氢氧同位素标准水样
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不同水体氢氧同位素一、海洋水体氢氧同位素海洋是地球上最广阔的水体之一,其中的水分子也含有不同的氢氧同位素。
海洋水体中的氢氧同位素主要有氢-1(氚)、氢-2(重氢)、氢-3(超重氢)、氧-16、氧-17和氧-18。
其中,氢-1和氧-16是最常见的同位素。
海洋水体中的氢氧同位素含量受多种因素的影响,包括水温、盐度、深度等。
一般来说,海洋表层水体中的氢氧同位素含量较高,随着深度的增加,含量逐渐降低。
这是因为氢氧同位素的分馏效应导致的。
根据研究发现,海洋水体中氢氧同位素的组成对于研究古气候变化具有重要意义。
通过对海洋沉积物中氢氧同位素的分析,可以推测出过去的气候变化情况。
因此,海洋水体中的氢氧同位素研究对于了解地球气候演变以及预测未来气候变化具有重要意义。
二、湖泊水体氢氧同位素湖泊是地球上重要的淡水资源,湖泊水体中的氢氧同位素也具有一定的特征。
湖泊水体中的氢氧同位素主要受到降水的影响,其中降水中的氢氧同位素含量与地理位置、季节等因素密切相关。
湖泊水体中的氢氧同位素含量的变化可以反映降水的季节性变化。
例如,在干旱季节,湖泊水体中的氢氧同位素含量较高,而在雨季,含量则较低。
这是因为降水中的氢氧同位素含量随着降水量的变化而变化。
湖泊水体中的氢氧同位素也可以用于研究湖泊的水文循环过程。
通过对湖泊水体中的氢氧同位素的分析,可以了解湖泊的水源、水量变化以及水体的混合程度等信息。
这对于湖泊生态系统的研究和管理具有重要意义。
三、地下水体氢氧同位素地下水是地下岩石裂隙或含水层中的水分子,其中的氢氧同位素也具有一定的特征。
地下水体中的氢氧同位素主要受到降水的影响,同时还受到地质构造、地下水流动速度等因素的影响。
地下水体中的氢氧同位素含量的变化可以反映地下水的来源和补给方式。
例如,降水中的氢氧同位素含量较高的地区,地下水体中的氢氧同位素含量也较高。
而在干旱地区,地下水体中的氢氧同位素含量则较低。
地下水体中的氢氧同位素研究对于水资源的管理和利用具有重要意义。
地质样品同位素分析方法第25部分:天然水氧同位素组成测定二氧化碳-水平衡法警示——使用本标准的人员应有正规实验室工作的实践经验。
本部分并未指出所有可能的安全问题,使用者有责任采取适当的安全和健康措施,并保证符合国家有关法规规定的条件。
1 范围本文件规定了用二氧化碳—水平衡法测定天然水中氧同位素组成的方法。
本文件适用于地下水、地表水、大气降水等各种天然水体氧同位素组成的离线制备后质谱测定。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 6379.2 测量方法与结果的准确度(正确度与精密度) 第2部分:确定标准测量方法重复性与再现性的基本方法DZ/T 0130.8 地质矿产实验室测试质量管理规范第8部分:地质样品同位素分析3 术语和定义DZ/T 0184.1对涉及到的术语进行了定义,本文件没有需要界定的术语和定义。
4 方法原理在恒温(25℃)条件下,水样中的氧与已知氧同位素组成的二氧化碳标准气体(高纯钢瓶二氧化碳)通过二氧化碳-水交换平衡,用冷冻法分离平衡后的水,收集二氧化碳(CO2)气体通过双路系统导入气体质谱仪进行同位素组成分析,通过与监测的标准物质水的氧同位素组成比对,得到样品相对于国际标准的δ18O V-PDB值。
5 试剂和材料水的氢、氧同位素标准物质(参考附录B)。
高纯钢瓶二氧化碳(CO2):≥99.999%。
无水乙醇ρ(C2H6O)=0.790 g/mL,分析纯。
液氮。
警示—常压下是超低温液体,操作不当易引起冻伤。
冷冻剂,由5.3和5.4配制,沸点-78 ℃,现配现用。
警示—常压下是低温液体,操作不当易引起冻伤。
去离子水(25 ℃时电阻率大于10 MΩ·cm)。
汽油。
警示——易燃易爆,操作不当易引起爆炸或燃烧。
2号真空油脂。
水样同位素溯源一、概述水样同位素溯源是一种利用水中同位素的特征来追踪水源和水循环过程的技术。
同位素是指原子核中质子数相同但中子数不同的同一元素,如氢元素存在三种同位素:氢-1、氢-2、氢-3。
这些同位素在自然界中存在不同的比例,通过测量这些比例可以对水体进行溯源。
二、常见的水样同位素1. 氧同位素氧元素存在两种稳定的同位素:氧-16和氧-18。
其中,氧-18含有2个中子,相对于氧-16更重。
在自然界中,含有氧-18的水分子比例较低,而含有氧-16的水分子比例较高。
因此,通过测量水样中这两种同位素之间的比值,可以确定水体来源和循环过程。
2. 氢同位素与氧元素类似,氢元素也存在多个稳定的同位素:氢-1、氢-2和氢-3。
其中,重水(D2O)是由一个质子和一个中子组成的稳定性较高的形式。
通过测量水样中这三种同位素之间的比值,可以确定水体来源和循环过程。
3. 碳同位素碳元素存在两种稳定的同位素:碳-12和碳-13。
在自然界中,含有碳-13的水分子比例较低,而含有碳-12的水分子比例较高。
因此,通过测量水样中这两种同位素之间的比值,可以确定水体来源和循环过程。
三、水样同位素溯源的应用1. 水源地判定通过测量水样中氧同位素、氢同位素和碳同位素之间的比值,可以确定水体来源。
这对于判断某一区域的地下水或地表水是否受到污染以及污染物来源具有重要意义。
2. 水循环研究通过测量不同地点、不同时期的水样中氧同位素、氢同位素和碳同位素之间的比值,可以了解不同区域和不同时期的降雨情况、蒸发情况以及地下水与地表水之间的相互作用关系。
