岷江上游亞高山灌叢對降水的分配機(jī)制

1、岷江上游亞高山灌叢對降水的分配機(jī)制 應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)（開題報告） Study on the Precipitation Partitioning by the Subalpine Scrubs in the Upper Reaches of Minjiang River by Stable Isotopes 一、穩(wěn)定同位素技術(shù)及應(yīng)用1.1 穩(wěn)定同位素概況原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一類原子叫做同位素(Isotope)，他們處在周期表上的同一位置。不具有放射性的同位素稱為穩(wěn)定同位素 (Stable Isotope)。穩(wěn)定同位素可分為兩類：(1) 放射成因穩(wěn)定同位素：由單個或系列放射性同位素

2、母體衰變而形成的穩(wěn)定同位素； (2) 非放射成因穩(wěn)定同位素：沒有放射性母體的穩(wěn)定同位素。天然的穩(wěn)定同位素，是核合成以來就保持穩(wěn)定，迄今為止還未發(fā)現(xiàn)他們能夠自發(fā)衰變形成其他同位素，如氫同位素（1H和2H）。自然界中共有1700余種同位素，其中穩(wěn)定同位素有260余種。1.2 穩(wěn)定同位素豐度及分餾1.2.1 穩(wěn)定同位素豐度穩(wěn)定同位素含量一般用相對豐度表示，相對豐度是指某一元素中各同位素所占的原子百分比。一些常用穩(wěn)定同位素相對豐度：氫1H 99.985%，2H0.015%；碳12C98.89%，13C1.11%；氧16O99.762%，17O0.038%，18O0.200%；氮14N99.634%，1

3、5N0.366%。1.2.2 穩(wěn)定同位素效應(yīng)穩(wěn)定同位素的天然豐度，在不同地球樣品中是不同的，有一定的變化范圍。造成這一變化的原因包括：（1）與核合成有關(guān)的過程，（2）與放射性衰變有關(guān)的過程，（3）同位素分餾。由不同的同位素組成的分子之間存在相對質(zhì)量差。這種質(zhì)量差異所引起的該分子在物理和化學(xué)性質(zhì)上的差異，稱為同位素效應(yīng)(isotope effect)。1.2.3 穩(wěn)定同位素分餾同位素分餾(isotope fractionation)是指在一系統(tǒng)中，某元素的同位素以不同的比值分配到兩種物質(zhì)或物相中的現(xiàn)象。分餾是由于同位素在物理及化學(xué)性質(zhì)上的輕微差異產(chǎn)生的，因此一般情況下分餾的大小與同位素質(zhì)量差成正

4、比。例如，氫的兩個同位素（1H和2H）的相對質(zhì)量差是所有元素的同位素中最大的，因此自然界中氫同位素分餾也最大，一般比其他元素的同位素分餾大一個數(shù)量級。穩(wěn)定同位素的分餾可分為三種：（1）同位素?zé)崃W(xué)平衡分餾 (thermodynamic equilibrium fractionation)：體系經(jīng)過同位素?zé)崃W(xué)平衡交換反應(yīng)而達(dá)到平衡狀態(tài)時，同位素在兩種分子或化合物間的分餾。過程中不發(fā)生一般的化學(xué)變化，只是在不同的化合物之間或各個分子之間，同位素比值發(fā)生一定的變化，因素有：溫度、壓力、化學(xué)成分（重同位素傾向于富集在分子鍵性強(qiáng)的化合物中）、物質(zhì)結(jié)構(gòu)（在平衡條件下，2H和18O富集順序為：冰>水

5、>水蒸氣）、鹽效應(yīng)。（2）同位素動力學(xué)分餾 (kinetic fractionation)：是指由于輕重同位素分子的擴(kuò)散速度、反應(yīng)速度（包括物理的、化學(xué)的和生物化學(xué)的）不同引起的分餾，如光合作用、蒸發(fā)作用。動力學(xué)分餾適用于非平衡過程。（3）與質(zhì)量無關(guān)的同位素分餾(mass independent fractionation)：不符合質(zhì)量相關(guān)分餾原則（同位素交換反應(yīng)與質(zhì)量有關(guān)，同位素的質(zhì)量差愈大，則分餾越大）的分餾現(xiàn)象。原因可能與核過程有關(guān)，也可能是由于光化學(xué)反應(yīng)放電或激電作用的結(jié)果。兩種物質(zhì)間同位素分餾的程度用同位素分餾系數(shù)表示。常以兩種物質(zhì)中的同位素比值之商來表示：A-B=RA/RB（

