树木年轮纤维素氧同位素分馏机理研究

Analysis of oxygen isotope ratio of tree-ring cellulose is a promising tool for reconstructing past climates and their influences on terrestrial ecosystems. The research outlined in this proposal will improve the power of this tool by developing further understanding of two key aspects of the controlling mechanisms underlying tree-ring oxygen isotope compositions, namely, -- the role of the Peclet effect in mediating leaf water isotope enrichment and potential isotope fractionation effect during phloem loading and transport of sucrose towards the site of tree-ring cellulose synthesis. The obtained knowledge will be incorporated into the currently widely-used Roden tree-ring model to aid global efforts of characterizing climate variability and trends, and also of sustainable managing forest ecosystems for climate change.

树木年轮纤维素的稳定氧同位素比率含有树木生长期间一系列气候及生理生态因子的信息；因此，年轮氧同位素分析作为气候变化及生理生态响应的指示工具正在越来越多的用于全球变化相关领域的研究。本项目致力于从机理水平提高对年轮氧同位素信号的生理及生物物理控制过程的理解，从而为年轮氧同位素在生态及气候领域的应用提供更坚实的理论基础。具体来说，本项目将综合室内控制实验、野外调查、模型模拟等手段，并在发展全新的技术方法和同位素分馏效应方程以及多树种比较的基础上针对我们目前关于氧同位素分馏机理理解的两个薄弱环节，-- Peclet效应与叶片水同位素分馏的关系以及蔗糖在韧皮部装载及转运过程中的潜在羟基氧交换效应，--进行深入研究。所取得的机理知识将以经验方程和分馏参数的形式整合到现有的Roden模型以提高模型对于年轮同位素典型分馏步骤的概括能力以及在全球气候变化及生态系统响应研究中的应用价值。

树木年轮纤维素及水分氢氧同位素分析作为气候变化及生理生态响应的指示工具正在越来越多的用于全球变化相关领域的研究。本项目致力于从机理水平提高对树木氢氧同位素信号的生理及生物物理控制过程的理解，从而为稳定同位素在生态及气候领域的应用提供更坚实的理论基础。在本项目的4年执行期内，项目负责人及其团队成员围绕树木水分氢氧同位素分馏机理及蔗糖在韧皮部转载及转运过程中的同位素交换分馏效应等内容完成了一系列室内控制实验和野外采样调查，并取得若干重要成果，简述如下：.1）树木水源水的同位素富含气候信息，是决定年轮同位素的重要因素。在本项目的支持下，我们对领域普遍采用的枝条水同位素真空抽提方法进行了深入研究，通过多物种实验我们发现根部吸水过程不伴随氢同位素的分馏，并发现经典的低温真空抽提方法本身存在缺陷，--即以往未被认知的真空抽提过程中枝条有机质与动态变化的枝条水不断进行的氢交换是解释同位素贫化的关键所在。该实验结果进一步提示生态水文领域近年来流行的“两个水世界（Two-Water Worlds）”概念可能是由于测量方法的缺陷而导致的“假象”，并为年轮同位素建模、植物水同位素在水分溯源、蒸散发拆分乃至气候重建等诸多领域的应用提供新的参考依据。研究成果以项目负责人为第一或通讯作者的身份于2020和2021年发表于PNAS《美国科学院院刊》：Chen et al. (2020) PNAS 117：33345-50； Song et al. (2021) PNAS 118:e2102585118; Song et al. (2021) PNAS 118: e2103604118..2）在本项目的支撑下完成了位于深圳福田红树林的5种红树植物叶片碳氧氢同位素的分析，并发现叶片蔗糖的转载过程存在氧同位素的交换，并定量了交换比率。同时，针对叶片纤维素碳同位素的分析揭示其与凋落物生产力存在强相关，提示可通过同位素重建滨海红树林系统凋落物生产力。该研究结果以本项目负责人为通讯作者的身份2020年和2021年发表于New Phytologist, Marine Pollution Bulletin等杂志。