裴艷武，黃來明，邵明安,3,4，李榮磊，張應龍

（1. 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網絡觀測與模擬重點實驗室 北京 100101；2. 西北農林科技大學資源環(huán)境學院 楊凌 712100；3. 中國科學院大學資源與環(huán)境學院 北京 100049；4. 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室 楊凌 712100；5. 陜西省神木縣生態(tài)協(xié)會 神木 719399）

0 引 言

在干旱半干旱地區(qū)，土壤水是控制植被結構和生態(tài)系統(tǒng)演化的主要限制因子[1-2]，而土壤水分供需平衡是維持土壤-植被系統(tǒng)健康發(fā)展的基礎[3]。降水和地下水作為土壤水的潛在補給來源，其時空變化對土壤水分的供給和剖面分布有著重要的影響。因此，研究干旱半干旱地區(qū)土壤水的補給與轉化特征對于優(yōu)化區(qū)域水資源管理和促進生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。

土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素組成（δ2H和δ18O）受大氣降水及水分在土壤中的蒸發(fā)、入滲等多種因素影響[5]。此外，一些存在淺層地下水的地區(qū)土壤水氫氧同位素組成及其剖面分布還受地下水位（Groundwater Level，GWL）季節(jié)波動的影響[6]。同位素技術作為“指紋”為辨識土壤水分的補給來源和運移規(guī)律提供了有效手段。與傳統(tǒng)方法相比，氫氧穩(wěn)定同位素作為示蹤劑具有靈敏度高和準確性好等特點，對于水分補給來源具有良好的指示作用[7]。近年來，隨著氫氧穩(wěn)定同位素技術的發(fā)展與應用，眾多學者對土壤水氫氧同位素分布特征進行了研究，為揭示區(qū)域土壤水的補給來源與轉化規(guī)律提供了依據。田立德等[8]對青藏高原中部那曲地區(qū)不同深度土壤水穩(wěn)定同位素變化規(guī)律進行了研究，結果表明表層土壤水δ18O受降水影響最為明顯，而隨著土壤深度的增加，土壤水δ18O受地下水的影響逐漸增強。張小娟等[9]通過對元陽梯田水源區(qū)降水及其4種典型植被類型（喬木林、灌木林、荒草地和荒地）下土壤水δ2H和δ18O進行分析，揭示了研究區(qū)土壤水的下滲機制。結果表明：喬木林和荒草地由于受到優(yōu)先流的影響，深層（80～100 cm）土壤水δ18O要高于表層（< 40 cm）土壤，而灌木林與荒地受活塞流下滲的影響，深層（80～100 cm）土壤水δ18O低于表層（< 40 cm）土壤。Gazis等[10]分析了美國漢諾威地區(qū)附近6個不同地點降水和不同土地利用方式下土壤水中δ18O分布特征，結果表明，淺層土壤水（小于20 cm）由于受到蒸發(fā)作用相對富集重同位素（δ18O值較高），而富集輕同位素的較大降水事件（δ18O值較低）可通過活塞流的方式快速與淺層土壤水進行混合。相反，深層土壤水殘留時間較長（大于 4.5個月），只有經過持續(xù)較長時間的雪融水和大量降水后才得到更新。Gazis等[10]進一步指出即使是在較小的空間尺度下，土壤水同位素組成也會因局部排水狀況和土壤性質不同而發(fā)生變化。姬王佳等[11]研究了陜北黃土區(qū)4種土地利用方式（農地、草地、灌木地和喬木地）下土壤水的氫氧穩(wěn)定同位素分布特征，結果表明，4個樣地土壤水氫氧穩(wěn)定同位素值在淺層（0～3 m）和深層（>12 m）土壤均無明顯差異,而在中層（3～12 m）差異較大。不同樣地土壤水可能接受不同強度降水的補給，農地和草地也可被強度小的降水事件補給，而沙柳地和楊樹地可能主要接受夏秋季暴雨補給。上述研究表明不同地區(qū)土壤水分補給機制及同位素分布特征因降水量、土壤類型、植被種類、地形等多因素差異而不同。因此，在干旱半干旱地區(qū)研究典型環(huán)境下土壤水分的補給特征對于因地制宜提高水資源利用效率和植被可持續(xù)建設具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地東南緣圪丑溝流域（38°48′～38°54′N，109°11′～109°29′E），該流域位于陜西省神木市錦界鎮(zhèn)西南約23 km處（圖1），海拔為1 250～1 280 m。年均氣溫約為9.2 ℃，大于10 ℃的積溫約為3 150 ℃，年均降水量為420 mm，暴雨相對集中，集中分布在7—9月，占全年降水量的60%～75%。流域內地形起伏較小，土壤類型主要為干旱砂質新成土[12]。流域內GWL較淺，不同林地GWL呈現明顯的季節(jié)波動（圖2）。