6、RA和RB分別表示某一元素的兩種同位素在A、B兩種物質(zhì)中的比值，如2H/1H）。值通常十分接近1，一般用1.00n（n為自然數(shù)）表示。值愈偏離1，則說明兩種物質(zhì)之間同位素分餾的程度愈大。 1.3 應(yīng)用穩(wěn)定同位素的原理在不同的物理、化學(xué)和生物作用過程中，出現(xiàn)不同的同位素效應(yīng)，發(fā)生某種程度的同位素分餾。正是這一特性，使得我們可以用來研究其在底物、產(chǎn)物之間的變化從而找出底物和產(chǎn)物的變化關(guān)系和反應(yīng)途徑，有多種底物的時候還可以區(qū)分來源和對產(chǎn)物的貢獻(xiàn)比例。在實驗中使用最多的是氫穩(wěn)定同位素，其存在于水中，以此為例。當(dāng)植物利用的是某一種水分來源時，通過將植物水分的D與這種水源的D進(jìn)行對比，即可得知植物利用的水

7、分來源（Sternberg & Swart，1987； Dawson & Ehleringer， 1991； Sternberg et al.， 1991； Gregg, 1991； Phillips & Ehleringer，1995）。如果通過D數(shù)據(jù)的對比確定植物利用的是某兩種水源時，可以用簡單的兩端線性混合模型確定每一種來源所占比例（White et al., 1985）。當(dāng)兩種水源的D不同時，植物水分的D一定介于兩者之間。將具有較大D值的水源作為富集端，具有較小D值的水源作為消耗端，則植物水分中消耗端水源所占的比例為：P消耗（D富集D植物）/（D富集D消耗）其中

8、P消耗表示植物水分中消耗端水源所占的比例，D富集、D消耗和D植物分別表示富集端水源、消耗端水源和植物水分的D（Dawson, 1993）。 如果植物利用的兩種水源中,有一種處于動態(tài)變化中,模型會稍復(fù)雜些。已知一個植物的水分來源為地下水和一次夏季暴雨的混合物,模型可以寫作: Dsap=X×DGW+(1X)×DR×(1t/d)t/d×DGW，其中DGW為地下水的D, DR為雨水的D，X為雨后地下水的比例,d為雨水在植物水分中的衰減期,單位為d，t為從下雨后開始的時間,單位為天。t=0時,植物汁液的D (即Dsap)等于剛下完雨時地下水和雨水混合物的D；t=d

9、時, Dsap等于地下水的D。如果植物沒有利用地下水,DGW也可以是徑流或土壤水的D。這樣,從下雨開始到植物水分重新等于地下水、徑流或土壤水的D為止,每天測定植物水分的D即可確定X。對于兩次或更多次降水的情形以上方程可以擴(kuò)展為:Dsap=X2×DGW(1X2)×DR(rain2)×(1-t2/d)Dsap(rain1)×t2/d，Dsap(rain1)是從第一次降雨得到的植物汁液的D,X2是第二次降水后的X值,t2是從第二次下雨后開始的時間,單位為d。另外的降水事件可以用同樣的方法結(jié)合進(jìn)來（White et al., 1985）。1.4 可用于生物分析的

10、穩(wěn)定同位素元素特征：（1）原子質(zhì)量相對較?。ㄒ话?0）；（2）同位素之間原子質(zhì)量差異足夠大；（3）存在多種氧化態(tài)/化合物種類多；（4）重同位素豐度足夠高。1.5 常用穩(wěn)定同位素2H（D）、18O1.5.1 HO同位素分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中一種元素的幾個同位素的絕對量的測量，通常是十分困難的。實際工作中往往采用相對測量法，即只要知道待測物質(zhì)中某元素的兩種穩(wěn)定同位素的比值與一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中同一元素的兩種同位素的比值之間的差異即可。這一差異用值來表示：=(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)1)×1000，值是樣品與標(biāo)準(zhǔn)之間同位素比值間的相對偏差，單位用千分值（）表示。若一個樣品的2H值為5.0，即表示該樣品中的2H，相對

