CN105974059A - 基于同位素测定的树木对各土壤层水分利用量的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于同位素测定的树木对各土壤层水分利用量的测定方法，包括步骤：S1同位素样品采集，S2同位素样品的测定，S3树木对水源水分利用率的确定，S4树干液流测定，S5单株树木液流通量计算和S6树木对水源水分利用量的确定。本发明提出的测定方法，从树木吸水、耗水的角度出发，基于稳定氢氧同位素技术确定树木水分来源及水源贡献比例，然后结合树干液流计测算单株树木耗水量，提供一种树木对各土壤层水分利用量的测定方法，基于对水源的合理划分，采用多元线性混合模型(Iso‑source)求得最适宜解，获得较为准确的测定结果，为植被恢复、树种选择、树种配置方式、后期养护管理提供参考。

Description

基于同位素测定的树木对各土壤层水分利用量的测定方法

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种基于同位素分析的树木水分利用量的测定方法。

背景技术

水分是限制植物分布和生长的最主要因素，在地球上的生态系统中，干旱与半干旱生态系统大约覆盖了地球表面的50％。不同生活型和分布范围的植物通常会采取不同的策略来利用潜在水源，利用传统的物理方法研究树木对水分的利用存在较大困难，而稳定氢氧同位素技术作为一种新的研究手段已广泛应用于生态学领域的树木水分来源研究中。除一些盐生植物外，树木根系对水分的吸收以及水分在木质部运输的过程不会出现同位素分馏现象。因此，对比分析树木枝条水分与各水源的同位素组成，参考土壤含水量等信息可推测树木的主要水分来源，再结合多元线性模型可进一步量化各水源对树木水分的贡献比例。

陆生树木从土壤中吸收的水分只有1％用来作为植物体内的构成部分,99％是通过地上部分散失到大气中，所以通过精确测算树干上升的液流量,就可以基本确定植株蒸腾耗水量。热扩散茎流计的产生及发展是迄今为止测算植物单株耗水研究中发展最成熟、技术手段最多的研究领域，若单纯研究树木整株或林分群体的蒸腾耗水规律而不考虑蒸腾耗水的生理机制，应用此法快捷而精确。据此，有理由认为可以通过稳定同位素技术计算树木对各土壤层水分利用率并结合树木蒸腾耗水，寻求一种树木对各土壤层水分利用量的确定方法具有一定的代表性和科学性。

现有技术中，利用稳定氢氧同位素技术只能确定树木对各土壤层水分的利用率，而利用热扩散茎流计测算树木单株耗水，但未能将两种方法结合提供一种精确计算树木对各土壤层水分利用量的确定方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对本领域存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于同位素测定的树木对各土壤层水分利用量的测定方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于同位素测定的树木对各土壤层水分利用量的测定方法，包括以下的步骤：

S1同位素样品采集

选择1～5株生长中的树木作为标准植株，采集标准植株上的已栓化的、成熟的枝条作为样品；在标准植株周围1000米距离内收集水源的样品，所述水源为分布有树木根系的基岩之上的土壤层的水分、地下水、地表水中的二种以上；

S2同位素样品的测定

用低温真空抽提装置来抽提枝条样品和水源样品中的水分，测定抽提出的枝条样品和水源样品中的同位素值，所述同位素值为δD和/或δ¹⁸O的值，该值为样品中的同位素含量与“标准平均大洋水(SMOW)”的千分差；

S3树木对水源的水分利用率的确定

样品中同位素值用X表示，则枝条样品水样的同位素值δX为各水源贡献率c及其同位素值乘积之和：

δX＝Σc_nδX_n (2)

Σc_n＝1 (3)

式中，n为水源的编号，n＝2～10，

由式(2)和(3)求得各水源的贡献率c；

S4树干液流测定

用茎流计测定树木茎干液流密度(cm³·cm^-2·h^-1)；

S5单株树木液流通量计算

根据步骤S4所得树木茎干液流密度，通过下式计算树木的液流通量

$W={\∫}_0^{Js}Asdt---\left(4\right)$

其中，Js＝0.0119·K¹ _. ²³¹·3600

K＝(dTM-dT)/dT

W为液流通量(cm³)；Js为液流密度(cm³·cm^-2·h^-1)；As为边材面积(cm²)；t为对应液流密度的时间；K为无量纲的常数；d_TM为液流速率为零时的探针最大温差值；d_T为当时测定的温差值；

