同位素生态水文学的“双水世界假说”及其研究进展

李裕红, Leonel Sternberg, 林光辉

(1.华侨大学 环境科学与工程系，厦门 361021;2.迈阿密大学生物系，珊瑚墙市(美国) FL 33141；3.清华大学 地球系统科学系，北京 100084;4.清华大学 深圳国际研究生院，深圳 518055)

水在土壤-植物-大气连续体(SPAC )通过蒸腾、蒸发、凝聚、降落、渗透等过程影响和决定着流域的水循环。准确理解降水、植物水、土壤水、地下水及流域输出水(如蒸发、蒸腾和径流)等水分库的动态及它们之间的复杂相互作用，仍然是生态水文学研究的重大挑战任务之一[1-2]，需要借助稳定同位素技术的应用[3-4]。大约十年前，Brooks等应用双同位素方法(18O和2H)研究美国俄勒冈州一个流域的水分流动过程，发现流入溪流或补给地下水的降水与树木所用的土壤水存在明显的生态水文分离(ecohydrological separation)现象，首次提出了同位素双水世界假说(Two Water Worlds hypothesis)，简称TWW假说[5]。TWW假说认为：土壤水可分为土壤流动水和束缚水，它们之间不进行同位素交换，而植物更倾向于利用土壤束缚水[3]。尽管有越来越多的研究证据支持TWW假说[6-12]，但TWW假说的有效性至今仍存在众多争议。这主要是由于TWW假说与传统水文学的移动流范式[13]以及植物生理用水耗能规律方面存在相矛盾之处，而且陆续有一些新的证据与TWW假说相悖[14-16]。

近10年来，同位素生态水文学研究已陆续有不少综述[17-22]，吕斯丹等最近也在《应用生态学报》发表有关同位素生态水文分离现象及其研究进展的综述论文[23]，但至今未见系统介绍同位素TWW假说及其应用的综述论文。本文在简要介绍同位素TWW假说的发展历史和内涵的基础上，重点评述同位素TWW假说在研究SPAC中生态水文分离、土壤水流动过程、植物水分吸收与运移过程等方面的重要研究进展及其存在的不足，并对同位素TWW假说及其应用的未来研究方向提出一些建议，以期为稳定同位素技术在我国生态水文过程研究中的应用提供参考。

1 同位素双水世界假说的发展与内涵

自美国气象局和森林管理局1910年在美国科罗拉多州南部的Wagon Wheel Gap建立了世界第一个配对集水区的森林生态水文定位研究站以来，对植物水分利用和蒸腾作用与水文学之间的关联已开始了近百年的定量研究[24]。这些流域尺度的实验研究清楚地表明植被与流域水流之间存在着密切联系。然而，配对集水区研究法只能推测植物-水流相互作用的机制，其核心就是水分移动流概念(the concept of translatory flow)[5,13]。水分移动流理论认为土壤中的水分完全混合。许多配对集水区的研究结果支持水分移动流理论，一些研究结果表明植物利用了本来会形成径流(streamflow)的水，从而把蒸腾和径流关联起来[25-26]。降水输入后与地下水完全混合是目前多数流域水文模型的前提假设，即与植物根对土壤水和河川径流水的利用一致。然而，运用稳定同位素技术的研究提出了不同的见解。例如，1991年Dawson和Ehleringer在《Nature》上发表的研究发现：犹他州盐湖城附近一条河流边成年树木的根系可连续分布在整个土壤剖面中，但茎水的氢稳定同位素数据揭示出最活跃的吸水区域仅限于较深的土壤层，说明这些成熟的河岸树木并不依赖于溪水，而是利用了更深的地下水[27]，这也证明了植物水与其环境水分库之间存在复杂的相互作用。

