李裕紅, Leonel Sternberg, 林光輝

(1.華僑大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，廈門 361021;2.邁阿密大學(xué)生物系，珊瑚墻市(美國) FL 33141；3.清華大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)系，北京 100084;4.清華大學(xué) 深圳國際研究生院，深圳 518055)

水在土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC )通過蒸騰、蒸發(fā)、凝聚、降落、滲透等過程影響和決定著流域的水循環(huán)。準(zhǔn)確理解降水、植物水、土壤水、地下水及流域輸出水(如蒸發(fā)、蒸騰和徑流)等水分庫的動態(tài)及它們之間的復(fù)雜相互作用，仍然是生態(tài)水文學(xué)研究的重大挑戰(zhàn)任務(wù)之一[1-2]，需要借助穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用[3-4]。大約十年前，Brooks等應(yīng)用雙同位素方法(18O和2H)研究美國俄勒岡州一個流域的水分流動過程，發(fā)現(xiàn)流入溪流或補(bǔ)給地下水的降水與樹木所用的土壤水存在明顯的生態(tài)水文分離(ecohydrological separation)現(xiàn)象，首次提出了同位素雙水世界假說(Two Water Worlds hypothesis)，簡稱TWW假說[5]。TWW假說認(rèn)為：土壤水可分為土壤流動水和束縛水，它們之間不進(jìn)行同位素交換，而植物更傾向于利用土壤束縛水[3]。盡管有越來越多的研究證據(jù)支持TWW假說[6-12]，但TWW假說的有效性至今仍存在眾多爭議。這主要是由于TWW假說與傳統(tǒng)水文學(xué)的移動流范式[13]以及植物生理用水耗能規(guī)律方面存在相矛盾之處，而且陸續(xù)有一些新的證據(jù)與TWW假說相悖[14-16]。

近10年來，同位素生態(tài)水文學(xué)研究已陸續(xù)有不少綜述[17-22]，呂斯丹等最近也在《應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)》發(fā)表有關(guān)同位素生態(tài)水文分離現(xiàn)象及其研究進(jìn)展的綜述論文[23]，但至今未見系統(tǒng)介紹同位素TWW假說及其應(yīng)用的綜述論文。本文在簡要介紹同位素TWW假說的發(fā)展歷史和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)評述同位素TWW假說在研究SPAC中生態(tài)水文分離、土壤水流動過程、植物水分吸收與運(yùn)移過程等方面的重要研究進(jìn)展及其存在的不足，并對同位素TWW假說及其應(yīng)用的未來研究方向提出一些建議，以期為穩(wěn)定同位素技術(shù)在我國生態(tài)水文過程研究中的應(yīng)用提供參考。

1 同位素雙水世界假說的發(fā)展與內(nèi)涵

自美國氣象局和森林管理局1910年在美國科羅拉多州南部的Wagon Wheel Gap建立了世界第一個配對集水區(qū)的森林生態(tài)水文定位研究站以來，對植物水分利用和蒸騰作用與水文學(xué)之間的關(guān)聯(lián)已開始了近百年的定量研究[24]。這些流域尺度的實(shí)驗(yàn)研究清楚地表明植被與流域水流之間存在著密切聯(lián)系。然而，配對集水區(qū)研究法只能推測植物-水流相互作用的機(jī)制，其核心就是水分移動流概念(the concept of translatory flow)[5,13]。水分移動流理論認(rèn)為土壤中的水分完全混合。許多配對集水區(qū)的研究結(jié)果支持水分移動流理論，一些研究結(jié)果表明植物利用了本來會形成徑流(streamflow)的水，從而把蒸騰和徑流關(guān)聯(lián)起來[25-26]。降水輸入后與地下水完全混合是目前多數(shù)流域水文模型的前提假設(shè)，即與植物根對土壤水和河川徑流水的利用一致。然而，運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)的研究提出了不同的見解。例如，1991年Dawson和Ehleringer在《Nature》上發(fā)表的研究發(fā)現(xiàn)：猶他州鹽湖城附近一條河流邊成年樹木的根系可連續(xù)分布在整個土壤剖面中，但莖水的氫穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)揭示出最活躍的吸水區(qū)域僅限于較深的土壤層，說明這些成熟的河岸樹木并不依賴于溪水，而是利用了更深的地下水[27]，這也證明了植物水與其環(huán)境水分庫之間存在復(fù)雜的相互作用。

