陸凱+于靜潔+王平+李亞飛+李蓓

摘要：植物用水對水文條件的響應(yīng)是干旱區(qū)生態(tài)水文學(xué)的重點研究內(nèi)容。本研究以額濟納三角洲為研究區(qū)，選取水文條件不同的典型河岸帶植物胡楊（Populus euphratica）為研究對象，同步采集其根莖及可能為植物提供水分的土壤并真空抽提水分，同時采集河水和地下水水樣，通過δ18O分析潛在供水水源（河水、地下水）-土壤水-植物水之間的水分響應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，對于距離過水河道75 m（地下水位埋深2.0 m）的胡楊，其主要土壤供水層在1.0～2.0 m，植物水分有93.7%來自河水；而距離過水主河道2 km以外（地下水位埋深3.3 m）的胡楊，主要吸收1.4～3.2 m的土壤層水分，地下水（由河水補給，但在含水層停留時間較長的河水）對胡楊水分的貢獻比例達到80.0%。可見，胡楊用水策略與模式受其距過水河道遠(yuǎn)近、地下水位深淺影響明顯。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；18O；水文條件；胡楊；水分來源

中圖分類號：G948文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0088-07

Abstract：The response of plant water use strategy to hydrological conditions is important for eco-hydrological research in arid areas.In the present paper，we studied a typical riparian plant，Populus euphratica，under different hydrological conditions in Ejina delta.We simultaneously collected samples of the plants′xylem as well as the surrounding soil and extracted their water with a cryogenic vacuum extraction system.Meanwhile，we collected river water and groundwater samples.The δ18O of these samples were tested to analyze the relationship between potential water sources （river water，groundwater），soil water，and plant water by the isotopic mass balance model.The results indicated that the Populus euphratica that stands 75 m away from riverbank with a 2 m-deep water table mainly consumes water from the 1.0～2.0 m deep soil layer and 93.7% of the plant water is from the river.The Populus euphratica that stands 2 km away from riverbank with a 3.3 m-deep water table mainly absorbs soil water that is 1.4～3.2 m deep，and ultimately 80.0% of the plant water comes from groundwater （river water that stays long in the aquifer）.It can be seen that the water use strategy of Populus euphratica varies significantly with their distance from riverbank and groundwater table depth.

Key words：arid area；18O；hydrological conditionPopulus euphratica；water sources

在降水少、風(fēng)沙多的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，水是植被發(fā)育、群落演替和生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的最重要控制因子[1-3]。研究表明，干旱環(huán)境中的植物為適應(yīng)水分供應(yīng)條件的變化，會通過調(diào)整水分利用模式以適應(yīng)嚴(yán)重缺水環(huán)境[4]。不同類型、不同地理位置的植物，對不同水源的依賴性和敏感性不同，具有不同的用水策略和模式，并存在競爭和協(xié)同[5]。在降水稀少的極端干旱區(qū)，地表、地下水資源是維系荒漠區(qū)河岸林最重要的因子[5]，距過水河道遠(yuǎn)近及不同的地下水位埋深等水文條件都會影響植物水分利用。胡楊（Populus euphratica）是楊柳科（Salicadeae）楊屬 （Populus） 最古老的樹種，是唯一能在中國荒漠綠洲去自然形成大面積森林的落葉中型天然喬木[6]。其在中國西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域河岸帶廣泛分布，有著耐鹽堿的特性和抗干旱、抗風(fēng)沙等重要的生態(tài)保育功能。作為干旱區(qū)內(nèi)陸河流域荒漠區(qū)河岸林的主要優(yōu)勢種，胡楊生長地的水文條件變化對其水分來源組構(gòu)的影響問題一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點[1，7-8]。

氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)被認(rèn)為是對植物和土壤破壞性較低而精確度較高的判定植物水分來源的方法，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境脆弱、植被稀少的干旱、半干旱地區(qū)的生態(tài)水文研究[9-10]。Smith等人[11]在Eastern Sierra對河岸群落的研究表明，在生長季，優(yōu)勢植物由非生長季的主要利用土壤水轉(zhuǎn)為主要利用地下水。Dawson和Ehleringer[12]利用氫穩(wěn)定同位素（2H）對美國猶他州山間的河流與橡-槭灌木植物群落水分利用關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)幼齡樹木和成熟樹木對河水的選擇利用不相同：只有幼齡樹木會吸收利用河水，而即便是生長在河流旁邊，成熟樹木也幾乎不利用河水。Ehleringer等[13]在研究了生長在美國猶他州沙地中的植物后發(fā)現(xiàn)一年生植物和淺層根系的沙漠肉質(zhì)植物均主要利用夏季自然降雨的水分，而多年生深根植物沒有利用夏季降水，多年生木本植物對夏季降水、冬季降水、地下水都有利用。Li等[14]研究了華北太行山地區(qū)典型的刺槐（Robinia Pseudoacia L）為主以及黃背草（T.japonica （Willd.）Tanaka）和白羊草（B.ischaemum （L.） Keng）等草類為主的兩個區(qū)域，研究發(fā)現(xiàn)在6月至9月，兩處區(qū)域的土壤水滲透速率分別為12 mm/d以及10 mm/d，而土壤水補給地下水的速率則分別為3.8 mm/d以及3.2 mm/d。 趙良菊等[1]分析了黑河下游河岸林植物的水分來源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)喬木和灌木利用地下水的比例較高，草本植物則主要利用降水和河水。周雅聃等[15]對比了不同年降雨量白刺和油蒿的水分利用情況，結(jié)果表明，在降水量多于200 mm時，白刺和油蒿的水分吸收則從主要為地下水和深層土壤水轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗬脺\層土壤水。朱雅娟等[16]對巴丹吉林沙漠東南部的白刺灌叢進行增雨試驗后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年降雨量增加一倍時會顯著增加白刺對降水的利用比例。朱建佳等[17]研究了柴達木盆地典型地帶性荒漠灌木后發(fā)現(xiàn)，在生長季初期，植物主要利用河水和地下水；生長季中后期，則主要利用土壤水和地下水。

綜上，水文條件不同會對植物水分利用策略產(chǎn)生明顯的影響。在中國西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域下游，為保護下游生態(tài)環(huán)境，生態(tài)輸水成為植被恢復(fù)和保護的重要途徑。位于黑河下游額濟納綠洲河岸帶的胡楊林，是典型的濕生植被，生態(tài)輸水時間和輸水量的變化會直接導(dǎo)致額濟納綠洲河水和地下水位的變化，從而影響胡楊對水分的吸收效率。本文旨在探究胡楊用水對水文條件變化的響應(yīng)，為制定科學(xué)合理的生態(tài)輸水方案并提高生態(tài)用水效率提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

額濟納三角洲位于我國西北地區(qū)的中國第二大內(nèi)陸河——黑河的下游，是由黑河狼心山水文站以下的東、西兩河及其漫流沖積形成的扇形三角洲。本次將研究區(qū)的范圍界定為狼心山水文站以下，東、西兩河兩側(cè)20 km范圍內(nèi)，包括兩河的尾閭湖東、西居延海（圖1（a）），地理位置介于100°00′- 101°30′E，41°00′ - 42°30′N，面積約8 022 km2[18]。該區(qū)域為典型的大陸性干旱氣候，根據(jù)額濟納旗氣象站1960 年-2012年的觀測資料統(tǒng)計：多年平均降水量34 mm，最大年降水量103 mm，最小年降水量7 mm；年蒸發(fā)能力1 400～1 600 mm[19-20]。河水的補給孕育出了河流沿岸的河岸帶綠洲，河岸帶綠洲內(nèi)的土壤多是草甸土、鹽化草甸土、風(fēng)沙土等，局部有鹽化沼澤土和沼澤鹽土出現(xiàn)，河岸帶綠洲區(qū)內(nèi)植被主要以胡楊、紅柳（Tamarix ramosissima）、沙棗（Elaeagnus angustifolia）等為主[21]。研究區(qū)內(nèi)整體地勢從西南向東北逐漸傾斜，坡降在1‰～3‰[22]，三角洲內(nèi)除沿河區(qū)植被分布較為集中外，大部分是戈壁、低山丘陵風(fēng)蝕地、沙漠和鹽堿地。