Brooks等[5]利用稳定同位素技术探讨了在季节性干旱气候影响下小流域尺度的水文和蒸腾之间的关联。他们收集和测定了2004—2006年间俄勒冈州安德鲁斯地区约10公顷森林32个分水岭区域局地降水、河川径流、土壤水和树木水样品的δ18O和δ2H，但没有发现任何研究区的土壤或树木水的氢氧同位素关系与河流水的相类似。土壤和树木水的δ18O和 δ2H均没有落在当地大气降水线(Local Meteoric Water Line,LMWL)上，而是都低于LMWL，表明这些水分存在一定程度的蒸发(图1)。图1中显示，进入土壤表层降水(一般是氘和18O富集的夏季雨水)或深层降水(一般是氘和18O贫化的冬季降水)的同位素信号会落在LMWL上，而被植物吸收的土壤水束缚水由于束缚水效应其同位素信号远离了LMWL，或由于土壤水的蒸发效应更接近EWL，因而出现土壤-植物体系中不同水分库的同位素分离现象。

橘黄色点——木质部水；红色点——土壤水；LMWL——当地大气降水线；EWL——蒸发水线图1 土壤-植物体系中不同水分库的同位素组成及同位素分离概念示意图[3]Orange spot——Xylem water;Red spot——Soil water;LMWL——Local Meteoric Water Line;EWL——Evaporative Water LineFig.1 Conceptual diagram of isotope composition of different water pools in soil-plant system and hydrogen and oxygen isotope effect during water exchange[3]

他们还发现，秋季增湿期间一次大降水事件之后土壤孔隙陆续被重同位素更贫化的水注满，并逐渐向更深土壤渗透(图2a)，导致土壤水的氧同位素比值(δ18O)越深越负(即图2中颜色变深)，即降水由于雨洗(rainout)过程进入径流。进入雨季之后，降水更易从土壤大孔隙等捷径进入径流(图2b)。进入干旱季节，土壤大孔隙里的水逐渐干枯，剩余的水与土壤细小孔隙紧密结合成为束缚水，植物则利用这些束缚水用于蒸腾(图2c)。Brooks等[5]的研究发现在土壤中停留时间最长的水(结合在小孔隙中的束缚水)更有可能被植物移除，而不是被输送到河流中。

图2 俄勒冈森林生态系统不同季节水分流动过程及其同位素比值变化示意图[5] (水的颜色从亮黄到深蓝代水分的18O逐渐贫化的趋势)Fig.2 Conceptual model for water resource separation in a forest ecosystem in Oregon, USA[5] (The color of water from bright yellow to dark blue represents a trend of gradual depletion in 18O of waters)

基于以上这些研究结果，Brooks等于2010年首次提出同位素双水世界(TWW)假说[5]。该假说认为：土壤水可分为土壤流动水和土壤束缚水，两者之间的同位素组成存在显著差异，且土壤流动水与束缚水之间不进行同位素交换，而植物更愿意利用土壤的束缚水[5]。也就说，降水进入土壤后，与土壤水混合后可形成土壤流动水和束缚水两个具有不同同位素组成的水分库，该假说假设即使存在更多的流动水，植物仍会优先利用束缚水。McDonnell[9]对该假说的内涵及其在研究生态水文过程中应用进展做了系统的总结。Evaristo等对全球47项同位素水文研究数据进行综合分析，结果表明土壤流动水和束缚水之间的生态水文分离可能在大多数生物群落中广泛存在，因而认为同位素TWW假说具有全球普适性，论文发表在《Nature》上[10]。另外，近几年也有越来越多的研究支持同位素TWW假说[6-12]，还有不少的研究成功地利用该假说量化了植物对不同水源的利用比例[11，28]。Good等[29]还成功利用同位素TWW假说对全球尺度水分交换通量进行了拆分，其研究结果于2015年发表在《Science》上，充分展示出该假说在研究不同尺度生态水文过程量化等方面的重要作用[30-31]。