3. 水资源管理通过对自然界中各种类型水体(如降雨、河流、湖泊、地下水等)中氧同位素、氢同位素和碳同位素之间的比值进行分析,可以对水资源的利用和管理提供科学依据。
四、水样同位素溯源技术的优势1. 高灵敏度:水样同位素溯源技术可以非常精确地测量水样中不同同位素之间的比值,因此对于微量污染物的检测具有很高的灵敏度。
三种方法测试岩溶水样氢氧同位素的对比研究杨会;王华;吴夏;唐伟;蓝高勇;涂林玲【摘要】通过高温热转换元素一同位素比值质谱法(TC/EA-IRMS)、多用途气体制备仪-同位素比值质谱法(GasbenchⅡ-IRMS)以及激光光谱法对岩溶水样进行对比检测,其结果显示:对于氢同位素,TC/EA-IRMS的精密度达到0.3‰,激光光谱法的精密度达到0.1‰,均优于GasbenchⅡ-IRMS的精密度1.4‰;对于氧同位素,GasbenchⅡ-IRMS的精密度达到0.02‰,激光光谱法的精密度达到0.04‰,优于TC/EA-IRMS的精密度0.16‰.使用激光光谱法测定岩溶水样的氢氧同位素,所需要的样品量少,精密度高,能够满足岩溶区样品的高精度测试要求.【期刊名称】《中国岩溶》【年(卷),期】2018(037)004【总页数】6页(P632-637)【关键词】质谱法;光谱法;氢氧同位素;岩溶水【作者】杨会;王华;吴夏;唐伟;蓝高勇;涂林玲【作者单位】中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】O657;P642.250 引言随着同位素质谱技术的发展,测定水中稳定同位素技术越来越成为水科学研究的方法之一。
利用水中氢氧同位素技术能够示踪分析“大气降水-地表水-土壤水-地下水”之间的相互关系[1-4],这在水文学、水文地质学、大气科学、生态学等领域有着广泛的应用。
水中氢氧同位素不同分析方法的对比张琳;陈宗宇;刘福亮;贾艳琨;张向阳;陈立【摘要】Continuous flow Gasbench Ⅱ -IRMS online analytical method and dual-inlet IRMS off-line analytical method were used for hydrogen and oxygen isotope composition analysis in water samples. The comparison of the analytical data from the two analytical systems indicates that Dual-inlet IRMS off-line method provides better hydrogen isotope composition data in reproducibility and accuracy than the data from the other method and the determination precision is superior to 1‰. But for oxygen isotope composition analysis, both analytical methods are able to provide good analytical data in both reproducibility and accuracy with precision of superior to 0. 2‰. However, continuous flow Gasbench Ⅱ -IRMS online analytical method is of predominance in oxygen isotope composition analysis, especially in micro-amounts of water sample analysis or in large quantity of water sample analysis.%采用在线的连续流Gasbench Ⅱ-IRMS和离线的Dual-inlet IRMS分析方法分析水样中氢氧同位素组成.对比两种分析系统结果表明,运用离线的Dual-inlet IRMS测定氢同位素,精密度均小于1‰,比在线的连续流Gasbench Ⅱ-IRMS重现性和精度好;运用离线的Dual-inlet IRMS和在线的连续流Gasbench Ⅱ-IRMS测定氧同位素组成,两种分析方法均得到较好的结果,精密度和准确度基本一致(精密度均小于0.2‰).对于微量水样和大量水样中氢氧同位素组成的分析,在线的连续流Gasbench-IRMS测定氧同位素组成更具有优势.【期刊名称】《岩矿测试》【年(卷),期】2011(030)002【总页数】4页(P160-163)【关键词】氢同位素;氧同位素;水平衡;金属铬法【作者】张琳;陈宗宇;刘福亮;贾艳琨;张向阳;陈立【作者单位】中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北,正定,050803;中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北,正定,050803;中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北,正定,050803;中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北,正定,050803;中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北,正定,050803;中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北,正定,050803【正文语种】中文【中图分类】O613.2;O613.3;O628氢氧同位素地球化学研究已经遍及许多研究领域,在研究地球水圈的循环、古气候演变、岩石形成机理、有机能源、自然生态环境以至于宇宙演变过程等方面,氢氧同位素地球化学均发挥了重要作用[1-7]。
