重新审视极端干旱地区的同位素蒸散发分配：一种多场耦合框架

《Agricultural and Forest Meteorology》：Rethinking isotopic evapotranspiration partitioning in extreme drylands: A multi-field coupled framework

　　四组耦合校正改进了荒漠灌木基于同位素的蒸散（ET）分离精度。光谱与盐分校正解决了分析与热力学同位素偏差问题。径向几何限制了降雨后高通量期间同位素预测偏差。非稳态建模考虑了多肉组织中的同位素记忆效应。耦合模型将夏季峰值蒸腾份额约束在70%–80%之间。引言干旱和半干旱生态系统占全球陆地面积40%以上，并在调节陆地碳汇的逐年变率中起着不成比例的作用（Scott等，2023；Wang等，2023）。在这些水分受限的环境中，蒸散发（ET）是主导的水文通量，常常超过年降水输入的90%（Qiu等，2015；White等，2022）。因此，准确地将ET分离为生物蒸腾（T）和物理土壤蒸发（E）对于评估植物水分利用效率、评估生态系统对干旱的恢复力以及参数化大尺度地球系统模型至关重要。水的稳定同位素（δ1?O和δ2H）被广泛用作示踪剂来分离ET，利用蒸发和蒸腾具有的不同同位素特征（Good等，2015；Jasechko等，2013；Sun等，2019；Xiao等，2018）。主流方法依赖于Craig–Gordon模型和同位素稳态（ISS）假设，该假设认为蒸腾水的同位素组成（δ_T）与根系水源（δ_S）迅速达到平衡（Krüger和Külls，2025；Luo等，2025）。尽管这一假设为叶片薄、水分周转快的中生植物提供了合理的近似，但其在极端荒漠环境中旱生和盐生灌木上的适用性需要进行批判性重新评估（Hernández-Pérez等，2020）。H. ammodendron是中亚荒漠中的关键多肉灌木，具有特定的解剖和生理特征，对标准同位素模型构成挑战（Cao等，2023；Lu等，2025）。首先，从分析角度来看，在高温和干旱胁迫下次生代谢物（挥发性有机化合物，VOCs）的积累会在激光同位素分析中引起严重的光谱干扰，使精确的数据获取变得复杂（Herbstritt等，2024）。其次，为了在严重水分亏缺下维持细胞膨压，这种盐生植物积累高浓度的细胞内电解质（如Na?、Cl?）（Mann等，2023）。这些溶质降低了自由水的热力学活性，从而改变了液-气平衡分馏——即所谓的同位素"盐效应"（Bekaert等，2023）。第三，其特化的圆柱形同化枝（枝刺）与平面叶片有根本差异，引起平流水流的径向衰减，从而改变了佩克莱（Péclet）效应的平衡（Tsukaya，2018）。最后，这些枝刺的多肉性质提供了巨大的水力电容（Leverett等，2023）。这种大型内部储水缓冲了环境波动，但也产生了明显的"同位素记忆"效应，其中叶片水周转被显著延迟（Lehmann等，2024）。因此，蒸腾的同位素组成表现出非稳态（NSS）滞后，滞后于水汽压亏缺（VPD）的日变化（Dubbert等，2014）。传统的非稳态（NSS）模型试图通过向稳态框架中添加组织水储存（电容）项来处理这一问题，从而考虑同位素时间滞后（Lhomme等，2001）。然而，未被考虑的剩余分析干扰和结构模型局限性仍会导致系统性偏差，通常表现为对干旱地蒸腾份额的严重高估。为了弥补这些不足，本研究提出了一种"解剖-生理-物理"耦合框架。基于跨干旱年和湿润年的连续高频微气象和同位素观测，我们整合了四个严格受实验数据约束的机制：为了严格评估这些综合校正如何改进ET分离精度，我们设计了一种系统性的三方模型比较：(1)基线同位素稳态（ISS）模型，代表传统的Craig–Gordon公式，未包含本研究考虑的其他校正；(2)传统非稳态（NSS）模型，仅通过纳入水储存和时间滞后效应来修改ISS；以及(3)我们提出的完全耦合模型，整合了所有四项校正（VOC光谱、热力学盐效应、径向佩克莱几何以及NSS储存效应）。最终，我们利用这一比较框架来阐明荒漠灌木在不同水文气候条件下的适应水分利用策略。分节摘要研究地点与实验设计研究在中国西北巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠过渡带的民勤国家荒漠草原生态系统研究站（MSDSE）（38°34′N，102°59′E）开展。该区域属于大陆性干旱气候，年均降水量为113 mm，潜在蒸散发为2640 mm，导致干旱指数>20（Kang等，2025）。土壤环境以典型的燥土（Aridisols）和钙积土（Calcisols）为主，形成于……光谱校正前的水同位素关系对于2023至2024连续观测期采集的水样品，对原始激光光谱信号（未处理）进行了系统校正。校正前后的同位素信号呈现1:1投影关系。所有δ2H样品点（图3a）和δ1?O（图3b）均表现出显著的下偏，一致落在1:1虚线以下。叶片和枝条水的δ1?O偏移主要集中分布在?2.0‰……讨论在干旱和半干旱地区，准确量化蒸散发（ET）及其组分——植物蒸腾（T）和土壤蒸发（E）——是破解水分受限生态系统水文和生态耦合机制的基础。稳定同位素技术为分离ET组分提供了关键手段。然而，传统的同位素模型主要基于中生植物和理想化纯水体系开发，表现出显著……结论基于极端干旱区绿洲-荒漠交错带的高频连续观测，本研究系统评估并改进了将经典生态水文学同位素模型应用于盐生灌木H. ammodendron时固有的结构偏差。通过整合植物解剖、生理和理化机制，构建了一个多场耦合的同位素模型。主要结论如下：(1) 光谱干扰是一个分析性偏差来源