2 同位素TWW假说在生态水文过程研究的应用进展

在同位素TWW假说提出后10年的时间里，已有众多的研究者对该假说进行了系统研究，并以该假说为理论基础研究了不同时空尺度的生态水文过程，取得了一些重要进展。

2.1 同位素TWW假说与SPAC体系的水同位素分馏研究

同位素TWW假说的核心思想就是树木和溪流能将不同水分库的水送回水圈[5-11，28，32-33]。支持同位素TWW假说的研究表明，自然界存在2种具有各自同位素组成特点的不同水分库：降水、土壤渗流、地下水和河川径流中的流动水(这些水的同位素信号一般都落在同位素大气降水线MWL上)与植物木质部水和大部分土壤水(其同位素信号一般低于MWL，但沿蒸发线EWL分布)(图1)。然而，大部分深层的土壤水分同位素信号却是沿着MWL分布[34-35]。

Craig用质谱计测定了世界许多地区天然大气水体中δD与δ18O之间的关系，结果发现大气降水(包括冰、雪、雨和雾等)的δ18O与δD之间呈现线性相关(δD=8δ18O+10)，这是因为平衡状态下D/H的分馏约为18O/16O的8倍[36]。蒸发是水循环发生同位素分馏最显著的过程，既是能量驱动的过程，也是扩散驱动的过程，包括平衡或非平衡的过程。在平衡条件下，轻同位素(即质量为18的1H216O)优先蒸发，而重同位素(即质量分别为19和20的1H2H16O和1H218O)趋于富集[34]。在水汽饱和环境 (即相对湿度RH为100%)条件下，蒸发分馏效应取决于温度。相反，在不饱和的条件下，液相中较重的水同位素(即质量为20的1H218O)以较慢的速度蒸发和扩散到气相，而较轻的水同位素(即质量分别为18和19的1H216O和1H2H16O)扩散较快。理论上，土壤两个水分库(流动水、束缚水)的δD与δ18O之间的关系应该表现为同位素完全分离或具有一定连接性两种形式。如同位素完全分离，土壤流动水的δD与δ18O的关系应该与大气降水的相似(即在图1中MWL线上)，明显不同于土壤束缚水(δD与δ18O的关系类似于图1的EWL线)。反之，若存在一定的同位素连接性，土壤流动水δD与δ18O的关系就会偏离MWL线，更多的是介于MWL与EWL线之间(图1)。绝大多数研究结果表明：土壤流动水的δD与δ18O的关系与MWL类似，但土壤束缚水多都落在EWL线上[5,11,30]，这为同位素TWW假说的有效性提供了强有力的支持[9]。

2.2 同位素TWW假说与土壤水流动过程的同位素交换研究

TWW假说挑战了土壤移动流会与束缚水完全混合形成土壤径流这一传统理论范式[37]。生态水文学研究者以往通常假设降水与土壤水完全混合后形成径流，也就是说，降水与土壤水混合存在生态水文分离现象，即土壤水可分为由土壤无效水和可供植物吸收的有效水构成的束缚水及自由移动形成径流的自由水，且两个水分库间存在着部分混合即连接性[38]。移动流的一个极端例子是土壤先前所有存在的旧水都被输入的新水挤走并取代[39]，而另一个极端例子是输入水通过大孔隙流动或绕行，即流入的新水通过土壤大孔隙向下流动，与先前存在的旧水(即被蒸发后留在土壤的降水)很少或根本没有接触，因此没有出现混合[40]。Sprenger等通过土壤物理模型描述了粘土和粉质土壤中流动水在土壤剖面穿行时间的空间变化主要受土壤质地和结构的驱动，而水在粘性土壤的穿行时间明显长于壤质到沙质的土壤[41]，这在水文学上叫做优势流。上面提到，已有很多基于δD与δ18O的关系研究结果表明： 降水进入土壤后可分为由土壤无效水和可供植物吸收的有效水构成的束缚水及自由移动形成径流的土壤流动水。

