錢龍嬌，賈德彬，菅 晶

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

0 引 言

渾善達克沙地為內(nèi)蒙古四大沙漠之一，距北京的直線距離只有一百多公里，同時也是離京津地區(qū)最近的沙源。近幾十年來，由于自然和人為等因素，渾善達克沙地區(qū)植被受到嚴重破壞，草地加速退化，一方面使牧區(qū)牛羊面臨滅絕的邊緣；另一方面，由此引發(fā)的沙塵暴給其附近的城鎮(zhèn)居民的生活帶來了嚴重的環(huán)境污染，例如中國北京市的霧霾。在本試驗區(qū)正藍旗干旱半干旱地區(qū)，喬木與灌木結(jié)合是比較有效的風沙治理模式。楊樹這一深根系高大喬木，因其適應性強，抗干旱的特性被人們廣泛種植。但是其生長和分布又受到旱區(qū)貧乏因子水分的限制[1]，并且植物根系在吸收和在莖干轉(zhuǎn)移的過程中不會有同位素分餾效應的發(fā)生。本文通過利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)，對植物水和不同水源氫氧同位素值進行定性分析植物的水分來源以及利用Isosource軟件定量計算各時期各水源對楊樹根系吸水的利用效率，同時結(jié)合土壤含水率、氣象數(shù)據(jù)等研究沙地的典型樹種青楊樹的水分來源情況，對于合理利用沙漠區(qū)水資源，水土保持及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定起重要作用。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗地位于內(nèi)蒙古錫林浩特市正藍旗育草站附近的人工種植的青楊樹林，正藍旗地理位置為東經(jīng)116.02°，北緯42.25°.屬于中溫帶大陸性氣候，2015年度的平均相對濕度為56%；極端最高溫度39.9 ℃，極端最低氣溫-39.6 ℃；全年降雨量年均為365.1 mm，而且集中在7-9月，約占全年降雨量的80%～90%，其中最大降雨量為351 mm(6月25日)；冬天有160 d的冰雪期，積雪期主要發(fā)生在11月末到第2年的4月末。本次試驗的采樣時間為2015年5-10月。其中有關(guān)氣象數(shù)據(jù)，如氣溫、相對濕度以及風速等均由距離試驗基地100 m左右的自動氣象站收集獲得。

1.2 試驗設計

在試驗區(qū)選擇具有代表性的青楊樹3棵，對它們進行木質(zhì)部分取樣；并在其附近用土鉆行土壤取樣，用于土壤水的抽提和土壤含水率的測定；再用自制的雨水收集器收集2015年每次的降雨水樣；地下水在距植物樣60 m的地下水井取得；采樣時間包括2015年5-10月，4種水樣每隔一月各取一次。并且在7月久待試驗區(qū)，分別采取雨前、雨中和雨后的4種水樣進行雨季楊樹根系的吸水來源分析；空氣溫度、相對濕度以及降雨量等氣象數(shù)據(jù)由附近的自動氣象站收集。

(1)木質(zhì)部分取樣：植物氣孔在發(fā)生蒸騰作用時會造成同位素的富集，因此，木質(zhì)部分直徑要保證在在0.6 cm以內(nèi)，選取直徑在5 cm左右的枝條，并且迅速去除枝條的外皮和韌皮部位。

(2)土壤水取樣：在植物樣本周圍的取樣0～100 cm的土壤，其中，0～40 cm,每隔10 cm為一層，40～100 cm,每隔20 cm為一層。除去土壤水樣的取樣，每層還需同時進行土壤含水量樣品取樣，每次取3個平行樣，放入鋁盒中，在試驗地立即稱量鮮重，記錄好數(shù)據(jù)，并在實驗室105 ℃的烘箱中烘6～8 h后再稱量其干重，最后計算含水量。

(3)雨水取樣：將漏斗和聚乙烯瓶組合成一個簡易的雨水收集器，為防止雨水的蒸發(fā)，在漏斗上放置一個乒乓球。收集每次降雨的水樣，放入塑料瓶帶回實驗室進行分析。

(4) 地下水收集：在青楊樹附近有一地下水自流井，每月通過自制的深井取水器提取50 mL左右的水樣，迅速放入塑料瓶中。

上述列舉的植物樣和土樣，都需裝入塑料塑封袋，并且用錫紙包嚴，避免光照。帶回實驗室后，在進行同位素的測定前，置于-20 ℃冷凍。

1.3 同位素的測定及表示方法

植物水樣和土壤水樣在進行同位素測定之前需要通過低溫真空蒸餾法提取[2]，通過有機質(zhì)過濾膜過濾水樣中的有機雜質(zhì)后，氫氧同位素值(δD，δ18O)的測定采用Los Gatos Research公司生產(chǎn)的激光液態(tài)水分析儀(LWIA)DLT-100進行測定，其中測量精度為±0.01%(δD)和±0.02%(δ18O)。氫氧同位素的組成經(jīng)常用符號δ表示，這是由相對于SMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)標準平均海洋水的千分率給出，如下式所示。