11、于標(biāo)準(zhǔn)樣品少富集5.0。(圖1.4)氫氧同位素分析結(jié)果均以標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水（Standard Mean Ocean Water，即SMOW）為標(biāo)準(zhǔn)表示。這是一個假想的標(biāo)準(zhǔn)，其“絕對”同位素比值被定義為（Hayes，1982）：2H/1H=（155.76±0.10）×10-6，18O/16O= (2005.20±0.43)×10-6，17O/16O= (373±15)×10-6；國際原子能委員會（IAEA）研制和分發(fā)了兩個用作同位素標(biāo)準(zhǔn)的水樣（Gonfiantini, 1978）：一個是V-SMOW（Vienna-SMOW），它是用海水經(jīng)

12、蒸餾后加入其他水配制的，一個是SLAP（Standard Light Antarctic Precipitation），它是由南極融冰水配制的。這兩個標(biāo)準(zhǔn)的氫、氧同位素組成分別為：DVSMOW=0，18OVSMOW=0；DSLAP=428，18OSLAP=-55.50。1.5.2 蒸發(fā)與凝結(jié)天然水是H216O，HD16O，D216O，H217O，HD17O，D217O，H218O，HD18O，和D218O等不同類型同位素水分子的聚合體。最輕的同位素水分子H216O在天然水的含量中占絕對多數(shù)。蒸發(fā)與凝結(jié)是在大氣與地表水，大氣與海洋之間的一種大面積的H、O同位素的交換過程。該過程對于海洋大氣大陸地

13、表水的HO同位素組成有重要影響。當(dāng)水蒸發(fā)時，由于較輕的水同位素分子的零點能（E0）較小，飽和蒸汽壓較低，所以輕同位素分子優(yōu)先富集于蒸汽相中進(jìn)入空間，氣體中的輕同位素16O和1H的含量增加。 相對而言，留下的水中富集重同位素分子，水中的重同位素18O和氘(2H)的含量增加。當(dāng)水蒸發(fā)過程進(jìn)行的很慢時，水/汽界面處于同位素平衡狀態(tài)?？諝鉂穸葘σ粋€地區(qū)水蒸發(fā)過程中的同位素平衡有很大影響。如果水的蒸發(fā)速度進(jìn)行得很快，水/汽之間的同位素分餾就會出現(xiàn)不平衡狀態(tài)。這是由于在自然界的蒸發(fā)作用多半在非平衡條件下（相對濕度遠(yuǎn)小于100%）。在云中的水蒸汽冷凝成雨滴過程中，液相和氣相之間往往達(dá)到了同位素平衡。當(dāng)從海洋

14、表面蒸發(fā)水蒸汽時，水氣中虧損D和18O，液相中富集D和18O。1.5.3 大氣降水所有大陸地表水，例如江水，河水，湖水，冰川，地下水，以及一些沉積盆地的鹵水和地?zé)崴?，都是來源于大氣降水。而大氣降水的來源是海洋表面的蒸發(fā)。大氣降水的同位素組成變化較大，D值一般在 +50 500，18O值一般在 +10 55 。影響大氣降水H, O同位素組成的因素： （1）緯度效應(yīng)。緯度增加，則大氣降水的D和18O值減少。隨著從海面蒸發(fā)的水汽的不斷降雨的過程，剩余的水汽中越來越虧損D和18O，其雨水和雪水中的D和18O值也越低。自然界最富集輕同位素的水是南極冰水：D值為 428.5，18O值為 55.5。 （2）

15、海拔高度效應(yīng)。高度上升，則大氣降水的D和18O值減少。一般對于D值，每升高100m，降低1.2 4；對于18O 值，每升高100m，降低0.15 0.5。 （3）離岸遠(yuǎn)近。越向內(nèi)陸，大氣降水的D和18O值越降低。（圖1.1，圖1.2）（4）季節(jié)效應(yīng)。在冬季或干季，大氣降水的D和18O值增加；在夏季或雨季，D和18O值減少。主要是溫度效應(yīng)。1.5.4 河水河水有兩種補(bǔ)給源：大氣降水和地下水。不同地區(qū)，不同季節(jié)，它們對河流的補(bǔ)給量也不同。大氣降水形成徑流和小河，這些小河的同位素組成反映大氣降水的特征，具有季節(jié)性變化特征。大河水系是由小河匯集而成，所以它們的同位素組成要復(fù)雜得多。高山區(qū)的徑