區(qū)域內(nèi)含水層系統(tǒng)的主體為第四系地層，第四系松散沉積物顆粒由南向北逐漸變細(xì)，厚度為50～500 m，其孔隙含水層中存儲著豐富的地下水[23]，含水層巖性以中細(xì)砂、粉細(xì)砂，黏土夾層為主；北部東、西居延海至中蒙邊界一帶，含水層組成以沖、洪積物為主，巖性主要為砂、砂黏土、黏土（圖1b[24]）。研究區(qū)淺層地下水儲量在時間上呈周期性變化，通常為9月至次年3月正均衡，4月至8月負(fù)均衡[21]?？臻g上地下水位變化與處于河岸帶綠洲區(qū)或者戈壁帶有關(guān)，河岸帶綠洲區(qū)的地下水補給的主要方式為河床滲漏補給，通常夏季河道過水時長在一周左右，冬季過水長達數(shù)月，胡楊、紅柳等的蒸散耗水是天然綠洲區(qū)主要地下水排泄途徑。對于農(nóng)田較多的人工綠洲區(qū)，地下水開采及灌溉等社會經(jīng)濟用水對地下水位影響明顯，而荒漠帶則以區(qū)域地下水側(cè)向補給和潛水蒸發(fā)為主[25]。

2試驗材料與方法

2.1 樣品采集

2.1.1 胡楊植株樣本選擇

本研究選擇了胡楊植株為研究對象，作為河岸帶典型植物的胡楊，主要分布在額濟納三角洲東、西河及其支流沿岸，其對應(yīng)地下水位埋深在1.5～3.5 m之間變化。

本研究根據(jù)距主河道遠(yuǎn)近以及地下水位埋深不同在研究區(qū)選擇了不同水文條件的兩株胡楊樣本（植株位置見圖1a），時間上選擇在典型生長季階段的2015年7月，利用氧穩(wěn)定同位素（18O）進行了胡楊水分來源的示蹤。空間上，選擇了典型的河道上游且距河道較近以及處于河道下游且距河道較遠(yuǎn)的兩株胡楊：1號胡楊處于東河上游，距離過水主河道75 m，采樣時地下水位埋深為2.0 m，其胸徑、樹高分別為0.8 m、5.5 m；2號胡楊處于東河下游，距離東河過水主河道2 km以上，采樣時地下水位埋深為3.3 m，對應(yīng)的胸徑、樹高分別為0.4 m、10.5 m。兩株胡楊附近均有地下水觀測井（對應(yīng)為1號及2號觀測井），相應(yīng)地下水位埋深月均變化情況見圖2，可以發(fā)現(xiàn)1號及2號觀測井的地下水位埋深在生長季（5月-9月）分別在2.0～2.5 m以及1.5～3.3 m之間波動。

2.1.2 樣本采集與存儲

植物樣本采集：在所選胡楊的陽面中部采集4～5 cm長的非綠色枝條，除去韌皮部，保留木質(zhì)部，裝入8 ml螺紋密封玻璃取樣瓶中，用parafilm密封膜封口、冷藏保存，每株胡楊采集4個重復(fù)樣品。

土壤樣品采集：根據(jù)土壤剖面土壤質(zhì)地調(diào)查結(jié)果，將1號及2號胡楊對應(yīng)土壤剖面分別劃分為5層及6層，使用土鉆采集每層土壤樣品2個，分別裝入10 ml玻璃試管中，用parafilm膜密封并冷藏保存；對于含水量較低的土樣，取3個重復(fù)樣品，以獲得足夠的水樣（0.5 ml）進行δ18O檢測。