Brooks等[5]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)探討了在季節(jié)性干旱氣候影響下小流域尺度的水文和蒸騰之間的關(guān)聯(lián)。他們收集和測定了2004—2006年間俄勒岡州安德魯斯地區(qū)約10公頃森林32個分水嶺區(qū)域局地降水、河川徑流、土壤水和樹木水樣品的δ18O和δ2H，但沒有發(fā)現(xiàn)任何研究區(qū)的土壤或樹木水的氫氧同位素關(guān)系與河流水的相類似。土壤和樹木水的δ18O和 δ2H均沒有落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(Local Meteoric Water Line,LMWL)上，而是都低于LMWL，表明這些水分存在一定程度的蒸發(fā)(圖1)。圖1中顯示，進(jìn)入土壤表層降水(一般是氘和18O富集的夏季雨水)或深層降水(一般是氘和18O貧化的冬季降水)的同位素信號會落在LMWL上，而被植物吸收的土壤水束縛水由于束縛水效應(yīng)其同位素信號遠(yuǎn)離了LMWL，或由于土壤水的蒸發(fā)效應(yīng)更接近EWL，因而出現(xiàn)土壤-植物體系中不同水分庫的同位素分離現(xiàn)象。

橘黃色點(diǎn)——木質(zhì)部水；紅色點(diǎn)——土壤水；LMWL——當(dāng)?shù)卮髿饨邓€；EWL——蒸發(fā)水線圖1 土壤-植物體系中不同水分庫的同位素組成及同位素分離概念示意圖[3]Orange spot——Xylem water;Red spot——Soil water;LMWL——Local Meteoric Water Line;EWL——Evaporative Water LineFig.1 Conceptual diagram of isotope composition of different water pools in soil-plant system and hydrogen and oxygen isotope effect during water exchange[3]

他們還發(fā)現(xiàn)，秋季增濕期間一次大降水事件之后土壤孔隙陸續(xù)被重同位素更貧化的水注滿，并逐漸向更深土壤滲透(圖2a)，導(dǎo)致土壤水的氧同位素比值(δ18O)越深越負(fù)(即圖2中顏色變深)，即降水由于雨洗(rainout)過程進(jìn)入徑流。進(jìn)入雨季之后，降水更易從土壤大孔隙等捷徑進(jìn)入徑流(圖2b)。進(jìn)入干旱季節(jié)，土壤大孔隙里的水逐漸干枯，剩余的水與土壤細(xì)小孔隙緊密結(jié)合成為束縛水，植物則利用這些束縛水用于蒸騰(圖2c)。Brooks等[5]的研究發(fā)現(xiàn)在土壤中停留時間最長的水(結(jié)合在小孔隙中的束縛水)更有可能被植物移除，而不是被輸送到河流中。

圖2 俄勒岡森林生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)水分流動過程及其同位素比值變化示意圖[5] (水的顏色從亮黃到深藍(lán)代水分的18O逐漸貧化的趨勢)Fig.2 Conceptual model for water resource separation in a forest ecosystem in Oregon, USA[5] (The color of water from bright yellow to dark blue represents a trend of gradual depletion in 18O of waters)

基于以上這些研究結(jié)果，Brooks等于2010年首次提出同位素雙水世界(TWW)假說[5]。該假說認(rèn)為：土壤水可分為土壤流動水和土壤束縛水，兩者之間的同位素組成存在顯著差異，且土壤流動水與束縛水之間不進(jìn)行同位素交換，而植物更愿意利用土壤的束縛水[5]。也就說，降水進(jìn)入土壤后，與土壤水混合后可形成土壤流動水和束縛水兩個具有不同同位素組成的水分庫，該假說假設(shè)即使存在更多的流動水，植物仍會優(yōu)先利用束縛水。McDonnell[9]對該假說的內(nèi)涵及其在研究生態(tài)水文過程中應(yīng)用進(jìn)展做了系統(tǒng)的總結(jié)。Evaristo等對全球47項(xiàng)同位素水文研究數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明土壤流動水和束縛水之間的生態(tài)水文分離可能在大多數(shù)生物群落中廣泛存在，因而認(rèn)為同位素TWW假說具有全球普適性，論文發(fā)表在《Nature》上[10]。另外，近幾年也有越來越多的研究支持同位素TWW假說[6-12]，還有不少的研究成功地利用該假說量化了植物對不同水源的利用比例[11，28]。Good等[29]還成功利用同位素TWW假說對全球尺度水分交換通量進(jìn)行了拆分，其研究結(jié)果于2015年發(fā)表在《Science》上，充分展示出該假說在研究不同尺度生態(tài)水文過程量化等方面的重要作用[30-31]。