16、流往往依賴于冰雪的融化，這種成因的小河流的同位素組成顯示出季節(jié)性變化，但其季節(jié)性變化與大氣降水的情況相反。在夏季時，大量冰雪融化，融水與夏季降雨相比虧損D和18O，甚至低于冬季降雨。緯度，高度，離岸遠(yuǎn)近，季節(jié)（溫度）等因素都對河流體系的同位素組成有影響，常常造成在一條大河水系中，從源頭到各支流，一直到河流的下游，水的同位素組成都有變化。1.5.5 雨水線方程全球雨水H, O同位素組成的一個重要特征是dD值與18O值間有明顯的線性關(guān)系（Craig,1961），該關(guān)系式如下：D = 818O + 10 (雨水線方程，圖1.3)圖1.1 海水蒸發(fā)云團(tuán)和內(nèi)陸雨水、冰蓋的氧同位素組成變化 圖1.2 中國

17、現(xiàn)代地表年平均大氣降水dD等值線趨勢圖 （張理剛，1989）圖1.3 標(biāo)準(zhǔn)雨水線但在實際中，有些地區(qū)雨水D與18O的關(guān)系往往與上述雨水線方程有偏差。其中我國西南區(qū)大氣降水H，O同位素的關(guān)系為：D = 7.5418O + 4.84。圖1.4 氫同位素在天然物質(zhì)中的一般分布（以dD表示） 1.6 應(yīng)用實例 1.6.1古氣候研究20世紀(jì)70年代初開始的對有機(jī)物中重氫的調(diào)查以及之后的研究表明植物纖維素的氫、氧穩(wěn)定性同位素組成與主要氣候因子如溫度、濕度及降雨量之間有密切的相關(guān)關(guān)系。因此，根據(jù)樹木年輪中纖維素的D可推測古氣候的變化。Libby等發(fā)現(xiàn)從1700年到1975年，一株德國橡樹纖維素的D、18O的

18、變化與冬季溫度的變化相吻合。1.6.2 植物光合途徑有不同光合途徑的植物D不同，CAM植物的D明顯大于C3和C4植物，溫室條件下，C4植物的D又比C3植物高。通過分析植物硝化纖維素的D，可區(qū)分出植物這3種主要光合途徑。1.6.3 動物生理生態(tài)學(xué)可用雙標(biāo)水法(Doubly Labeled Water Method)研究動物的水分、食物及能量需求。雙標(biāo)水DH18O注入機(jī)體后,標(biāo)記的氧元素18O將以H2O和CO2方式失去，標(biāo)記的氫元素D以H2O的方式消失。兩種標(biāo)記元素轉(zhuǎn)化速率的差異與CO2排放量成正比。監(jiān)測D、18O的變化可以得到動物的水分損失及CO2排放量。此方法可以在動物自由活動時測定，測定CO

19、2排放量的標(biāo)準(zhǔn)誤差不超過5%，標(biāo)準(zhǔn)差只有3%10%。利用這一技術(shù)， Schoeller等研究了人體的能量消耗。1.6.4食物鏈研究動物機(jī)體組織中的D與所吃食物的D相近。分析生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各營養(yǎng)級生物的D能揭示該系統(tǒng)的營養(yǎng)關(guān)系及元素在系統(tǒng)內(nèi)的流動過程。在早期的研究中，通常只分析一種穩(wěn)定性同位素，主要是碳同位素，對于復(fù)雜的食物網(wǎng)，就需要兩種或兩種以上穩(wěn)定性同位素綜合技術(shù)，因為一種元素的同位素比率相同的有機(jī)體，另一種元素的同位素比率可能完全不同。1.6.5 氫穩(wěn)定性同位素分析確定植物水分來源確定植物利用的水分來源，首先用同位素質(zhì)譜儀測定環(huán)境中可能的水分來源(如降水、土壤水、徑流、地下水等)和植物水分(根

