Daily variations of δ18O and its quantitative distinction in evapotranspiration components of Platycladus orientalis plantation during the rapid growth season in the mountainous area of Beijing
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摘要: 侧柏是北京山区分布范围较广的典型针叶树种，研究侧柏林生长旺季蒸散过程及蒸散组分变化特征对了解该区陆地生态系统水汽交换、植被耗水需求具有重要意义。本研究利用稳定同位素技术于生长旺季(2016年8月)对侧柏林大气水汽δ18O进行原位连续观测，同时选取4个典型晴天采集枝条和土壤样品并测定样品水中的δ18O。结果表明：日尺度上，利用Craig-Gordon模型计算的土壤蒸发水汽氧同位素组成(δE)在4个测定日中均先增大后减小，δE>介于-5.968%~-2.689%，最大峰值出现在12:00—14:00，而近地面大气相对湿度(h)先减小后增大，二者关系为δE=-0.03h2+4.85h-209.5(R2=0.55，n=32)，表明h＞75%时，环境相对湿度越大，同位素分馏效应越明显；基于稳态假设估算的植物蒸腾水汽氧同位素组成(δT)和Keeling曲线拟合的侧柏林蒸散水汽氧同位素组成(δET)分别介于-1.210%~-0.951%、-1.599%~-1.004%，日变化趋势复杂，日间变化差异大，但同一观测日内δT和δET变化趋势基本一致，表明植物蒸腾非稳态可能对δT的估算产生偏离，δET变化主要受δT影响；4个测定日中蒸腾量占总蒸散量的比例(FT)介于90.14%~92.63%，说明研究区侧柏林生态系统生长旺季蒸散发绝大部分来自植物蒸腾。研究结果确定了基于日尺度的生长旺季植被蒸腾对蒸散的贡献率，为研究陆地生态系统水汽交换机制提供了有益参考，为区域森林生态建设和管理提供了科学依据。Abstract: As the dominant coniferous tree species in the mountainous area of Beijing, it is imperative to have an insight into the evapotranspiration of Platycladus orientalis in the rapid growth season and its components for deeper understanding of atmospheric vapor exchange of terrestrial ecosystems and plant water demand. The variations of daily δ18O in a Platycladus orientalis plantation during the rapid growth season and proportions of plant transpiration and soil evaporation to evapotranspiration were analyzed. The continuous water vapor stable isotope analyzer was used to measure δ18O values of the atmospheric vapor in August, 2016. Mature and suberized twigs of plant and soil samples were collected and measured simultaneously to analyze δ18O values of transpiration (δT) and soil evaporation (δE), where δT and δE were determined respectively via the steady state hypothesis of isotope and the Craig-Gordon equation. The oxygen isotopic compositions of total evapotranspiration (δET) could be estimated by a Keeling plot linear regression function.The results showed that: values of δE ranged from -5.968% to -2.689%, which rised firstly and then declined at the daily scale; and δ18O values peaked between 12:00 and 14:00, whereas the atmospheric relative humidity (h) dropped firstly and then rised. The relationship between δE and h was δME= -0.03h2+4.85h-209.5 (R2=0.55, n=32), which indicated that the isotopic fractionation was intensified with h when its value was above 75%. Although the diurnal variations of δET and δT values were complex and there was inconsistent variation tendency for the two in the four experimental days (ranged from -1.210% to -0.951% and -1.599% to -1.004%, respectively), both of them basically shared identical changing trend at the same observation days, suggesting that the evaluation of δT values was probably affected by non-steady state of stable isotopes in the leaf water. And the variations on δET were dominantly driven by δT rather than δE. The results of evapotranspiration partition showed that the contribution of plant transpiration (FT) ranged from 90.14% to 92.63% during the experimental days, indicating that the main component of evapotranspiration was plant transpiration during the rapid growth season. The results may have further implications for future forest construction and management in this area.