關于毛烏素沙區(qū)地下水來源目前尚無定論，主要存在兩種觀點，一種觀點認為鄂爾多斯盆地豐富的地下水是由當地降水入滲補給，另一種觀點認為地下水的主要補給源是通過斷裂帶輸入的外源水[13]，因此關于該流域地下水的來源問題暫不做討論。近年來，由于大規(guī)模植樹造林活動的開展，使得該區(qū)域植被蓋度顯著增加，然而，大規(guī)模的植樹造林破壞了局部原有的生態(tài)水文格局，使得土壤水分供需矛盾加劇，流域內不同GWL埋深下的固沙植物部分已出現退化現象。目前，流域內植被類型主要以人工林、草為主，落葉灌木包括沙柳（Salixpsammophila）、紫穗槐（Amorpha fruticoseLinn.）、長柄扁桃（Amygdalus pedunculataPall.），常綠喬木樟子松（Pinus sylvestrisL. var.）和多年生草本沙蒿（Artemisia desterorumSpreng.）等。本研究采用穩(wěn)定同位素技術，選取圪丑溝小流域的典型治沙植物（沙柳、樟子松和長柄扁桃）為研究對象，系統(tǒng)分析不同GWL埋深下3種林地土壤水同位素分布特征及影響因素。在試驗初期對3種林地典型植物樣地進行調查，各林地植物生長狀況和耗水特征見表1。在試驗開始前對各林地剖面土壤物理性質進行調查，調查結果詳見表2。在各林地分別安裝地下水位儀（HOBO probes，U20-001-04，Onset，Bourne，USA，±0.1 cm）用于自動監(jiān)測GWL的季節(jié)變化特征，同時在流域內安裝小型氣象站用于監(jiān)測和獲取氣象參數。

表1 林地植物生長狀況Table 1 Vegetation growth status of the woodland

表2 林地土壤物理性質Table 2 Soil physical properties of the woodland

1.2 樣品采集

試驗期間（6—11月）于每月中旬定期采集沙柳、樟子松和長柄扁桃林地各土層土壤水和地下水樣品。采用土鉆法對土壤樣品進行采集，0～60 cm每間隔20 cm采集一次，60 cm以下至地下水界面每間隔為30 cm采集一次，每個林地各采集3次重復。將采集后的土壤樣品分為2份，一份置于棕色玻璃瓶（30 mL）中用于測定氫氧穩(wěn)定同位素組成，另一份置于鋁盒中帶回實驗室烘干后用于土壤質量含水率的測定。降水樣品按降雨事件采集。地下水樣品取自各林地水位觀測井（井口直徑D=10 cm），將采樣瓶放入觀測井中距水面約40 cm處采集地下水樣品，采樣前對采樣瓶進行潤洗，每次采集3次重復。將上述用于同位素測定土壤、降水以及地下水樣品用封口膜密封后放于-20 ℃冰箱冷凍保存。

1.3 樣品測定

利用低溫冷凍抽提系統(tǒng)提取土壤水，采用液態(tài)水同位素分析儀（LGR 測量精度：δ18O 為± 0.3‰，δ2H為 ±1‰）對土壤水、地下水和降水氫氧同位素組成（δ2H和δ18O）進行測定。氫氧同位素測定結果根據國際標準物平均海洋水（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW）同位素濃度的千分差計算獲得