水资源管理中的氢氧同位素技术研究水,是地球上最基本的生命之源,也是人类生存所必需的基础物质之一。
随着全球人口不断增长和经济的迅猛发展,水资源的需求量不断增加,但是水源的可利用量却是有限的。
因此,对水资源的管理和利用成为了世界各国所面临的重要问题之一。
而在水资源管理领域,氢氧同位素技术被广泛应用。
氢氧同位素技术简介氢氧同位素技术是用氢氧同位素比值来研究水的性质和运动过程的一种方法。
因为不同来源的水在组成方面会有所不同,故而不同种类的水同位素比值也不尽相同。
通过对水样中氢氧同位素比值的测定,并结合氢氧同位素与环境参数(温度、降雨等)之间的关系,可以推断出水体的来源、水文过程以及水的补给来源等信息。
氢氧同位素技术已被广泛应用于水资源开发、水文过程研究、水污染控制、农业灌溉、生态保护等领域。
氢氧同位素技术在水资源管理中的应用氢氧同位素技术在水资源管理中的应用主要包括以下几个方面:1. 水循环研究氢氧同位素技术可以用来研究水的流向、水文过程以及水循环等问题。
例如,对于地下水补给来源的研究,可以通过分析地下水中氢氧同位素比值的变化来确定水的来源。
同时,利用氢氧同位素技术可以分析水的补给来源和补给时间,从而帮助制定合理的水资源管理和保护措施。
2. 水污染控制氢氧同位素技术还可以用来控制水污染。
因为不同的水污染物在水体中分布不均,也会对水体中的氢氧同位素比值产生影响。
因此,通过对水体中氢氧同位素比值的分析可以帮助确定水体中污染物的来源和迁移路径,进而实现对水污染的预测和控制。
3. 农业灌溉氢氧同位素技术可以用来研究农业灌溉水的来源和使用情况,从而实现对土壤水分和养分的管理。
例如,在干旱地区,通过对灌溉水中氢氧同位素比值的分析,可以判断灌溉水的来源和补给周期,从而合理使用水资源,提高灌溉效率。
4. 生态保护氢氧同位素技术在生态保护中也有重要应用。
例如,在海洋生态系统研究中,可以利用氢氧同位素技术分析海水中氢氧同位素比值的变化,从而研究海水运动和海洋生态系统的变化。
第38卷第22期2018年11月生态学报ACTAECOLOGICASINICAVol.38,No.22Nov.,2018基金项目:国家自然科学基金项目(41571029,41371059)收稿日期:2018⁃02⁃08;㊀㊀修订日期:2018⁃09⁃29∗通讯作者Correspondingauthor.E⁃mail:liyf.14s@igsnrr.ac.cnDOI:10.5846/stxb201802080345于静洁,李亚飞.稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析.生态学报,2018,38(22):7942⁃7949.YuJJ,LiYF.Uncertaintiesintheusageofstablehydrogenandoxygenisotopesforthequantificationofplantwatersources.ActaEcologicaSinica,2018,38(22):7942⁃7949.稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析于静洁1,2,李亚飞1,2,∗1中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京㊀1001012中国科学院大学,北京㊀100049摘要:稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统㊁特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为 水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏 ㊂生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件㊂但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性㊂综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性㊁水源同位素的季节性变化㊁蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考㊂关键词:稳定氢氧同位素技术;植物水分来源;不确定性;植物吸水滞后性;水源动态变化UncertaintiesintheusageofstablehydrogenandoxygenisotopesforthequantificationofplantwatersourcesYUJingjie1,2,LIYafei1,2,∗1KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcess,InstituteofGeographicScienceandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,ChinaAbstract:Stablehydrogenandoxygenisotopeanalysishasbeenusedwidelytostudytheusageofplantwaterinecosystems,especiallyinaridecosystems.Thetheoreticalbasisofthisanalysisisthathydrogenandoxygenisotopesdonotfractionateduringtheprocessesofrootwaterabsorptionandwatertransporttotheplantxylem.Dramaticdifferencesinhydrogenandoxygenisotoperatiosexistamongvariouswatersourceswithinanecosystem,whichisapre⁃conditionofusingstablehydrogenandoxygenisotopeanalysistodistinguishtheproportionalcontributionsofdifferentwatersources.However,somefactorshavecauseduncertaintyinthequantificationofplantwatersourcesusingstablehydrogenandoxygenisotopeanalysis.Thisstudyhasdiscussedpreviousresearchasexamplesofthefactorsleadingtothisuncertainty,suchastheretentionofrootwateruptakeinrelationtothedynamicsoftheisotopicratioofwatersources,theseasonalvariationofisotopicwatersources,andthevariationoftheisotopicratioofwatersourcescausedbyevaporationandmixingofdifferentwatersources.Ourresearchcanactasareferenceforfutureresearchintothequantificationofplantwatersourcesusingstablehydrogenandoxygenisotopicanalysis.KeyWords:stablehydrogenandoxygenisotopes;plantwateruse;uncertainty;retentionofplantwateruptake;dynamicsofwatersources㊀㊀稳定氢氧同位素技术因被应用于研究植物水分来源时具有较高的灵敏度和准确性,并且优于对植物具有破坏性的根系调查法,因而成为生态水文研究的一种常用手段[1⁃2],特别是被广泛运用于干旱区生态水文研究[3⁃10]㊂植物根系从土壤中吸收水分并运输到木质部的过程不发生氢氧同位素分馏[11],这为从水源混合体中区分出植物的水分来源提供了理论前提;生态系统中不同水源的氢氧同位素组成存在广泛差异,是从水源混合体中区分出各水源贡献率的前提条件[11]㊂稳定氢氧同位素技术还可用于定量植物水分来源,以及研究植物水分来源的动态变化,如利用稳定氢氧同位素可以示踪不同群落类型中植物对各水源依赖程度的动态变化规律[1,12⁃13]㊂但基于稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源,其结果仍有较大的不确定性[14],如:多水源植物水分来源定量无法得到各水源贡献率的唯一解[15];水源的交互作用即 生态水文联系 所造成的水源氢氧同位素组成较为接近[16],植物木质部水分的同位素相对于水源的同位素组成存在滞后性等[17]㊂本文对利用稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源研究中存在的导致定量结果不确定性的一些因素进行分析整理,并以已有研究成果为例举证说明,以期为今后利用稳定氢氧同位素定量植物水分来源研究的改进提供参考㊂1 利用稳定氢氧同位素定量植物水分来源的原理植物从土壤中吸收水分,而土壤水由降水㊁河水㊁地下水等水源补给㊂植物根系从土壤中吸收水分并运输到木质部的过程,不发生氢氧同位素分馏,以及自然界不同水源的氢氧同位素组成存在广泛差异,为利用稳定氢氧同位素技术从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件[11]㊂利用稳定氢氧同位素确定植物水分来源的基本原理为:以植物木质部水分的氢氧同位素比率为基准,寻找与其氢氧同位素比率相近的土壤水所处层位,该层位即为植物的主要吸水层位[1,15];各潜在水源补给土壤水后,若没有发生明显的氢氧同位素分馏,潜在水源混合体的氢氧同位素比率便等同于其所补给的对应土壤层位土壤水的氢氧同位素比率㊂自然界水样中的氢氧同位素比率通常采用δ值来表示:δsample=RsampleRstandard-1éëêêùûúúˑ1000ɢ()(1)式中,δsample是样品的氢(或氧)的同位素组成(ɢ),Rsample是样品中氢(或氧)的重同位素和轻同位素丰度之比(2H/1H或18O/16O),Rstandard是维也纳标准平均海水(ViennaStandardMeanOceanWater,V⁃SMOW)中氢(或氧)的重同位素和轻同位素丰度之比(2H/1H或18O/16O)㊂获取水分氢氧同位素比率值的常用方法是:周期性采集植物木质部和土壤样品并抽提获取水分样品㊁以及采集降水㊁河水㊁地下水等潜在水源样品,经过滤后利用液态水同位素分析仪获取各水分样品的δ18O㊁δ2H值㊂植物吸收土壤水的层位为连续变量,在实际定量植物水分来源时,可将土壤层概化为若干层,每一层视为植物的一个水源㊂假设δ18OP(δ2HP)为植物木质部水分的δ18O(δ2H)值;δ18OSi(δ2HSi)为某i层土壤水的δ18O(δ2H)值,则某i层土壤水对植物水分的贡献率fi计算公式如下:ðni=1fiδ18OSi2HSi()=δ18OP2HP()㊀其中ðni=1fi=1()(2)假设δ18OWj(δ2HWj)为某j种潜在水源的δ18O(δ2H)值,则某j种潜在水源(降水㊁河水或地下水)对某i层土壤水的贡献率fij的计算公式如下:ðni=1fijδ18OWj2HWj()=δ18OSi2HSi()(3)某i土壤水对植物水分的贡献率fi 