CN106018537A - 一种树木长期水分利用效率的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种树木长期水分利用效率的确定方法，包括以下步骤：步骤一、样品采集与处理，具体为树芯样品采集，样品处理，烘干，粉碎，煅烧和碳同位素分析；步骤二、长期水分利用效率的计算。本发明提出的方法，以多年生长的树木为样本，通过同位素碳分析，结合光合能力和气孔导度与水分利用率的数学关系，精确确定不同年份树木的水分利用率，可以在1～100年时间尺度上获得水分利用率变化趋势。

Description

一种树木长期水分利用效率的确定方法

技术领域

本发明属于生态技术领域，具体涉及一种基于同位素分析的树木水分利用效率的确定方法。

背景技术

水分利用效率(water use efficiency，WUE)是衡量植物耐旱性的重要指标，同时也是研究碳水耦合关系的重要切入点。WUE可以概括为植物同化的CO₂与蒸腾消耗水分质量之比，在一定程度上反映了植物耗水特性和对干旱的适应性，是植物对环境水分条件的一种响应。传统研究水分利用效率的方法主要有收获法、光合仪法、微气象法等，但这几种方法由于破坏性太大或因现实条件限制应用有限。随着近几年同位素技术在我国生态学研究中的不断推进，通过测定植物组织稳定碳同位素值δ¹³C，推算水分利用效率，成为代替传统研究方法的新手段。由于植物组织的碳是在一段时间内积累起来的，δ13C值所代表的不是瞬时WUE，而是植物组织有机质形成时间内的平均WUE。与其他方法测得的瞬时WUE相比，利用稳定同位素技术所测得的WUE更能反映出植物在一段时间内对水分的利用以及对水分胁迫的适应状况，并且该方法采样破坏性小，不受时间、地点和下垫面情况等条件的限制，方便保存和测定。目前利用稳定同位素技术测定植物水分利用效率主要集中在叶片尺度，缺乏长时间尺度的研究；而现有的水分利用效率时间变化研究多是利用模型进行估测，误差较大。

树木年轮同位素是研究长期水分利用效率的良好切入点。树木年轮变化不仅与树种本身的遗传特性有关，还受外部环境条件影响。通过树木年轮同位素研究可以了解植物当前的生理状况，而通过树木年轮同位素保存的过去的历史信息来了解树木对长期环境变化的反应，尚没有人提出相关的研究。

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，本发明的目的在于提出一种方法，以确定树木长期水分利用效率年际均值。为此目的，本发明提出一种通过测定树木年轮稳定碳同位素值，通过公式推导得出长期水分利用效率的方法。

(二)技术方案

为了解决上述目的，本发明的技术方案如下：

一种树木长期水分利用效率的确定方法，包括以下步骤：

步骤一、样品采集与处理

1)树芯样品采集：在距离地面100～150cm处沿等高线方向钻取树木横截面上的树芯；

2)样品处理：将树芯样品沿年轮线进行切割分离然后将同一年的树芯样品放在一个容器内；

3)烘干：用去离子水冲洗样品以去除表面沾染的其他碳源；将清洗好的样品放于烘箱中于70～90℃温度下连续烘干40～60小时；

4)粉碎：用粉碎机或球磨仪将烘干后的样品进行粉碎，将粉碎的样品过80目筛；

5)煅烧：称取粉碎过筛后的样品，用锡箔或铝箔纸包裹，在总有机碳元素分析仪中，通入不含CO₂的空气进行煅烧，煅烧温度为950℃；

6)碳同位素分析：用同位素质谱仪(DELTA plus XP)对收集的气体进行测定，得到树芯样品的碳同位素分辨率值δ¹³Cp；

步骤二、长期水分利用效率的计算

植物水分利用效率为同化速率A与蒸腾速率E的比值

$WUE=\frac{A}{E}=\frac{Ca-Ci}{1.6\mathrm{\Δ}e}---\left(3\right)$

Ca和Ci分别是大气及叶片细胞内的CO₂气压，Δe为叶内外水汽压差；

基于碳同位素分辨率值(δ¹³C)与Ci之间的数量关系方程：

δ¹³C＝a+(b－a)(C_i/C_a) (4)

求得植物水分利用效率：

$WUE=Ca\×(1-\frac{{\mathrm{\δ}}^{13}Ca-{\mathrm{\δ}}^{13}Cp-a}{b-a})/1.6\mathrm{\Δ}e---\left(5\right)$

