δ18Op分别是植物茎干水的δD、δ18O值；δDi、δ18Oi分 别是水源i的δD、δ18O值；fi是植物对水源i的吸收比例。
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（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
⑴ water isotopes
They are labeled within and move with water molecules through all processes of the hydrological cycle.
⑵ behave conservatively
In most low-temperature, near-surface environments, as water molecules move through the subsurface, chemical exchange between the water and oxygen and hydrogen in the organic and inorganic materials through which flow occurs will have a negligible effect on the overall isotope ratios of the water (an exception is within certain geothermal systems, especially in carbonates, where large amounts of oxygen exchange between the water and rock can occur). The main processes that dictate the oxygen and hydrogen isotopic compositions of waters are: (i) phase changes and (ii) simple mixing.
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以 δ18O 为 例
各初始水
降水
-9‰
河水
-5‰
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（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
解决方案1解决方案 区间模型：
根据初始水源对土壤水的补 给深度，将土壤剖面划分为 垂向上的几个区间，用不同 区间内土壤水δD、δ18O值代 替各初始水源δD、δ18O值， 代入模型进行计算。
以 δ18O 为 例
对植物有显著贡献 的水源 对植物有水 水、 的水源 水 水 水、 有 水源所 的 水 水、 的 ) 的水
⑵ 不同尺度上生态过程对水文过程的影响
大气廓线上蒸散发的分割（ET partition, contribution of evaporation to ET） 植被对集水区产、汇流过程的影响（what are likely impacts of vegetation on surface flow, subsurface flow, and groundwater recharge?） 植被格局对河道径流量及成分的影响（what are likely impacts of vegetation pattern on stream flow and its components?） ……
同位素生态水文学讲座（ ）：稳定同位素D、 同位素生态水文学讲座（一）：稳定同位素 、18O 稳定同位素
D、 18 O稳定同位素技术 、 稳定同位素技术 在生态水文学中的应用
孙 自 永 中国地质大学（武汉）
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中国地质大学（武汉）
什么是生态水文学
ecohydrology --- interaction between ecological processes and hydrological processes.
干旱环境下植物水分生态特征及 生态特征及适应机制 ⑴ 干旱环境下植物水分生态特征及适应机制
植物水分来源（where vegetation is extracting water?） 植物水分利用效率（water use efficiency, WUE ） 物种间的水分竞争与共享机制（competition and partition for water） ……