Изотопы водорода в экогидрологии —использование изотопов водорода в экогидрологии для изучения взаимодействия экосистем и круговорота воды, от измерения мелкомасштабного дренажа воды в почву до отслеживания масштабных движений воды, испаряющейся с деревьев.

Отслеживание движения воды Поскольку дейтерий действует как консервативный индикатор, он хорошо подходит для отслеживания движения воды через растения и экосистемы . Хотя движение воды в таких однопроцессных явлениях, как испарение, относительно легко отслеживать, многие системы (например, облачные леса) в окружающей среде имеют несколько источников, и отслеживание движения воды становится более сложным. Также можно использовать изотопные метки для определения переноса воды через почву и в растения путем введения дейтерированной воды непосредственно в землю.

Глубина поглощения воды Анализ стабильных изотопов воды ксилемы растений может быть использован для отслеживания движения воды из почвы в растения и, следовательно, для получения данных о глубине поглощения воды. Преимуществом использования воды ксилемы является то, что теоретически HIC (изотопный состав водорода, от англ.) должен напрямую отражать поступающую воду, не подвергаясь влиянию транспирации листьев, что может быть использовано для определения того, используют ли деревья, растущие рядом с ручьями, поверхностные воды этого ручья. Вода с поверхности будет иметь тот же изотопный состав, что и вода из ручья, в то время как вода из более глубоких слоев земли будет поступать из прошлых осадков. В этом случае молодые деревья имели изотопный состав воды ксилемы, очень близкий к составу воды соседнего ручья, и, вероятно, использовали поверхностные воды для укоренения. У более старых деревьев вода ксилемы была обеднена по сравнению с водой ручья, что отражает тот факт, что они получают воду из более глубоких слоёв под землёй. Так, растения в секвойных лесах не просто поглощают воду из корней, но и получают значительную часть воды через устьица листьев.

Транспирация Вода, содержащаяся в растениях, может использоваться для характеристики других физиологических процессов растений, влияющих на круговорот воды; например, вода в листьях широко используется для моделирования транспирации и эффективности использования воды. В случае транспирации экспериментально установлено, что модель Крейга-Гордона для обогащения озёрной воды за счёт испарения хорошо подходит для моделирования обогащения листьев водой . Транспирацию можно измерить путём прямой инъекции дейтерированной воды в основание дерева, улавливая весь водяной пар, испаряющийся из листьев, и измеряя последующий конденсат .

Эффективность использования воды Вода, содержащаяся в растениях, может использоваться для характеристики других физиологических процессов растений, влияющих на круговорот воды; например, вода в листьях широко используется для моделирования эффективности использования воды. Использование воды можно измерить и рассчитать на основе инъекции тяжелой воды следующим образом:

,

где WU — потребление воды в кг/день, M — масса введенной дейтерированной воды в граммах, T — последний день эксперимента, C  — концентрация дейтерия в интервале времени i в граммах/килограмм, а Δt  — длительность интервала времени i в днях. Хотя рассчитанное потребление воды с помощью зондирования теплоотдачи некоторых тропических растений, таких как бамбук, сильно коррелирует с измеренным потреблением воды, полученным путем отслеживания движения DO, точные значения не совпадаютSchwendenmann, Luitgard; Dierick, Diego; Köhler, Michael; Hölscher, Dirk (2010-07-01). «Can deuterium tracing be used for reliably estimating water use of tropical trees and bamboo?». Tree Physiology. 30 (7): 886-900. doi:10.1093/treephys/tpq045. PMID 20516485.. У бобового дерева Gliricidia sepium, которое образует ядровую древесину, транспирированная вода даже не сильно коррелировала с концентрацией введенной HO. Возможно, это произошло потому, что ядровая древесина могла накапливать тяжёлую воду, а не перемещать воду непосредственно через ксилему к листьям.

Коэффициент эффективности использования энергии (WUE), представляющий собой отношение фиксации углерода к транспирации, ранее связывался с соотношением / с помощью уравнения:

Hou, Juzhi; D’Andrea, William J.; MacDonald, Dana; Huang, Yongsong (2007-08-01). «Evidence for water use efficiency as an important factor in determining the δD values of tree leaf waxes». Organic Geochemistry. 38 (8): 1251-1255. doi:10.1016/j.orggeochem.2007.03.011., где \Delta^{13}C\ =\ \frac{\delta^{13}C_{atm}-\delta^{13}C_{plant}}{1+\delta^{13}C_{atm}}φ это доля связанного углерода выделяемого в процессе дыхания, pCO₂ это парциальное давление в атмосфере, εcarb — коэффициент фракционирования карбоксилирования, а εdiff фракционирование диффузии в воздухе. Зависимость δD в восках листьев растений от было измерено эмпирически и показало отрицательную корреляцию δD с эффективностью использования воды. Это можно частично объяснить тем, что более низкая эффективность использования воды связана с более высокими показателями транспирации. Транспирация демонстрирует нормальный изотопный эффект, вызывая обогащение воды в листьях растений дейтерием и, следовательно, обогащение восков листьев.

Примечания

Категория:Изотопы водорода