S6树木对水源的水分利用量的确定

树木对第个n水源的水分利用量表示为：U_n＝W*c_n (5)。

S1中，可选择2～3棵良好且相似的树木为标准植株。

其中，步骤S1中，用土钻采集标准植株周围3米以内的土壤样品，基岩之上分为4～8个土层，土壤深度40～50cm以上每间隔10cm作为一个土壤层采集样品，40～50cm以下每间隔20cm作为一个土壤层采集样品，每层采集1～5个样品。

具体到北京地区，基岩之上的土层较薄，取土层到土壤0.8～1米深度即可。

其中，步骤S1中，收集样点附近的地下水样品，每个采集点采集1～5次。采集水样后迅速密封并冷藏。

对于泉水(代表地下水)，每处可设置1～5个采集点。为防止所采集样品水分蒸发导致同位素分馏，采集水样后应迅速放入瓶中，用封口膜密封并冷藏直至同位素测定。

针对采样地点的具体情况，泉水可以作为地下水的代表。

其中，步骤S2中，水样中的氢氧同位素含量为与“标准平均大洋水(SMOW)”的千分差，表示为:

式中，R_sample和R_standard分别表示样品和SMOW中的D或¹⁸O的浓度。X是D或¹⁸O的同位素值。市售的同位素测定仪内通常已设定有公式(1)，显示的同位素值读数就是千分差。

为了提高准确度，计算时取δD和δ¹⁸O的平均值。

其中，步骤S3中，当树木只有两个水源时，这两个水源分别记为1和2，水源对树木的贡献率分别为c₁和c₂，树木茎干水分同位素值为X，则可以通过两个未知量的两个方程组得出c₁和c₂的具体数值，即水源对树木水分的贡献率，所述公式为：

c₁+c₂＝1

c₁X₁+c₂X₂＝X。

确定水源数量是基于以下条件：

①所有对树木有显著贡献的水源都予以考虑；

②各潜在水源之间的同位素特征存在显著的差异；

③各潜在水源在被树木根系吸收前，没有发生显著的分馏；

④在水分被根系吸收向叶片传输的过程中(除盐生植物外)不发生同位素的分馏。

对于乔木来说，不同土壤层即构成不同水源，从地表至80cm深度可计为4～7个水源。

进一步地，步骤S3中，当树木具有多个不同水分来源，采用多元线性混合模型(Iso-source)计算多个水源各自对树木水分利用的贡献率，指定的增量范围(increment)为1～2％，叠加运算出水源所有可能的解的组合，对所有解的组合中，对每种水源c值出现的频率进行分析，从而得出结果。

Iso-source模型的基本原理是根据同位素质量守恒原理。对于有两个未知量的两个方程，方程组有唯一解；对于两个方程而未知量扩展至三种或者更多，方程组的解也就不唯一，则可利用这种同位素质量守恒来求解来源比例的多种组合的可能解，按照指定的增量范围(increment)叠加运算出水源所有可能的百分比组合。

每一组合的加权平均值与混合物(树干水分)实际测定的同位素值进行比较，那些处于给定的忍受范围(tolerance)内(±0.1‰)的组合被认为是可行的解。对所有可行解中，对每种水源贡献百分比出现的频率进行分析(选出现频率最多的解)，从而得出结果。

其中，步骤S4中，S4树干液流测定用插针式茎流计测定；先用砂纸将所选树木树干打磨光滑，在打磨区涂抹G4油脂。将探头安装在被测区域后用绝缘、防辐射材料包裹、密封，防止雨水进入。安装好后，将数据传输线与数据采集器连接，接通电源，设置相关参数，定期维护，用计算机进行数据采集。