和 某j种潜在水源对某i层土壤水贡献率fij 相乘,同类别潜在水源的比例相加,即为某j种潜在水源对植物的贡献率,计算公式如下:3497㊀22期㊀㊀㊀于静洁㊀等:稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析㊀fj=ðni=1fi㊃fij()(4)在计算植物水分来源前,首先要确定植物有几个水源,然后决定采用什么样的方法进行计算(图1)㊂图1㊀植物水分来源计算方法判断流程图Fig.1㊀Theflowchartofdeterminingthemethodsofcalculatingplatwatersources假设植物有两种潜在水源a㊁b,潜在水源的氢氧同位素比率分别为δ18Oa㊁δ18Ob(和δ2Ha㊁δ2Hb,在此以δ18O为例),潜在水源的贡献率分别为fa㊁fb,则可建立方程组:fa㊃δ18Oa+fb㊃δ18Ob=δ18Ofa+fb=10ɤfaɤ1,0ɤfbɤ1(){(5)据此,潜在水源a㊁b的贡献率求解公式分别如下:fa=δ18O-δ18Obδ18Oa-δ18Obfb=δ18Oa-δ18Oδ18Oa-δ18Obìîíïïïïïï(6)假设植物有三种潜在水源a㊁b㊁c,潜在水源的氢氧同位素比率分别为δ18Oa㊁δ18Ob㊁δ18Oc(和δ2Ha㊁δ2Hb㊁δ2Hc),潜在水源的贡献率分别为fa㊁fb㊁fc,则可建立方程组:fa㊃δ18Oa+fb㊃δ18Ob+fc㊃δ18Oc=δ18Ofa㊃δ2Ha+fb㊃δ2Hb+fc㊃δ2Hc=δ2Hfa+fb+fc=10ɤfaɤ1,0ɤfbɤ1,0ɤfcɤ1()ìîíïïïï(7)据此,潜在水源a㊁b㊁c的贡献率求解公式分别如下:当植物水源为3个以上时,δ2H和δ18O所建立的方程组显然无法得到各水源贡献率的精确解[14]㊂IsoSource线性模型[18]和MixSir贝叶斯模型[19]即是解决3个以上水源的植物水分来源问题,通过混合模型得到多组可能解,以统计值(如平均值等)反映植物水分来源特征(图2所示,图中所展示数据来源于文献[20])㊂4497㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀38卷㊀fa=δ18O-δ18Oc()δ2Hb-δ2Hc()-δ18Ob-δ18Oc()δ2H-δ2Hc()δ18Oa-δ18Oc()δ2Hb-δ2Hc()-δ18Ob-δ18Oc()δ2Ha-δ2Hc()fb=δ18O-δ18Oc()δ2Ha-δ2Hc()-δ18Oa-δ18Oc()δ2H-δ2Hc()δ18Ob-δ18Oc()δ2Ha-δ2Hc()-δ18Oa-δ18Oc()δ2Hb-δ2Hc()fc=1-δ18O-δ18Oc()δ2Hb-δ2Hc()-δ18Ob-δ18Oc()δ2H-δ2Hc()δ18Oa-δ18Oc()δ2Hb-δ2Hc()-δ18Ob-δ18Oc()δ2Ha-δ2Hc()㊀㊀-δ18O-δ18Oc()δ2Ha-δ2Hc()-δ18Oa-δ18Oc()δ2H-δ2Hc()δ18Ob-δ18Oc()δ2Ha-δ2Hc()-δ18Oa-δ18Oc()δ2Hb-δ2Hc()ìîíïïïïïïïïïïïï(8)图2㊀利用IsoSource线性混合模型计算3个以上水源的植物水分来源示意图Fig.2㊀Theschematicfigureofcalculatingtheplantwatersourcesfrommorethanthreesourceswiththelinear⁃mixedmodelcalled IsoSource图中所展示数据来源于文献[20];横轴表示某种水源的贡献百分比,纵轴表示在对应的贡献百分比上各水源出现的次数;IsoSource模型见网址:https://www.epa.gov/eco⁃research/stable⁃isotope⁃mixing⁃models⁃estimating⁃source⁃proportions2㊀利用稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性因素2.1㊀植物吸收水分的滞后性植物根系吸收水分并将其运送到木质部,需要一定的时间,因此植物根系周围的土壤水需要经历一段时间后才能在植物木质部中被检测到(图3),如:草本植物弗州草莓Fragariavirginiana根系周围的水分出现在木质部水分中,需要1 1.5h;灌木山胡椒Linderabenzoin根系周围的水分出现在木质部中,需要7.5 11h;而乔木异叶椴Tiliaheterophylla根系周围的水分出现在木质部中,需要30 