式中R樣為待測樣品的氫或氧同位素組成，RVSMOW為國際標準物平均海洋水的氫或氧同位素組成。

采樣期間降水δ2H和δ18O的加權平均值（δp,mean）計算如下：

式中δi（‰）和PPTi（mm）分別表示每次降水事件的同位素組成和降雨量。

采樣期間土壤水δ2H和δ18O的加權平均值（δi，mean）計算如下：

式中δi表示土壤水δ2H 或δ18O（‰），SWCi代表各土層土壤儲水量（mm）。

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1.4 數據分析

采用SPSS 18.0 統(tǒng)計軟件進行數據統(tǒng)計與分析，采用Origin 2021制圖軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 監(jiān)測期間不同林地降水、土壤水和地下水中δ2H和δ18O統(tǒng)計描述

表3 為沙柳、樟子松和長柄扁桃林地6—11月降水、土壤水和地下水中δ2H和δ18O值統(tǒng)計比較。表3顯示各水源δ2H和δ18O加權平均值大小依次為降水>土壤水>地下水，其中降水δ2H和δ18O加權平均值顯著高于地下水（P< 0.05），而土壤水δ2H和δ18O加權平均值與地下水相近，這表明土壤水受地下水的補給作用大于降水對土壤水的稀釋和混合作用。與土壤水和地下水相比，降水相對富集重組分同位素，這是由于降水在到達地面之前受強烈的蒸發(fā)作用而產生同位素非平衡分餾現象。3種林地土壤水δ2H和δ18O值接近，且變異系數（< 25%）均低于降水（表 3）。這是由于降水進入土體后與土壤水中輕組分同位素發(fā)生了不同程度的混合，使得混合后的土壤水趨于富集輕組分同位素。地下水δ2H和δ18O變異系數顯著低于降水和土壤水（表3），表明研究區(qū)地下水氫氧同位素組成相對穩(wěn)定。在全球降水中由于氫氧同位素組成存在平行分餾效應，因此降水中氫氧同位素組成呈現一定的線性關系，Craig[17]將其定義為大氣水線，大氣水線的截距和斜率能夠在一定程度上反映區(qū)域氣候條件和降水情況。本研究結果表明研究區(qū)當地大氣水線為δ2H=7.79δ18O +8.87（圖3），其斜率和Y軸截距均略小于全球大氣水線（δ2H=8δ18O +10）[17]。研究區(qū)氫氧同位素組成表現為重組分相對富集，表明該地區(qū)氣候相對干燥，蒸發(fā)作用較為強烈高于全球平均水平[18]。3種林地（沙柳、樟子松和長柄扁桃）土壤水δ2H和δ18O值大部分分布在大氣水線的右側，其斜率介于5.69～7.13之間，截距介于-19.95～-5.11之間，且均小于當地大氣降水線，表明降水在轉化為土壤水之前經歷了一定程度的蒸發(fā)富集現象。這與姬王佳等[11]在陜北黃土區(qū)對當地降水和土壤水氫氧同位素值分析的結果一致。邢丹等[19]同樣研究表明同時期荒漠地區(qū)土壤水同位素較降水富集重組分。相對于樟子松和長柄扁桃林地，沙柳林地的土壤水線斜率更接近與當地降水線，且顯著高于其它兩個林地。這可能與不同植被冠層截留和局部微環(huán)境的差異有關[20]。

表3 研究區(qū)各林地監(jiān)測期間不同水源δ2H和δ18OTable 3 δ2H 和δ18O values of different water sources in various woodland during the monitored periods in the study area ‰