优选地，步骤S5中，选取在全天没有下雨的日内测定树木茎干液流密度，数据采集间隔时间为10～20min。

(三)有益效果

本发明提出的测定方法，从树木吸水、耗水的角度出发，基于稳定氢氧同位素技术确定树木水分来源及水源贡献比例，然后结合树干液流计测算单株树木耗水量，提供一种树木对各土壤层水分利用量的测定方法，基于对水源的合理划分，采用多元线性混合模型(Iso-source)求得最适宜解，获得较为准确的测定结果，为植被恢复、树种选择、树种配置方式、后期养护管理提供参考。

附图说明

图1为Iso-source计算的操作界面照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

以北京山区栓皮栎为例说明本发明的技术方案。

1.同位素样品采集

2012年7月20号，在样地内选择3株无人工干扰的、长势良好且相似的，胸径、树高和形数在林分平均水平的栓皮栎(树木信息见下表)，采集其已栓化的、成熟的枝条(直径约3cm)，每株采集3个样品。在标准植株附近2米内，分别选取3个的采样点利用土钻采集土壤样品。按照土壤深度0～10cm,10～20cm,20～40,40～60cm,60～80cm采集五层样品，每层采集3个样品。以样地附近1000米以内的泉水代表地下水，每处泉水设置3个采集点，每个采集点采集3次。为防止所采集样品水分蒸发导致同位素分馏，将其迅速放入瓶中，用Parafilm膜密封并冷藏直至同位素测定。

表1样地基本概况

2.同位素样品的测定

釆用低温真空抽提装罝来抽提栓皮栎枝条和土壤中的水分，随后用LGR DLI-100液态水同位素分析仪测定抽出水样和泉水中的同位素δD、δ¹⁸O值，其δD、δ¹⁸O的测定精度分别达0.3‰和0.1‰。测得水样中的氢氧同位素含量为与“标准平均大洋水(SMOW)”的千分差，表示为:

式中，δX为δD和/或δ¹⁸O千分差值。

本实施例中，设置同位素分析仪显示D和¹⁸O的读数的平均值。

3.栓皮栎对水源的水分利用率的确定

栓皮栎具有7个不同水分来源，采用多元线性混合模型计算多个δD(δ18O)各自对树木水分利用的贡献率c

基于下面两个方程计算会得出多组解的组合；本实施例指定增量范围(increment)为1％。叠加运算出水源所有可能的解的组合，对所有解的组合中，对每种水源c值出现的频率进行分析，从而得出结果。每一组合的加权平均值与混合物(树干水分)实际测定的同位素值进行比较，那些处于给定的忍受范围(tolerance)内(±0.1‰)的组合被认为是可行的解。对所有可行解中，对每种水源贡献百分比出现的频率进行分析，从而得出结果。具体通过Iso-source计算，操作界面如图1所示。

δX＝c₁δX₁+c₂δX₂+c₃δX₃+c₄δX₄+c₅δX₅+c₆δX₆+c₇δX₇

c₁+c₂+c₃+c₄+c₅+c₆+c₇＝1

式中，δX为树木茎干木质部水分同位素值(δD和δ¹⁸O平均值)，‰；1、2、3……n为水源(各土壤层和泉水)；c₁、c₂、c₃、c₄……c_n分别表示树木对各水源水分的利用率，％；X₁、X₂、X₃、X₄……X_n分别为各水源水分的同位素值，‰。

经计算，得出栓皮栎对各水源水分的利用率(c)如下：

表2栓皮栎对水源的利用率

4.树干液流测定

选取热扩散原理(插针式)茎流计测定树木茎干液流速率。先用砂纸将所选栓皮栎树干打磨光滑，再在打磨区涂抹G4油脂。将探头安装在被测区域后用绝缘、防辐射材料包裹、密封，防止雨水进入。安装好后，将数据传输线与数据采集器连接，接通电源，设置相关参数，定期维护，用计算机进行数据采集。

5.单株树木液流通量计算

设置数据采集间隔时间为15min，选取典型晴天(全天无雨)的栓皮栎树干液流监测数据。树木的液流通量可以通过下式计算：

$W={\∫}_0^{Js}Asdt$

其中，Js＝0.0119·K¹ _. ²³¹·3600

K＝(d_TM-d_T)/d_T

式中，W为液流通量(cm³)；Js为液流密度(cm³·cm^-2·h^-1)；As为边材面积(cm²)；t为对应液流密度的时间；K为无量纲的常数；d_TM为液流速率为零时的探针最大温差值；d_T为当时测定的温差值，

