森林用水量一直難以量化。一種很有前途的方法是測量植物水的同位素組成，例如蒸騰的水蒸氣或木質部水。由于不同的水源，例如地下水與淺層土壤水，通常顯示出不同的同位素特征，因此同位素可用于研究植物吸收水分的深度以及其隨時間的變化。傳統上，這種測量依賴于木材樣品的提取，這提供了有限的時間分辨率，但成本很高，并且存在可能的偽影風險。利用在樹干上鉆的鉆孔，我們提出了一種新方法，該方法基于以下概念：緩慢移動的氣流中的水蒸氣接近同位素平衡，木質部中液態水的質量要大得多。我們提出了兩個經驗數據集，表明該方法可以在實踐中發揮作用。然后，我們提出了一個理論模型，估計平衡時間并探索該方法將失效的極限。該方法提供了一種簡單、廉價和準確的方法來連續估計用于蒸騰的源水的同位素組成。落入森林生態系統的降水中有很大一部分通過樹木和土壤的蒸騰作用返回大氣。其余部分最終流入溪流并補充地下水。返回可分為蒸騰作用和蒸發作用，其中蒸騰作用是指植物內部對水分的吸收和損失，蒸發是指其余所有水分，包括土壤和植物表面的蒸發。最后，蒸騰和蒸發對環境條件的響應在質量和數量上有所不同;因此，令人滿意的機理描述將包括對每個組件的單獨控制。盡管水文學家傳統上將蒸騰作用與蒸發混為一談，但他們對測量和模擬孤立的通量表現出越來越大的興趣。相比之下，生態生理學家長期以來一直對描述蒸騰作用感興趣，部分原因是它將植物的碳和水收支聯系起來. 蒸騰通量可以通過其獨特的穩定同位素特征與其他蒸發通量區分開來。一般來說，蒸發的水要經過兩次分餾。第一種稱為平衡分餾，與相變有關，其中較輕的同位素比較重的同位素更快地進入氣相。當水蒸氣從蒸發表面擴散時，就會發生第二次分餾。它被稱為動力學分餾，同樣有利于較輕的同位素。在較長的時間間隔天內積分，蒸騰水蒸氣的同位素特征以穩態出現，這意味著同位素特征等于其水源，也等于木質部中運輸的水的特征。這使得它很容易與強烈枯竭的土壤蒸發區分開來。然而，環境條件變化如此之快，以至于同位素穩態的蒸騰作用在晝夜過程中經常被破壞，并且環境穩定期太短，葉子無法恢復到同位素穩態。因此，蒸騰水蒸氣的同位素特征遵循明顯的晝夜模式，在早晨與源水相比消耗最少，在白天接近同位素穩態，在夜間與其水源相比強烈富集。通過對植物木質部中的水進行低溫蒸餾來描述木質部水的同位素組成有著悠久的傳統。該方法的先決條件是提取的完整性，從而最大限度地減少了原始樣品水和所得收集水之間同位素分餾的機會。但是，這種方法有幾個缺點。首先，它同時蒸餾其他揮發性有機化合物，特別是從葉子中蒸餾出來。如果通過分析樣品，這些有機化合物就不重要了，但是在使用基于激光的吸收技術進行分析時，它們存在問題。 同位素異構體特異性水峰可能會受到干擾，尤其是酒精峰。第二個問題是，低溫提取可能會提取在木質部中不移動的水，例如細胞壁。在這些情況下，它不代表正確的吸收源。充其量，低溫提取是費力的，緩慢的，并且只能代表一個時間點。其他方法已被用于提取土壤水分，但其中許多方法在植物木質部典型的低水勢下無效。
 
當基于激光的系統出現在市場上時，可以連續監測水蒸氣的同位素組成。人們很快認識到，這不僅可以直接測量環境、蒸騰和蒸發水蒸氣的同位素信號，還可以連續測量土壤和莖稈中的液態水。這可以通過假設平衡分餾的氣相值計算液體同位素組成來完成，并且需要記錄溫度和防止平衡位點和儀器之間冷凝的方法。這首先導致了幾種用于土壤水同位素原位研究的設備，然后對樹木質部進行修改。木質部系統能夠明確地檢測到木質部水中示蹤劑脈沖的到來。然而，它難以與預測的同位素組成相匹配。作為概念驗證，它鼓舞人心，但令人擔憂的是它的復雜性和中無法解釋的偏移數據。如果木質部中的液態水繼續蒸發成流經樹干的流動氣流，問題可能會得到簡化。如果我們能夠確保氣流在通過莖時與木質部水達到同位素平衡，那么同位素效應可能特別簡單。為了驗證這個想法，我們進行了兩個實驗，并開發了一個模型，描述了鉆孔蒸汽與液態木質部水的同位素平衡。實驗測試了該方法是否能夠返回預期值。該模型測試了關于該方法背后的物理過程的不同假設，并用于探索其實際極限。從突破曲線的中點估計標簽的平均到達時間。中點計算為周期開始和結束時穩態值的平均值。這項分析是在第一個周期進行的，因為它是唯一一個完全在白天發生的周期，這意味著蒸騰作用在突破期間不斷將水向上移動。其他周期包括暮光之城或黑暗時期，因此可能推遲了標簽的到來。將到達時間與田間和同一地區蘇格蘭松樹的汁液流速估計值進行比較。不幸的是，我們忽略了直接從水桶中測量吸水率;這種局限性在一定程度上激發了第二個實驗。