植物水源水的氢同位素 (δ2Hsource) 广泛应用于植物水分溯源、生态系统蒸散发拆分以及气候重建等相关研究领域。目前常用的确定δ2Hsource值的方法涉及使用经典的低温真空抽提技术获取植物的枝条水，并对其氢同位素值进行测定。该方法的一个内在假设是真空提取的枝条水的氢同位素信号 (δ2Hstem_CVD) 是δ2Hsource的真实反映。然而，早在27年前，林光辉和Leo Sternberg (1993) 在红树植物中率先报导真空提取的枝条水与真实的水源水相比具有较低的氢同位素值。近年来，随着同位素生态水文研究的蓬勃发展，类似的氢同位素贫化现象在红树之外的其它树种，—— 包括旱生植物及正常生境下的温带及寒带树种 —— 被发现广泛存在。该现象无疑为氢同位素在生态环境领域的各项应用增添了复杂性和不确定性。
目前，针对氢同位素贫化现象存在两种不同的解释：早期的研究者将该现象归因为植物根部吸水过程中的氢同位素分馏，而近年来赵良菊等 (2016) 及Barbeta et al. (2020) 则将其归结为枝条木质部和非木质水分氢同位素的差异。针对以上悬而未决的问题，深圳大学宋欣教授课题组通过技术手段的创新实现了基于稳态蒸腾同位素守恒原理的木质部水分氢同位素 (δ2Hxylem) 测量新方法（参见图1）。研究者使用该方法对不同生境来源的9种木本植物进行了δ2Hstem_CVD，δ2Hsource及δ2Hxylem的同步测量及比对（详见图2），并结合干枝条浸泡复水实验：1）证实“氢同位素贫化”是一个普适现象；2）揭示根部吸水过程不伴随氢同位素的分馏，以及同位素贫化与木质部-非木质部水分是否存在同位素异质性无关；3) 指出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。
针对复水实验数据的进一步分析发现氢同位素的贫化程度与枝条的相对含水量呈显著负相关；基于此，作者建议将枝条样品的相对含水量纳入低温真空抽提技术的校正环节。作者进而对国际上已发表的同位素数据集中由真空抽提引起的氢同位素测量偏差进行了校正，结果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”。
以上成果将为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 “Stem water cryogenic extraction biases estimation in deuterium isotope composition of plant source water” 为题发表在《美国科学院院刊》(PNAS) 杂志上。深圳大学生命与海洋科学学院宋欣教授为通讯作者，陈永乐博士为第一作者，博士后李芳和研究助理汤显辉，以及陕西科技大学周友平教授和美国宾夕法尼亚大学Brent R. Helliker教授为论文共同作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和深圳市科创委的支持。
图 1 基于植物冠层稳态蒸腾同位素守恒原理的木质部水氢氧同位素组成测量装置。
图 2 不同生境来源木本植物茎干样品低温真空抽提 (stem_CVD)、土壤水 (source) 和蒸腾水汽 (xylem) 氢氧同位素值的比较。