20、系水、莖水或木質(zhì)液)的氫同位素組成。然后，通過對比和模型計算可得到植物利用的不同來源水分所占的比例。當(dāng)植物利用的是某一種水分來源時，通過將植物水分的D與各種水源的D進(jìn)行對比，即可得知植物利用的水分來源。植物根系在吸收水分時，氫、氧穩(wěn)定同位素一般不發(fā)生分餾；沿木質(zhì)部向上運(yùn)輸?shù)臅r候不存在汽化過程，也不發(fā)生分餾，但是隨著高度的增加木質(zhì)部、韌皮部的水分在蒸騰時氫、氧同位素會強(qiáng)烈富集。氫、氧同位素穿過凱氏帶時表現(xiàn)截然不同，穿過凱氏帶需主動運(yùn)輸而打斷鍵，1H和2H的差異相對16O和18O的差異大的多，相對打斷鍵的能量要大很多，因此凱氏帶完整的植物根系吸收水分時氫穩(wěn)定同位素會發(fā)生分餾而氧同位素分餾不明顯。所

21、以利用氫、氧穩(wěn)定同位素確定植物利用水源的時候要注意植物本身的特性。森林群落實例：White等分析了阿肯色州沼澤地優(yōu)勢樹種Taxodium distichum的邊材木質(zhì)液的D，發(fā)現(xiàn)它不受夏季降水影響，因為它的根在淺水層下，降水影響不到它利用的地下水的D。紐約州干燥處的白松Pinus strobus在暴雨后5d里幾乎完全利用雨水，第6天開始吸收心材水分多次降水的時間平均值；濕潤處的白松暴雨后的木質(zhì)液D界于雨水和地下水之間，表明兩者都利用，5d或6d后，D幾乎與地下水相同。通過計算，干燥處的白松，在干旱和濕潤的夏季分別利用了雨水的20%和32%,濕潤處的樹木這個數(shù)字為10%和16%。植物間的相互作用

22、實例：深根系種類(如高大的喬木)將吸收的深層土壤水釋放到上層土壤，這個過程稱為“水力提升”(hy-drauliclift)。提升上來的水分幫助它度過旱季，同時相鄰的植物(如樹下的草本)也可以“坐享其成”。如在紐約州的夏季干旱中，地下水被糖槭Acer saccharum水力提升上來，附近淺根系的草本、灌木和幼樹隨著到大樹距離的增大表現(xiàn)出越來越重的萎蔫程度。D分析顯示它們利用的水分中“水力提升水分”所占的比例：野草莓Fragaria virginiana為46%61%,矮灌木越橘Vaccinium vacillans、多年生草本秋麒麟草Solidago flexicaulis和禾草Holcus l

23、anatus為19%25%,小山毛櫸樹Fagus grandifolia為7%。與其它種類比，利用水力提升水的草本種類一般有較高的葉片水勢、葉片傳導(dǎo)率和有利的水分平衡，對于競爭水分優(yōu)勢明顯。植物水分利用的歷史再現(xiàn)實例：通過測定年輪纖維素的D，可以重建植物對水分利用的變化歷史，樹輪中D能夠指示樹木生長過程中利用的水源。Dawaon等分析葉槭Acer negundo的年輪寬度(代表徑向生長增量)和年輪中的D，表明在生命最初2025a中，D值與夏季降水相似，徑向增長不規(guī)律。25a以后D與地下水相似，年輪較大，生長穩(wěn)定。說明葉槭年幼時利用地表水源(如降水或河水)，生長不穩(wěn)定與水源的不穩(wěn)定有關(guān)；樹木長到

24、一定大小，利用到了穩(wěn)定的水源地下水，因而穩(wěn)定地生長。 二、應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究岷江上游亞高山灌叢對降水的分配機(jī)制的意義隨著技術(shù)的發(fā)展和認(rèn)知手段的提高，穩(wěn)定同位素技術(shù)從地球化學(xué)逐漸被引入生物學(xué)中應(yīng)用，已被稱為生態(tài)學(xué)三大現(xiàn)代技術(shù)之一。研究發(fā)現(xiàn)，生物體中穩(wěn)定同位素的含量與其自身特點、生存的環(huán)境條件密切相關(guān)。生物，尤其是植物的機(jī)體組織中的重氫（D）反映了生活環(huán)境中的水分來源。環(huán)境水中的dD值變化很大（地球樣品變異范圍達(dá)700%），與新陳代謝過程有關(guān)的同位素分餾進(jìn)一步影響機(jī)體組織的dD。來源水、植物水分和樹輪纖維素的氫同位素組成分析可用于在各種群落類型和環(huán)境中分析植物短期和長期的水分利用形式，還可用于