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陆地生态系统蒸散发是水循环的重要组成部分，包括植物蒸腾和土壤蒸发，其定量区分能够更好地揭示大气水汽交换过程和植被耗水需求[1]。自然丰度下水中的氢氧稳定同位素是土壤-植物-大气系统(SPAC)水分运动的最佳示踪剂[2]，目前，已有研究利用氢氧稳定同位素来确定植物水分来源[3]，定量区分农田[4-5]、灌木[6]和草原[7-8]等不同生态系统的蒸散组分。但由于森林生态系统的结构和影响因素复杂，异质性高，特别是山区，有关森林生态系统蒸散定量区分的研究则鲜见报道[9]。
北京山区是首都地区重要的生态屏障，关乎首都地区的生态安全。该地区土壤砾石含量多、土层瘠薄，年内降水分布不均，为我国典型的季节性干旱区。降雨主要集中在夏季，7—9月份降水约占年降水量的70%以上[10]。气候变化格局下，该地区水分亏缺情况日益加剧，这将进一步限制该区的森林生态建设[11-12]。侧柏(Platycladus orientalis)是该区分布最为广泛的针叶树种[13]，对其生态系统蒸散组分的构成加以区分和了解，将有助于区域水资源的可持续利用，因此，在全球变暖的大背景下，对其蒸散耗水特征，特别是其在生长旺季的蒸散组分区分具有重要的实际意义，为确定干旱缺水地区生态需水量、确定适宜的生态规模等问题提供基础。
以往对水汽稳定同位素组成的研究多受采样和分析设备的限制，又依赖冷阱技术，不仅采样频率较低[14]，而且样品收集分析费时耗力，冷却过程中还时常发生重质同位素富集情况，使得测定结果偏大。近年激光光谱技术的发展实现了对大气δ18O、水汽浓度的实时监测，适合野外原位连续采样观测，且观测精度较高。在植物叶片水稳定同位素研究中，通常认为植物根系从土壤中吸收水分到叶片蒸腾作用之前不会发生同位素分馏效应，认为植物蒸腾水汽氧同位素组成(δT)与植物茎水水汽氧同位素组成(δX)相等，即满足同位素稳定态(isotopic steady state, ISS)假设[15]，但在野外条件下，植物叶片水稳定同位素受自然因素影响，往往表现为非稳定态[16]，同位素稳定态假设仅在蒸腾作用强烈的中午或较长的时间尺度(数日或数周)才有效[17]，因此，基于同位素稳定态假设的蒸散研究多选择日照强烈、气温高的植物生长季典型晴天[18-20]，以尽可能减小同位素非稳态的影响。因此，本研究利用激光光谱技术构建大气水汽δ18O原位连续观测系统，对北京山区侧柏林水汽δ18O进行连续观测，选择植物生长旺季典型晴天，并基于同位素稳定态假设，利用Craig-Gordon模型、Keeling plot方法分析侧柏林生长旺季蒸散组分δ18O的日变化特征，同位素线性混合模型定量区分生态系统蒸散发，为该区陆地生态系统水汽交换研究、揭示林木蒸腾耗水需求提供参考，为区域森林生态建设和管理提供科学依据。
1. 研究区概况和方法
1.1 观测区概况
试验依托北京林业大学首都圈森林生态系统定位观测研究站(116°28′ E、39°54′ N)于2016年8月进行，该站位于北京市西北部鹫峰国家森林公园妙峰山林场，境内地形复杂，高差大，观测站海拔212.2 m。该区为华北大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，年均气温约12.2 ℃，多年平均降雨量约为630 mm，其中，7—9月占全年70%以上，年潜在蒸发量为1 800~2 000 mm，约为年实际降雨量的3倍。土壤主要类型为褐土、棕壤土。林场植被类型复杂，以1958年栽植人工林为主，林分类型主要包括侧柏林、油松(Pinus tabuliformis)林、栓皮栎(Quercus variabilis)林等。本研究以植被长势良好、人为扰动较小、地形差异较小的人工侧柏纯林为研究对象，林下植被稀少，分布少量灌木和草本植物。
1.2 数据观测和采样
1.2.1 大气水汽氧同位素组成的连续观测
基于激光光谱技术，利用大气同位素分析仪(DLT-100, Los Gatos Research Inc., USA)在试验样地构建野外大气水汽稳定同位素连续观测系统，以实时、同步观测侧柏林水汽氧同位素组成δV及大气水汽浓度。采集点分别布设在距地表高度为0.05 m(土壤)、8 m(冠层上缘)、18 m(背景大气)处。数据采集时间为每通道5 min，δ18O测量精度＜±0.2%。
1.2.2 茎水和土壤水采集与测定
试验选择2016年8月5日、8月8日、8月10日、8月11日4个生长旺季典型晴天对侧柏枝条和土壤进行采样，各日采样时间为07:00、09:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00、21:00。在侧柏样地内选取3株长势良好的标准木，于冠层处(8 m)采集其成熟枝条，同时，分别对每株林木下无破损、无覆盖的表层土壤进行采样，采样厚度为土表以下0~5 cm，侧柏枝条、土壤采样均重复3次，采样后及时将样品带回实验室并用低温真空抽提系统抽取土壤和枝条样品中的水，后用DLT-100液态水同位素分析仪测定液态水δ18O，测量精度＜±0.01%。
1.2.3 微气象数据观测
利用在试验样地构建的气象观测站长期、实时地观测距地表 0.05 m(土壤)、8 m(冠层上缘)、18 m(背景大气)共3层处的空气温度、空气湿度、太阳辐射、风速。同时在研究区侧柏林样地内布设土壤温度、湿度、电导率传感器(ECH20-5TE, Dacagon Inc., USA)和数据采集器(TC-EM50, Decagon Inc., USA)对土壤进行长期观测，数据采集间隔设定为10 min采集1次。
1.3 数据处理
1.3.1 土壤蒸发水汽氧同位素组成计算
土壤蒸发过程中会产生同位素平衡分馏效应和动力学分馏效应，使土壤蒸发水汽同位素组成发生贫化，利用Craig-Gordon方程[21]计算土壤蒸发水汽氧同位素组成(δE)：
δE=δs/a+−hδV0.05−εeq−(1−h)εk(1−h)+(1−h)εk/1000 (1) 式中：δS为地面以下0~0.05 m深处土壤的液态水氧同位素值，以表征土壤蒸发面液态水氧同位素组成；δV0.05为0.05 m高度处大气水汽δ18O，以表征近地面大气水汽氧同位素组成；h为近地面大气相对湿度，用距地表 0.05 m高度处实际水汽压与饱和水汽压(以0.05 m深度处土壤温度来确定)之比表示；εeq为平衡分馏效应，εeq=(1-1/α+)×1 000；εk为动力学分馏系数，通常视为常数1.016 4[22]。
α+(>1)是平衡分馏系数，根据表层土壤温度进行计算[23]：
α+=1.137(100T2)−0.4516(103T)−2.06671000+1 (2) 式中：T是0.05 m深处的土壤卡尔文温度。
