冠层尺度叶片水18O富集过程与机制的模型研究

叶片水18O富集过程和机制是生物圈与大气圈之间18O-H2O、18O-CO2和18O-O2交换以及植物有机质18O含量研究的基础，有助于解决生态学中的一些重要科学问题。本项目以中国小麦/玉米/草地/森林、美国玉米/大豆和加拿大森林等生态系统为研究对象，基于对大气水汽、蒸腾和生态系统水体（叶片、茎杆和土壤）中18O含量的原位高分辨率连续观测，重点分析叶片尺度和冠层尺度上叶片水18O含量的空间分布特征及时间变化规律，探讨冠层尺度上Peclet效应、非稳态效应和空气湍流扩散对叶水富集的影响，建立一套冠层尺度的叶水富集模型，确定叶脉形态和光合作用途径（C3和C4）与叶水富集的关系，探讨环境因子（如温度、湿度和结露等）和生物因子（如气孔导度等）对叶水富集的影响。作为中间尺度，冠层尺度研究可以将叶片尺度的理论向区域尺度扩展，故本研究将为陆地生态系统与大气之间同位素交换的区域和全球模型研究提供理论支持。

本项目按照计划任务书，选择了中国小麦/玉米/草地/森林、美国玉米/大豆和加拿大森林等7种生态系统，研究了叶片水18O同位素的富集特征和影响机制，完成了计划任务。取得的主要结果如下：(1) 分析了从叶片到冠层尺度上叶片水18O含量的空间分布特征、日变化和季节变化特征。发现白天玉米叶片从叶基到叶尖有逐渐富集的现象，且正午叶片上的同位素梯度最大；上层叶片和下层叶片的同位素含量有明显的差异；各个生态系统叶片水相对于茎秆水的18O富集程度有差异。(2) 建立了冠层尺度叶水富集模型，该模型包括两个模块：大叶模型(Ronda et al. 2001)和叶水同位素富集模型，其中叶水同位素富集模型分别采用三种复杂程度各不相同的模型（C65，Craig & Gordon, 1965；D74，Dongmann et al., 1974；F05，Farquhar & Cernusak, 2005)。 (3) 结果表明在计算冠层尺度动力学分馏系数时，如果考虑了湍流扩散的影响，三种模型都能捕捉到正午δL的季节变化特征，那么叶片尺度叶水富集模型就可以应用到冠层尺度，而且精度较高。Péclet效应在冠层尺度上不存在。相对湿度是控制叶片尺度和冠层尺度同位素富集的主要控制因子。 (4)本项目已经在Global Change Biology、Agricultural and Forest Meteorology和Global Biogeochemical Cycles等SCI期刊上发表论文3篇，投稿中文论文1篇。