河水、地下水樣品采集：由于研究區(qū)年均降水較少（僅34 mm，見圖2），幾乎沒有水分可以入滲到土壤中并對植物進行水分補給[19-20]，因而此途徑對胡楊水源的貢獻可忽略不計，本研究只考慮河水和地下水對胡楊水源的貢獻。在狼心山水文站監(jiān)測斷面于放水期間每天8：00采集河道水樣品，本次同期采集河水樣3次，每次采集兩個樣品。在1號及2號觀測井同步采集地下水樣各兩個，所有水樣均裝入8 ml螺紋玻璃瓶中，將空氣排凈后擰緊瓶蓋，用parafilm膜密封并冷藏保存。

2.2 樣品預(yù)處理及同位素測定

2.2.1 土壤、植物樣品的水分抽提

采用低溫真空抽提系統(tǒng)對土壤、植物樣品中的水分進行抽提。本試驗在中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室進行，所用儀器為植物土壤水分真空抽提系統(tǒng) （LI-2000）。對抽提前后各試管及樣品質(zhì)量進行稱重，保證抽提水以及收集水效率在98%以上；同時保證抽提樣品足量，使提餾獲取水分至少滿足δ18O測定所需的最低用量（0.5 ml）。

2.2.2 水樣的δ18O測定

由于2H在干旱植物莖內(nèi)傳輸可能存在分餾[26-28]，故本研究中僅利用δ18O進行示蹤分析。植物水樣、土壤水樣、地表水樣、地下水樣的氧同位素測定在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)實驗室進行，所用儀器為LGR液態(tài)水同位素分析儀（LGR-DLT-100）。δ18O值表示為與“標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水”的千分差，儀器測量精度為± 0.2‰。每個樣品測定6次，為減少樣品之間的相互干擾，忽略前2次的測定結(jié)果，僅取后4次測定結(jié)果的平均值作為該樣品的δ18O值。

2.2.3 植物莖稈水同位素的光污染校正

由于低溫抽提獲取的植物莖稈水和土壤水中含有甲醇、乙醇類物質(zhì)，而利用穩(wěn)定同位素光譜技術(shù)進行δ18O測定時，這些物質(zhì)會造成δ18O測定結(jié)果貧化或富集，導(dǎo)致δ18O值偏高或偏低， 因此需對儀器的測定結(jié)果進行光污染校正。

校正的方法為：利用同一來源的純水，配置不同濃度的甲醇和乙醇水溶液，進行δ18O測定。甲醇和乙醇分別影響測定結(jié)果的窄帶光譜度量值（NB，narrow-band metric）和寬帶光譜度量值（BB，broad-band metric），因此利用甲醇溶液的測定結(jié)果建立NB和Δδ18O（甲醇溶液的δ18O測定值與純水樣δ18O測定值的差）曲線，利用乙醇溶液的測定結(jié)果建立BB和Δδ18O（乙醇溶液的δ18O測定值與純水樣δ18O測定值的差）的曲線[29-30]。根據(jù)樣品測定結(jié)果的NB和BB值，從校正曲線的擬合公式中，得到NB校正值、BB校正值。校正后的樣品δ18O值為儀器測定結(jié)果、NB校正值、BB校正值之和。

2.3 植物水分來源分析方法

2.3.1 判斷植物水分來源總體思路

基于植物莖稈（根莖）水來自根系吸收的土壤水，且在植物體內(nèi)同位素含量無差異這一假設(shè)[31]，根據(jù)“植物水同位素測量值與某層土壤水的相近或相似”這一特征確定植物水主要來自于哪一個或幾個層位土壤。本研究假定δ18O值相對變化率小于5%，則視為相似（公式（1）），再根據(jù)不同水源對該深度土層土壤水貢獻的比例關(guān)系，確定植物水中不同水源的比例。