25、研究植物與植物之間的相互作用。穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用，給研究植物群落對降水的分配機(jī)制提供了新的研究思路、技術(shù)方法，從分子的水平來揭示植物體、植物群落對水分的分配機(jī)制（來源、對不同來源選擇性吸收及利用、走向），從而深刻的認(rèn)識其轉(zhuǎn)化、利用規(guī)律，為區(qū)域?qū)哟紊险{(diào)節(jié)植物群落的類型、結(jié)構(gòu)、分布方式以趨利避害（如有利于水土保持，減少洪澇災(zāi)害發(fā)生的幾率）和科學(xué)管理提供理論依據(jù)。并為建立降水分配實驗室模型提供實踐參照和理論依據(jù)。三、研究目的本研究是973項目“西部典型區(qū)域森林植被對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的調(diào)控機(jī)理”第四課題“森林植被對區(qū)域洪澇災(zāi)害和水資源的調(diào)節(jié)作用”研究內(nèi)容之一。在分析岷江上游流域亞高山灌叢植被特征基礎(chǔ)上，

26、利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，測定亞高山灌叢降水、土壤水、地表徑流、植物水的氫穩(wěn)定同位素值，闡明亞高山灌叢在不同降水條件下水分循環(huán)的特征，得出對降水的分配機(jī)制和轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立氫同位素的空間相關(guān)模型，為研究森林植被的演變過程、洪澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)和參考。四、研究內(nèi)容以岷江上游為研究對象，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，研究特定植被類型（亞高山灌叢）對降水、土壤水、地表徑流的分配與轉(zhuǎn)化關(guān)系，揭示不同降水條件及氣象特征下該植被類型對徑流形成與分配的影響以及植被結(jié)構(gòu)與配置格局對徑流分配的作用機(jī)制。（1）選擇適當(dāng)?shù)攸c，設(shè)置有效樣地（以一種主要植被類型為對象），按預(yù)先制訂的標(biāo)準(zhǔn)采取降水、植物、土壤、地表徑流（包括河水）

27、樣品；（2）觀測和記錄水文資料（水文站）以及氣溫、降水、濕度等氣象數(shù)據(jù)（生態(tài)定位站）；（3）獲取所選主要植被類型、對象植物和樣地的一些基本特征；（4）測定降水、植物、土壤、地表徑流樣品中的穩(wěn)定同位素值，建立降水、植物和地表徑流同位素值對比關(guān)系模型，探討該植被類型、植物體在其中的地位、作用；（5）進(jìn)一步擴(kuò)展，建立降水分配的實驗室模型。五、技術(shù)路線與實施計劃5.1 研究地點概況岷江發(fā)源于岷山南麓，按照自然區(qū)劃，都江堰渠首以上為岷江上游，區(qū)域位置在北緯30°45'至33°09'，東經(jīng)102°35'至103°56'之間，幅員面積2

28、3012.65km2，上游干流全長337km。本次研究定點在阿壩州汶川縣內(nèi)臥龍自然保護(hù)區(qū)鄧生生態(tài)定位站（海拔2731m，北緯30°51.511'，東經(jīng)102°58.381'），具體點為巴朗山陽坡，在相對干旱條件下生長了亞高山灌叢（主要是高山櫟），是該海拔梯度下的一個頂級群落。5.2研究對象在鄧生生態(tài)定位站巴朗山陽坡的高山櫟（川滇高山櫟）高山柳（牛頭柳）亞高山灌叢，按照海拔梯度（大約每上升100m）選擇3個固定的典型性樣地（10m×10m），在每個樣地選擇高山櫟、高山柳各3棵，做好標(biāo)記。并在采樣點附近找到地表徑流小溪I和小溪II。具體位置為樣地A海拔