2 同位素TWW假說在生態(tài)水文過程研究的應(yīng)用進(jìn)展

在同位素TWW假說提出后10年的時間里，已有眾多的研究者對該假說進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并以該假說為理論基礎(chǔ)研究了不同時空尺度的生態(tài)水文過程，取得了一些重要進(jìn)展。

2.1 同位素TWW假說與SPAC體系的水同位素分餾研究

同位素TWW假說的核心思想就是樹木和溪流能將不同水分庫的水送回水圈[5-11，28，32-33]。支持同位素TWW假說的研究表明，自然界存在2種具有各自同位素組成特點(diǎn)的不同水分庫：降水、土壤滲流、地下水和河川徑流中的流動水(這些水的同位素信號一般都落在同位素大氣降水線MWL上)與植物木質(zhì)部水和大部分土壤水(其同位素信號一般低于MWL，但沿蒸發(fā)線EWL分布)(圖1)。然而，大部分深層的土壤水分同位素信號卻是沿著MWL分布[34-35]。

Craig用質(zhì)譜計(jì)測定了世界許多地區(qū)天然大氣水體中δD與δ18O之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大氣降水(包括冰、雪、雨和霧等)的δ18O與δD之間呈現(xiàn)線性相關(guān)(δD=8δ18O+10)，這是因?yàn)槠胶鉅顟B(tài)下D/H的分餾約為18O/16O的8倍[36]。蒸發(fā)是水循環(huán)發(fā)生同位素分餾最顯著的過程，既是能量驅(qū)動的過程，也是擴(kuò)散驅(qū)動的過程，包括平衡或非平衡的過程。在平衡條件下，輕同位素(即質(zhì)量為18的1H216O)優(yōu)先蒸發(fā)，而重同位素(即質(zhì)量分別為19和20的1H2H16O和1H218O)趨于富集[34]。在水汽飽和環(huán)境 (即相對濕度RH為100%)條件下，蒸發(fā)分餾效應(yīng)取決于溫度。相反，在不飽和的條件下，液相中較重的水同位素(即質(zhì)量為20的1H218O)以較慢的速度蒸發(fā)和擴(kuò)散到氣相，而較輕的水同位素(即質(zhì)量分別為18和19的1H216O和1H2H16O)擴(kuò)散較快。理論上，土壤兩個水分庫(流動水、束縛水)的δD與δ18O之間的關(guān)系應(yīng)該表現(xiàn)為同位素完全分離或具有一定連接性兩種形式。如同位素完全分離，土壤流動水的δD與δ18O的關(guān)系應(yīng)該與大氣降水的相似(即在圖1中MWL線上)，明顯不同于土壤束縛水(δD與δ18O的關(guān)系類似于圖1的EWL線)。反之，若存在一定的同位素連接性，土壤流動水δD與δ18O的關(guān)系就會偏離MWL線，更多的是介于MWL與EWL線之間(圖1)。絕大多數(shù)研究結(jié)果表明：土壤流動水的δD與δ18O的關(guān)系與MWL類似，但土壤束縛水多都落在EWL線上[5,11,30]，這為同位素TWW假說的有效性提供了強(qiáng)有力的支持[9]。

2.2 同位素TWW假說與土壤水流動過程的同位素交換研究

TWW假說挑戰(zhàn)了土壤移動流會與束縛水完全混合形成土壤徑流這一傳統(tǒng)理論范式[37]。生態(tài)水文學(xué)研究者以往通常假設(shè)降水與土壤水完全混合后形成徑流，也就是說，降水與土壤水混合存在生態(tài)水文分離現(xiàn)象，即土壤水可分為由土壤無效水和可供植物吸收的有效水構(gòu)成的束縛水及自由移動形成徑流的自由水，且兩個水分庫間存在著部分混合即連接性[38]。移動流的一個極端例子是土壤先前所有存在的舊水都被輸入的新水?dāng)D走并取代[39]，而另一個極端例子是輸入水通過大孔隙流動或繞行，即流入的新水通過土壤大孔隙向下流動，與先前存在的舊水(即被蒸發(fā)后留在土壤的降水)很少或根本沒有接觸，因此沒有出現(xiàn)混合[40]。Sprenger等通過土壤物理模型描述了粘土和粉質(zhì)土壤中流動水在土壤剖面穿行時間的空間變化主要受土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的驅(qū)動，而水在粘性土壤的穿行時間明顯長于壤質(zhì)到沙質(zhì)的土壤[41]，這在水文學(xué)上叫做優(yōu)勢流。上面提到，已有很多基于δD與δ18O的關(guān)系研究結(jié)果表明： 降水進(jìn)入土壤后可分為由土壤無效水和可供植物吸收的有效水構(gòu)成的束縛水及自由移動形成徑流的土壤流動水。