定性及定量解析降水与土壤水混合过程中土壤束缚水和流动水的完全分离特征是理解和量化生态水文过程的前提条件。同位素TWW假说激发了对生态水文数据的新解释和研究流域水流路径的新思路。土壤系统作为一个开放系统，土壤水的运移变化过程必然影响着土壤与环境间的物质与能量的交换过程，有许多模型用来研究阐述这些过程。大多数模型模拟的土壤水文过程中，已存水和输入水之间有一个中间水平的相互作用，称为对流-弥散流( convective-dispersive flow)[42]，其中先前存在的土壤水被不完全置换。在一次降雨事件之后，一些新的输入水快速穿行于土壤，同时，一些新水“混合”并取代原来的旧水。Gerke等使用流动水-束缚水模型(mobile-immobile water model)研究多孔介质中水和溶质的优先运动的结果显示，储存在土壤小孔隙或聚块体(soil aggragates)中的水与主要水流通路不直接相连，仅通过扩散方式运动[43]。在自然系统中，人们期望土壤水的绕流和对流-弥散流的组合取决于诸如土壤基质电导率、介质结构、输入速率和预测条件之类的变量[44-45]。模型分析结果表明，仅当土壤水含量处于或接近饱和时，旁路绕流才占主导[45]。已有研究发现，与土壤移动流会与地下水完全混合的传统生态水文模型相比，考虑流域性质及流速的部分混合模型对进行径流形成、溶质运移等过程的模型也很重要[46]。

大陆上再生淡水的输入来自降水，以及通过蒸发和蒸腾作用流失到大气中。其中蒸腾是来自地球陆地的最大水通量，占陆地蒸散量的80%至90%[47]。鉴于此，即使所有新事件水都完全通过土壤基质中最小混合的大孔隙输送，静态基质水(附着在土壤细小基质颗粒表面的束缚水)优先被树木吸收，但必须有一个来源来取代因植物吸收而流失的土壤水，并将相当大比例的水归还给大气圈[11,47]。随着植物从湿润土壤中吸取水分，土壤和植物水势逐渐下降，水分从水势较高的地方向根附近水势较低的地方移动。不可否认的是，与土壤结合较紧密的基质水须由保持较低张力的大孔隙水来置换补充[1]。

2.3 TWW假说与植物水分吸收和运移过程同位素交换研究

植物吸收水分以及水分在植物体内的运移等过程受到许多内外环境因子的影响, 而水分子中的氢氧同位素组成也敏感地响应着内外环境的变化。在SPAC体系中，水分总是从高水势的地方运动到低水势的地方。由于大气、叶片、根系及土壤间水势梯度的存在，可以促使植物通过根系从土壤吸收水分，然后通过导管运输到植物组织器官，最终通过蒸腾作用进入大气。同位素TWW假说认为即使存在更多的流动水，植物仍更愿意多利用束缚水。如果同位素TWW假说是合理的，那么为什么植物会优先利用需要更多能量的、更紧密结合的束缚水呢？特别是当土壤水分超过田间持水量？要回答这个问题，需要更多的验证性实验研究。

现已知道，大部分水以流动的形式进入植物的根界面，并通过根的内皮层穿过凯氏带，再通过胞间运输和共质体途径进入茎干和枝条的木质部，并通过树干的维管束将水输送到叶片。目前普遍的研究认为土壤水分在被植物根系吸收及随后沿导管向上传输的过程中与外界环境不发生水分交换，因此不存在氢氧同位素的分馏过程[48-49]，即植物根、茎、枝木质部水的同位素比值与根系吸收的土壤水没有显著的差异。然而，越来越多的研究表明，除了叶片蒸腾会产生显著的水同位素分馏从而使叶片水富集氘、18O外，从植物根吸水到迁移至叶的整个路径都可能发生氢、氧同位素分馏[14-15，50-53]。

其一，有证据表明，同位素分馏可能发生在土壤-植物体系水流动的整个路径。Lin 和 Sternberg发现滨海湿地一些盐生植物主要依赖土壤表层水而且在吸收水分过程存在同位素分馏[50]。本文作者和Vargas等对淡水陆生木本植物鳄梨 (PerseaamericanaMill. cv Lula)幼树进行的合作研究中也发现鳄梨幼树吸收水分过程存在同位素分馏，且氢、氧同位素均存在显著分馏现象[15]。Ellsworth 和 Williams在盐生植物和旱生植物的土壤-根界面上测到3‰～9‰的氢同位素分馏(图3)[14]。我国学者也发现生长在干旱地区的胡杨水分从根系输送到叶片过程存在显著的氢同位素分馏[51]。另外，有证据表明植物的水通道蛋白[52]和细胞的新陈代谢[53]可能进一步改变水同位素组成。氢氧同位素分馏是否发生在水流动的整个路径还有待进一步验证。