29、3072m，北緯30°51.810'，東經(jīng)102°58.147'；樣地B海拔2929m，北緯30°51.845'，東經(jīng)102°58.286'；樣地C海拔2834m，北緯30°51.782'，東經(jīng)102°58.364'；小溪I海拔3032m，北緯30°51.845'，東經(jīng)102°58.171'；小溪II海拔2786m，北緯30°51.850'，東經(jīng)102°58.531'。 5.3 取樣 5.3.1取樣內(nèi)容 水樣：群落外

30、雨水（氣象站），群落內(nèi)雨水（氣象站），地表徑流（小溪），河水，雪水； 固體：高山櫟、高山柳的枝條和葉片，主要草本，枯枝落葉，腐殖質(zhì)，土壤（0cm5cm、5cm10cm、10cm20cm、20cm30cm、30cm40cm、40cm50cm）。 5.3.2 取樣方法 設(shè)置固定樣地3個（10m×10m），在6棵固定的標(biāo)記樹上取枝條和葉片，封入封口袋中；在樣地內(nèi)挖取完整主要草本類型的植株3棵，封入大封口袋；樣地內(nèi)選擇固定點做土壤剖面，分別采取枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層及6層土壤，裝入塑料瓶（350ml，帶密封橡皮塞）；在小溪I、小溪II和巴朗河灌取水樣，也裝入塑料瓶。植物樣品封裝后放入攜帶的低溫

31、冷藏容器里以降低或者停止生物學(xué)活性。 氣象數(shù)據(jù)由鄧生生態(tài)定位站提供，群落外和群落內(nèi)雨水也由定位站采取。 5.3.3 取樣時間和頻率 5月初（雪水）6月9月底（雨水）：固體（上午10點半以前）、水樣（雨水結(jié)束時）。 雪水期采樣頻率：1次/5天，連續(xù)2個月；雨水期采樣頻率：無雨或者小雨時，1次/5天；大雨（10mm，接著以5mm為梯度）連續(xù)采樣10天。 同時每個月采取含水量測定樣品一次（植物取樣與正常一致，土壤及枯枝落葉、腐殖質(zhì)則一般取30g40g）。 2003年7月25日9月6日已完成第一次采樣。共采集樣品3次28天，對照樣品2次2天，含水量樣品2次2天（對照和含水量樣品同天同次采?。?。具體時間

32、為：7月25日、8月25日采集對照、含水量樣品。7月28日8月6日（10mm級），8月10日14日、1620日（15mm級），8月30日9月6日（30mm級）采集樣品（具體降水量及期間較大降水見降水量.xls）。同時采樣期期間若有較大降水采集穿透水穿透水.xls。 5.4 技術(shù)路線 5.4.1 含水量 采取的含水量測定標(biāo)本在采樣地點即封好，回到定位站立即稱取濕重。土壤、腐殖質(zhì)標(biāo)本在烘箱里105110烘24小時48小時，直至恒重；植物、枯枝落葉標(biāo)本在烘箱里80烘24小時。得到的干重/濕重就是干濕比，進(jìn)而得到含水量（含水量1干重/濕重）。 土壤植物含水量.xls 5.4.2 同位素值（dD）處理在

33、1.5.1中已經(jīng)提到=(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)1)×1000，故氫穩(wěn)定同位素的比率（D）的表達(dá)式為：dD（R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)1）×1000，R樣品 為樣品的D/H同位素之比，R標(biāo)準(zhǔn) 為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的D/H，標(biāo)準(zhǔn)值采用SMOW/VSMOW或者SLAP。樣品dD按照1.3中原理處理分析。5.4.3 同位素樣品制備植物體液水氫同位素制備.1制備原理從植物樣品中提取水，然后與活化鋅反應(yīng)：Zn + H2O ZnO + H2把生產(chǎn)的氫氣用活性炭在液氮溫度下吸收，把裝有氫氣的樣品瓶送儀器室進(jìn)行質(zhì)譜分析，獲得樣品D。.2 實驗步驟 制備真空系統(tǒng) 植物體液水的提取

