楊 廣，李小龍，陳 思，何新林，楊明杰，龍愛(ài)華，薛聯(lián)青

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；2.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水是維持地球生物生存的保障，尤其在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱荒漠區(qū)，水分是維持區(qū)域生態(tài)安全最重要的限制因子。干旱荒漠區(qū)降雨量小、蒸發(fā)量大、土壤含水量低等特征導(dǎo)致荒漠植被在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境演替的過(guò)程中形成了特殊的生理特征和水分利用機(jī)理，研究荒漠植物水分利用來(lái)源及各水源的貢獻(xiàn)率，揭示植物水分利用效率與耗水機(jī)制，對(duì)協(xié)調(diào)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源緊缺之間的矛盾，探討新疆等干旱地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

梭梭和檉柳為瑪納斯河流域下游典型的鹽生、旱生荒漠植被，具有很強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，分布于沙地、黏土、礫質(zhì)和鹽土荒漠中，耐風(fēng)蝕、耐嚴(yán)寒和高溫、耐瘠薄、抗旱性極強(qiáng)，是干旱荒漠區(qū)的優(yōu)良固沙植物[1]。以往眾多研究主要集中在荒漠植被光合蒸騰特性、莖干液流速率特征及其影響因子等方面[2-5]，對(duì)于植被水分利用來(lái)源的研究較少。水分在被植被根系吸收和從根系向葉片移動(dòng)的過(guò)程中不發(fā)生同位素的分餾[6,7]，通過(guò)對(duì)比不同土層土壤水、地下水和植物莖干水中的δD和δ18O值，可以判斷干旱區(qū)植物水分來(lái)源[8-11]。本研究以瑪納斯河流域下游兩年生荒漠植被梭梭、檉柳為研究對(duì)象，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，對(duì)梭梭、檉柳的莖干水、土壤水及地下水的穩(wěn)定同位素值進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)對(duì)比植被水與地下水、不同土層土壤水中δ18O，分析荒漠植被水分利用來(lái)源的種類(lèi)及各潛在水源的貢獻(xiàn)率，為荒漠植被的保育提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)概況

研究區(qū)位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師121團(tuán)，其為典型的大陸性荒漠氣候。干旱少雨，年降水量約為164.3 mm，主要集中在6-9月，占全年降水量的50%左右。日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均日照時(shí)間達(dá)2 772 h，無(wú)霜期達(dá)160 d，年平均氣溫8.2 ℃，平均蒸發(fā)量為2 036.2 mm。年平均風(fēng)速1.5 m/s。土壤凍結(jié)始于每年11月中、下旬，地面最大積雪厚度35 cm，最大凍土深度90 cm。凍層全部消融在3月中旬[11]，地下水潛水埋深波動(dòng)范圍為2～4 m。

試驗(yàn)點(diǎn)地理坐標(biāo)：85°33′03E，44°47′43N，位于瑪納斯河流域荒漠過(guò)渡帶，受人為因素干擾較少，易選取野生梭梭和檉柳，且其水分利用的來(lái)源與人類(lèi)活動(dòng)無(wú)關(guān)，能夠更加準(zhǔn)確的研究荒漠植被水分利用的來(lái)源，使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

試驗(yàn)植物為位于農(nóng)八師121團(tuán)炮臺(tái)試驗(yàn)站的2年生的梭梭和2年生的檉柳各兩株，其各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)如表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 樣品采集及水分提取

樣品采集于荒漠植被的生長(zhǎng)季節(jié)2014年6-8月。在采樣點(diǎn)分別選取生長(zhǎng)狀況良好、相近且相似的2年生梭梭檉柳各2株，每株選取一枝栓化枝條，剪取其4～5 cm木質(zhì)部，并迅速剝?nèi)ケ砥?。在采樣植被附近采集不同深度的土壤樣品，取樣深度?～150 cm，每10 cm采集一次土壤樣品，用以提取土壤水分用于測(cè)定同位素和用烘干法測(cè)定土壤含水量。在采樣點(diǎn)附近的地下水觀測(cè)井處采集試驗(yàn)點(diǎn)地下水樣品。

表1 梭梭、檉柳生長(zhǎng)指標(biāo)