2.2 不同林地土壤水δ18O剖面分布特征

檢測期間沙柳、樟子松和長柄扁桃林地土壤水δ18O垂直分布特征如圖4所示。由于沙柳、樟子松和長柄扁桃林地土壤水δ2H和δ18O存在較好的線性相關關系（圖 3），因此本文以氧同位素為例闡述檢測期間土壤水δ18O剖面分布動態(tài)變化特征。3種林地土壤水δ18O值剖面分布隨著深度的加深表現出不同的季節(jié)變化特征（圖 4）。研究區(qū)旱季（6月、10月和11月），不同林地土壤水δ18O值隨著深度的加深均呈逐漸減小的趨勢，表層土壤水重組分同位最為富集（圖4）。在這一期間降水分布相對較少，土壤水受蒸發(fā)作用影響大于降水對土壤水的補給作用，重組分同位素相對富集。這與該時期土壤含水率的剖面變化特征（圖5）相吻合。隨著雨季（7—9月）降水量的增加，這一情況得到顯著改善，3種林地（沙柳、樟子松和長柄扁桃）雨季（7—9 月）土壤剖面δ18O平均值分別低于旱季（6月，10月和11月）0.81‰～2.67‰、0.50‰～3.32‰和1.26‰～2.95‰（圖5）。這一時期降水在轉化為土壤水過程中對土壤中“老水”稀釋混合作用頻繁，使得土壤水表現為輕組分同位素相對富集而重組分同位素相對貧化。

為進一步量化降水和地下水對土壤水的補給深度將不同土層土壤水δ18O與降水或地下水δ18O（月加權平均值）進行了相關分析（圖6）。從圖6可以看出，沙柳林地0～20 cm土層土壤水δ18O與降水δ18O顯著相關（P<0.05），而樟子松和長柄扁桃林地0～20 cm土層和20～40 cm土層土壤水δ18O與降水δ18O均顯著相關（P< 0.05），而其它土層土壤水δ18O與降水δ18O未發(fā)現相關關系（P>0.05）。因此，可以認為降水對沙柳林地土壤水的平均補給深度主要集中在0～20 cm土層，對樟子松和長柄扁桃林地土壤水的平均補給深度主要集中在0～40 cm土層。相對于樟子松和長柄扁桃，沙柳林地降水補給土壤水的深度較淺，這可能是由于沙柳冠幅較大且密度較高，冠層截流較強導致雨水對土壤水的補給減少，此外，沙柳林地表層廣泛分布苔蘚層也可能是導致該林地降水補給較淺的一個重要影響因素。除降水對土壤水補給外，地下水也是該地區(qū)土壤水的另一重要補給來源。如圖5所示沙柳林地>180 cm土壤水、樟子松林地>60 cm土壤水和長柄扁桃林地>120 cm土壤水δ18O平均值分別為-10.22‰，-8.53‰和-10.83‰，均與地下水δ18O平均值（-10.38‰，-8.69‰和-10.99‰）接近。相關性分析表明沙柳林地180～210 cm土層和210～240 cm土層土壤水δ18O均與地下水δ18O顯著相關（P< 0.05），而樟子松林地60～90 cm土層、長柄扁桃林地120～150 cm土層土壤水δ18O與地下水δ18O具有顯著的相關關系（圖6，P< 0.05）。因此，可以認為沙柳林地180 cm以下土壤受到地下水補給影響顯著，而樟子松林地60 cm以下土壤和長柄扁桃林地120 cm以下土壤受到地下水補給影響顯著。此外，由于不同季節(jié)GWL處于波動狀態(tài)，因此根據監(jiān)測期間GWL動態(tài)變化特征，同時結合地下水的補給深度，可以計算出地下水向上補給土壤水的深度和范圍。計算表明3種林地（沙柳、樟子松和長柄扁桃）GWL變化范圍分別為253～260、87～93和172～176 cm，因此不同林地地下水向上補給土壤水的深度和范圍分別約為73～80、27～33和52～56 cm。不同林地地下水補給土壤水的深度和范圍不同，一方面可能與林地所處的沙丘部位和GWL不同有關，另一方面可能與不同植被根系生物量在不同土層中的含量（圖7）及耗水量不同有關，未來仍需進一步研究。