图3 半干旱、干旱生境中16种灌木和乔木及1种中生草本植物(Lycopersicon esculentum)木质部水与土壤水的氢同位素差别程度(δ2H=δ2Hsoil water-δ2Hxylem water)Fig.3 Magnitude of isotopic separation (δ2H=δ2Hsoil water-δ2Hxylem water) for 16 species of semi-arid and arid shrubs and trees and the herbaceous mesophyte Lycopersicon esculentum

其二，也有研究显示，早晨水会从树皮移动到茎干木质部，并在晚上发生流动方向的逆转[54-55]。Cernusak等的研究显示，韧皮部水与木质部水相比，韧皮部水显著富集了0.5至0.8‰的18O[56]。Pfautsch等的研究发现在干旱胁迫时期，韧皮部水向木质部的转移可能特别明显，推测发生这种转移是为了支持木质部导管栓塞的修复，也可能是因为韧皮部含有较多的溶质，通过失水来提高溶质浓度，从而调节渗透势，进而使植物提高抗逆能力[55]。越来越多的证据表明，露水、雾和大气中的水直接被植物通过叶和树皮组织吸收[57-59]，为植物提供了另一个水源。Eller等的研究结果表明，直接通过树叶扩散的雾水占最大蒸腾量的26%[59]，而Gotsch等发现，雾吸收使各个枝条中所有干季水的回收率达到9%[60]。由于雾往往比雨水更富足[61]，叶片富集水的内部循环可能会影响木质部取样水的同位素特征。有证据表明，树叶吸收的雾水甚至到达地下水分库[59]。这些现象是否具有普适性也有待验证。

其三，树木内部同位素信号的显著空间变化可能会影响植物茎水的同位素组成，这在某些方面也挑战同位素TWW假说。例如，许多树木物种其茎内木质部导管实验表明所测量的树干木质部水分不一定与其根段或水源水一致[62-63]。此外就目前所知，植物体内水运动是三维的，而不是单向的，植物体内的循环和储存可能在改变取样植物水同位素信号中发挥作用。因此，假说中植物更愿意使用“紧密束缚”水的概念与植物吸收和运输水的生理生态机制不一致，即植物可以通过水势梯度吸收任何容易获得的水(最高水势)[64]。

2.4 同位素TWW假说与植物-土壤水相互作用的同位素研究

除了上述土壤和植物内水分交换过程的复杂性需要考虑外，还需考虑土壤-植物间水分流动过程动态变化的时空特性。即使可以在土壤水吸水点和木质部内对水分进行精确采样，但水分进入根系与取样点到达木质部取样点之间仍存在内在的时间差。Meinze等运用散热探针和注射D2O示踪剂的方法研究两种高度在13.5～58 m范围的针叶树北美黄杉和异叶铁杉的中长距离输水动力学，结果表明根系吸收的水可以在几个小时至几天的时间内到达树干的木质部，D2O从树干基部穿越到达树冠的时间为2.5 d～21 d，最大树液速度的估计值范围为2.4 m·d-1～5.4 m·d-1，汁液流速取决于树的特定解剖结构(如树干粗细、木质部及储存细胞大小)和环境条件(温度、湿度、降雨等)[65]。Treydte等的一项研究表明，落叶松的木质部水分在生长季节前富集了18O(并与同位素强烈贫化的土壤水脱钩)，并在针刺成熟前稳步下降到较低水平[66]。假设在温带气候带陆地上蒸腾是可以忽略不计的，上一年秋季植物的水分储存[67-68]，再加上枝条和茎的蒸发效应[69]，可以解释初春木质部水中18O和2H的富集[66, 70]。此外，休眠期或蒸腾速率低的时期茎中残留的水分允许同位素富集的韧皮部水逐渐转化为木质部水[56]。Brandes等通过每两周对苏格兰松树树枝和树干韧皮部有机质中潜在水源和木质部水的δ18O和δ2H以及δ13C进行定量研究，并将这些值与连续测量的气象参数、土壤含水量、林分蒸腾作用和冠层气孔导度等指标进行建模分析苏格兰松树与环境的水分关系。研究结果显示苏格兰松树在生长季节其木质部水的δ18O和δ2H通常在与2 cm～20 cm深度的土壤水的氢氧同位素比值处在相当一致的范围内；在冬季，苏格兰松树木质部和土壤水的同位素信号不耦合。韧皮部有机质的δ18O直接指示了全年的近期环境状况。该研究指出同位素特征可以用作有效的工具来表征水源和木质部水的季节性动态，以及评估环境对植物蒸腾和气孔导度的影响，从而有助于理解和预测气候变化对树木和森林生态系统的潜在影响[70]。