1.3.2 植物蒸腾水汽氧同位素组成计算
植物根系吸收土壤水后，水分在植物体内运输到达叶片之前一般不发生同位素分馏作用，当水分到达叶片后，会产生动力分馏和热力分馏效应，使叶片水的重质同位素富集，但当蒸腾作用较强时，叶片水处于同位素稳定态(ISS)[24]，认为木质部水具有与其利用水源相同的同位素特征，因此可利用茎部未分馏水的氧同位素组成(δX)代表蒸腾水汽氧同位素组成(δT)。
1.3.3 蒸散水汽氧同位素组成的确定
蒸散水汽氧同位素组成估算由Keeling plot方法确定，其描述大气水汽的稳定同位素比与其浓度倒数之间的线性关系，该直线在y轴的截距表示蒸散水汽氧同位素组成(δET)[6]：
δV8=Ca(δa−δET)(1CV)+δET (3) 式中：δV8和δa分别是生态系统边界层(距地表 8 m处)、背景大气(距地表 18 m处)水汽氧同位素组成，CV和Ca分别是生态系统边界层、背景大气水汽浓度, δET是生态系统蒸散发氧同位素组成。
1.3.4 利用δ18O定量区分蒸散发
根据同位素质量守恒原理及二元线性混合模型确定植物蒸腾在总蒸散发中的比例[25]：
FT=δET−δEδT−δE×100 (4) 式中：FT是植物蒸腾占总蒸散发的百分比。
2. 结果与分析
2.1 测定期间环境条件
对冠层上缘8 m处的微气象数据进行分析。图 1显示，8月5日、8月8日、8月10日和8月11日的最高太阳辐射分别为470.12、477.10、380.24和385.80 W/m2，最高气温分别为31.44、32.86、32.19和33.47 ℃，最低相对湿度分别为58.48%、35.28%、61.16%和64.44%，平均风速分别为0.26、0.38、0.47和0.29 m/s。总体上，4个测定日太阳辐射较强，均属于高温低湿的天气，能加强植物蒸腾速率，有利于蒸发和蒸腾，更符合同位素稳定态假设条件，日平均风速较低，减弱环境水汽的扩散作用，有利于减少环境因素对定量区分蒸散发的影响。
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图 1 测定期间微气象数据变化Figure 1. Variations of data on meteorological elements during measurement period2.2 土壤蒸发水汽氧同位素组成
借助Craig-Gordon模型及其参数测定结果估算土壤蒸发水汽氧同位素组成(δE)(表 1)。4个测定日δS介于-0.793%~-0.506%，δE介于-5.668%~-2.689%，δS远大于δE，表明土壤水在蒸发过程中发生同位素分馏，土壤表层液态水18O富集，土壤蒸发水汽18O贫化。4个测定日土壤蒸发水汽δE均先增大后减小，0.05 m处大气相对湿度h则先减小后增大，图 2为h与δE的关系曲线，δE= -0.03h2+4.8h-209.5(R2=0.55，n=32)。8月5日δE介于-3.507%~-2.835%，最大值出现在10:00—12:00，8月8日δE介于-3.456%~-3.058%，最大值出现在12:00—14:00，δE日变幅均不超过7%，相比8月10日和8月11日要小得多。8月10日和8月11日δE分别介于-4.790%~-2.689%、-5.963%~-3.200%，日变幅分别为2.101%、2.763%，分别在14:00—16:00、12:00—14:00达到最大。4个测定日δE的最大值均出现在土壤蒸发速率较快的时段(10:00—16:00)。
表 1 Craig-Gordon模型参数及δETable 1. Parameters of Craig-Gordon model and estimated values of soil evaporation δE日期Date 时间Time T/K h/% δS/% δV/% δE/% 06:00—08:00 297.64±0.32 93.43±2.55 -0.647±0.030 -1.548±0.054 -3.255±0.32 08:00—10:00 298.24±0.54 83.59±3.23 -0.59±0.020 -1.465±0.072 -3.221±0.25 10:00—12:00 298.95±0.52 78.68±4.65 -0.540±0.032 -1.489±0.044 -2.835±0.32 8月5日August 5 12:00—14:00 299.33±0.67 77.48±1.76 -0.569±0.029 -1.521±0.054 -2.846±0.29 14:00—16:00 299.50±0.44 81.61±2.12 -0.506±0.058 -1.394±0.032 -3.008±0.58 16:00—18:00 299.37±0.35 81.38±2.09 -0.642±0.021 -1.550±0.067 -3.056±0.21 18:00—20:00 298.97±0.55 81.82±0.43 -0.691±0.062 -1.511±0.034 -3.507±0.62 20:00—22:00 298.53±0.51 87.58±3.64 -0.670±0.051 -1.569±0.029 -3.170±0.051 06:00—08:00 296.29±0.72 98.73±4.77 -0.651±0.032 -1.569±0.043 -3.437±0.32 08:00—10:00 296.99±0.96 86.61±3.74 -0.631±0.021 -1.492±0.055 -3.456±0.21 10:00—12:00 297.84±0.53 69.48±8.46 -0.613±0.022 -1.527±0.034 -3.077±0.22 8月8日August 8 12:00—14:00 298.66±0.32 61.08±1.59 -0.617±0.029 -1.537±0.063 -3.058±0.29 14:00—16:00 298.48±0.69 66.99±1.04 -0.621±0.018 -1.447±0.045 -3.246±0.18 16:00—18:00 297.97±0.10 66.66±4.08 -0.706±0.021 -1.572±0.059 -3.258±0.21 18:00—20:00 297.67±0.41 68.26±1.22 -0.721±0.022 -1.603±0.076 -3.251±0.22 20:00—22:00 297.36±0.32 69.31±0.97 -0.793±0.031 -1.737±0.044 -3.195±0.31 06:00—08:00 296.93±0.60 98.64±3.06 -0.603±0.027 -1.496±0.034 -4.790±0.37 08:00—10:00 297.53±0.79 86.72±3.89 -0.698±0.018 -1.522±0.066 -3.729±0.48 10:00—12:00 298.26±0.45 80.92±1.45 -0.648±0.012 -1.554±0.054 -3.115±0.32 8月10日August 10 12:00—14:00 298.89±0.34 81.94±2.45 -0.648±0.032 -1.573±0.079 -3.003±0.32 14:00—16:00 299.21±0.30 83.73±1.59 -0.646±0.019 -1.628±0.062 -2.689±0.19 16:00—18:00 299.23±0.16 83.81±1.24 -0.654±0.023 -1.622±0.097 -2.759±0.23 18:00—20:00 299.10±0.14 83.54±0.71 -0.671±0.025 -1.625±0.037 -2.860±0.25 20:00—22:00 298.88±0.23 86.47±1.69 -0.693±0.018 -1.629±0.046 -2.932±0.18 06:00—08:00 298.21±0.37 96.79±1.57 -0.632±0.019 -1.442±0.053 -5.968±0.19 08:00—10:00 298.53±0.61 93.93±3.16 -0.616±0.013 -1.416±0.032 -4.669±0.13 10:00—12:00 299.13±0.48 87.74±2.06 -0.600±0.024 -1.454±0.034 -3.386±0.24 8月11日August 11 12:00—14:00 299.84±0.20 81.83±1.43 -0.596±0.021 -1.457±0.067 -3.200±0.21 14:00—16:00 300.17±0.70 88.49±4.08 -0.585±0.031 -1.436±0.071 -3.347±0.31 16:00—18:00 300.06±0.17 91.12±1.46 -0.674±0.025 -1.493±0.038 -3.855±0.25 18:00—20:00 299.97±0.28 90.64±0.40 -0.682±0.026 -1.457±0.056 -4.246±0.26 20:00—22:00 299.73±0.41 93.80±0.34 -0.715±0.017 -1.488±0.049 -4.964±0.37 注：T、δS、δV、δE分别为土壤0.05 m深处卡尔文温度、土壤表面液态水氧同位素组成、地面以上0.05 m处大气水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成。Notes: T, δS, δV, δE are soil Calvin temperature 0.05 m below the ground, δ18O in liquid water of soil surface, δ18O in vapor water 0.05 m above the ground, δ18O in vapor water of soil evaporation, respectively. 2.3 植物蒸腾水汽氧同位素组成
基于同位素稳定态假设确定植物蒸腾水汽氧同位素组成δT，认为其与幼嫩枝条木质部水分氧同位素组成相同。图 3显示了侧柏茎水δ18O的测定结果，4个测定日中δT日变化复杂，日间变化趋势差异大。8月10日和8月11日δT分别介于-1.104%~-1.024%、-1.123%~-1.044%，日变幅分别为0.08%和0.09%，明显低于8月5日和8月8日0.196%和0.259%的变幅，5日和8日δT分别介于-1.174%~-0.978%、-1.210%~-0.951%。除8月8日外，其余3个测定日δT在植物蒸腾最强烈、最能满足同位素稳定态假设的时段(11:00—15:00)均先减小后增大。
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图 2 近地面大气相对湿度与土壤蒸发水汽关系曲线Figure 2. Relationship between relative humidity and δ18O of soil evaporation2.4 蒸散水汽氧同位素组成
根据同一时刻冠层(距地表 8 m)、大气背景(距地表 18 m)的水汽浓度和水汽同位素做Keeling图来确定侧柏林生态系统蒸散发，该直线在y轴的截距即为δET。4个观测日各时段拟合的Keeling plot方程如表 2所示，结果显示方程决定系数R2在06:00—22:00均先增大后减小，12:00—16:00的R2均大于0.8，方程达到极显著水平。各时段δE＜δET＜δT，δET全部落在δE和δT之间，满足应用Keeling plot方法的假设条件之一，即生态系统蒸散发水汽氧同位素由植被蒸腾、土壤蒸发水汽氧同位素组成。图 3展示了生态系统蒸散δET日变化结果，同样地，δET日变化复杂，4日δET分别介于-1.468%~-1.047%、-1.435%~-1.004%、-1.287%~-1.174%、-1.599%~-1.193%，但各测定日δET变化趋势和δT基本一致，δET与δT的关系曲线(图 4)为δET=1.4δT+2.56(R2=0.66，n=32)。8月10日δET日变化最平缓，日变幅最小，为0.14%，8月5日、8月8日和8月11日δET日变幅较大，分别为0.421%、0.331%和0.407%。
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图 3 植物蒸腾和生态系统蒸散日变化Figure 3. Daily variations of plant transpiration and ecosystem evapotranspiration表 2 基于Keeling plots方法拟合的曲线回归分析Table 2. Regression analysis based on Keeling Plots simulation日期
Date时间
TimeKeeling plot方程
Keeling plot equationR2 n P 置信区间Confidence interval (95%) 置信下限Lower
