劉 浩，周亞平，白 艷

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;2.內(nèi)蒙古興安盟突泉縣林草局，內(nèi)蒙古 興安盟 137500；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原有害生物防治檢疫總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

近年來，隨著全球氣候變暖，水資源短缺危機(jī)逐漸在許多地區(qū)出現(xiàn)。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生物化學(xué)循環(huán)過程中，森林生態(tài)系統(tǒng)在多層次、多尺度和多界面上與大氣、水和土壤進(jìn)行物質(zhì)與能量交換[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和水循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量交換的兩個耦合的生態(tài)學(xué)過程[2]。碳循環(huán)和水循環(huán)并不是孤立的，而是密切聯(lián)系且相互耦合，兩者之間的耦合關(guān)系已成為碳循環(huán)、水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)碳、水管理研究的重點問題之一[3]。碳水循環(huán)及其相互作用均受氣候、大氣成分和人類活動的影響，并對氣候系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的反饋作用，因而成為當(dāng)前全球氣候變化研究的熱點[4-5]。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)的碳水耦合研究已成為當(dāng)前森林生態(tài)水文學(xué)的重點研究內(nèi)容，也是分析和估算森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的熱點[3]。同時，對森林生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合過程進(jìn)行研究對于提高森林生產(chǎn)力、合理經(jīng)營森林具有重要意義。

國內(nèi)已有許多總結(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)的研究。于貴瑞等闡述了陸地生態(tài)系統(tǒng)水碳耦合循環(huán)與模擬綜合研究的設(shè)想[2]。趙風(fēng)華提出陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合過程共包括土壤—植被節(jié)點、植被—大氣節(jié)點(氣孔節(jié)點)、土壤—大氣節(jié)點和生化節(jié)點4個碳水耦合節(jié)點[2-3]，碳水間的生化反應(yīng)、氣孔對光合—蒸騰的共同控制和優(yōu)化調(diào)控作用，以及生態(tài)系統(tǒng)對碳循環(huán)、水循環(huán)的同向驅(qū)動機(jī)制分別是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合的生物化學(xué)、生物物理學(xué)和生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，共同構(gòu)成了碳水耦合的基本作用機(jī)制[4]。陳新芳等總結(jié)了國外近10多年生態(tài)系統(tǒng)中碳水循環(huán)的相互作用及模擬的研究進(jìn)展，并分析不同類型生態(tài)系統(tǒng)模型在模擬生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間CO2和水汽交換的特點，指出了未來碳水耦合模型發(fā)展的方向[5]。謝馨瑤等論述了大尺度森林碳循環(huán)過程模型，以及各模型的主要特征、優(yōu)缺點和應(yīng)用現(xiàn)狀，并探討了各模型中存在的問題以及森林碳循環(huán)過程模型的主流研究方向[6]。

國內(nèi)大多數(shù)不同尺度的碳同化模型都是基于20世紀(jì)70年代末Farquhar提出的碳同化模型，但是由于植被冠層結(jié)構(gòu)和植物生理結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對于準(zhǔn)確估測葉片到冠層尺度的碳水循環(huán)造成了一定難度。傳統(tǒng)的水文學(xué)研究中，由于觀測方式的限制無法對生態(tài)系統(tǒng)中水分來源以及水分在植物、土壤和大氣中的遷移情況進(jìn)行觀測。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些用于測定森林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的設(shè)備不斷涌現(xiàn)，其中最具代表性的是渦度相關(guān)法。但是渦度相關(guān)法對于下墊面是否平坦均一、大氣邊界層內(nèi)湍流是否足夠劇烈等具有較高的要求。另外，該方法無法區(qū)分不同樹種、林下植被和土壤對碳水通量的貢獻(xiàn)，同時該儀器設(shè)備較為昂貴。穩(wěn)定同位素技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題提供了契機(jī)。利用穩(wěn)定同位素技術(shù)可以對森林生態(tài)系統(tǒng)不同尺度間的碳水循環(huán)進(jìn)行研究。在大尺度方向上，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)可以對整個生態(tài)系統(tǒng)的碳水通量進(jìn)行測定及拆分，同時還可以解析生態(tài)系統(tǒng)SPAC水分耗散的主要過程及形式；在小尺度方向上，穩(wěn)定同位素技術(shù)可以對植物進(jìn)行示蹤，通過將同位素注射到植物體內(nèi)，然后根據(jù)植物體內(nèi)同位素組成的變化來分析植物的生理過程。重點論述了穩(wěn)定同位素技術(shù)在森林生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)的應(yīng)用及研究進(jìn)展。