37h;即植物吸收水分存在滞后性[17]㊂在定量植物水分来源时,研究者们通常会同步采集植物木质部水分样品㊁土壤样品,以及降水㊁河水和地下水样品[9,16,21]㊂但事实上,水源的补给需要一定的时间(图3),不论是降水㊁河水㊁地下水补给土壤水的过程,还是土壤水被植物吸收利用的过程㊂植物吸收水分的滞后性,决定了 利用稳定氢氧同位素技术研究植物水分来源 的时间尺度不能太短,即样本周期至少要长于植物吸水的滞后时间㊂因此在研究植物水分来源定量问题前,首先应研究植物水分利用的滞后性问题,弄清楚各水源补给的滞后周期,可提高定量结果准确性㊂5497㊀22期㊀㊀㊀于静洁㊀等:稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析㊀图3㊀某种水源的标记同位素出现在植物木质部水分中的历时(即水源补给滞后性)Fig.3㊀Thedurationthatthemarkedisotopesofawatersourceoccuredinthexylemwaterofaplant数据来源于文献[17],研究区位于美国纽约州伊萨卡岛(Ithaca,NewYork,USA,42ʎ26ᶄN,76ʎ30ᶄE)2.2㊀水源氢氧同位素的动态变化2.2.1㊀水源氢氧同位素的季节性变化通常研究植物水分来源时,以同步采集的潜在水源同位素值作为水源同位素值进行定量计算,有时也采用时段平均值作为水源的同位素代表值[9,16,21⁃23]㊂但事实上,各潜在水源因来源和季节因素的影响等,存在动态变化[16,24]㊂如在我国西北地区的黑河流域,主要由降水补给的河水,其氢氧同位素比率会有显著的季节性特征,表现为夏季偏富集,冬季偏贫化的特点[25];但当河水来源于上游的地下水㊁冰雪融水等时,河水的氢氧同位素比率又表现为另一种规律,如来自于冰雪融水的河水同位素偏贫化,来自于上游地下水出流的河水同位素偏富集等(图4)㊂地下水同位素也存在一定的动态变化,地下水补给源的不同会导致其氢氧同位素值变化,尤其是越流补给水量较大,可能导致地下水同位素波动较大[26]㊂因此在定量植物水分来源时,不能盲目以同步水源同位素值或时段平均值带入模型计算,而要通过大量连续采集水源样品进行同位素测试,分析其水源的同位素比率变化规律㊂2.2.2㊀混合作用对水源氢氧同位素的影响自然界水循环过程中的分馏和混合作用导致河水㊁降水㊁地下水等具有不同的氢氧同位素比率,这为从水源混合体中区分出各水源贡献率提供了前提条件[3]㊂而河岸带河水和地下水的交互作用频繁,可能导致河水㊁地下水的氢氧同位素比率呈现不同的动态变化特征㊂例如在我国西北干旱区黑河下游的额济纳三角洲河岸带地区(图5),河水㊁地下水的氢氧同位素比率非常接近,导致在定量河岸带植物水分来源时,并无法从植6497㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀38卷㊀图4㊀水源δ18O动态变化Fig.4㊀Thedynamicsofδ18Oofthewatersources(a)黑河下游额济纳三角洲(99ʎ30ᶄ 102ʎ00ᶄE,40ʎ20ᶄ 42ʎ30ᶄN)河水,数据来源于文献[26];(b)黑河流域(98ʎ 101ʎ30ᶄE,38ʎ 42ʎN)不同来源的河水,数据来源于文献[25];VSMOW:维也纳标准平均海水(ViennaStandardMeanOceanWater)物木质部水分这一水源混合体中区分出河水和地下水的贡献率[26]㊂而位于湿润区的太湖沿岸(图6),地下水保持相对稳定的状态,而河水可能因其来源不同导致同位素值发生季节性变化㊂图5㊀黑河下游的额济纳三角洲河水、地下水氧同位素比率Fig.5㊀Theδ18OoftheriverwaterandgroundwaterintheEjinaDeltainthelowerreachesofHeiheRiver(a)我国西北干旱区黑河下游额济纳三角洲(多年平均降水量为36mm,多年平均入境地表径流量为5.50亿m3)河岸带(99ʎ30ᶄ 102ʎ00ᶄE,40ʎ20ᶄ 42ʎ30ᶄN)河水㊁地下水δ18O,根据文献[26]修改;(b)研究区地理位置及样点分布:S1 S5(样点1 5)2.2.3㊀蒸发作用对水源氢氧同位素的影响在干旱区,特别是极端干旱区,浅根系植物主要吸收利用降水补给的浅层土壤水㊂而降水补给土壤水后,水分的氢氧同位素比率在强烈的蒸发作用下发生显著富集,使得降水㊁植物木质部水分的氢氧同位素比率出现不一致(图7),导致无法追溯浅根系植物的潜在水分来源;特别是在极端干旱区,有时浅层土壤含水量较7497㊀22期㊀㊀㊀于静洁㊀等:稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析㊀图6㊀太湖流域西侧殷村港河氧同位素比率㊀Fig.6㊀Theδ18OoftheriverwaterandgroundwaterintheYincungangRiver我国亚热带湿润季风区长江三角洲太湖流域西侧殷村港河(多年平均降水量1100 1400mm,多年平均径流量22.99亿m3)的河岸带(31ʎ27ᶄ22ᵡN,120ʎ00ᶄ18ᵡE)河水㊁地下水δ18O,根据文献[16]修改低,无法获取有效的水分进行同位素测试,因而有时无法获得土壤水的氢氧同位素比率,这更加大了追溯植物潜在水分来源的难度㊂3㊀讨论与结论稳定氢氧同位素技术被广泛运用于植物水分来源的研究,其理论假设为 