监测树木含水量蒸腾量

森林用水量一直难以量化。一种很有前途的方法是测量植物水的同位素组成，例如蒸腾的水蒸气或木质部水。由于不同的水源，例如地下水与浅层土壤水，通常显示出不同的同位素特征，因此同位素可用于研究植物吸收水分的深度以及其随时间的变化。传统上，这种测量依赖于木材样品的提取，这提供了有限的时间分辨率，但成本很高，并且存在可能的伪影风险。利用在树干上钻的钻孔，我们提出了一种新方法，该方法基于以下概念：缓慢移动的气流中的水蒸气接近同位素平衡，木质部中液态水的质量要大得多。我们提出了两个经验数据集，表明该方法可以在实践中发挥作用。然后，我们提出了一个理论模型，估计平衡时间并探索该方法将失效的极限。该方法提供了一种简单、廉价和准确的方法来连续估计用于蒸腾的源水的同位素组成。落入森林生态系统的降水中有很大一部分通过树木和土壤的蒸腾作用返回大气。其余部分最终流入溪流并补充地下水。返回可分为蒸腾作用和蒸发作用，其中蒸腾作用是指植物内部对水分的吸收和损失，蒸发是指其余所有水分，包括土壤和植物表面的蒸发。最后，蒸腾和蒸发对环境条件的响应在质量和数量上有所不同;因此，令人满意的机理描述将包括对每个组件的单独控制。尽管水文学家传统上将蒸腾作用与蒸发混为一谈，但他们对测量和模拟孤立的通量表现出越来越大的兴趣。相比之下，生态生理学家长期以来一直对描述蒸腾作用感兴趣，部分原因是它将植物的碳和水收支联系起来. 蒸腾通量可以通过其独特的稳定同位素特征与其他蒸发通量区分开来。一般来说，蒸发的水要经过两次分馏。第一种称为平衡分馏，与相变有关，其中较轻的同位素比较重的同位素更快地进入气相。当水蒸气从蒸发表面扩散时，就会发生第二次分馏。它被称为动力学分馏，同样有利于较轻的同位素。在较长的时间间隔天内积分，蒸腾水蒸气的同位素特征以稳态出现，这意味着同位素特征等于其水源，也等于木质部中运输的水的特征。这使得它很容易与强烈枯竭的土壤蒸发区分开来。然而，环境条件变化如此之快，以至于同位素稳态的蒸腾作用在昼夜过程中经常被破坏，并且环境稳定期太短，叶子无法恢复到同位素稳态。因此，蒸腾水蒸气的同位素特征遵循明显的昼夜模式，在早晨与源水相比消耗最少，在白天接近同位素稳态，在夜间与其水源相比强烈富集。通过对植物木质部中的水进行低温蒸馏来描述木质部水的同位素组成有着悠久的传统。该方法的先决条件是提取的完整性，从而最大限度地减少了原始样品水和所得收集水之间同位素分馏的机会。但是，这种方法有几个缺点。首先，它同时蒸馏其他挥发性有机化合物，特别是从叶子中蒸馏出来。如果通过分析样品，这些有机化合物就不重要了，但是在使用基于激光的吸收技术进行分析时，它们存在问题。 同位素异构体特异性水峰可能会受到干扰，尤其是酒精峰。第二个问题是，低温提取可能会提取在木质部中不移动的水，例如细胞壁。在这些情况下，它不代表正确的吸收源。充其量，低温提取是费力的，缓慢的，并且只能代表一个时间点。其他方法已被用于提取土壤水分，但其中许多方法在植物木质部典型的低水势下无效。
 
当基于激光的系统出现在市场上时，可以连续监测水蒸气的同位素组成。人们很快认识到，这不仅可以直接测量环境、蒸腾和蒸发水蒸气的同位素信号，还可以连续测量土壤和茎秆中的液态水。这可以通过假设平衡分馏的气相值计算液体同位素组成来完成，并且需要记录温度和防止平衡位点和仪器之间冷凝的方法。这首先导致了几种用于土壤水同位素原位研究的设备，然后对树木质部进行修改。木质部系统能够明确地检测到木质部水中示踪剂脉冲的到来。然而，它难以与预测的同位素组成相匹配。作为概念验证，它鼓舞人心，但令人担忧的是它的复杂性和中无法解释的偏移数据。如果木质部中的液态水继续蒸发成流经树干的流动气流，问题可能会得到简化。如果我们能够确保气流在通过茎时与木质部水达到同位素平衡，那么同位素效应可能特别简单。为了验证这个想法，我们进行了两个实验，并开发了一个模型，描述了钻孔蒸汽与液态木质部水的同位素平衡。实验测试了该方法是否能够返回预期值。该模型测试了关于该方法背后的物理过程的不同假设，并用于探索其实际极限。从突破曲线的中点估计标签的平均到达时间。中点计算为周期开始和结束时稳态值的平均值。这项分析是在第一个周期进行的，因为它是唯一一个完全在白天发生的周期，这意味着蒸腾作用在突破期间不断将水向上移动。其他周期包括暮光之城或黑暗时期，因此可能推迟了标签的到来。将到达时间与田间和同一地区苏格兰松树的汁液流速估计值进行比较。不幸的是，我们忽略了直接从水桶中测量吸水率;这种局限性在一定程度上激发了第二个实验。