1 森林生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程

基于森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，碳水循環(huán)的相關(guān)研究主要包括蒸散、碳密度數(shù)量、分布及其影響因子等方面[7]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中植被和大氣通過蒸騰作用和光合作用分別進(jìn)行水汽和CO2交換，光合作用和蒸騰作用是森林生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的兩個重要生理過程，同時也是推進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和水循環(huán)的兩個過程。光合作用是森林生態(tài)系統(tǒng)利用光能固碳的主要途徑，也是整個森林生態(tài)系統(tǒng)最初動力[3]。蒸騰作用被看作是森林生態(tài)系統(tǒng)水分損耗的過程，在森林生態(tài)系統(tǒng)中蒸騰作用常伴隨著碳同化(光合作用)過程。

在光合作用中CO2經(jīng)氣孔向葉內(nèi)擴(kuò)散，而樹木根部吸水，在蒸騰拉力的作用下到達(dá)葉片，與CO2一起發(fā)生生化反應(yīng)，CO2和水在此過程中發(fā)生耦合。

氣孔是植被吸收CO2和水分損耗的主要通道，植物的碳同化過程和蒸騰過程共同受到氣孔行為的制約，生態(tài)系統(tǒng)是以氣孔為節(jié)點將水循環(huán)與碳循環(huán)耦合成為有機(jī)整體(圖1)[3]。

圖1 碳水耦合關(guān)系Fig.1 Carbon and water coupling relationship

2 穩(wěn)定同位素技術(shù)在森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的應(yīng)用

2.1 利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)測定水分利用效率

水分利用效率(WUE)反映了植物光合固碳與耗水間的關(guān)系，是研究植物碳水循環(huán)關(guān)系的定量評價指標(biāo)[7]。測定水分利用效率的方法較多，劉文兆利用田間測定的方法得出植物在某一階段消耗單位重量水分所生產(chǎn)出的干物質(zhì)量[8]，但是該方法工作量大、費用較高且忽視了土壤水分蒸發(fā)的存在。熊偉等通過測定葉片的CO2和水分通量確定了水分利用效率[9]，但是該方法測定的只是葉片瞬時的水分利用效率并不是長期的水分利用效率。Farquhar通過計算12C和13C的相對吸收估測植物的水分利用效率[10]，先確定了碳同位素的同位素比率(δ，%)，公式為：

δ=(Rsample/Rstandard-1)×1000

(1)

式中：Rsample表示樣品中重同位素與輕同位素(13C/12C)豐度之比；Rstandard表示國際通用標(biāo)準(zhǔn)物的重同位素與輕同位素豐度之比。

同時Farquhar又確定了同位素判別Δ與δ之間的關(guān)系以及δ13Cp的值，公式為：

(2)

(3)

式中：δ13Cs表示大氣中的穩(wěn)定碳同位素比率；δ13Cp表示植物組織中的穩(wěn)定碳同位素比率;Ci和Ca分別表示植物胞間和大氣CO2濃度。

根據(jù)大氣CO2濃度(Ca)、植物胞間CO2濃度(Ci)與水分利用效率(WUE)之間的關(guān)系導(dǎo)出δ13C與WUE之間的關(guān)系式：

WUE=(Ca-Ci)/1.6Δe

(4)

(5)