3 討 論

3.1 降水的入滲補給特征

在干旱半干旱地區(qū)降水是土壤水的重要補給來源。本研究結果顯示3種林地（沙柳、樟子松和長柄扁桃）土壤水δ2H和δ18O值大部分位于當地大氣水線的右側，且不同林地土壤水線斜率（5.69～7.13）均小于當地大氣水線斜率（7.79）（圖3），表明降水在轉化為土壤水的過程中存在一定程度的蒸發(fā)分餾現象。這與前人[11,21]在該地區(qū)研究的結論一致。雨季（7—9月），降水相對較為頻繁，各林地淺層土壤水得到快速補充，平均土壤含水率（< 40 cm）顯著高于旱季（6月，10月和11月）（圖 4）。當降水事件發(fā)生后，各林地表層土壤含水率（<40 cm）迅速達到0.20 g/g，高于田間持水量（約為0.15 g/g），表明降水在向下入滲過程中主要以重力水的形式向下運動并與土壤中原有“老水”發(fā)生混合和稀釋致使土壤水氫氧同位素組成表現為輕組分富集[22]。Hsieh等[23]認為降水補給開始于土壤表層，并逐漸向下補給，0～40 cm土壤水δ18O的變異性大于40 cm以下土壤。本文研究結果與Hsieh等[23]的研究結果一致。王銳等[24]研究發(fā)現黃土高原長武塬區(qū)0～10 cm土壤水直接受大氣降水影響，雨水的稀釋作用導致0～10 cm土壤水δ18O降低。本研究降水與各林地0～40 cm土壤水氧同位素相關性分析表明降水與各林地淺層土壤水氧同位素存在顯著的相關關系。這表明淺層土壤水更易受到降水補給的影響。這與張軍紅等[25]對毛烏素沙地西緣流動沙丘淺層土壤水的動態(tài)變化研究結論一致。Dansgaard[26]在熱帶及中緯度地區(qū)的研究結果表明，受降水的補給淺層土壤水表現出重組分同位素貧化輕組分同位素富集的現象，降水量與土壤水同位素值呈負相關關系。隨著土壤水的進一步入滲，土壤水由以重力水向下入滲的方式轉變?yōu)橐员∧に當U散方式從高含水率土壤向低含水率土壤擴散運動，此時進一步與“老水”混合稀釋，氫氧同位素組成亦表現為重組分相對富集。雨季土壤含水率剖面分布特征進一步印證了這一結論。此外，本研究根系采樣結果顯示（圖7），3種植物（沙柳、樟子松和長柄扁桃）土壤表層（< 40 cm）根系生物量占總根系生物量的75.23～80.46%，這有利于形成降水入滲通道，且研究區(qū)土壤質地以砂土為主，因此，當降雨強度較大時該地區(qū)土壤水分運動可能主要以優(yōu)先流[27]的形式向下入滲。Konz等[28]發(fā)現瑞士中部山地不同土地利用方式下10～35 cm土壤含水率對降水響應較深層土壤水更快，并強調表層植物根系活動和疏松質地是主要影響因素，Gazis 等[10]同樣指出降水入滲土壤的方式受土壤質地、孔隙、植物類型以及降雨強度等多種影響呈現出不同的運動方式。

3.2 地下水位動態(tài)變化對土壤水的補給影響

在本研究區(qū)域，土壤水的補給除降水外，淺層地下水也是土壤水重要的補給來源。過去的研究表明荒漠地區(qū)淺層地下水是土壤水重要補給來源同時也是荒漠植物賴以生存的基礎[29-30]。GWL的時空變化直接影響深層土壤水的補給與分布特征，從而影響植被的生長與演替[31]。地下水與其臨近的土壤通常處于不斷的水分交換與循環(huán)過程。劉君等[32]在呼和浩特西南部研究表明深層土壤水與淺層地下水的水分交換十分活躍，使得深層土壤水氫氧同位素組成與地下水接近。本研究結果表明3種林地地下水與相鄰土層土壤水δ2H和δ18O顯著相關（圖6），且地下水δ2H和δ18O組成相對穩(wěn)定。馮蘊等[33]在渾善達克沙地南緣研究結果同樣表明與地下水相鄰土層中土壤水氫氧同位素組成處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，δ2H和δ18O同樣具有弱的變異特征。這進一步表明淺層地下水對深層土壤水氫氧同位素分布具有顯著影響。因此，淺層地下水作為重要水分來源對研究地區(qū)土壤水的補給具有導向作用。