植物水分被根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏 ㊂生态系统中不同水源的氢氧同位素组成差异为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件,但在实际应用过程中,存在诸多挑战,导致利用稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有较大的不确定性㊂目前利用稳定氢氧同位素定量植物水分来源存在的主要挑战主要包括植物吸收水分的滞后性和水源的㊀图7㊀降水与浅根系植物苦豆子(Sophoraalopecuroides)木质部水分的δ18O值对比Fig.7㊀Thecomparisonoftheδ18Ofromprecipitationandthexylemwaterofshallow⁃rootedSophoraalopecuroides研究区位于中国西北干旱区黑河下游额济纳三角洲(99ʎ30ᶄ 102ʎ00ᶄE,40ʎ20ᶄ 42ʎ30ᶄN)同位素动态变化导致定量结果的不确定性,而氢氧同位素比率的动态变化包括水源氢氧同位素比率的季节性变化㊁混合作用对水源同位素的影响㊁以及蒸发作用对水源同位素的影响等㊂植物吸收水分的滞后性在不同种植物间存在较大的差别,在研究植物水分来源的动态变化时,采样周期的设定要考虑到植物吸水的滞后性,即采样周期不能短于水源同位素出现在植物木质部水分内的时间;水源同位素的季节性变化可以通过连续采样或在线监测,获取完整的水源同位素变化规律,为定量植物水分来源提供依据;水源的混合作用在河岸带地区较为强烈,导致地下水与河水的同位素较为接近,无法通过稳定氢氧同位素技术定量植物的水分来源,需要寻求新的手段,如引入氢氧同位素之外的其他同位素㊁DNA标记等手段实现植物水分来源定量;蒸发作用导致植物木质部水分同位素与潜在水源同位素组成存在显著差异,而无法追溯潜在水源贡献率,需寻求新的技术来定量植物水分来源㊂参考文献(References):[1]㊀EhleringerJR,DawsonTE.Wateruptakebyplants:perspectivesfromstableisotopecomposition.Plant,Cell&Environment,1992,15(9):1073⁃1082.[2]㊀MeinzerFC,ClearwaterMJ,GoldsteinG.Watertransportintrees:currentperspectives,newinsightsandsomecontroversies.EnvironmentalandExperimentalBotany,2001,45(3):239⁃262.[3]㊀DawsonTE,EhleringerJR.Streamsidetreesthatdonotusestreamwater.Nature,1991,350(6316):335⁃337.[4]㊀DonovanLA,EhleringerJR.Waterstressanduseofsummerprecipitationinagreatbasinshrubcommunity.FunctionalEcology,1994,8(3):289⁃297.[5]㊀FlanaganLB,EhleringerJR,MarshallJD.Differentialuptakeofsummerprecipitationamongco‐occurringtreesandshrubsinapinyon⁃juniperwoodland.Plant,Cell&Environment,1992,15(7):831⁃836.[6]㊀McColeAA,SternLA.SeasonalwaterusepatternsofJuniperusasheiontheEdwardsPlateau,Texas,basedonstableisotopesinwater.Journalof8497㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀38卷㊀Hydrology,2007,342(3/4):238⁃248.[7]㊀SchachtschneiderK,FebruaryEC.Therelationshipbetweenfog,floods,groundwaterandtreegrowthalongthelowerKuisebRiverinthehyperaridNamib.JournalofAridEnvironments,2010,74(12):1632⁃1637.[8]㊀巩国丽,陈辉,段德玉.利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较.生态学报,2011,31(24):7533⁃7541.[9]㊀邢星,陈辉,朱建佳,陈同同.柴达木盆地诺木洪地区5种优势荒漠植物水分来源.生态学报,2014,34(21):6277⁃6286.[10]㊀尹力,赵良菊,阮云峰,肖洪浪,程国栋,周茅先,王芳,李彩芝.黑河下游典型生态系统水分补给源及优势植物水分来源研究.冰川冻土,2012,34(6):1478⁃1486.[11]㊀BrunelJP,WalkerGR,WalkerCD,DightonJC,Kennett⁃SmithA.Usingstableisotopesofwatertotraceplantwateruptake//InternationalAtomicEnergyAgency,ed.StableIsotopesinPlantNutrition,SoilFertilityandEnvironmentalStudies.Vienne:AIEA,1991:543⁃551.[12]㊀EhleringerJR,PhillipsSL,SchusterWSF,SandquistDR.Differentialutilizationofsummerrainsbydesertplants.Oecologia,1991,88(3):430⁃434.