式中：Δe表示植物葉片與空氣的水蒸氣濃度梯度；系數(shù)1.6是根據(jù)Andrussow在1969年提出的水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散速度比CO2快，并且由于分子形狀和相互作用以及電位等因素水蒸氣與液態(tài)水和空氣，CO2和空氣減小質(zhì)量的比例不同而確定的；a為4.4%，指CO2通過氣孔時分餾的分餾系數(shù)(平衡分餾)；b為30%，指CO2被酶羧化過程中的分餾(動力分餾)。

Farquhar提出的方法使得測定植物長期水分利用效率的工作變得簡單、快捷、準(zhǔn)確。鄭鵬飛等利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)測定北京山區(qū)側(cè)柏人工林的水分利用效率，其結(jié)果表明在側(cè)柏生長季內(nèi)WUE呈現(xiàn)先降低后增加的特征[11]。主要原因可能是植物剛進(jìn)入生長季，光合作用小于呼吸作用，但隨著溫度升高以及植物生長能力的加強(qiáng)，植物利用水分的能力(光合作用)大于植物耗水的能力(蒸騰作用)；其次還分析了影響水分利用效率最主要的因素為植物葉內(nèi)外水汽壓差(VPD)和大氣溫度(Ta)，次要因素為土壤濕度(Ms)和空氣相對濕度(RH)。陳平等利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)測定了決明子(CatsiatoraLinn)的水分利用效率，結(jié)果表明決明子不同部位的δ13C值大小依次為根>莖>葉，不同部位的Δ大小依次為根<莖<葉；同時利用稱重法和穩(wěn)定碳同位素技術(shù)測定WUE，得出決明子葉片的WUE與整株決明子的WUE相關(guān)性最強(qiáng)[12]，這說明WUE的大小主要受葉片上氣孔即氣孔導(dǎo)度所控制，也說明在穩(wěn)定碳同位素技術(shù)的基礎(chǔ)上利用葉片測定WUE得到的結(jié)果更加可靠。

但是上述方法在利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)測定WUE時只考慮到了植物葉片的氣孔導(dǎo)度，由于植物生理結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，而且氣孔和葉肉均參與水分消耗和吸收的過程。近年來相關(guān)學(xué)者提出，在利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)測定WUE時應(yīng)考慮葉肉導(dǎo)度(gm)的影響，但是目前相關(guān)研究較少。

2.2 利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)構(gòu)建碳水耦合模型

Farquhar在1982年基于C3植物構(gòu)建了植物葉片CO2光合作用的水碳耦合機(jī)理模型[10]，該模型分析了葉片亞細(xì)胞水平的光合作用，具體步驟為通過公式(2)提出了植物葉片同位素比率與CO2濃度之間的關(guān)系，然后提出光合速率(A)與CO2氣孔導(dǎo)度(gCO2)、大氣壓強(qiáng)(P)及CO2濃度之間的關(guān)系，關(guān)系式為：

A=gCO2(Ca-Ci)/P

(6)

楊芝歌等在此基礎(chǔ)上又提出了冠層碳水耦合模型[3]，關(guān)系式為：

gCO2=gH2O/1.6

(7)

gH2O=gc/LAI

(8)

式中：gH2O為植物葉片水汽氣孔導(dǎo)度；LAI為葉面積指數(shù)；gc為林分冠層平均氣孔導(dǎo)度。

聯(lián)立公式(2)、(6)、(7)、(8)得到林分冠層尺度上平均凈碳同化速率，公式為：

(9)

在公式(9)中只有林分冠層平均氣孔導(dǎo)度(gc)無法直接測得。所以楊芝歌等結(jié)合樹干液流(SF-L)技術(shù)測定單株林木蒸騰量，再通過尺度擴(kuò)展的方法，建立林木邊材模型，從而計算出整個林分的蒸騰量。然后通過K?stner等提出的林分冠層氣孔導(dǎo)度(gc)的計算方法，推算出林分冠層氣孔導(dǎo)度(gc)[13]。

樹干液流儀選擇的是SF-L熱擴(kuò)散式液流儀，單株林木液流速率的計算公式為：

(10)