confidence limit置信上限Upper
confidence limit06:00—08:00 y=-0.442 1x-14.68 0.64 360 ＜0.01 -15.41 -13.91 08:00—10:00 y=-0.415 1x-14.47 0.75 360 ＜0.01 -15.05 -13.73 10:00—12:00 y=-0.303 9x-12.09 0.79 360 ＜0.01 -12.71 -11.44 8月5日 12:00—14:00 y=-0.418x-13.25 0.84 360 ＜0.01 -13.91 -12.54 August 5 14:00—16:00 y=-0.397x-12.61 0.82 360 ＜0.01 -13.25 -11.93 16:00—18:00 y=-0.273x-12.47 0.80 360 ＜0.01 -13.09 -11.83 18:00—20:00 y=-0.273x-11.43 0.71 360 ＜0.01 -11.88 -10.86 20:00—22:00 y=-0.209 7x-10.47 0.65 360 ＜0.01 -11.03 -9.93 06:00—08:00 y=-0.246 3x-12.27 0.81 360 ＜0.01 -12.91 -11.66 08:00—10:00 y=-0.215x-11.83 0.61 360 ＜0.01 -12.38 -11.21 10:00—12:00 y=-0.119 5x-14.35 0.64 360 ＜0.01 -15.08 -13.62 8月8日 12:00—14:00 y=-0.226 7x-11.83 0.83 360 ＜0.01 -12.42 -11.21 August 8 14:00—16:00 y=-0.109 6x-11.40 0.86 360 ＜0.01 -11.97 -10.80 16:00—18:00 y=0.218 1x-11.91 0.81 360 ＜0.01 -12.44 -11.29 18:00—20:00 y=-0.277 45x-11.28 0.77 360 ＜0.01 -11.82 -10.70 20:00—22:00 y=-0.341 6x-11.04 0.76 360 ＜0.01 -10.54 -9.51 06:00—08:00 y=-0.455x-12.44 0.73 360 ＜0.01 -13.10 -11.79 08:00—10:00 y=-0.400 5x-11.95 0.69 360 ＜0.01 -12.54 -11.28 10:00—12:00 y=-0.217 1x-12.05 0.81 360 ＜0.01 -12.53 -11.46 8月10日 12:00—14:00 y=-0.399 1x-12.28 0.83 360 ＜0.01 -12.90 -11.64 August 10 14:00—16:00 y=-0.515 3x-11.85 0.8 360 ＜0.01 -12.44 -11.23 16:00—18:00 y=-0.344 4x-11.47 0.78 360 ＜0.01 -12.20 -11.15 18:00—20:00 y=-0.619 9x-12.87 0.76 360 ＜0.01 -13.52 -12.25 20:00—22:00 y=-0.318 6x-12.53 0.72 360 ＜0.01 -13.18 -11.93 06:00—08:00 y=-0.317 8x-16.00 0.76 360 ＜0.01 -16.79 -15.16 08:00—10:00 y=-0.194 5x-15.14 0.81 360 ＜0.01 -15.89 -14.36 10:00—12:00 y=-0.337 8x-11.93 0.86 360 ＜0.01 -12.53 -11.29 8月11日 12:00—14:00 y=-0.209 2x-12.20 0.85 360 ＜0.01 -12.81 -11.58 August 11 14:00—16:00 y=-0.193 8x-12.30 0.84 360 ＜0.01 -12.97 -11.66 16:00—18:00 y=-0.177 8x-13.53 0.8 360 ＜0.01 -14.20 -12.84 18:00—20:00 y=-0.176 9x-14.58 0.8 360 ＜0.01 -15.33 -13.83 20:00—22:00 y=-0.193 7x-14.09 0.72 360 ＜0.01 -14.79 -13.35 ![]()
图 4 生态系统蒸散与植物蒸腾关系曲线Figure 4. Relationship between ecosystem evapotranspiration and plant transpiration2.5 生态系统定量区分蒸散发
图 5结果显示，4个测定日植物蒸腾贡献率日变化趋势不一致。各测定日之间06:00—10:00和18:00—12:00贡献率差异大，8月5日、8月8日、8月10日和8月11日两时段贡献率分别为81.60%和95.42%、92.11%和95.50%、94.80%和90.50%、89.30%和90.60%，06:00—10:00和18:00—12:00蒸腾贡献率最大差值分别为13.2%和4.92%，10:00—18:00蒸腾贡献率变化不大，基本保持稳定，最大差值分别为1.7%、4.93%、1.33%和2.99%。日尺度上植物蒸腾对蒸散通量的贡献分别为90.14%、92.43%、92.63%和91.09%，均达到90%以上，说明研究区侧柏林地生态系统生长旺季蒸散发绝大部分来自植物蒸腾。
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图 5 观测期侧柏林生态系统蒸腾占蒸散的比例Figure 5. Contributions of transpiration to evapotranspiration in the Platycladus orientalis plantation during measurement period3. 讨论
3.1 蒸散组分δ18O日变化
本文研究结果显示，日尺度上，利用Craig-Gordon模型获得的土壤蒸发水汽δE先增大后减小，近地面大气水汽相对湿度h先减小后增大，二者关系为δE= -0.03h2+4.85h－209.5(R2=0.55，n=32)，这表明δE对近地面大气相对湿度h变化非常敏感。h>75%时，δE随h增加而减小，说明h显著影响土壤表面液态水同位素分馏，h越大，同位素分馏效应越明显，土壤蒸发水汽轻质同位素富集，氧同位素组成减小，该结论与孙守家等[19]、袁国富等[26]、杨斌等[27]的研究结果一致，但h＜75%时，h越小，同位素分馏效应越弱。