淺層地下水對土壤水的補給主要通過毛管作用力來補給相鄰土層[34-35]。然而本研究區(qū)土壤類型為砂土，毛管孔隙大，毛管重力水上升作用有限，對淺層土壤的補給可能主要以膜擴散的方式由高含水量向低含水率方向擴散運動。而氫氧同位素值在剖面上表現為逐步接近地下水氫氧同位素值[36]。本研究結果顯示，在旱季（6月，10月和11月）隨著土壤深度的增加，土壤水氫氧同位素重組分逐漸貧化。地下水在向上補給土壤水過程中，氫氧同位素發(fā)生分餾作用，其輕組分逐步貧化。這進一步印證了這一結論。依據不同土層土壤水氫氧同位素與地下水同位素組成結合土壤含水率的剖面分布特征可以得到土壤水的補給深度和范圍。本研究結果顯示3種林地（沙柳、樟子松和長柄扁桃）地下水向上補給土壤水的深度和范圍分別為73～80、27～33和52～56 cm。不同林地地下水補給土壤水的深度和范圍不同，一方面可能與林地所處的沙丘部位與GWL不同有關，另一方面可能與植物根系剖面分布及耗水差異有關。這需要進一步研究。

3.3 展 望

降水、土壤水和地下水是陸地生態(tài)系統(tǒng)水資源的主要存在形式。毛烏素沙地蒸發(fā)強烈，在降水季節(jié)分布不均的氣候條件下，土壤水成為當地植物生存發(fā)展最為重要的限制因子。本文采用氫氧穩(wěn)定同位素分析技術，通過定期測定降水、土壤水和地下水的氫氧同位素組成，分析了不同GWL埋深下土壤水δ2H和δ18O剖面分布動態(tài)變化特征及其影響因素，同時結合土壤含水率探討了土壤水的補給來源和運移規(guī)律。本研究結果顯示：研究區(qū)降水主要補給淺層土壤水（沙柳林地0～20 cm、樟子松和長柄扁桃林地0～40 cm），而不同埋深地下水主要補給深層土壤水（沙柳林地180 cm以下，樟子松林地60 cm以下，長柄扁桃林地120 cm以下）。由于毛烏素沙地氣候干旱、降水季節(jié)分布不均，淺層地下水對深層土壤水的補給可為人工固沙植物生長提供重要的水分來源。然而，隨著全球氣候暖干化[37]，區(qū)域植被生長面臨的干旱脅迫將日益加劇[38-39]。特別是毛烏素沙地近年來大規(guī)模開展植樹造林，可能進一步加劇植被耗水與土壤供水之間的矛盾，從而威脅區(qū)域生態(tài)安全和植被可持續(xù)建設。因此，未來需查明毛烏素沙地地下水資源儲量以及來源，并明確不同固沙植物吸水來源與耗水量，從而做到“以水定林，量水而行”，促進毛烏素沙地人工生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)發(fā)展。

4 結 論

本研究通過定期測定毛烏素沙地圪丑溝小流域3種林地（沙柳、樟子松和長柄扁桃）降水、土壤水和地下水氫氧同位素組成，研究了不同地下水位埋深下土壤水δ2H和δ18O剖面分布動態(tài)變化特征及其影響因素，并定量分析了降水和地下水對不同林地土壤水的補給深度和范圍。監(jiān)測期間（6—11月）沙柳林地0～20 cm土壤水、樟子松和長柄扁桃林地0～40 cm土壤水均表現出重組分同位素貧化輕組分同位素富集的現象，且與降水同位素呈顯著相關關系（P < 0.05），表明不同林地淺層土壤水（< 40 cm）更易受到降水補給的影響。3種林地深層土壤水（沙柳林地180 cm以下，樟子松林地60 cm以下，長柄扁桃林地120 cm以下）與地下水δ2H和δ18O的均值接近，且土層深度接近地下水時土壤水δ2H和δ18O逐漸貧化，并趨于穩(wěn)定。不同埋深地下水（沙柳林地地下水位范圍253～260 cm、樟子松林地地下水位范圍87～93 cm、長柄扁桃林地地下水位范圍172～176 cm）向上直接補給土壤水的深度范圍分別為73～80、27～33和52～56 cm。毛烏素沙地淺層地下水對深層土壤水的補給可在一定程度上緩解旱季土壤水分虧缺，為保障該區(qū)人工固沙植被生長提供潛在的水分來源。