定性及定量解析降水與土壤水混合過程中土壤束縛水和流動水的完全分離特征是理解和量化生態(tài)水文過程的前提條件。同位素TWW假說激發(fā)了對生態(tài)水文數(shù)據(jù)的新解釋和研究流域水流路徑的新思路。土壤系統(tǒng)作為一個開放系統(tǒng)，土壤水的運(yùn)移變化過程必然影響著土壤與環(huán)境間的物質(zhì)與能量的交換過程，有許多模型用來研究闡述這些過程。大多數(shù)模型模擬的土壤水文過程中，已存水和輸入水之間有一個中間水平的相互作用，稱為對流-彌散流( convective-dispersive flow)[42]，其中先前存在的土壤水被不完全置換。在一次降雨事件之后，一些新的輸入水快速穿行于土壤，同時，一些新水“混合”并取代原來的舊水。Gerke等使用流動水-束縛水模型(mobile-immobile water model)研究多孔介質(zhì)中水和溶質(zhì)的優(yōu)先運(yùn)動的結(jié)果顯示，儲存在土壤小孔隙或聚塊體(soil aggragates)中的水與主要水流通路不直接相連，僅通過擴(kuò)散方式運(yùn)動[43]。在自然系統(tǒng)中，人們期望土壤水的繞流和對流-彌散流的組合取決于諸如土壤基質(zhì)電導(dǎo)率、介質(zhì)結(jié)構(gòu)、輸入速率和預(yù)測條件之類的變量[44-45]。模型分析結(jié)果表明，僅當(dāng)土壤水含量處于或接近飽和時，旁路繞流才占主導(dǎo)[45]。已有研究發(fā)現(xiàn)，與土壤移動流會與地下水完全混合的傳統(tǒng)生態(tài)水文模型相比，考慮流域性質(zhì)及流速的部分混合模型對進(jìn)行徑流形成、溶質(zhì)運(yùn)移等過程的模型也很重要[46]。

大陸上再生淡水的輸入來自降水，以及通過蒸發(fā)和蒸騰作用流失到大氣中。其中蒸騰是來自地球陸地的最大水通量，占陸地蒸散量的80%至90%[47]。鑒于此，即使所有新事件水都完全通過土壤基質(zhì)中最小混合的大孔隙輸送，靜態(tài)基質(zhì)水(附著在土壤細(xì)小基質(zhì)顆粒表面的束縛水)優(yōu)先被樹木吸收，但必須有一個來源來取代因植物吸收而流失的土壤水，并將相當(dāng)大比例的水歸還給大氣圈[11,47]。隨著植物從濕潤土壤中吸取水分，土壤和植物水勢逐漸下降，水分從水勢較高的地方向根附近水勢較低的地方移動。不可否認(rèn)的是，與土壤結(jié)合較緊密的基質(zhì)水須由保持較低張力的大孔隙水來置換補(bǔ)充[1]。

2.3 TWW假說與植物水分吸收和運(yùn)移過程同位素交換研究

植物吸收水分以及水分在植物體內(nèi)的運(yùn)移等過程受到許多內(nèi)外環(huán)境因子的影響, 而水分子中的氫氧同位素組成也敏感地響應(yīng)著內(nèi)外環(huán)境的變化。在SPAC體系中，水分總是從高水勢的地方運(yùn)動到低水勢的地方。由于大氣、葉片、根系及土壤間水勢梯度的存在，可以促使植物通過根系從土壤吸收水分，然后通過導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)街参锝M織器官，最終通過蒸騰作用進(jìn)入大氣。同位素TWW假說認(rèn)為即使存在更多的流動水，植物仍更愿意多利用束縛水。如果同位素TWW假說是合理的，那么為什么植物會優(yōu)先利用需要更多能量的、更緊密結(jié)合的束縛水呢？特別是當(dāng)土壤水分超過田間持水量？要回答這個問題，需要更多的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)研究。

