文献综述
森林是陆地生态系统的主体，具有多种生态服务功能，特别是在涵养水源、影响水资源分布等方面具有重要的作用【1】。植物利用的水源主要是降水和地下水【2】。森林植被通过与大气、土壤和水在多界面、多层次和多尺度上进行物质与能量交换，不断适应不同的气候和立地条件，并发展成为不同的森林生态系统。森林生态系统调节水分循环，而森林植被变化不仅调节径流，同时也深刻地受到土壤水的制约，而森林生态系统与水的关系问题是生态学、地理学的热点研究问题之一，森林和土壤水的关系是水文学和水土保持学研究的一个核心命题【1】。
稳定同位素技术最早是应用在物理、地质和大气等其他学科的，作为独特的示踪剂和对环境条件的指示器，稳定同位素被广泛应用在岩石、生物、海洋、河流、地下水及各种矿床等领域内的研究，成为解决许多重大地质地球化学问题的强大武器【3】。并且，研究人员很早就开始使用氧同位素来测定古环境条件，并在地质学中的古环境重建研究中得到了广泛而成功的应用，为古气候的重建提供了有用的信息，对史前、尤其是第四纪古环境等古气候方面的研究起到了很大的促进作用【4】。20世纪50年代初，同位素技术开始应用于水科学领域并解决了水文学和水文地质学中的一些重大问题【5】，此后，随着科技的发展尤其是同位素分析技术的发展，水的稳定同位素分析逐渐成为水科学领域的现代研究方法之一，通过研究水体本身及某些溶解盐的同位素组成，获得了传统方法不可能得到的一些重要信息【6】，随着稳定同位素技术在大气降水中的应用，给当前水文学、水土保持学和生态学的研究，尤其森林与土壤水文过程研究，在方法上提供了良好契机【1】。氢氧稳定同位素示踪技术因具有较高的灵敏性和准确性,已成为示踪植物水分来源的有效工具【7】。随着稳定同位素理论的不断完善和分析测定技术的不断提高，水体中氢氧稳定同位素特征日益成为一项重要的环境替代指标【8】，已引起国内外学者的广泛关注。国外对水循环过程中稳定同位素的观测和研究较早【9】。由国际原子能机构（IAEA）与世界气象组织（WMO）联合建立的全球大气降水稳定同位素观测网（GNIP）于1961年正式启动，GNIP的建立极大促进了降水中稳定同位素的研究。同时，GNIP也倡导对不同水体中的稳定同位素进行同步观测。Dansg-gard【10】对北极和大西洋降水同位素观测资料进行分析发现，大气降水中稳定同位素与降水时的温度、降水量、海拔高度和纬度等因素存在密切的关系，并提出了温度效应、降水量效应、高度效应、大陆效应及纬度效应等相关概念。Craig【11】通过对不同地理位置的河水、湖水、雨水与雪水（约400个样品）进行分析，建立了delta;D与delta;18O之间的线性关系方程：delta;D＝8delta;18O＋10，此方程后被定义为全球大气水线（GMWL），并广泛地用于识别起源于大气降水的地表水与地下水的相互联系。此后，Dansg-gard【10】与Craig【11】在水体稳定同位素方面的研究成果为国内外学者相关研究提供了基础的背景支持。国内学者对水体中稳定同位素的研究始于1966年珠穆朗玛峰的科学考察【12】。1983年以前，GNIP在中国仅设立了香港监测站【13】；至1988年，中国大陆首批10个监测站正式加入GNIP的研究工作，此后陆续又有20多个监测站加入全球大气降水同位素监测网。但至2002年，GNIP在中国的监测站实际仅剩乌鲁木齐、张掖、石家庄、昆明及香港5个站，不能满足中国降水稳定同位素方面的监测与研究【14】。因此，对照GNIP的要求，借鉴国外已建立的国家大气降水同位素观测网络的成功经验，以中国生态系统研究网络（CERN）各野外站台为依托，建立了中国大气降水同位素监测网络（CHNIP），并对大气降水中氢氧稳定同位素进行了同步观测【15】。此外，在国家基金委等部门支持下，国内学者【16-20】对中国不同区域大气降水及其他水体中的氢氧稳定同位素的变化特征进行了深入研究，并取得了较多成果，丰富了中国稳定同位素方面的研究。
Yang等【21】对江西千烟洲地区马尾松、湿地松和杉木水分利用研究发现，在同一森林系统下３种植物水分利用深度相似。虽然通过稳定同位素示踪的方法可以有效地判别植物水分利用来源，但无法给出植物对各水源的利用比例，因此需要结合相关数学模型进行定量分析【22】。巩国丽等【23】通过比较不同模型在定量分析植物水分利用来源中发现，三源线性模型仅在水源不超过３个条件下计算植物对各水源的利用比例，而利用多源线性混合模型（Iso-source）可以同时计算多个水源对植物水分利用的贡献率。稳定同位素技术在森林生态系统水文过程研究中的优势在于可将水循环过程作为一个整体来研究，定量揭示森林生态水文过程【24】。当前我国利用稳定同位素技术和相关数学模型对植物水分利用来源的研究主要集中在干旱半干旱地区【25-27】和喀斯特地区【28】，而对我国非喀斯特的亚热带湿润地区，不同群落环境内植物水分利用状况的研究较少。不同生活型和分布范围的植物通常会采取不同的策略来利用潜在水源【29】。主要包括植物水分来源的区分【30-31】，植物对降雨与土壤含水量的响应【32-33】，地下水补给方式的确定【34-35】，土壤入渗过程的追踪【36】等。除少数盐生植物外【37】，植物根系在吸收水分和木质部运输过程中水分不会发生同位素的分馏现象【38】，因此通过对比植物木质部水分与各种水源的同位素组成，可以区分植物对不同水源的相对使用量【39】。