注：①研究對(duì)象為兩年生的梭梭、檉柳；②研究區(qū)地下水潛水埋深波動(dòng)范圍為2～4 m。

所有植物、土壤樣品及地下水樣品裝入10 mL帶螺紋口的玻璃瓶中,用封口膜封口并置于-18 ℃冰柜中冷凍，再由LI-2000植物水和土壤水抽提裝置，采用低溫真空蒸餾法[12]提取水分，獲得土壤水、地下水及植被莖干水水樣并裝于50 mL塑料方瓶中封口，在-2 ℃下冷藏，直到用于分析氫穩(wěn)定同位素組成。

1.2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

利用中子儀并結(jié)合烘干稱(chēng)重法對(duì)不同深度土層的土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)；使用LEVEL LOGGER地下水水位自動(dòng)記錄儀對(duì)研究區(qū)的地下水前水埋深進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于不同試驗(yàn)點(diǎn)所選樣本的樹(shù)齡不同，土壤水分的測(cè)定深度為0～200 cm，而中子儀不適宜測(cè)定0～15 cm的土壤含水量，因此選擇中子儀測(cè)定與烘干稱(chēng)重法相結(jié)合測(cè)定土壤含水率。在首次試驗(yàn)時(shí)，用烘干法對(duì)取回的土樣進(jìn)行含水率的測(cè)定。將烘干法測(cè)出的含水率與中子儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，利用率定所得的方程對(duì)中子儀讀數(shù)進(jìn)行處理。

植物莖干木質(zhì)部中的水來(lái)源于植物所利用的各種水源，如降雨、地下水和土壤中的水分，自然界中各種理化過(guò)程導(dǎo)致了同位素的分餾，植物吸收水分的過(guò)程中，除少數(shù)鹽生植物外，其氫氧同位素值均不發(fā)生分餾反應(yīng)[13]，因此，可以通過(guò)各水源的穩(wěn)定同位素分布特征來(lái)分析植物的水分利用來(lái)源。本文采用LGR液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定各水樣的δD和δ18O，測(cè)定結(jié)果以維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(VSMOW)校正，測(cè)定精度為0.03%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

先利用直接法初步判斷植物的水分來(lái)源，再將植物木質(zhì)部水和各潛在水源的同位素值代入IsoSource模型[14]，IsoSource模型基于穩(wěn)定同位素的質(zhì)量守恒計(jì)算植物對(duì)各水源的利用比例?；竟綖椋?/p>

δM=fAδA+fBδB+fCδC

(1)

I=fA+fB+fC

(2)

當(dāng)模型運(yùn)行時(shí)，來(lái)源增量設(shè)為1%，質(zhì)量平衡公差，設(shè)為0.01%。用Origin軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水潛水埋深及其δ18O同位素特征

于2014年5-8月期間對(duì)研究區(qū)的地下水潛水埋深進(jìn)行了檢測(cè)，并于每月上、中旬對(duì)地下水水樣進(jìn)行采集，利用液態(tài)水穩(wěn)定同位素儀對(duì)其δ18O進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)繪制如圖，分析該地區(qū)穩(wěn)定同位素特征(圖1)及地下水潛水埋深動(dòng)態(tài)變化(圖2)。

圖1 地下水 18O同位素值變化

圖2 地下水潛水埋深的變化

由圖1、圖2可知，在梭梭、檉柳的生長(zhǎng)期研究區(qū)的地下水潛水埋深變化浮動(dòng)不大，從5-8月，地下水潛水埋深呈小幅增大，這是由于這期間研究區(qū)蒸發(fā)量逐漸增大且研究區(qū)灌溉抽取了地下水所導(dǎo)致的。地下水δ18O值在年內(nèi)也基本沒(méi)有變化，5月到7月間δ18O逐漸偏正，這是由于在夏季降水不足，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，使得流域水汽再循環(huán)強(qiáng)烈，重同位素富集；8月溫度逐漸降低，地表蒸發(fā)減弱，所以δ18O逐漸減小。

2.2 土壤含水率及其δ18O同位素特征

于2014年5-8月期間利用中子儀并結(jié)合烘干稱(chēng)重法對(duì)研究區(qū)不同土層深度的土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將5月、6月、7月的不同深度土壤含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制如圖3。于2014年5月13日、6月16日和7月18日在研究植被附近采集不同深度的土壤樣品，取樣深度為0～150 cm，每10 cm采集一次土壤樣品，測(cè)定其土壤水中δ18O同位素值，分析其季節(jié)變化特征(圖4)。