現(xiàn)已知道，大部分水以流動的形式進(jìn)入植物的根界面，并通過根的內(nèi)皮層穿過凱氏帶，再通過胞間運(yùn)輸和共質(zhì)體途徑進(jìn)入莖干和枝條的木質(zhì)部，并通過樹干的維管束將水輸送到葉片。目前普遍的研究認(rèn)為土壤水分在被植物根系吸收及隨后沿導(dǎo)管向上傳輸?shù)倪^程中與外界環(huán)境不發(fā)生水分交換，因此不存在氫氧同位素的分餾過程[48-49]，即植物根、莖、枝木質(zhì)部水的同位素比值與根系吸收的土壤水沒有顯著的差異。然而，越來越多的研究表明，除了葉片蒸騰會產(chǎn)生顯著的水同位素分餾從而使葉片水富集氘、18O外，從植物根吸水到遷移至葉的整個路徑都可能發(fā)生氫、氧同位素分餾[14-15，50-53]。

其一，有證據(jù)表明，同位素分餾可能發(fā)生在土壤-植物體系水流動的整個路徑。Lin 和 Sternberg發(fā)現(xiàn)濱海濕地一些鹽生植物主要依賴土壤表層水而且在吸收水分過程存在同位素分餾[50]。本文作者和Vargas等對淡水陸生木本植物鱷梨 (PerseaamericanaMill. cv Lula)幼樹進(jìn)行的合作研究中也發(fā)現(xiàn)鱷梨幼樹吸收水分過程存在同位素分餾，且氫、氧同位素均存在顯著分餾現(xiàn)象[15]。Ellsworth 和 Williams在鹽生植物和旱生植物的土壤-根界面上測到3‰～9‰的氫同位素分餾(圖3)[14]。我國學(xué)者也發(fā)現(xiàn)生長在干旱地區(qū)的胡楊水分從根系輸送到葉片過程存在顯著的氫同位素分餾[51]。另外，有證據(jù)表明植物的水通道蛋白[52]和細(xì)胞的新陳代謝[53]可能進(jìn)一步改變水同位素組成。氫氧同位素分餾是否發(fā)生在水流動的整個路徑還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 半干旱、干旱生境中16種灌木和喬木及1種中生草本植物(Lycopersicon esculentum)木質(zhì)部水與土壤水的氫同位素差別程度(δ2H=δ2Hsoil water-δ2Hxylem water)Fig.3 Magnitude of isotopic separation (δ2H=δ2Hsoil water-δ2Hxylem water) for 16 species of semi-arid and arid shrubs and trees and the herbaceous mesophyte Lycopersicon esculentum

其二，也有研究顯示，早晨水會從樹皮移動到莖干木質(zhì)部，并在晚上發(fā)生流動方向的逆轉(zhuǎn)[54-55]。Cernusak等的研究顯示，韌皮部水與木質(zhì)部水相比，韌皮部水顯著富集了0.5至0.8‰的18O[56]。Pfautsch等的研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫時期，韌皮部水向木質(zhì)部的轉(zhuǎn)移可能特別明顯，推測發(fā)生這種轉(zhuǎn)移是為了支持木質(zhì)部導(dǎo)管栓塞的修復(fù)，也可能是因?yàn)轫g皮部含有較多的溶質(zhì)，通過失水來提高溶質(zhì)濃度，從而調(diào)節(jié)滲透勢，進(jìn)而使植物提高抗逆能力[55]。越來越多的證據(jù)表明，露水、霧和大氣中的水直接被植物通過葉和樹皮組織吸收[57-59]，為植物提供了另一個水源。Eller等的研究結(jié)果表明，直接通過樹葉擴(kuò)散的霧水占最大蒸騰量的26%[59]，而Gotsch等發(fā)現(xiàn)，霧吸收使各個枝條中所有干季水的回收率達(dá)到9%[60]。由于霧往往比雨水更富足[61]，葉片富集水的內(nèi)部循環(huán)可能會影響木質(zhì)部取樣水的同位素特征。有證據(jù)表明，樹葉吸收的霧水甚至到達(dá)地下水分庫[59]。這些現(xiàn)象是否具有普適性也有待驗(yàn)證。