δD(δ18O)=(Rsample-Rstandard)/Rstandard×1 000

(1)

1.4 同位素多元線性混合模型

依據(jù)同位素質(zhì)量守恒原理[3]，建立的同位素多元線性混合模型目前已經(jīng)被廣泛應用于植物的水源介紹[4-7]，如下式所示。

δDp=∑fiδDi

(2)

δ18Op=∑fiδ18Oi

(3)

∑fi=1

(4)

式中:δDp和δ18Op分別表示植物水的氫氧同位素豐度；δDi和δ18Oi則分別表示其他不同水源中的氫氧同位素豐度；fi則為不同水源單一植物根系吸水的貢獻率。

該方程中只有水源不大于3的時候才能有解，但是一般情況下，水源遠遠不只3個，因此需借助Isosource軟件(由Phillips及其同事結(jié)合三元線性模型開發(fā)出來的可以用于計算多元水源的情況)先比較各個不同組合的情況下得出的植物水同位素與實測值之間的誤差值[一般容許誤差為(0.01～0.02)]，若在此范圍內(nèi)，則可以認為該組合為一組可行的解。再將輸出的不同組合解用柱狀圖表示出來，最后，我們會得到不同水源的平均、最小以及最大貢獻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤含水率以及各水源的δ D，δ18O值

圖1 不同時期不同土壤含水層土壤含水率的變化Fig.1 The SWC of different soil profile in 2015

圖2 2015年各土壤層的氫氧同位素組成成分Fig.2 The stable oxygen and hydrogen isotopic composition of soil water in 2015

圖3 不同季節(jié)雨水、地下水以及植物水中氫氧同位素組成的變化Fig.3 The stable hydrogen isotopic composition of rain, groundwater and xylem water in 2015

圖4 不同季節(jié)雨水、地下水以及植物水中氫氧同位素組成的變化Fig.4 The stable oxygen isotopic composition of rain, groundwater and xylem water in 2015

從圖1可以看出，土壤含水率值隨著時間和土壤深度的變化，其平均值主要呈現(xiàn)出倒拋物線的變化規(guī)律，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2015年的7月(0.04)和9月(0.033)。一般來說，0～40 cm土壤層的土壤含水率受外界的影響較大，而40～100 cm相對來說變化趨勢不明顯；圖2顯示，土壤的氫氧同位素組成變化(δD，δ18O)大致為隨著土壤深度的增加而減少，深層土壤水中的δD，δ18O值在長時間的尺度上保持相對穩(wěn)定的，而淺、中層土壤的δD，δ18O值因為易受外界的影響(溫度、光照和降雨等)變化較大。δD，δ18O的最小值出現(xiàn)在8月11日(11.420%，1.207 7%)，隨著時間的推移，在(10月24日)增加到最大值(-4.297%～0.038 4%)；對于7-9月，由于降雨充足，雨水入滲導致土壤含水率值升高等因素的影響，土壤的氫氧同位素組成變化保持著相對的規(guī)律性變化，在下面的分析中詳細說明。

從圖3和圖4比較分析，不難發(fā)現(xiàn)，在雨水，土壤水以及植物水中，植物水氫氧同位素負值最重是因其直接受光照影響，同位素富集現(xiàn)象最明顯，而且隨時間變化而變化；雨水次之，雨水中δD，δ18O值跟當?shù)氐暮０胃叨?、大氣中水蒸氣的來源、蒸汽通過大氣層的路徑以及溫度和降雨量都有關(guān)系[8,9]。地下水最為穩(wěn)定,地下水的同位素值影響來源一般有兩個：一是從土壤基質(zhì)和風化巖石中的緩慢滲流物；而是直接和快速的從周邊綠洲中獲得[10-12]因為這兩個來源受外界的影響比較小，因此地下水中的氫氧同位素組成部分的變化比較小。三項水源的氫同位素(δD)最大值都出現(xiàn)在7月15日，數(shù)值分別為(-3.387 9%，-1.513 1%，-6.024 8%)，并且它們(δD)的最小值出現(xiàn)的日期卻不相同，分別在10月24日(-14.499 3%)，7月16日(-9.103%)，9月17日(-8.279 9%)。這些差異跟試驗取樣過程中的操作以及分析處理的誤差有關(guān)。