如果具有不同同位素信号的植物水释放到土壤中，土壤水同位素组成就会受到影响。一般情况下，水分在再分布过程中水平方向运动速率较垂直方向小一些，这是因为在垂直方向上土壤水分的再分布主要受重力势和基质势作用，而在水平方向上仅受基质势作用。土壤水分的再分布作用在一定程度上改变了根土界面水分的时空格局，有利于调节根土界面生态系统的水分平衡，促进土层内养分循环，改善生物群落地下部分所处的生态环境，提高生态系统生产力。Brooks 等在内的许多研究结果阐明根系水分再分配对调节土壤含水量及水分平衡有重要的作用[71]。还有，随着植物体内水运输路径的加长，水在木质部中穿行次数增加，也会导致植物内木质部水氢氧同位素组成的变异，所以源水同位素组成的时间变化必然导致木质部同位素信号的垂直变化[56,69]。因此，随着时间的推移，土壤水分将与木质部水的同位素特征出现分离。

3 TWW假说的不足之处

3.1 从“双水世界”假说到“n水世界”假说的转变

关于TWW假说，目前似乎倾向于只关注支持或拒绝这一假说，而没有考虑如何完善这个假说。保持在根区或通过该区域的水和下方含水层的水是连续的，其中水的转运是靠水势梯度驱动，而不是分离的世界，所以有必要从简单的两水世界假说转向“n水世界”概念，多个水分库和流动路径被调用和参数化，才能更准确地区分不同类型土壤基质中水同位素交换位点。我们面临的一个挑战是目前还缺乏简单易行的方法检测SPAC体系内不同节点水的同位素组成。

3.2 植物-土壤-大气连续体同位素示踪研究严重不足

虽然对土壤不同水分库间水分流动以及植物吸收与蒸腾过程水同位素交换已有大量研究，目前对植物-土壤-大气连续体同位素全过程示踪研究还比较少。最近，Vargas等在温室控制实验中测试了土壤束缚水(不流动水)和土壤流动水之间的同位素交换，并研究了植物吸水过程中是否存明显的同位素分馏。该研究是在两组19 L容量的花盆中分别装入两种不同质地土壤，每盆各栽一株2年树龄的鳄梨幼树，花盆里的土壤束缚水都源于自来水。之后，一组接受同位素富集水，而另一组接受自来水作为流动相水。经过8 d～10 d干旱期后，用低温蒸馏法分析了植物茎水，并将它作为土壤束缚水和总土壤水的代表。研究结果表明75%～95%的土壤束缚水与流动水进行了同位素交换。此外，植物吸水过程中18O和2H存在分馏，这种分馏随土壤水分流失和土壤类型的不同而异。实验结果表明，“双水世界”假说的假设即土壤流动水与束缚水之间不进行同位素交换，以及植物吸水过程中不存在分馏现象，均不成立[15]。该研究提出了一种新的解释，即在水文循环中，土壤水分剖面同位素比值与其它水系的同位素比值存在差异，指示出淡水植物吸收水分过程也存在同位素分馏，土壤流动水与束缚水之间的交换存在显著的同位素分馏效应[15]。必须指出，这项研究存在一些不足：(1) 只用了鳄梨一种植物和两种孔隙度有所差别但含沙量均比较大的土壤；(2) 缺少无植物土壤对照，对实验期间没有植物情境下土壤束缚水与流动水之间的交换也缺乏跟踪观测。

