馮 蘊(yùn)，賈德彬，李雪松,2，張雨強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

穩(wěn)定性同位素技術(shù)的研究與利用始于20世紀(jì)30年代中期的物理科學(xué)，然而，穩(wěn)定性同位素在植物生物學(xué)研究中的廣泛利用僅近有20多年的歷史。它以其快速、穩(wěn)定、可信的示蹤技術(shù)，在地球化學(xué)中逐漸成為探究植物水分來(lái)源重要的技術(shù)手段[1-3]。由于干旱半干旱地區(qū)降水稀少，土壤水分狀況成為影響當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)及其生理過(guò)程的最為關(guān)鍵的因子。植物中的水分一般來(lái)自于土壤水、地下水和降水等，植物根系在吸收水分和水分在莖干轉(zhuǎn)移的過(guò)程中植物水不會(huì)有同位素分餾效應(yīng)的發(fā)生，所以對(duì)比植物莖干水和不同水源的氫氧同位素值，加以數(shù)據(jù)的合理處理和計(jì)算就可以確定植物在各時(shí)期的用水情況。目前比較常用的方法有直接判別法、吸水深度模型、多元線性混合模型和耦合模型，不同的模型計(jì)算有其各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用之前需要結(jié)合各自的適用條件[4-6]。

本文基于同位素示蹤技術(shù)分析當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中大氣-楊樹(shù)-地下水的水分循環(huán)，并通過(guò)運(yùn)用多元線性混合模型，研究渾善達(dá)克沙地區(qū)典型樹(shù)種楊樹(shù)獨(dú)特的水分利用模式，明確其在不同生態(tài)環(huán)境的應(yīng)對(duì)機(jī)制，為合理利用沙漠地區(qū)水資源以及實(shí)現(xiàn)干旱半干旱地區(qū)水資源的優(yōu)化配置、恢復(fù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特市渾善達(dá)克沙地南緣的正藍(lán)旗育草站內(nèi)，地理位置為東經(jīng)116.02°，北緯42.25°。試驗(yàn)區(qū)2017年年均溫度4.2 ℃，1月份平均氣溫-14.8 ℃，7月份平均氣溫21.8 ℃，極端最高氣溫28 ℃，極端最低氣溫-19.8 ℃。年均降雨量為297.6 mm，而且一般集中在6、7、8月份，約占全年降雨量的68%。平均相對(duì)濕度為30.8%，屬中溫帶大陸性氣候。育草站內(nèi)楊樹(shù)為山楊和白毛楊的天然雜交種----河北楊，平均樹(shù)高13 m，平均樹(shù)徑20 cm，樹(shù)根長(zhǎng)2 m以上，喜水、喜光、喜肥，在濕度良好的地方生長(zhǎng)快速，具有強(qiáng)大的根系，主根可達(dá)樹(shù)高的1/3～1/4，而且具有很強(qiáng)的趨水性和向肥性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)選取3棵長(zhǎng)勢(shì)良好且生長(zhǎng)相近的楊樹(shù)作為研究材料。于2017年5-10月，每月采集一次以下樣品：楊樹(shù)的木質(zhì)部分。選取7-8枝楊樹(shù)枝條，迅速去除枝條的外皮和韌皮部位，留下的部分即為木質(zhì)部分，用于植物水氫氧同位素的測(cè)定；分層進(jìn)行土壤取樣。在其林下25 m附近用土鉆鉆取0～220 cm的土壤，其中，0～80 cm每隔20 cm為一層，80～220 cm每隔40 cm為一層，用于土壤水氫氧同位素的測(cè)定；收集降水。用自制的雨水收集器收集2017年每次的降水水樣，用于降水氫氧同位素的測(cè)定；收集地下水。在距植物樣60 m的地下水井取得地下水，取出的水樣保存在100 ml塑料瓶中，用于地下水氫氧同位素的測(cè)定；附近的自動(dòng)氣象站收集氣溫、相對(duì)濕度和降雨等氣象數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行四種水樣同位素測(cè)定之前，需要對(duì)植物木質(zhì)部分和土壤樣品進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)LI-2000型真空低溫抽取系統(tǒng)提取出植物水和土壤水[7]。同地下水與降水一起采用美國(guó)LGR液態(tài)水同位素激光質(zhì)譜儀進(jìn)行氫氧同位素的測(cè)定，其中測(cè)量δD的精度為±0.01%，δ18O的精度為±0.02%。利用LWIA-Spectral Contamination Identifier v2.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析與修正。

氫氧同位素的組成通常用符號(hào)δ表示，最終的測(cè)試結(jié)果由相對(duì)于VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)標(biāo)準(zhǔn)平均海水的千分率給出，如公式(1)所示。

δD(δ18O)=(Rsa/Rst-1)×1 000

(1)

式中：Rsa表示樣品中該元素重輕同位素豐度之比；Rst表示國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中該元素重輕同位素豐度之比。

1.3 多元線性混合模型

同位素多元線性混合模型是基于同位素質(zhì)量守恒原理，被廣泛地應(yīng)用在植物水分來(lái)源的研究中，如以下公式所示。

δDp=∑fiδDi

(2)

δ18Op=∑fiδ18Oi

(3)

∑fi=1

(4)

式中：δDp和δ18Op分別表示植物莖干木質(zhì)部的氫氧同位素的值；δDi和δ18Oi則分別表示其他不同水源i中的氫氧同位素的值；fi則為不同水源i對(duì)植物吸水利用的貢獻(xiàn)率。