其三，樹木內(nèi)部同位素信號的顯著空間變化可能會影響植物莖水的同位素組成，這在某些方面也挑戰(zhàn)同位素TWW假說。例如，許多樹木物種其莖內(nèi)木質(zhì)部導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)表明所測量的樹干木質(zhì)部水分不一定與其根段或水源水一致[62-63]。此外就目前所知，植物體內(nèi)水運(yùn)動是三維的，而不是單向的，植物體內(nèi)的循環(huán)和儲存可能在改變?nèi)又参锼凰匦盘栔邪l(fā)揮作用。因此，假說中植物更愿意使用“緊密束縛”水的概念與植物吸收和運(yùn)輸水的生理生態(tài)機(jī)制不一致，即植物可以通過水勢梯度吸收任何容易獲得的水(最高水勢)[64]。

2.4 同位素TWW假說與植物-土壤水相互作用的同位素研究

除了上述土壤和植物內(nèi)水分交換過程的復(fù)雜性需要考慮外，還需考慮土壤-植物間水分流動過程動態(tài)變化的時空特性。即使可以在土壤水吸水點(diǎn)和木質(zhì)部內(nèi)對水分進(jìn)行精確采樣，但水分進(jìn)入根系與取樣點(diǎn)到達(dá)木質(zhì)部取樣點(diǎn)之間仍存在內(nèi)在的時間差。Meinze等運(yùn)用散熱探針和注射D2O示蹤劑的方法研究兩種高度在13.5～58 m范圍的針葉樹北美黃杉和異葉鐵杉的中長距離輸水動力學(xué)，結(jié)果表明根系吸收的水可以在幾個小時至幾天的時間內(nèi)到達(dá)樹干的木質(zhì)部，D2O從樹干基部穿越到達(dá)樹冠的時間為2.5 d～21 d，最大樹液速度的估計(jì)值范圍為2.4 m·d-1～5.4 m·d-1，汁液流速取決于樹的特定解剖結(jié)構(gòu)(如樹干粗細(xì)、木質(zhì)部及儲存細(xì)胞大小)和環(huán)境條件(溫度、濕度、降雨等)[65]。Treydte等的一項(xiàng)研究表明，落葉松的木質(zhì)部水分在生長季節(jié)前富集了18O(并與同位素強(qiáng)烈貧化的土壤水脫鉤)，并在針刺成熟前穩(wěn)步下降到較低水平[66]。假設(shè)在溫帶氣候帶陸地上蒸騰是可以忽略不計(jì)的，上一年秋季植物的水分儲存[67-68]，再加上枝條和莖的蒸發(fā)效應(yīng)[69]，可以解釋初春木質(zhì)部水中18O和2H的富集[66, 70]。此外，休眠期或蒸騰速率低的時期莖中殘留的水分允許同位素富集的韌皮部水逐漸轉(zhuǎn)化為木質(zhì)部水[56]。Brandes等通過每兩周對蘇格蘭松樹樹枝和樹干韌皮部有機(jī)質(zhì)中潛在水源和木質(zhì)部水的δ18O和δ2H以及δ13C進(jìn)行定量研究，并將這些值與連續(xù)測量的氣象參數(shù)、土壤含水量、林分蒸騰作用和冠層氣孔導(dǎo)度等指標(biāo)進(jìn)行建模分析蘇格蘭松樹與環(huán)境的水分關(guān)系。研究結(jié)果顯示蘇格蘭松樹在生長季節(jié)其木質(zhì)部水的δ18O和δ2H通常在與2 cm～20 cm深度的土壤水的氫氧同位素比值處在相當(dāng)一致的范圍內(nèi)；在冬季，蘇格蘭松樹木質(zhì)部和土壤水的同位素信號不耦合。韌皮部有機(jī)質(zhì)的δ18O直接指示了全年的近期環(huán)境狀況。該研究指出同位素特征可以用作有效的工具來表征水源和木質(zhì)部水的季節(jié)性動態(tài)，以及評估環(huán)境對植物蒸騰和氣孔導(dǎo)度的影響，從而有助于理解和預(yù)測氣候變化對樹木和森林生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響[70]。