圖3 土壤含水率變化

圖4 土壤水中18O同位素變化

同一月份土層剖面上，土壤含水量隨著土壤深度變化顯著，隨著土層深度的增加而增大；土壤水中δ18O值隨土壤深度變化也變化明顯，隨著土層變淺而偏正，且0～100 cm淺層土壤的土壤水δ18O值變幅明顯大于深層土壤。這是由于淺層土壤的蒸發(fā)作用顯著，導(dǎo)致其土壤水分較少，土壤含水率降低，重同位素在淺層富集，δ18O值增大。不同月份土壤含水率變化也較為顯著，相同深度土層的含水率均為5月>6月>7月，這是由于隨著季節(jié)變化溫度逐漸升高且降雨稀少，導(dǎo)致地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水量降低；隨著季節(jié)變化，淺層土壤的δ18O值變化顯著，隨著月份的增加土壤水δ18O值逐漸增大，但100 cm以下的深層土壤的δ18O值變化不顯著，這是因?yàn)闇\層土壤受蒸發(fā)作用的影響較大。

2.3 梭梭水分利用來(lái)源分析

由于水分由植物根系吸收并向莖干輸送的過(guò)程中氫氧同位素未因蒸發(fā)或新陳代謝導(dǎo)致分餾，因此木質(zhì)部中氫氧同位素可以反映植物的水分來(lái)源[15]。Ellsworth和Williams發(fā)現(xiàn)旱生鹽生植物的莖在輸送水分的過(guò)程中，D同位素可能會(huì)發(fā)生分餾[16]，所以本文僅用18O的同位素值分析2年生梭梭水分利用來(lái)源。

于2014年5月-9月在梭梭生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)其木質(zhì)部枝條進(jìn)行取樣，并于同一時(shí)間對(duì)其周?chē)煌疃鹊耐寥?、地下水進(jìn)行取樣，測(cè)定植被水、不同土層土壤水和地下水的穩(wěn)定18O的同位素，選取7月的測(cè)定數(shù)據(jù)繪制如圖5。

圖5 不同深度土壤水、梭梭植被水、地下水的δ18O值

根據(jù)土壤水中δ18O值的分布將土層分為0～10、10～20、20～30、30～80和80～150 cm五層，通過(guò)對(duì)比梭梭與地下水、不同土層土壤水的δ18O值，發(fā)現(xiàn)梭梭木質(zhì)部植被水的δ18O值與地下水和80～150 cm土壤水較為接近。利用IsoSource多源混合模型計(jì)算各水源對(duì)其的相對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)地下水對(duì)植被水分利用的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為56.8%±6.8%；其次是80～150 cm土層的土壤水，貢獻(xiàn)率為26.3%±7.2%；30～80 cm的土壤水對(duì)梭梭生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)較小，貢獻(xiàn)率為10.9%±4.7%；0～10、10～20和20～30 cm的表層土壤水對(duì)梭梭生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)極小，分別為1.4%、2.1%和2.9%。因此，在干旱少雨，蒸發(fā)量較大的旱季，梭梭通過(guò)根系吸收地下水及80～150 cm土層的土壤水來(lái)維持其生長(zhǎng)，對(duì)表層土壤中的水分利用較少。

2.4 檉柳水分利用來(lái)源分析

于2014年5-9月在檉柳生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)其木質(zhì)部枝條進(jìn)行取樣，并于同一時(shí)間對(duì)其周?chē)煌疃鹊耐寥?、地下水進(jìn)行取樣，測(cè)定植被水、不同深度土壤水和地下水的穩(wěn)定18O的同位素，選取7月的測(cè)定數(shù)據(jù)繪制如圖6。