2.2 直接判別法分析結(jié)果

植物的吸水來源主要有地下水、土壤水、大氣水以及霧水等等，并且植物根系吸收水分并且水分在植物體內(nèi)運輸?shù)倪^程中不會發(fā)生同位素的分餾。圖5,圖6直接作圖對比植物木質(zhì)部分和各水源的氫氧同位素數(shù)值，假設與植物水數(shù)值接近或者相同的水源即為主要水源。圖5表明，根據(jù)氧同位素數(shù)值(δ18O)五六月的植物的主要貢獻水源為10～30 cm的土壤水，但是以δD判斷時，因與植物水相交的土壤水層位太多，因此無法得出主要的吸水層位；7月份，依據(jù)δ18O數(shù)值判斷，雨水與植物水更為接近，但是依據(jù)δ18O分析，又得出20～40 cm的淺中層土壤水為最大貢獻區(qū)域；8月份，δ18O和δD分別表明20～40和60～80 cm的土壤水都為此時楊樹的主要貢獻土壤層；從九月份開始，地下水、深層土壤水與植物水的氫氧同位素數(shù)值愈接近，表明在植物的生長后期(9，10)月份，當降雨稀少，氣候干燥的條件下植物轉(zhuǎn)為利用地下水與深層土壤水(80～100 cm)。綜合以上的定性分析，發(fā)現(xiàn)直接推斷法精確度不夠，依據(jù)不同的同位素數(shù)值會有不同的結(jié)論。因此需要借助定量計算分析。

圖5 直接作圖判別分析2015年度不同時期楊樹根系的主要吸水來源Fig.5 The four water source's isotope values direct inference in the all season (May to October)

圖6 直接作圖判別分析雨前、雨中以及雨后楊樹根系的主要吸水來源Fig.6 The four water source's isotope values direct inference in Rain season (from July.15 to July.21 )

2.3 多元線性模型計算結(jié)果

由于Isosource軟件分析計算的時候，最佳運行狀態(tài)是其他水源不大于6 h，因此計算前需要將個土壤層氫氧同位素值的相近的進行合并，并取它們的平均數(shù)；其次分別依據(jù)植物的氫、氧同位素值進行計算，提高結(jié)果的精確度，見表1～表4。

從表1和表2可以得出：根據(jù)δ18O和δD數(shù)值綜合分析得出:5-7月的主要貢獻區(qū)域為淺層土壤水(10～20 cm)，貢獻值分別為(75.68%,90.4%和91.3 %)；隨著降雨的逐漸入滲以及氣溫的降低，土壤的蒸發(fā)減少，楊樹根系逐漸利用中深層土壤水，其中在八月份，各土壤層的貢獻范圍相差不大，但是60～100 cm土壤層的貢獻值最大，達到了20.06%；9、10月份地下水的貢獻值首次達到最大，分別為51.4%,25.5%。

表1 根據(jù)δ 18O值2015年不同時期不同水源對青楊樹根系吸水所做的貢獻情況Tab.1 The four water source's Contribution by Isosource approach according δ18O‰ values in all season (May to October)

表2 根據(jù)δ D值2015年不同時期不同水源對青楊樹根系吸水所做的貢獻情況Tab.2 The four water source's Contribution by Isosource approach according δ D‰ values in all season (May to October)

表3 根據(jù)δ18O值雨季不同水源對青楊樹根系吸水所做的貢獻情況Tab.3 The four water source's Contribution by Isosource approach according δ18Ovalues in Rain season (July 15 to July 21)

表4 根據(jù)δ D值雨季不同水源對青楊樹根系吸水所做的貢獻情況Tab.4 The four water source's Contribution by Isosource approach according δ D values in Rain season (July 15 to July 21)

最后即為青楊樹在7月15-21日(7月14日正藍旗有雨)雨前、雨中以及雨后根系對雨水的反應機制，根據(jù)δ18O和δD的計算結(jié)果(表3,表4)表明，7月15日(雨后第1 d)，楊樹對于附著在土壤表面的雨水依賴極大，平均貢獻值為77.7% ；7月16日，對比定性圖分析和Isosource計算結(jié)果可得，最大值存在于40～60 cm的土壤水(35.8%)；而在雨后的第5 d和第7 d隨著雨水的入滲，中深層的土壤含水率得到補充(即使7月18日和7月21日存在降雨)，楊樹分別主要利用20～40 cm土壤水(29.59%)，40～60 cm 土壤水(27.75%)，并且關(guān)于淺層土壤水的貢獻率也從最初的0.17% 上升到10.7%和12.8%。