研究基于同位素稳定态假设，通过测定侧柏茎水氧同位素组成δX确定蒸腾水汽氧同位素组成δT，生态系统蒸散δET难以直接测定，借助冠层、背景大气水汽同位素组成和水汽浓度做Keeling曲线来获得。结果表明，日尺度上，4个测定日植物蒸腾δT和生态系统蒸散发δET日变化复杂，不同观测日期变化趋势差异明显，但同一天内δT、δET变化趋势基本一致，现从以下两方面分析可能的原因。一是对δT的估算，同位素稳定态假设认为植物蒸腾δT与植物茎水δX相等，一般情况下，植物根系从土壤中吸收水分，经过茎中导管传输到叶柄，并在水分到达叶片之前均不会发生同位素分馏效应[24]，但在自然条件下，水分到达叶片时，植物叶片水稳定同位素会发生热力学平衡分馏、动力学分馏和植物生化分馏，这3种同位素分馏效应导致植物叶片水稳定同位素在叶片上的分布不均匀[28]，植物蒸腾δT趋近植物枝条木质部水源δX只有在较长时间尺度(数日或数周)和蒸腾作用较为强烈的中午才能实现[17]，而上下午温度、相对湿度、气压、风速的变化均会使植物蒸腾速率快速上升或下降，同位素一般处于不稳定状态，用植物枝条液态水δX代替植物蒸腾δT存在一定误差[23]。另外，有研究表明，即使环境湿度恒定达3小时以上叶片也没有达到稳定状态[29]，说明短时间尺度上，叶片易受迅速变化的环境条件影响，很难达到同位素稳定态。二是对δET的估算，采用Keeling曲线法时，需要满足几个基本假设：1)生态系统边界层大气仅由背景大气水汽和蒸散水汽组成；2)观测期间背景大气水汽与蒸散水汽的同位素比保持稳定；3)除蒸散水汽与自由大气混合外，生态系统无其他损失途径[30]，但是在旷野条件下很难完全满足这些假设，上下午气温、水汽浓度的变化，局部湍流，大气卷夹和降雨等诸多气象因素都很容易产生系统与外界的水汽交换，在这种水汽扩散环境下，Keeling方程难以达到稳定态[31]，可能产生δET的估算误差。
3.2 蒸散组分的定量区分
根据所测δE、δT、δET，利用二元线性混合模型分割植物蒸腾和土壤蒸发。蒸散组分的拆分结果显示各测定日植物蒸腾贡献率均没有明显、一致的变化，尤其是早晨06:00—10:00和傍晚18:00—22:00，植物蒸腾占比与理论值差异大，除了以上所述由稳态假设引起的δT、δET估算误差外，另一个原因是Craig-Gordon模型的主要控制参数是近地面大气相对湿度h[16]，在蒸腾速率快速上升或下降的上下午h变化幅度较大，影响δE的估算准确性。因此，为精确区分生态系统蒸散通量，需要增加土壤蒸发δE和植物蒸腾δT的样本数量，提高对大气水汽浓度Cebl和水汽同位素δV的采样频率来精确估计δET[32]，进一步研究植物蒸腾同位素非稳态下δT的确定以减小稳定态假设所带来的估算误差。
4个测定日侧柏林蒸腾量占总蒸散量的90%以上，与其他森林蒸散拆分结果相比，该结果与沈竞等基于改进SW模型所得的人工针叶林蒸散年总量的85%来自植物蒸腾[33]，Williams等[34]基于树干液流测定、Keeling plot曲线法和涡度相关技术所得的69%~100%，孙守家等[19]基于稳定同位素法所得的91%相近，研究结果表明生长旺季林木蒸腾耗水远远大于土壤蒸发耗水。本研究确定了基于日尺度的生长旺季植被蒸腾对蒸散的贡献率，为了解该地区典型森林植被蒸散组分动态变化提供依据，为研究陆地生态系统水汽交换机制、精确估算森林植被耗水需求提供了科学支撑。
4. 结论
1) 日尺度上，用Craig-Gordon模型估算的δE在4个测定日中均先增大后减小，δE介于-5.968%~-2.689%，最大峰值出现在12:00—14:00，大气相对湿度h则呈先减后增的变化趋势，二者关系为δE= -0.03h2+4.85h－209.5(R2=0.55，n=32)，表明环境大气相对湿度对土壤蒸发水汽同位素分馏效应影响明显，h＞75%时，相对湿度越大，土壤蒸发水汽的同位素比越低，h＜75%时，相对湿度越小，同位素分馏效应越弱。
2) 基于稳态假设确定的δT和利用Keeling曲线得到的δET在观测期间日变化复杂，波动明显，但同一观测日中δT和δET的变化趋势基本相同；利用二元线性混合模型确定的植物蒸腾贡献率日间变化趋势不一致，早晚差异明显。这些变化趋势的复杂性和差异性表明即使研究选择在生长旺季典型晴天进行，仍有可能受到同位素非稳态的影响，因此有必要进一步研究同位素非稳态下δT的确定以减小稳态假设所带来的估算误差。
3) 蒸散发拆分结果显示侧柏林生态系统蒸腾占总蒸散发的90%以上，表明研究区侧柏林生态系统生长旺季蒸散发绝大部分来自植物蒸腾。
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图 1 测定期间微气象数据变化
Figure 1. Variations of data on meteorological elements during measurement period
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图 2 近地面大气相对湿度与土壤蒸发水汽关系曲线
Figure 2. Relationship between relative humidity and δ18O of soil evaporation
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图 3 植物蒸腾和生态系统蒸散日变化
Figure 3. Daily variations of plant transpiration and ecosystem evapotranspiration
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图 4 生态系统蒸散与植物蒸腾关系曲线
Figure 4. Relationship between ecosystem evapotranspiration and plant transpiration
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图 5 观测期侧柏林生态系统蒸腾占蒸散的比例
Figure 5. Contributions of transpiration to evapotranspiration in the Platycladus orientalis plantation during measurement period