34、選取葉柄和葉片基部少量，裝入萃取瓶，將細(xì)管插入萃取瓶內(nèi)，通氬氣約一分鐘把管內(nèi)空氣趕去，然后拔出細(xì)管立即蓋上蓋（或者在惰性氣體的手操箱中裝樣）。 把萃取管裝上真空系統(tǒng)并用液氮杯冷凍樣品約3分鐘。 把萃取管上閥門的抽真空到5×10-1Pa，給加熱絲加熱使萃取管溫度為80。 關(guān)冷阱兩邊閥門V1和V2，在冷阱套液氮，然后將萃取管取下液氮杯，用吹風(fēng)機(jī)緩緩吹樣品，使樣品中水冷卻到冷阱中，約5分鐘。樣品水與活性鋅反應(yīng) 關(guān)萃取管上活塞，將冷阱上液氮取下，用熱吹風(fēng)機(jī)把樣品水蒸發(fā)，冷凍轉(zhuǎn)移到鋅爐的U冷阱上。 關(guān)閉鋅爐（加熱反應(yīng)溫度400）兩邊閥門V1和V2，取下U1冷阱液氮，將液氮瓶套在U2上，讓蒸發(fā)水

35、進(jìn)入鋅爐與鋅反應(yīng)，這樣循環(huán)交換4次，達(dá)到完全反應(yīng)。 將樣品水完全反應(yīng)生成的氫氣，用預(yù)先經(jīng)過激活處理和抽好真空的活性炭樣品管，在液氮溫度下，全部吸收樣品氫氣。 將樣品管送儀器室進(jìn)行質(zhì)譜（MAT-252）分析，獲得D。 質(zhì)譜儀參數(shù)簡介質(zhì)譜儀型號為MAT252，廠家為Finnigom MAT公司，D測試分析的總誤差為±3。 土壤水、河水、地表徑流水氫同位素制備.1 制備原理：同上.2 實驗步驟 制備真空系統(tǒng)：同上 土壤、地表徑流水樣品水的提取將萃取瓶II（已抽真空）兩端閥門關(guān)閉，連接一根注射針扎入取樣瓶的橡皮塞，取樣瓶中土壤水向萃取瓶II移動，到達(dá)

36、一定量后拔出注射針，封閉。-步驟同上。 樣品水與活性鋅反應(yīng)：步驟同上。5.4.4 氣象數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)由鄧生生態(tài)定位站提供。已收集2003年7月21日9月7日氣象資料。氣溫蒸發(fā)量.xls降水量.xls5.5 當(dāng)前及第二年工作計劃（1）首先完成2003年度樣品的同位素值測定；（2）2004年5月6月，在固定樣地再次取樣，帶回分析；（3）初步得出亞高山灌叢對降水、土壤水、植物水、地表徑流的分配和轉(zhuǎn)化規(guī)律。六、需解決的關(guān)鍵問題（1）如何合理的選擇植被類型和樣地（已完成：選擇亞高山高山櫟高山柳灌叢，按照海拔梯度選擇典型樣地）；（2）采取的降水、植物、土壤、地表徑流樣品同位素值的分析，找到其中的關(guān)系，植物在

37、其中作用，擴(kuò)展到區(qū)域?qū)哟紊显撝脖活愋蛯σ淮巍⒍啻谓邓姆峙?、產(chǎn)流影響，探討該植被類型的結(jié)構(gòu)和配置格局對徑流分配的作用機(jī)制；七、預(yù)期成果 （1）得出植物對水分吸收、利用、轉(zhuǎn)化的規(guī)律，找出其在水循環(huán)中的作用路線； （2）揭示不同降水條件及氣象特征下該植被類型對徑流形成與分配的影響以及植被結(jié)構(gòu)與配置格局對徑流分配的作用機(jī)制； 主要參考文獻(xiàn)曹燕麗，盧琦，林光輝2002氫穩(wěn)定性同位素確定植物水源的應(yīng)用與前景生態(tài)學(xué)報1：111117.郭范，上官志冠，夏進(jìn)1994穩(wěn)定同位素和元素組成判定潛水河雨后地表徑流水的構(gòu)成地球化學(xué)23（1）：4249.劉進(jìn)達(dá)，趙迎昌，劉恩凱，王東升1997中國大氣降水穩(wěn)定同位素時空分

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