上式中，δ¹³Ca为大气本底稳定碳同位素值，a＝4.4‰，代表CO₂通过气孔时扩散分馏系数；b＝27‰，指CO₂被Rubisco酶(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶，Ribulosebisphosphate carboxylase oxygenase)羧化过程中的分馏系数。

进一步地，所述步骤一中，使用树木生长锥钻取树芯，将采集的树芯样品置于玻璃试管中保存，所用的树木生长锥、玻璃试管均先用去离子水冲洗、烘干。

其中，所述步骤一中，将树芯样品放在玻璃板上，置于体视显微镜下，用手术刀从最外层沿年轮线进行切割分离(全程佩戴无尘橡胶手套)，然后将同一年的树芯样品放在一个玻璃瓶内。

其中，将锡箔或铝箔纸裁剪为边长4～7cm的正方形，用万分之一天平称取每年的样品2±0.2毫克，置于锡箔或铝箔纸上，用镊子将纸片包裹试验样品叠制成边长0.4～1cm的薄片，置于总有机碳元素分析仪(TOC)中进行煅烧。

进一步地，所述步骤二中，所述式(5)中△e由下式求得：

$\mathrm{\Δ}e=e_{if}-e_{atm}=0.611\×e^{\frac{17.625T}{240.97+T}}\×(1-RH)---\left(6\right)$

式(6)中，0.611为t＝0℃时纯水平面上的饱和水汽压，T为采样地年均气温，RH为采样地年均相对湿度。

其中，所述步骤二中，采样地空气样品的δ¹³Ca即为大气本底稳定碳同位素值。

本发明的方法进一步地，由每一年的植物水分利用效率，得出植物水分利用效率随年度变化的数学关系。

(三)有益效果

由于树木年轮中年与年之间的纤维素并不发生转移，因此年内及年际间的变化信息都被长久的保存在了树轮δ¹³C信息中。树木年轮碳同位素信息与生理特性之间形成一种数量关系，在很大程度上提高了植物碳稳定同位素和水分关系的研究，包括不同的空间尺度(从植物个体叶片、整个植株，到完整的生态系统)及时间尺度(从瞬时气体交换到古生物的树木年轮)的研究。

本发明提出的方法，以多年生长的树木为样本，通过同位素碳分析，结合光合能力和气孔导度与水分利用率的数学关系，精确确定不同年份树木的水分利用率，可以在1～100年时间尺度上获得水分利用率变化趋势。

附图说明

图1为实施例1得出的1950-2014年红门川流域油松水分利用效率关系图。

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

以北京密云县红门川流域为例，研究该地侧柏林1950年至今的树木水分利用效率情况。

1、林地概况

对研究地进行初步调查，主要为林龄分布。了解该地侧柏林林龄大约为30a至100a。

2、树芯样品采集

将红门川流域划分为10个样地，选取生长状况良好的标准木40株，于2015年5月进行采样。每株于胸径处沿130cm等高线方向使用树木生长锥取树芯两根，采样方法参考树轮气候学研究采样规范。为防止碳源污染，将采集的80根样品置于玻璃试管中保存。一个采样点取4棵树的4根样芯，基本可以代表一个取样点的δ¹³C的绝对含量和变化趋势。结合试验条件，选取了50根年轮清晰、缺轮较少的样品进行稳定碳同位素分析。

3、样品处理

树芯样本经过自然晾干、固定、打磨等标准处理程序，然后使用骨架图对每个样点的树芯样品进行交叉定年，再进行年轮δ¹³C分析测定，具体操作步骤是：

1)将树芯样品置于体视显微镜下，用手术刀在玻璃板上从最外层沿年轮线进行切割分离(全程佩戴无尘橡胶手套)，然后用镊子将同一年的树芯样品放在一个有盖的玻璃瓶内，玻璃瓶按年编号；

2)用去离子水冲洗样品两次以去除表面沾染的其他碳源；

3)将清洗好的样品放于烘箱中于80℃条件下连续烘干48小时；以便于之后进行粉碎；

4)用粉碎机将烘干后的样品磨碎过80目筛制成供试样品；

5)煅烧：将锡箔裁剪为边长约5cm的正方形，用于转移样品；用万分之一天平称取每年的样品2毫克，置于锡箔上，用镊子将纸片包裹试验样品叠制成边长0.5cm的小薄片；置于总有机碳元素分析仪(TOC)中，在不含CO₂的空气(市购的零气)中进行燃烧，温度设置为950℃，使干燥的样品在密封且有过量氧气的石英玻璃管中充分燃烧，样品中所有碳都转化为气态CO₂，用气袋收集燃烧后的气体；