圖6 不同深度土壤水、檉柳植被水、地下水的δ18O值

根據(jù)土壤水中穩(wěn)定18O同位素值將土層分為0～10、10～30、30～60和60～150 cm 4層，通過(guò)對(duì)比檉柳植被水與地下水、不同土層土壤水的δ18O值，發(fā)現(xiàn)檉柳木質(zhì)部植被水的δ18O值與地下水和60 cm以下的地下水較為接近，與0～30 cm的關(guān)系不顯著。利用IsoSource多源混合模型計(jì)算各水源對(duì)其的相對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)60～150 cm土層土壤水對(duì)檉柳生長(zhǎng)的水分利用貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率達(dá)到54.6%±9.2%；地下水對(duì)其貢獻(xiàn)率也較大，達(dá)到36.8%±8.5%；而檉柳生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)0～10、10～30、30～60 cm等淺層土壤水的利用較少，貢獻(xiàn)率分別為1.4%、2.7%和4.5%。因此，在旱季，檉柳的主要水分利用來(lái)源是60～150 cm土層土壤水和地下水，貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上，對(duì)表層土壤水利用較少。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)同位素技術(shù)在近幾年得到了快速發(fā)展，對(duì)于同位素技術(shù)的研究，主要針對(duì)大氣降水、地表水、地下水以及土壤水中的一個(gè)或兩個(gè)對(duì)象來(lái)進(jìn)行研究，很少將它們看成一個(gè)整體進(jìn)行研究，這一方面是技術(shù)層面的問(wèn)題，另一方面也是理論方面的問(wèn)題。因此，在今后研究中應(yīng)該結(jié)合多種方法或創(chuàng)新方法對(duì)流域進(jìn)行“四水轉(zhuǎn)化”研究，同時(shí)有條件考慮加入植物水進(jìn)行分析，這對(duì)于將來(lái)在干旱地區(qū)進(jìn)行大尺度水循環(huán)研究起到了重要指導(dǎo)意義。

(2)在5-8月的植被生長(zhǎng)季節(jié)，研究區(qū)地下水潛水埋深和穩(wěn)定18O同位素值呈現(xiàn)出微量的變化。在干旱降雨稀少的夏季，受高溫及長(zhǎng)時(shí)間日照的影響，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致流域水循環(huán)強(qiáng)烈，地下水中穩(wěn)定18O同位素值變大；加之灌溉對(duì)一定量的地下水進(jìn)行抽取，使得地下水埋深呈小幅度增大。8月后，由于大氣溫度逐漸降低，秋季降量也有所增加，地表蒸發(fā)減弱，地下水中穩(wěn)定18O同位素值減小。

(3)在干旱高溫、降雨稀少的夏季，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土層中淺層土壤的蒸發(fā)強(qiáng)度大于深層土壤，導(dǎo)致淺層土壤含水量較少且土壤水中重同位素富集，因此土壤含水率隨著土層深度的增加，土壤水中δ18O值隨土壤深度的減小而逐漸偏正，這一變化在0～100 cm的土壤中表現(xiàn)得最為明顯，100 cm以下的土壤水中穩(wěn)定18O同位素值相對(duì)穩(wěn)定，且趨于地下水中的穩(wěn)定18O同位素值，這表明地下水以毛細(xì)上升的形式補(bǔ)充深層的土壤水。

(4)土壤含水率及土壤水中穩(wěn)定18O同位素值均存在一定季節(jié)性變化。土壤含水率的季節(jié)變化較為顯著，相同深度土層的含水率均為5月>6月>7月；且隨著時(shí)間變化，淺層土壤的δ18O值變化也較為顯著，由于隨著月份的增大，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，使得淺層土壤水的δ18O值逐漸增大，但100 cm以下的深層土壤的δ18O值較為穩(wěn)定，只有小幅波動(dòng)。

(5)在干旱少雨，蒸發(fā)量大的環(huán)境條件下，梭梭和檉柳通過(guò)根系吸收地下水及較深層的土壤水來(lái)維持其生長(zhǎng)，地下水及較深層的土壤水對(duì)梭梭的貢獻(xiàn)率達(dá)檉柳的貢獻(xiàn)率均達(dá)到90%以上。對(duì)梭梭而言，地下水對(duì)的貢獻(xiàn)率最大，其次是80～150 cm的土壤水，其對(duì)表層土壤水分的利用極少，而檉柳則主要利用60～150 cm的土壤水，其貢獻(xiàn)率達(dá)到54.6%±9.2%，其次是地下水，檉柳對(duì)表層土壤水的利用也較少。植被根系的發(fā)育和分布不同決定了典型荒漠植被梭梭和檉柳不同的水分利用來(lái)源。梭梭側(cè)根極少，根幅較窄，有粗壯強(qiáng)大的垂直主根系，所以在干旱生長(zhǎng)期梭梭主要利用地下水維持生長(zhǎng)；檉柳根系除了垂直的主根還有較多水平擴(kuò)展的側(cè)根，根長(zhǎng)在垂直 剖面上近似“豐”字形分布，所以跟梭梭相比，檉柳對(duì)60～150cm土層的土壤水利用較多。

□

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