选取样品采集当天的前后3天(共6天)的液流数据，将各参数带入以上公式计算得出栓皮栎日均液流通量W为18.25kg。

6.树木(对)水源(水分利用量)的确定

栓皮栎有7个水源，对7水源的水分利用量分别带入Un＝W*cn公式计算，得出结果如下表：

表3栓皮栎对水源的利用特征

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于同位素测定的树木对各土壤层水分利用量的测定方法，其特征在于，包括以下的步骤：

S1同位素样品采集

选择1～5株生长中的树木作为标准植株，采集标准植株上已栓化的成熟枝条作为样品；在标准植株周围1000米距离内收集水源的样品，所述水源为分布有树木根系的基岩之上的土壤层的水分、地下水、地表水中的二种以上；

S2同位素样品的测定

用低温真空抽提装置来抽提枝条样品和水源样品中的水分，测定抽提出的枝条样品和水源样品中的同位素值，所述同位素值为δD和/或δ¹⁸O的值，该值为样品中的同位素含量与标准平均大洋水的千分差，

S3树木对水源水分利用率的确定

样品中同位素值用X表示，则枝条样品水样的同位素值δX为各水源贡献率c及其同位素值乘积之和：

δX＝Σc_nδX_n (2)

Σc_n＝1 (3)

式中，n为水源的编号，n＝2～10，

由式(2)和(3)求得各水源的贡献率c；

S4树干液流测定

用茎流计测定树木茎干液流密度；

S5单株树木液流通量计算

根据步骤S4所得树木茎干液流密度，通过下式计算树木的液流通量

$W={\∫}_0^{Js}Asdt---\left(4\right)$

其中，Js＝0.0119·K¹ _. ²³¹·3600

K＝(dTM-dT)/dT

W为液流通量(cm³)；Js为液流密度(cm³·cm^-2·h^-1)；As为边材面积(cm²)；t为对应液流密度的时间；K为无量纲的常数；d_TM为液流速率为零时的探针最大温差值；d_T为当时测定的温差值；

S6树木对水源的水分利用量的确定

树木对第个n水源的水分利用量表示为：U_n＝W*c_n (5)。

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤S1中，用土钻采集标准植株周围3米以内的土壤样品，基岩之上分为4～8个土层，土壤深度40～50cm以上每间隔10cm作为一个土壤层采集样品，40～50cm以下每间隔20cm作为一个土壤层采集样品，每层采集1～5个样品。

3.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤S1中，收集样点附近的地下水样品，每个采集点采集1～5次，采集水样后迅速密封并冷藏。

4.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤S2中，样品中的同位素值是氢氧同位素含量与标准平均大洋水的千分差，表示为:

式中，Rsample和Rstandard分别表示样品和标准平均大洋水中的D和/或¹⁸O的浓度；

X是D或¹⁸O的同位素值。

5.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤S3中，当树木只有两个水源时，这两个水源分别记为1和2，水源对树木的贡献率分别为c₁和c₂，树木茎干水分同位素值为X，则可以通过两个未知量的两个方程组得出c₁和c₂的具体数值，即水源对树木水分的贡献率，所述公式为：

c₁+c₂＝1

C₁X₁+c₂X₂＝X。

6.根据权利要求1～5任一所述的测定方法，其特征在于，步骤S3中，2)当树木具有多个不同水分来源，用多元线性混合模型(Iso-source)计算多个水源各自对树木水分利用的贡献率，指定的增量范围(increment)为1～2％，叠加运算出水源贡献率所有可能的解的组合，对所有解的组合中，对每种水源c值出现的频率进行分析，从而得出结果。

7.根据权利要求1～5任一所述的测定方法，其特征在于，步骤S4中，S4树干液流测定用插针式茎流计测定；先用砂纸将所选树木树干打磨光滑，在打磨区涂抹G4油脂；将探头安装在被测区域后用绝缘、防辐射材料包裹、密封。

8.根据权利要求1～5任一所述的测定方法，其特征在于，步骤S5中，选取在全天没有下雨的日内测定树木茎干液流密度，数据采集间隔时间为10～20min。