2.3.2植物水分來源、組成比例定量劃分

土壤水是植物的直接供水來源，由公式（1）計算所得α小于5%時，則假定對應(yīng)層位土壤水為植物水分的主要供給來源。計算的基本原理為穩(wěn)定同位素的質(zhì)量守恒，公式如下：

式中：δ18Os均為α小于5%時對應(yīng)層位土壤水的δ18O平均值；δ18Osi為α小于5%的不同層位中第i層土壤水的δ18O值；fsi表示第i層土壤水的δ18O值占δ18Os均的比例系數(shù)；n為α小于5%的對應(yīng)土壤層位數(shù)。δ18O河水，δ18O地下水為對應(yīng)胡楊樣本的河水及地下水δ18O值；f河水、f地下水表示河水及地下水的δ18O值對δ18Os均的貢獻比例系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 植物水分來源判斷

通過對比植物水樣與對應(yīng)點不同深度土壤水樣的δ18O值可以判斷植物水分的主要來源。兩個樣本胡楊植株處對應(yīng)不同水體（植物水、土壤水、河水以及地下水）的δ18O值見圖3，胡楊植株與各深度土壤的δ18O相對變化率（α）信息見表1。

由表1可見，1號胡楊處α小于5% 的土壤深度范圍為100～200 cm，表明該胡楊水分主要供給土層位于地表以下100～200 cm處。在2號胡楊處，α小于5% 的土壤深度范圍為140～320 cm，表明該胡楊水分來源于地表以下140～320 cm的土壤層。

3.2 植物水分來源組成比例的定量化

根據(jù)公式（2）至（4）計算獲得地下水及河水對兩株胡楊主要土壤供水層水分貢獻百分比（表2）。由表2可知，1號胡楊處，其主要土壤供水層的水分有6.3%來自地下水，而其余的93.7%則來自河水。根據(jù)植物莖稈水來自根系吸收的土壤水，且在植物體內(nèi)同位素含量無差異這一原理，以及植物水分全部來自主要供水層土壤水，得到河水對1號胡楊水分貢獻率達到93.7%，地下水貢獻了6.3%。2號胡楊處，140～320 cm土壤范圍為其主要水分供給層，同理，通過計算發(fā)現(xiàn)，該胡楊植株有80.0%的水分來自地下水，20.0%的水分來自地表水。

3 討論

在1號胡楊處，由圖2可知該處地下水位埋深在1.5～2.5 m之間波動，而Wang等[20]研究表明，河岸帶地下水對河道過水響應(yīng)的滯后時間為5～7 d左右。本次采樣時間是在河道過水一周之后，地下水已經(jīng)受到河水的滲漏補給?？梢酝茰y，在地下水潛水面上方的土壤水也間接得到河水的補給，而本研究對土壤剖面的調(diào)查（見圖4）可知，位于1.0～2.0 m的土壤為潛水面上方過水能力較強的細(xì)砂土，波動明顯的地下水可以直接進入該土層對其進行補給，這與結(jié)果中1.0～2.0 m的主要土壤供水層有93.7%的水分來源于河道過水相吻合。同時土壤質(zhì)地的垂向分布顯示1.0 m深處左右的土壤為粉壤土，相對其它深度的土壤質(zhì)地來說更適合吸水根系（毛根）的生長[32]，結(jié)合該處地下水位埋深較淺（2 m），進一步說明同位素示蹤得到的胡楊吸水的土壤層位具有合理性。

2號胡楊處于下游且遠(yuǎn)離過水主河道，河水滲透補給地下水相比1號胡楊需要較長時間，且還會受到河水漫溢（為了灌溉河岸帶植被，有時會人為調(diào)控該處漫溢情況）影響，即會接受河道側(cè)向補給和漫溢的河水的垂向補給。Min等[33]發(fā)現(xiàn)在額濟納三角洲下游，河床的滲透系數(shù)為0.06 m/d，遠(yuǎn)小于上游的12～27.6 m/d。本次采樣時，該處并沒有遭遇河水漫溢，樣點距離過水河道較遠(yuǎn)，這是導(dǎo)致河水貢獻比重低于地下水的原因。示蹤得到的主要供水土壤深度1.4～3.2 m處，與該處的地下水位埋深在生長季波動幅度大（1.5～3.3 m）、土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)（見圖5）、以及根系層主要分布深度[34]等具有很好的對應(yīng)關(guān)系。