表 1 Craig-Gordon模型参数及δE
Table 1 Parameters of Craig-Gordon model and estimated values of soil evaporation δE
日期Date 时间Time T/K h/% δS/% δV/% δE/% 06:00—08:00 297.64±0.32 93.43±2.55 -0.647±0.030 -1.548±0.054 -3.255±0.32 08:00—10:00 298.24±0.54 83.59±3.23 -0.59±0.020 -1.465±0.072 -3.221±0.25 10:00—12:00 298.95±0.52 78.68±4.65 -0.540±0.032 -1.489±0.044 -2.835±0.32 8月5日August 5 12:00—14:00 299.33±0.67 77.48±1.76 -0.569±0.029 -1.521±0.054 -2.846±0.29 14:00—16:00 299.50±0.44 81.61±2.12 -0.506±0.058 -1.394±0.032 -3.008±0.58 16:00—18:00 299.37±0.35 81.38±2.09 -0.642±0.021 -1.550±0.067 -3.056±0.21 18:00—20:00 298.97±0.55 81.82±0.43 -0.691±0.062 -1.511±0.034 -3.507±0.62 20:00—22:00 298.53±0.51 87.58±3.64 -0.670±0.051 -1.569±0.029 -3.170±0.051 06:00—08:00 296.29±0.72 98.73±4.77 -0.651±0.032 -1.569±0.043 -3.437±0.32 08:00—10:00 296.99±0.96 86.61±3.74 -0.631±0.021 -1.492±0.055 -3.456±0.21 10:00—12:00 297.84±0.53 69.48±8.46 -0.613±0.022 -1.527±0.034 -3.077±0.22 8月8日August 8 12:00—14:00 298.66±0.32 61.08±1.59 -0.617±0.029 -1.537±0.063 -3.058±0.29 14:00—16:00 298.48±0.69 66.99±1.04 -0.621±0.018 -1.447±0.045 -3.246±0.18 16:00—18:00 297.97±0.10 66.66±4.08 -0.706±0.021 -1.572±0.059 -3.258±0.21 18:00—20:00 297.67±0.41 68.26±1.22 -0.721±0.022 -1.603±0.076 -3.251±0.22 20:00—22:00 297.36±0.32 69.31±0.97 -0.793±0.031 -1.737±0.044 -3.195±0.31 06:00—08:00 296.93±0.60 98.64±3.06 -0.603±0.027 -1.496±0.034 -4.790±0.37 08:00—10:00 297.53±0.79 86.72±3.89 -0.698±0.018 -1.522±0.066 -3.729±0.48 10:00—12:00 298.26±0.45 80.92±1.45 -0.648±0.012 -1.554±0.054 -3.115±0.32 8月10日August 10 12:00—14:00 298.89±0.34 81.94±2.45 -0.648±0.032 -1.573±0.079 -3.003±0.32 14:00—16:00 299.21±0.30 83.73±1.59 -0.646±0.019 -1.628±0.062 -2.689±0.19 16:00—18:00 299.23±0.16 83.81±1.24 -0.654±0.023 -1.622±0.097 -2.759±0.23 18:00—20:00 299.10±0.14 83.54±0.71 -0.671±0.025 -1.625±0.037 -2.860±0.25 20:00—22:00 298.88±0.23 86.47±1.69 -0.693±0.018 -1.629±0.046 -2.932±0.18 06:00—08:00 298.21±0.37 96.79±1.57 -0.632±0.019 -1.442±0.053 -5.968±0.19 08:00—10:00 298.53±0.61 93.93±3.16 -0.616±0.013 -1.416±0.032 -4.669±0.13 10:00—12:00 299.13±0.48 87.74±2.06 -0.600±0.024 -1.454±0.034 -3.386±0.24 8月11日August 11 12:00—14:00 299.84±0.20 81.83±1.43 -0.596±0.021 -1.457±0.067 -3.200±0.21 14:00—16:00 300.17±0.70 88.49±4.08 -0.585±0.031 -1.436±0.071 -3.347±0.31 16:00—18:00 300.06±0.17 91.12±1.46 -0.674±0.025 -1.493±0.038 -3.855±0.25 18:00—20:00 299.97±0.28 90.64±0.40 -0.682±0.026 -1.457±0.056 -4.246±0.26 20:00—22:00 299.73±0.41 93.80±0.34 -0.715±0.017 -1.488±0.049 -4.964±0.37 注：T、δS、δV、δE分别为土壤0.05 m深处卡尔文温度、土壤表面液态水氧同位素组成、地面以上0.05 m处大气水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成。Notes: T, δS, δV, δE are soil Calvin temperature 0.05 m below the ground, δ18O in liquid water of soil surface, δ18O in vapor water 0.05 m above the ground, δ18O in vapor water of soil evaporation, respectively. 