(11)

式中：Js為樹干液流速率，單位為mL/(cm2·min)；dtact為根據(jù)公式(11)計算出的dt值；dtmax一般采用空氣相對濕度為100%時的dt值；T1-0、T1-2、T1-3分別為探頭S0與S1、S2與S1、S3與S1的溫度差。

假設(shè)同一時刻同一徑階的樹木輸水能力相同(水分遷移守恒原則)，則單位時間某一徑階內(nèi)樹木的總液流通量(Et)計算公式為：

Et=Js×As

(12)

式中：As為該徑階內(nèi)林木的邊材面積，單位為cm2。

則某一樹種林分總蒸騰量(Ea)計算公式為：

(13)

式中：Jsi為林分某一徑階樹木的平均液流密度；Asi為某一徑階內(nèi)邊材面積的總和。

通過建立林木胸徑—邊材面積模型計算可得到Asi，林分單位面積葉面積蒸騰量(Ei)計算公式為：

(14)

式中：Ag為林分樹冠在地面上的垂直投影面積。

Konster等提出林分冠層氣孔導(dǎo)度計算公式，其公式為：

(15)

式中：ρ為水分密度；T為大氣溫度；Gv為水蒸氣氣體常數(shù)；D為水汽壓虧缺。

楊芝歌等利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)構(gòu)建了北京山區(qū)側(cè)柏人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳水耦合模型。在驗證過程中實測值與模擬值較為接近，說明其模型精度較高。

但是由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及多樣性，該方法存在一定缺陷：(1)從單株林木蒸騰轉(zhuǎn)化成林分蒸騰的方法中，選擇的樣木缺少代表性及說服力；(2)整個森林生態(tài)系統(tǒng)的碳水耦合過程復(fù)雜，不能僅用幾個公式聯(lián)立得到，應(yīng)考慮不同變量與光合速率相關(guān)的程度大小。

3 穩(wěn)定同位素技術(shù)在森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)中的應(yīng)用

3.1 根據(jù)氫氧同位素關(guān)系確定研究區(qū)域降水線

基于這樣的理論基礎(chǔ)，1961年Craig等收集了不同地區(qū)的降雨資料，做出了δD和δ18O的線性關(guān)系即全球降水線[15]，其線性關(guān)系為：

δD=8δ18O+10

(16)

該線性模型中的截距10表示全球大氣降水的平均值，若某一地區(qū)降水線的截距大于10，則表明降水云氣形成過程中氣、液兩相同位素分餾不平衡的程度偏大；若某一地區(qū)降水線截距小于10，則表明在降雨過程中蒸發(fā)作用影響較大。

1983年鄭淑慧確定了中國大氣降水線模型為：

δD=7.9δ18O+8.2

(17)

這個模型與全球大氣降水線相比，其截距值較為接近。

2015年，鄧文平等基于穩(wěn)定同位素技術(shù)確定了北京鷲峰地區(qū)的局地降水線[16]，降水線模型為：

δD=7.17δ18O+1.45

(18)

從鷲峰地區(qū)局地降水線模型可看出，其截距遠(yuǎn)小于全球降水線的截距(10)，說明鷲峰地區(qū)在降水過程中存在非常明顯的蒸發(fā)作用，同時鷲峰地區(qū)局地較強(qiáng)的水分循環(huán)也是導(dǎo)致其截距遠(yuǎn)小于全球降水線截距的原因。

3.2 利用氫氧同位素關(guān)系確定植物水分來源

利用穩(wěn)定同位素技術(shù)確定植物水分來源的理論基礎(chǔ)是同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)，即葉片蒸騰水的同位素組成等于根吸收的土壤水同位素組成。根據(jù)這一理論基礎(chǔ)，通過分析對比植物體內(nèi)水分與各種水源的同位素組成即可確定植物的水分來源。

植物體內(nèi)的水分是各種水分來源的混合物，其線性關(guān)系為：

δD=X1δD1+X2δD2+…+XnδDn

(19)