[13]㊀WhiteJWC,CookER,LawrenceJR,BroeckerWS.TheDHratiosofsapintrees:implicationsforwatersourcesandtreeringDHratios.GeochimicaetCosmochimicaActa,1985,49(1):237⁃246.[14]㊀RothfussY,JavauxM.Reviewsandsyntheses:isotopicapproachestoquantifyrootwateruptake:areviewandcomparisonofmethods.Biogeosciences,2017,14(8):2199⁃2224.[15]㊀PhillipsDL,GreggJW.Uncertaintyinsourcepartitioningusingstableisotopes.Oecologia,2001,127(2):171⁃179.[16]㊀QianJ,ZhengH,WangPF,LiaoXL,WangC,HouJ,AoYH,ShenMM,LiuJJ,LiK.AssessingtheecohydrologicalseparationhypothesisandseasonalvariationsinwaterusebyGinkgobilobaL.inasubtropicalriparianarea.JournalofHydrology,2017,553:486⁃500.[17]㊀DawsonTE.Hydraulicliftandwaterusebyplants:implicationsforwaterbalance,performanceandplant⁃plantinteractions.Oecologia,1993,95(4):565⁃574.[18]㊀PhillipsDL,GreggJW.Sourcepartitioningusingstableisotopes:copingwithtoomanysources.Oecologia,2003,136(2):261⁃269.[19]㊀MooreJW,SemmensBX.Incorporatinguncertaintyandpriorinformationintostableisotopemixingmodels.EcologyLetters,2008,11(5):470⁃480.[20]㊀YangB,WenXF,SunXM.SeasonalvariationsindepthofwateruptakeforasubtropicalconiferousplantationsubjectedtodroughtinanEastAsianmonsoonregion.AgriculturalandForestMeteorology,2015,201:218⁃228.[21]㊀WangJ,FuBJ,LuN,ZhangL.Seasonalvariationinwateruptakepatternsofthreeplantspeciesbasedonstableisotopesinthesemi⁃aridLoessPlateau.ScienceoftheTotalEnvironment,2017,609:27⁃37.[22]㊀钱龙娇.基于氢氧稳定同位素浑善达克沙地人工种植杨树吸水来源和耗水耦合研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2017.[23]㊀王玉阳,陈亚鹏,李卫红,王日照,周莹莹,张建鹏.塔里木河下游典型荒漠河岸植物水分来源.中国沙漠,2017,37(6):1150⁃1157.[24]㊀WuY,ZhouH,ZhengXJ,LiY,TangLS.Seasonalchangesinthewaterusestrategiesofthreeco⁃occurringdesertshrubs.HydrologicalProcesses,2014,28(26):6265⁃6275.[25]㊀张应华,仵彦卿.黑河流域不同水体中δ18O的变化.水科学进展,2007,18(6):864⁃870.[26]㊀李亚飞,于静洁,陆凯,王平,张一驰,杜朝阳.额济纳三角洲胡杨和多枝柽柳水分来源解析.植物生态学报,2017,41(5):519⁃528.9497㊀22期㊀㊀㊀于静洁㊀等:稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析㊀。
氢氧同位素标准水样
氢氧同位素标准水样是指在水中含有已知比例的氢和氧同位素的水样。
这种水样一般用于同位素分析、地球科学研究、气候变化研究等领域。
在氢氧同位素标准水样中,氢和氧元素的同位素比例是已知的,通常以δ值表示。
δ值是指同位素比例相对于国际标准(通常
为标准大气、海洋样品)的偏移量。
例如,δD表示氘(重氢)与氢的同位素比例的偏移量,δ18O表示氧-18同位素与氧-16
同位素比例的偏移量。
氢氧同位素标准水样的制备需要使用高纯度的氢氧同位素标记化合物,并根据已知的比例进行混合。
常用的氢氧同位素标准水样有VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)、
SLAP(Standard Light Antarctic Precipitation)等。
这些氢氧同位素标准水样在实验室中被广泛应用,可用于校准和质控,确保同位素分析结果的准确性和可比性。
同时,它们也是进行同位素地质、水循环、古气候研究等的基础。