研究植物水分来源的方法有很多，通过挖掘植物根系等传统方法来研究植物水分来源，往往具有破坏性，而且不切实际【40-41】；特别是在水分来源较多的地区，通过直接的方法来确定植物水分来源就显得更加困难【42】。稳定同位素技术作为生态学研究的一种重要的手段，近年来在生态学的诸多领域中得到广泛的应用。而除了一些排盐植物外，植物根系对土壤水分的吸收以及水分在植物体内运输的过程不发生同位素分馏【43】，因此，植物木质部的水分同位素特征能够反应不同水分来源的稳定同位素信息。利用天然稳定同位素确定植物水分来源时有几个前提条件，只有在这些前提条件基本满足的条件下才能使用该方法【44】。其中最基本的几个条件是：①所有对植物有显著贡献的水源都予以考虑；②各潜在水源之间的同位素特征存在显著的差异；③各潜在水源在被植物根系吸收前，没有发生显著的分馏；④在水分被根系吸收向叶片传输的过程中不发生同位素的分馏【45】。以往的研究根据陆生植物吸收水分过程中，水分到达未栓化树枝之前，氢氧稳定性同位素不会发生分馏【46】，因此如果能够获得植物所有可能水源的样品，也能抽提植物木质部的水分，就可以通过直接对比法，判断主要的水分来源；如果植物木质部水同位素值处于某几种水源同位素值的范围内，可以认为植物同时利用这几种水源【46】。但是对各水源的利用比例，以往多采用Phillips等【47】提出的端元线型混合模型来计算，其结果只能得出3种来源水对植物的贡献；当植物可能利用的水源种类过多，测定的同位素种类不能满足线型混合模型的要求，要确定各水源对植物水分利用的贡献就需要根据Phillips等2003年提出的多源Iso-source模型【22】。在研究方法上，各有优点和不足：直接相关法能够快速判断出植物水分主要来源的季节差异，但无法给出各水源的贡献率；直接相关法和二源或三源线性混合模型的结合能够快速得到各主要水源的贡献率，由于只能在水分来源不超过3个的情况下运行，比较适合于在土层浅薄，且降雨后土壤层同位素特征均一化的条件下运行；而多元线性混合模型弥补了端元线型混合模型对水分来源的限制，可以同时比较多种水源对栓皮栎的贡献率范围和均值，但是在华北土石山区，降雨量超过一定阈值后，运行不如端元混合模型适用【45】。
本次研究以南方丘陵区作为研究区域，以优势混交林乔木马尾松–麻栎、林下灌木牛鼻栓和草本天门冬为研究对象，基于稳定同位素技术，利用Iso-source模型，结合相关环境因子，通过分析植物根系分布状况、根际区土壤水分和水势的分布状况和运移规律，定量区分植物对不同土壤层次水分的利用率，探究混交林植物的潜在水源竞争关系或共生关系，以期为森林树种配置、水分管理提供参考。南方丘陵区红壤分布面积大，红壤有机质少，酸性强，土质黏重，所以树种配置良好能更好地发挥森林的涵养水源、保持水土的作用。但探究植物吸收利用水分的主要来源，大多是从根系空间分布或是利用稳定同位素示踪技术进行研究，对于利用氢氧稳定同位素示踪技术并且结合植物根系空间分布和土壤水分分析法，确定植物的水分来源，揭示植物水分利用策略的研究很少【48】。线性混合模型(Iso-Source)是目前使用最广泛的模型，但模型运行的精确性会受到很多因素的影响，如采样、贮存、运输以及实验等的不确定性会对各水源本身的稳定同位素组成产生误差，因此提高模型的评估精确性有待解决【48】。近年来，科学家们开发出了基于贝叶斯混合模型的MixSIR模型和SIAR模型来计算各潜在水源的贡献率，有效提高了模型评估的精确性，但在国内这种模型还未得到广泛的关注和使用。随着科学技术的不断发展，研究技术手段的逐渐成熟，又会衍生出很多新的模型。可以通过对几种方法的比较分析，选出最适合该研究的分析植物水分来源的方法，得到更为可信的计算结果【49】。
参考文献：
【1】贾国栋，余新晓.基于稳定氢氧同位素技术的植被-土壤系统水分运动机制研究[D].北京：北京林业大学，2013.
JIA Guodong，YU Xinxiao. Study on Water Movement Mechanism of Vegetation-Soil System Based on Stable Hydrogen and Oxygen Isotope Technology[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2013.
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