如果具有不同同位素信號的植物水釋放到土壤中，土壤水同位素組成就會受到影響。一般情況下，水分在再分布過程中水平方向運(yùn)動速率較垂直方向小一些，這是因?yàn)樵诖怪狈较蛏贤寥浪值脑俜植贾饕苤亓莺突|(zhì)勢作用，而在水平方向上僅受基質(zhì)勢作用。土壤水分的再分布作用在一定程度上改變了根土界面水分的時空格局，有利于調(diào)節(jié)根土界面生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡，促進(jìn)土層內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)，改善生物群落地下部分所處的生態(tài)環(huán)境，提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。Brooks 等在內(nèi)的許多研究結(jié)果闡明根系水分再分配對調(diào)節(jié)土壤含水量及水分平衡有重要的作用[71]。還有，隨著植物體內(nèi)水運(yùn)輸路徑的加長，水在木質(zhì)部中穿行次數(shù)增加，也會導(dǎo)致植物內(nèi)木質(zhì)部水氫氧同位素組成的變異，所以源水同位素組成的時間變化必然導(dǎo)致木質(zhì)部同位素信號的垂直變化[56,69]。因此，隨著時間的推移，土壤水分將與木質(zhì)部水的同位素特征出現(xiàn)分離。

3 TWW假說的不足之處

3.1 從“雙水世界”假說到“n水世界”假說的轉(zhuǎn)變

關(guān)于TWW假說，目前似乎傾向于只關(guān)注支持或拒絕這一假說，而沒有考慮如何完善這個假說。保持在根區(qū)或通過該區(qū)域的水和下方含水層的水是連續(xù)的，其中水的轉(zhuǎn)運(yùn)是靠水勢梯度驅(qū)動，而不是分離的世界，所以有必要從簡單的兩水世界假說轉(zhuǎn)向“n水世界”概念，多個水分庫和流動路徑被調(diào)用和參數(shù)化，才能更準(zhǔn)確地區(qū)分不同類型土壤基質(zhì)中水同位素交換位點(diǎn)。我們面臨的一個挑戰(zhàn)是目前還缺乏簡單易行的方法檢測SPAC體系內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)水的同位素組成。

3.2 植物-土壤-大氣連續(xù)體同位素示蹤研究嚴(yán)重不足

雖然對土壤不同水分庫間水分流動以及植物吸收與蒸騰過程水同位素交換已有大量研究，目前對植物-土壤-大氣連續(xù)體同位素全過程示蹤研究還比較少。最近，Vargas等在溫室控制實(shí)驗(yàn)中測試了土壤束縛水(不流動水)和土壤流動水之間的同位素交換，并研究了植物吸水過程中是否存明顯的同位素分餾。該研究是在兩組19 L容量的花盆中分別裝入兩種不同質(zhì)地土壤，每盆各栽一株2年樹齡的鱷梨幼樹，花盆里的土壤束縛水都源于自來水。之后，一組接受同位素富集水，而另一組接受自來水作為流動相水。經(jīng)過8 d～10 d干旱期后，用低溫蒸餾法分析了植物莖水，并將它作為土壤束縛水和總土壤水的代表。研究結(jié)果表明75%～95%的土壤束縛水與流動水進(jìn)行了同位素交換。此外，植物吸水過程中18O和2H存在分餾，這種分餾隨土壤水分流失和土壤類型的不同而異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“雙水世界”假說的假設(shè)即土壤流動水與束縛水之間不進(jìn)行同位素交換，以及植物吸水過程中不存在分餾現(xiàn)象，均不成立[15]。該研究提出了一種新的解釋，即在水文循環(huán)中，土壤水分剖面同位素比值與其它水系的同位素比值存在差異，指示出淡水植物吸收水分過程也存在同位素分餾，土壤流動水與束縛水之間的交換存在顯著的同位素分餾效應(yīng)[15]。必須指出，這項(xiàng)研究存在一些不足：(1) 只用了鱷梨一種植物和兩種孔隙度有所差別但含沙量均比較大的土壤；(2) 缺少無植物土壤對照，對實(shí)驗(yàn)期間沒有植物情境下土壤束縛水與流動水之間的交換也缺乏跟蹤觀測。

Good等(2015)[29]和Evaristo等(2015)[10]利用水分穩(wěn)定氫氧同位素特定關(guān)系在全球尺度上揭示出蒸騰作用和其他水文過程對全球水循環(huán)的重要貢獻(xiàn)，其成果刊登在《Nature》、《Science》這樣頂級刊物上，但他們的這些研究結(jié)論都是建立在“土壤流動水與束縛水之間不存在顯著的氫氧同位素交換以及植物根系吸收水分和木質(zhì)部輸送水分過程不存在氫氧同位素分餾”的假設(shè)。不少最新研究質(zhì)疑：如果這些假設(shè)不成立，他們的結(jié)論很可能需要修改[1]。因此，有必要對不同類型土壤、不同類型植物、不同含水量的土壤以及有植物或無植物對照進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