式中：δD是植物體內(nèi)的δD值；X1、X2…表示各水分來源所占的比例；δD1、δD2…表示各水分來源的δD值。

White等利用這種方法研究了紫衫的水分來源，發(fā)現(xiàn)當(dāng)紫衫的根系位于淺水層之下，降水的多少對其水分利用情況影響較小且其主要利用地下水；對于地下水位較深的地區(qū)，北美喬松在降水后主要利用降水，對地下水依賴較??；而在地下水位較淺的地區(qū)，北美喬松的δD值介于雨水和地下水δD值之間，這說明在地下水位較淺的地區(qū)北美喬松的生長既利用了地下水也利用了大氣降水[17]。

徐慶等利用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析了川西亞高山暗針葉林在不同降水條件下林中的降水、林冠穿透水以及壤中流的變化特征，結(jié)果表明降水δ18O值與林冠穿透水δ18O的差值，隨著日降雨量的增大呈偏正態(tài)結(jié)構(gòu)；壤中流與降水強(qiáng)度及降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。

從White等的研究結(jié)果可看出，植物對于不同水分的來源利用是有選擇性的，至于優(yōu)先利用何種水源主要取決于地下水位的深淺程度以及植物根系的分布。利用穩(wěn)定同位素技術(shù)確定植物水分來源的研究已很多，但是到底何種水源對植物的生長影響最大，目前尚無定論。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有研究者提出利用穩(wěn)定同位素技術(shù)確定植物水分溯源的方法不僅是植物體內(nèi)不同水分同位素簡單的線性關(guān)系?；诖死碚摰奶岢觯煌乃炙菰茨Ｐ筒粩嗟爻霈F(xiàn)，其中最具代表性的模型有SIAR、MixSIR、IsoSource、MixSLAR。

王劍等對幾個水分來源模型進(jìn)行了比較，得出SIAR和MixSLAR模型相比MixSIR模型具有更好的植物水分溯源效果，造成3種模型間差異的原因可能是后驗分布仿真算法的不同；同時根據(jù)不同方法，結(jié)合野外實測數(shù)據(jù)的相互比較結(jié)果和模型本身的特點，利用MixSLAR模型進(jìn)行植物水分溯源最優(yōu)。

3.3 利用穩(wěn)定同位素技術(shù)拆分森林生態(tài)系統(tǒng)水分通量

森林生態(tài)系統(tǒng)主要通過蒸散的形式消耗水分，蒸散包括植物蒸騰和土壤蒸發(fā)。但是通過蒸騰和蒸發(fā)消耗的水分到底占生態(tài)系統(tǒng)總蒸散量的多少較難確定。穩(wěn)定同位素技術(shù)為實現(xiàn)拆分森林生態(tài)系統(tǒng)的水分通量提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。婁源海等利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對北京山區(qū)人工林的森林生態(tài)系統(tǒng)水分通量進(jìn)行了拆分[19]。

確定植物蒸騰量的方法主要是利用不同植物的水汽同位素組成來計算，植物總的水汽同位素組成(δT)公式為：

δT=Y1δ1+Y2δ2+…

(20)

式中：δT表示植物總的水汽同位素組成；δ1、δ2…表示各植物的水汽同位素組成；Y1、Y2…表示各植物的蓋度。

此外，Gat等確定了土壤蒸發(fā)水汽同位素的計算方法[20]，其公式為：

(21)

ε*=(1-α*)×103

(22)

Δε=(1-h)×θ×n×CD×103

(23)