6)用同位素质谱仪(DELTA plus XP，实验系统误差小于0.2‰。)对收集的气体进行测定，得到样品的δ¹³Cp值。在采样地点采集空气，测定δ¹³Ca值。

4、气象资料获取

气象数据源自距离采样点20km的北京市密云县气象站(116°52’12”E，40°22’48”N)，由国家气象局提供，部分CO₂浓度值采用距离采样点27km北京市密云县上甸子站(117°07’07”E，40°39’12”N)提供的数据。

5、WUE计算

将测定得到的侧柏树轮δ¹³C值，气象站获取的年均气温T、相对湿度RH、CO₂浓度资料，代入公式(5)、(6)中，计算结果如图1。拟合出每一年的植物水分利用效率随年度变化的数学关系:

y＝-0.0007x²+2.8727x-2757.3

R²＝0.3461

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 (7)

1.一种树木长期水分利用效率的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、样品采集与处理

1)树芯样品采集：在距离地面100～150cm处沿等高线方向钻取树木横截面上的树芯；

2)样品处理：将树芯样品沿年轮线进行切割分离然后将同一年的树芯样品放在一个容器内；

3)烘干：用去离子水冲洗样品以去除表面沾染的其他碳源；将清洗好的样品放于烘箱中于70～90℃温度下连续烘干40～60小时；

4)粉碎：用粉碎机或球磨仪将烘干后的样品进行粉碎，将粉碎的样品过80目筛；

5)煅烧：称取粉碎过筛后的样品，用锡箔或铝箔纸包裹，在总有机碳元素分析仪中，通入不含CO₂的空气进行煅烧，煅烧温度为950℃；

6)碳同位素分析：用同位素质谱仪(DELTA plus XP)对收集的气体进行测定，得到树芯样品的碳同位素分辨率值δ¹³Cp；

步骤二、长期水分利用效率的计算

植物水分利用效率为同化速率A与蒸腾速率E的比值

$WUE=\frac{A}{E}=\frac{Ca-Ci}{1.6\mathrm{\Δ}e}---\left(3\right)$

Ca和Ci分别是大气及叶片细胞内的CO₂气压，Δe为叶内外水汽压差；

基于碳同位素分辨率值δ¹³C与Ci之间的数量关系方程：

δ¹³C＝a+(b－a)(C_i/C_a) (4)

求得植物水分利用效率：

$WUE=Ca\×(1-\frac{{\mathrm{\δ}}^{13}Ca-{\mathrm{\δ}}^{13}Cp-a}{b-a})/1.6\mathrm{\Δ}e---\left(5\right)$

上式中，δ¹³Ca为大气本底稳定碳同位素值，a＝4.4‰，代表CO₂通过气孔时扩散分馏系数；b＝27‰，指CO₂被Rubisco酶羧化过程中的分馏系数。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤一中，使用树木生长锥钻取树芯，将采集的树芯样品置于玻璃试管中保存，所用的树木生长锥、玻璃试管均先用去离子水冲洗、烘干。

3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤一中，将树芯样品放在玻璃板上，置于体视显微镜下，用手术刀从最外层沿年轮线进行切割分离，然后将同一年的树芯样品放在一个玻璃瓶内。

4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤一中，将锡箔或铝箔纸裁剪为边长4～7cm的正方形，用万分之一天平称取每年的样品2±0.2毫克，置于锡箔或铝箔纸上，用镊子将纸片包裹试验样品叠制成边长0.4～1cm的薄片，置于总有机碳元素分析仪中进行煅烧。

5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤二中，叶内外水汽压差Δe由下式求得：

$\mathrm{\Δ}e=e_{if}-e_{atm}=0.611\×e^{\frac{17.625T}{240.97+T}}\×(1-RH)---\left(6\right)$

式(6)中，0.611为t＝0℃时纯水平面上的饱和水汽压，T为采样地年均气温，RH为采样地年均相对湿度。

6.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤二中，采样地空气样品的δ¹³Ca即为大气本底稳定碳同位素值。

7.根据权利要求1～6任一所述的确定方法，其特征在于，确定出每一年的植物水分利用效率，得出植物水分利用效率随年度变化的数学关系。