4 展望

穩(wěn)定同位素技術(shù)已是研究流域水文循環(huán)的極為有價(jià)值的工具，但在運(yùn)用同位素TWW假說分析和理解土壤-植物-大氣連續(xù)體體的水分關(guān)系時，近年的同位素研究案例和結(jié)果也給我們提出了更多的問題，有待進(jìn)一步深入研究。為了全面確定TWW假說是否可靠或進(jìn)一步發(fā)展和完善TWW假說，未來的研究應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個方面。

(1) 穩(wěn)定同位素技術(shù)在研究生態(tài)水文過程已取得重要進(jìn)展，但植物-土壤體系中水分交換的一些關(guān)鍵過程是否存在氫、氧同位素分餾仍存在嚴(yán)重爭議。目前觀測到的植物吸收水分過程、運(yùn)輸過程或與韌皮部水交換過程存在的氫氧同位素分餾現(xiàn)象僅在某一類植物(如鹽生植物)或某一個植物物種(如鱷梨、胡楊)里發(fā)現(xiàn)，是否存在普適性需要進(jìn)一步的研究。另外，這些過程同位素分餾的生理和分子機(jī)制也需要實(shí)驗(yàn)研究給予闡明。

(2) 針對植物和土壤水采樣方法存在的同位素分餾問題，首先要求進(jìn)行系統(tǒng)的比較和技術(shù)方法評論，以便從木質(zhì)部，土壤和其他根系介質(zhì)中提取水，然后開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)方案。對土壤和植物取樣和提取水時的潛在抽樣誤差的測定，提高土壤和植物的取樣分辨率，以提高時間和空間的精度。需要進(jìn)行研究以比較低流動性和高流動性土壤水的提取技術(shù)，并了解采樣方案對水同位素組成的影響。最近，不少研究發(fā)現(xiàn)不同的水分提取方法的確影響了水的同位素組成[72]。因此，選擇合適的同位素水樣提取方法有助于TWW假說的驗(yàn)證與完善。

(3) 需要更可靠的水提取方法和同位素測定的技術(shù)開發(fā)：迫切需要能夠改進(jìn)土壤和植物水的空間和時間取樣的新技術(shù)，降低樣品采集和預(yù)處理過程中的同位素分餾。另外，亟需更有效的土壤束縛水提取或直接測定束縛水氫氧同位素比值的方法。也可以借鑒新興同位素比率觀測儀器如紅外光譜法在線測定[73]等。如果能利用高分辨率的木質(zhì)部原位技術(shù)和土壤水分采樣技術(shù)，獲得的研究結(jié)果對TWW假說的驗(yàn)證更有價(jià)值。

(4) 需要收集更多氣候類型和植被類型站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)?；陔p同位素的研究比較了集水區(qū)的樣本和緊密結(jié)合的土壤水以及集水區(qū)的流動水域(土壤，地下水和溪流)，需要做更多的工作來測試和識別不同氣候和不同植被類型之間的假設(shè)，特別是與地中海氣候和森林類型形成鮮明對比的地方。

(5) 把穩(wěn)定同位素模塊耦合到傳統(tǒng)水文過程模型中建立相應(yīng)的穩(wěn)定同位素生態(tài)水文模型，可以更加準(zhǔn)確地揭示生態(tài)水文過程及其機(jī)制。

(6) 雖然TWW假說在生態(tài)水文學(xué)研究已產(chǎn)生重要影響，但還應(yīng)鼓勵跨領(lǐng)域跨學(xué)科之間的科學(xué)合作，如同位素生態(tài)學(xué)家、同位素生理學(xué)家、水文學(xué)家和土壤科學(xué)家之間。只有這樣，才可能在全球變化生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域中得到更廣闊的應(yīng)用。

綜上所述，對TWW假說我們還需要開展更多有針對性的研究，特別是對TWW假說的有效性及其應(yīng)用潛力進(jìn)行較全面的系統(tǒng)研究，以促進(jìn)穩(wěn)定同位素技術(shù)在生態(tài)水文學(xué)研究的應(yīng)用。