Good等(2015)[29]和Evaristo等(2015)[10]利用水分稳定氢氧同位素特定关系在全球尺度上揭示出蒸腾作用和其他水文过程对全球水循环的重要贡献，其成果刊登在《Nature》、《Science》这样顶级刊物上，但他们的这些研究结论都是建立在“土壤流动水与束缚水之间不存在显著的氢氧同位素交换以及植物根系吸收水分和木质部输送水分过程不存在氢氧同位素分馏”的假设。不少最新研究质疑：如果这些假设不成立，他们的结论很可能需要修改[1]。因此，有必要对不同类型土壤、不同类型植物、不同含水量的土壤以及有植物或无植物对照进行系统的研究。

4 展望

稳定同位素技术已是研究流域水文循环的极为有价值的工具，但在运用同位素TWW假说分析和理解土壤-植物-大气连续体体的水分关系时，近年的同位素研究案例和结果也给我们提出了更多的问题，有待进一步深入研究。为了全面确定TWW假说是否可靠或进一步发展和完善TWW假说，未来的研究应重点考虑以下几个方面。

(1) 稳定同位素技术在研究生态水文过程已取得重要进展，但植物-土壤体系中水分交换的一些关键过程是否存在氢、氧同位素分馏仍存在严重争议。目前观测到的植物吸收水分过程、运输过程或与韧皮部水交换过程存在的氢氧同位素分馏现象仅在某一类植物(如盐生植物)或某一个植物物种(如鳄梨、胡杨)里发现，是否存在普适性需要进一步的研究。另外，这些过程同位素分馏的生理和分子机制也需要实验研究给予阐明。

(2) 针对植物和土壤水采样方法存在的同位素分馏问题，首先要求进行系统的比较和技术方法评论，以便从木质部，土壤和其他根系介质中提取水，然后开发标准方案。对土壤和植物取样和提取水时的潜在抽样误差的测定，提高土壤和植物的取样分辨率，以提高时间和空间的精度。需要进行研究以比较低流动性和高流动性土壤水的提取技术，并了解采样方案对水同位素组成的影响。最近，不少研究发现不同的水分提取方法的确影响了水的同位素组成[72]。因此，选择合适的同位素水样提取方法有助于TWW假说的验证与完善。

(3) 需要更可靠的水提取方法和同位素测定的技术开发：迫切需要能够改进土壤和植物水的空间和时间取样的新技术，降低样品采集和预处理过程中的同位素分馏。另外，亟需更有效的土壤束缚水提取或直接测定束缚水氢氧同位素比值的方法。也可以借鉴新兴同位素比率观测仪器如红外光谱法在线测定[73]等。如果能利用高分辨率的木质部原位技术和土壤水分采样技术，获得的研究结果对TWW假说的验证更有价值。

(4) 需要收集更多气候类型和植被类型站点的观测数据。基于双同位素的研究比较了集水区的样本和紧密结合的土壤水以及集水区的流动水域(土壤，地下水和溪流)，需要做更多的工作来测试和识别不同气候和不同植被类型之间的假设，特别是与地中海气候和森林类型形成鲜明对比的地方。

(5) 把稳定同位素模块耦合到传统水文过程模型中建立相应的稳定同位素生态水文模型，可以更加准确地揭示生态水文过程及其机制。

(6) 虽然TWW假说在生态水文学研究已产生重要影响，但还应鼓励跨领域跨学科之间的科学合作，如同位素生态学家、同位素生理学家、水文学家和土壤科学家之间。只有这样，才可能在全球变化生态学等领域中得到更广阔的应用。

综上所述，对TWW假说我们还需要开展更多有针对性的研究，特别是对TWW假说的有效性及其应用潜力进行较全面的系统研究，以促进稳定同位素技术在生态水文学研究的应用。