本研究中河岸帶植物胡楊的水分潛在來源主要為河水和地下水，額濟納三角洲的地下水基本上是來自于河水滲透補給[20，23]，河岸帶的地下水則幾乎全部來自于河水。本研究對于河水、地下水及土壤水主要吸水層位的判定結(jié)果，與土壤-植物-大氣系統(tǒng)水量傳輸研究成果相結(jié)合，可為面向河岸林保護的生態(tài)輸水調(diào)控管理提供更為科學(xué)的依據(jù)。

試驗過程及結(jié)果都是基于穩(wěn)定同位素應(yīng)用假設(shè)：即假設(shè)1，在水分被根系吸收及向葉片傳輸過程中不發(fā)生同位素分餾；假設(shè)2，在水源被根系吸收前，沒有經(jīng)歷過顯著的同位素分餾；假設(shè)3，各潛在水源之間的同位素組成要存在可識別的差異，至少要大于試驗誤差[35]。當(dāng)實際情況不滿足上述假設(shè)時，試驗結(jié)果與實際情況可能會存在偏差。對于本研究而言，假設(shè)3是成立的，但假設(shè)1、2源于方法本身，鑒于氧穩(wěn)定同位素示蹤方法應(yīng)用的廣泛性，本試驗結(jié)果具有可信度。

此外，雖然本研究只選擇了兩株胡楊，但卻認(rèn)真地考慮了當(dāng)?shù)睾鷹畹纳L階段、群落空間分布特征及可獲得的水分條件。本次選擇的胡楊植株樣本時間上代表了典型的生長季階段（7月），空間上代表了該研究區(qū)河道上游和下游同一時期水文條件差別顯著的兩株胡楊，樣本選擇在整體上可以代表整個研究區(qū)不同水文條件的胡楊用水對水文條件的響應(yīng)關(guān)系和對不同水源利用的大致比例。但是，不可否認(rèn)胡楊植株個體之間存在差異性，同時生長季的不同時間對不同水源利用的比重也會發(fā)生波動。因此，進一步的工作需要在該研究基礎(chǔ)上細(xì)化，具體可在這兩個樣本附近同一時期的胡楊植株中增加樣本數(shù)量，并將采樣時間延長至生長季的其他月份，進一步深化本試驗中胡楊用水對水文條件響應(yīng)的研究結(jié)果。

4 結(jié)論

額濟納三角洲胡楊水分來源的主要土壤水供給層位受地下水位埋深以及距過水主河道遠(yuǎn)近的雙重影響。對于地下水位埋深較淺（2.0 m）、距離過水河道較近（75 m）的胡楊，其主要土壤水供給層位在1.0～2.0 m范圍內(nèi)；地下水位埋深較深（3.3 m）、距離過水主河道較遠(yuǎn)（>2 km）的胡楊，其主要土壤水供給層位在1.4～3.2 m范圍內(nèi)。隨地下水位埋深增加，吸水的土壤層位也隨之變深。

胡楊水分來源（也即主要土壤水供給層位水分來源）受距過水河道遠(yuǎn)近及過水時間的影響。對于距離過水河道較近（75 m）、河水側(cè)向補給迅速的胡楊，其水分來源中有93.7%為河水，僅6.3%來自地下水，即在含水層停留時間較長的河水；對于距離過水主河道較遠(yuǎn)（>2 km）、主要受地下水下滲補給的漫灌區(qū)，地下水貢獻比例達到80.0%，僅有20.0%的水分來自河水。

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