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表 2 基于Keeling plots方法拟合的曲线回归分析
Table 2 Regression analysis based on Keeling Plots simulation
日期
Date时间
TimeKeeling plot方程
Keeling plot equationR2 n P 置信区间Confidence interval (95%) 置信下限Lower
confidence limit置信上限Upper
confidence limit06:00—08:00 y=-0.442 1x-14.68 0.64 360 ＜0.01 -15.41 -13.91 08:00—10:00 y=-0.415 1x-14.47 0.75 360 ＜0.01 -15.05 -13.73 10:00—12:00 y=-0.303 9x-12.09 0.79 360 ＜0.01 -12.71 -11.44 8月5日 12:00—14:00 y=-0.418x-13.25 0.84 360 ＜0.01 -13.91 -12.54 August 5 14:00—16:00 y=-0.397x-12.61 0.82 360 ＜0.01 -13.25 -11.93 16:00—18:00 y=-0.273x-12.47 0.80 360 ＜0.01 -13.09 -11.83 18:00—20:00 y=-0.273x-11.43 0.71 360 ＜0.01 -11.88 -10.86 20:00—22:00 y=-0.209 7x-10.47 0.65 360 ＜0.01 -11.03 -9.93 06:00—08:00 y=-0.246 3x-12.27 0.81 360 ＜0.01 -12.91 -11.66 08:00—10:00 y=-0.215x-11.83 0.61 360 ＜0.01 -12.38 -11.21 10:00—12:00 y=-0.119 5x-14.35 0.64 360 ＜0.01 -15.08 -13.62 8月8日 12:00—14:00 y=-0.226 7x-11.83 0.83 360 ＜0.01 -12.42 -11.21 August 8 14:00—16:00 y=-0.109 6x-11.40 0.86 360 ＜0.01 -11.97 -10.80 16:00—18:00 y=0.218 1x-11.91 0.81 360 ＜0.01 -12.44 -11.29 18:00—20:00 y=-0.277 45x-11.28 0.77 360 ＜0.01 -11.82 -10.70 20:00—22:00 y=-0.341 6x-11.04 0.76 360 ＜0.01 -10.54 -9.51 06:00—08:00 y=-0.455x-12.44 0.73 360 ＜0.01 -13.10 -11.79 08:00—10:00 y=-0.400 5x-11.95 0.69 360 ＜0.01 -12.54 -11.28 10:00—12:00 y=-0.217 1x-12.05 0.81 360 ＜0.01 -12.53 -11.46 8月10日 12:00—14:00 y=-0.399 1x-12.28 0.83 360 ＜0.01 -12.90 -11.64 August 10 14:00—16:00 y=-0.515 3x-11.85 0.8 360 ＜0.01 -12.44 -11.23 16:00—18:00 y=-0.344 4x-11.47 0.78 360 ＜0.01 -12.20 -11.15 18:00—20:00 y=-0.619 9x-12.87 0.76 360 ＜0.01 -13.52 -12.25 20:00—22:00 y=-0.318 6x-12.53 0.72 360 ＜0.01 -13.18 -11.93 06:00—08:00 y=-0.317 8x-16.00 0.76 360 ＜0.01 -16.79 -15.16 08:00—10:00 y=-0.194 5x-15.14 0.81 360 ＜0.01 -15.89 -14.36 10:00—12:00 y=-0.337 8x-11.93 0.86 360 ＜0.01 -12.53 -11.29 8月11日 12:00—14:00 y=-0.209 2x-12.20 0.85 360 ＜0.01 -12.81 -11.58 August 11 14:00—16:00 y=-0.193 8x-12.30 0.84 360 ＜0.01 -12.97 -11.66 16:00—18:00 y=-0.177 8x-13.53 0.8 360 ＜0.01 -14.20 -12.84 18:00—20:00 y=-0.176 9x-14.58 0.8 360 ＜0.01 -15.33 -13.83 20:00—22:00 y=-0.193 7x-14.09 0.72 360 ＜0.01 -14.79 -13.35
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