綜合以上結(jié)果分析，青楊樹的根系吸水具有很強的季節(jié)性差異：在生長初期，由于土壤含水量的關(guān)系，主要利用淺層土壤水；生長旺季，隨著雨水充足，累積入滲作用，根系轉(zhuǎn)為利用雨水與表層土壤水；而在植物的生長后期，氣候干燥，雨水不足，土壤含水量逐漸減少，青楊樹逐漸利用深層土壤水和地下水；以及在多雨水的夏季，楊樹(深根系植物)，最開始利用雨水，隨著雨水的積累，超過了它的最小臨界值，開始從最上層的土壤水中吸收降雨水源，即為“哪里的水分容易獲得利用哪里的水源”[13]。這些充分說明在干旱與半干旱地區(qū)青楊樹具有很強的生存優(yōu)勢，研究學者把它稱之為“二態(tài)根系”。即為高大喬木都有著橫向根系以及往下直接延伸至水平面的垂直根系[14]。

3 結(jié) 語

直接推斷法只能夠定性的區(qū)分主要水源，做不到適用于多種水源混合的情況，方法雖然簡單但是其準確度與精度較差；多元線性模型中利用 Isosource 軟件計算時，雖然可以得出超過3個水源的貢獻率分析情況，但是只能給出貢獻率范圍，不能得到到唯一的確定值[15]；本文直接推斷定性分析結(jié)合多元線性混合模型定量分析多種水源在不同時期對青楊樹的貢獻情況，提高了單獨分析的準確性，結(jié)論具有很強的參考價值。但是本研究其他不總之處：例如，沒有著力研究到楊樹的用水轉(zhuǎn)變情況與它生理活動的關(guān)系，即沒有考慮植物的“二態(tài)根系”會發(fā)生水力學重新分配的問題；根據(jù)研究可以發(fā)現(xiàn)，深根系植物主要利用土壤水與地下水。因此，以后的研究如果加入吸水深度模型以及地下水管理模型可能會有創(chuàng)新的結(jié)論。

[1] Imanuel Noy-Meir.Desert ecosystem: environment and producers[J].Ann Reveview Ecological Systm,1973,4(1):25-51.

[2] Rozanski K, Gonfiantini R. Isotope effects accompanying vacuum extraction of soil water for stable isotope analyses[J]. Journal of Hydrology, 1995,168:159-171.

[3] Dawson T E,Ehleringer J R.Stream side trees that do not use stream water[J].Nature,1991,350(6 316):335-337

[4] 鄧文平，余新曉，賈國棟，等.利用氫氧同位素定量區(qū)分栓皮櫟旱季水分來源的方法比較[J]. 應用基礎與工程學報，2013,21(3)：412-422.

[5] Wang P, Song X, Han D,et al, A study of root water uptake of crops indicated by hydrogen And oxygen stable isotopes:A case in Shanxi Province China[J]. Agricultural Water Management, 2010,97(18)：475-482.

[6] Zhang C, Zhang J,Coupling a two-tip linear mixing model with aδD-δ18O plot to determine water sources consumed by maize during different growth stages[J]. Field Crops Research, 2011,123:196-205.

[7] 鞏國麗，陳 輝，段德玉.等，利用氫氧同位素定量區(qū)分白刺水分來源方法的比較[J]. 生態(tài)學報，2012,240(31):7 533-7 541.

[8] Yamanaka Y,Y sujimura M, Oyundaatar D, et al，Isotopic variation of precipitation over eastern Mongolia and its implication for the atmospheric water cycle[J]. J Hydrol，2007,333:21-34.

[9] Liu-JR, Song-XF, Yuan-GF, et al. Stable isotopic compositions of precipitation in China[M]. Tellus B,2014,66(22):1-17.

[10] Ehleringer JR,Cooper TA. Correlations between carbon isotope ratio and microhabitat in desert plants[M].Oecologia, 1988,76(4):562-566.

[11] Williams DG,Dawson TE,Water upter by plants: perspectives from stable isotope Composition[J].Plant Cell Environment,1992,15(9):1 073-1 082.

[12] Lin G H,Sternberg L, Ehleringer J R, et al, Hydrogen isotopic fractionation by plant roots during water uptake in coastal wetland plants[M]. Academic Press Inc,1993.

[13] Williams DG, Ehleringer JR. Intra-and interspespecific variation for summer precipitation use in Pinyon-Juniper woodland[J]. Ecol Monogr, 2000,10(4):517-537.

[14] Chinner R A, D J Cooper. Using stable oxygen isotopes to quantify the water source used for transpiration by native shrubs in the San Luis Valley, Colorado USA[J].Plant Soil, 2004,260(1):225-236.

[15] 郭 飛，馬娟娟,任 榮,等. 基于氫氧同位素的植物水源區(qū)分方法比較[J]. 節(jié)水灌溉，2015,(11):59-63.