式中：δE為土壤蒸發(fā)水汽同位素組成；δL為對應(yīng)深度的土壤水同位素值；h為對應(yīng)深度土壤溫度的相對濕度；δa為大氣水汽穩(wěn)定同位素組成；α*為水汽從液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)發(fā)生相變時候的熱力學(xué)平衡分餾系數(shù)，與ε*表達(dá)的意思相同；Δε為同位素動力擴(kuò)散系數(shù)；θ為分子擴(kuò)散分餾系數(shù)與總擴(kuò)散分餾系數(shù)之比，對于蒸發(fā)通量不會干擾環(huán)境濕度的小水體而言，其值一般取1.0，但是對于大水體，取值范圍為0.5～0.8；n為描述分子擴(kuò)散阻力與分子擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)性的常數(shù)，對于土壤蒸發(fā)和葉片蒸騰而言，其值取1.0；CD為描述分子擴(kuò)散效率的參數(shù)，相對于H218O來說一般取28.5%。

婁源海等利用Craig-Gordon模型[21]，結(jié)合土壤樣品和植物樣品采樣測定相應(yīng)的同位素值，計算得出土壤蒸發(fā)δE和植物蒸騰δT。同時采用Keeling Plot曲線的方法確定整個森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量，Keeling Plot曲線的截距即為森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量，其曲線表達(dá)式為：

(24)

式中：δr為林分邊界層大氣水汽δ18O的值；Wa為大氣水汽的水汽混合比；δa為大氣水汽同位素組成；δET為森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量。

將植被蒸騰和土壤蒸發(fā)拆分的方法是基于同位素質(zhì)量守恒原理，公式為：

(25)

(26)

婁源海等利用上述方法對北京山區(qū)側(cè)柏人工林森林生態(tài)系統(tǒng)水分通量進(jìn)行了拆分，結(jié)果表明，在其連續(xù)原位觀測期內(nèi)總體上植被蒸騰占蒸散比例的變化趨勢為由低到高最后趨于穩(wěn)定，第一階段為植物生長階段前期，植物生長較為緩慢，所以其蒸騰比例較低；第二階段植物蒸騰比例逐漸上升，主要是因為隨著植物生長速度加快，其生理活動較為頻繁導(dǎo)致蒸騰比例升高。袁國富、溫學(xué)發(fā)等利用此方法對麥田的水分通量進(jìn)行了拆分[19]，結(jié)果表明，在冬小麥生長盛期，蒸騰占總蒸散比例在94%～99%[22-23]。

4 研究展望

穩(wěn)定同位素技術(shù)在森林生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)中的應(yīng)用已趨于成熟，但是就目前的研究來看還存在一些不足：在利用穩(wěn)定同位素技術(shù)確定森林生態(tài)系統(tǒng)WUE的研究中，大多數(shù)研究方法還是采用Farquhar在20世紀(jì)70年代提出的方法，但影響森林生態(tài)系統(tǒng)WUE的因素是多方面的且植物的生理結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，并不是由幾個因子所決定的，因此在以后研究過程中應(yīng)引入更多的因子，如葉肉導(dǎo)度等。

在利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)構(gòu)建碳水耦合模型的研究中，大多數(shù)研究者均是結(jié)合樹干液流技術(shù)，通過尺度擴(kuò)展的方法計算林分蒸騰，但是該方法缺少代表性和說服力。在今后研究中應(yīng)結(jié)合渦度相關(guān)法來計算林分蒸騰，同時結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)碳同位素組成的連續(xù)原位觀測，從而構(gòu)建森林生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合模型，而不僅是通過采樣來測定植物的碳同位素組成。

在確定植物水分來源的研究中，應(yīng)對各種模型進(jìn)行校準(zhǔn)，引入不同參數(shù)，提高模型的精度及擴(kuò)大適用范圍。

利用穩(wěn)定同位素技術(shù)和Keeling Plot方法對森林生態(tài)系統(tǒng)水分通量拆分的研究方法也存在較多問題。該方法的理論基礎(chǔ)主要是基于同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)，若在研究過程中發(fā)生了同位素分餾現(xiàn)象即同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)不成立，則該方法測定的森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散量存在很大的誤差。今后研究中應(yīng)加大對如何判斷同位素的穩(wěn)態(tài)，以及在非穩(wěn)態(tài)的情況下如何準(zhǔn)確地測得森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散量等方面的研究。