公式(2)-(4)中只有水源數(shù)量不大于3個(gè)時(shí)有唯一解，當(dāng)大于3個(gè)時(shí)無(wú)法得到唯一解。植物吸水時(shí)往往利用3個(gè)以上的不同水源，在本文中就是如此。需要采用Phillips及其同事開(kāi)發(fā)出來(lái)的Isosource軟件[8]進(jìn)行計(jì)算，此軟件不僅可以得到不同水源對(duì)植物的平均貢獻(xiàn)率，還能得到不同水源的貢獻(xiàn)范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣降水的氫氧同位素組成及其關(guān)系

正藍(lán)旗地區(qū)大氣降水中δD，δ18O值具有很強(qiáng)的季節(jié)性變動(dòng)，呈現(xiàn)出單駝峰形分布，夏季氫氧同位素值最高，冬季氫氧同位素值低。夏季雖然降水量大但溫度高蒸發(fā)劇烈，導(dǎo)致重同位素富集；而冬季溫度低，降水(雪)受蒸發(fā)影響不劇烈，輕同位素富集。其中δD，δ18O的最值范圍分別為-7.936%～-1.114%、-1.165%～- 0.162%。盡管δD，δ18O值的大小變化范圍很大，但是有規(guī)律可循，數(shù)據(jù)大致都會(huì)落在同一條直線上。本文對(duì)該試驗(yàn)區(qū)的降水同位素進(jìn)行處理，得到了當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(δD=7.593 3δ18O + 4.910 5，R2=0.976 1)見(jiàn)圖1，與1961年Craig得出的全球大氣降水線[9](δD=8δ18O+10)相比，斜率與截距均小于全球大氣降水線。這與試驗(yàn)區(qū)降水量小并且蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水存在二次蒸發(fā)，空氣相對(duì)濕度低下的自然環(huán)境條件是分不開(kāi)的。此結(jié)果與大部分干旱地區(qū)的大氣降水線斜率與截距偏小這一結(jié)果相似[10～12]，這是由于干旱半干旱地區(qū)空氣干燥且植物覆蓋率低，在降水過(guò)程中，當(dāng)雨水降落在干燥的空氣時(shí)，存在著不平衡的二次蒸發(fā)，蒸發(fā)程度大于降水作用，導(dǎo)致重同位素富集、輕同位素貧化[13]。

2.2 土壤水的氫氧同位素組成及其關(guān)系

試驗(yàn)區(qū)土壤水的δ18O值為-1.051%～-0.029%，變幅1.022%，δD值為-9.11%～-4.42%，變幅達(dá)4.69%，這說(shuō)明土壤水δD值比δ18O值更不穩(wěn)定，同位素更容易分餾。但δD與δ18O有著良好的線性關(guān)系，從圖1中可以得到土壤水線(SWL=3.791 1δ18O-47.6，R2=0.798 4)斜率與截距均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，說(shuō)明土壤水得到降水的補(bǔ)給，降水進(jìn)入土壤的過(guò)程中在土壤表層發(fā)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)，導(dǎo)致同位素非平衡分餾，使得輕同位素貧化[14]，同時(shí)可能還受到地下水等其他水源的補(bǔ)給。

土壤水δD與δ18O有著良好的線性關(guān)系，下面僅以土壤水中δ18O值分析不同深度不同月份的同位素值的變化。從圖2可以看出土壤水中氫氧同位素組成變化大致趨勢(shì)為隨著土壤深度的增加而減少，0～80 cm淺層土壤變化浮動(dòng)很大，到了120～220 cm中深層土壤逐漸趨于平緩，在長(zhǎng)時(shí)間的尺度上保持相對(duì)穩(wěn)定?？赡苁怯捎跍\層土壤水易受到周?chē)h(huán)境的影響，降水的入滲、深層土壤水的水力提升、空氣溫度等導(dǎo)致淺層土壤水中δ18O值變化較為劇烈；深層土壤水易受到地下水的補(bǔ)給，地下水相對(duì)穩(wěn)定使深層土壤水基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

對(duì)于干旱季5、6月份，由于長(zhǎng)期的干旱，會(huì)使20～80 cm土壤中的土壤含水率明顯不足，相對(duì)濕度又小，雨水入滲緩慢，短暫的降水會(huì)短時(shí)間的暴露在土壤表面，易受到蒸發(fā)的影響，上層的土壤水會(huì)因蒸發(fā)濃縮而負(fù)值加重；對(duì)于雨季7月份，δ18O值整體變化都不穩(wěn)定，存在著不同程度的波動(dòng)，可能由于降水量大，土壤接受降水補(bǔ)給后δ18O值變化波動(dòng)大，也可能出現(xiàn)水力提升的現(xiàn)象，使下層土壤水進(jìn)入上層土壤中發(fā)生混合，導(dǎo)致δ18O值變化波動(dòng)大；對(duì)于非干旱季8、9、10月份，雖說(shuō)此時(shí)正藍(lán)旗的氣溫較高，光照也強(qiáng)，但是對(duì)于非干旱季節(jié)，土壤水分容量超過(guò)它的毛細(xì)管的爆破點(diǎn)，此時(shí)的土壤水分大多以液體的形式存在，阻礙了其蒸發(fā)[15,16]，導(dǎo)致δ18O值無(wú)特別的差異變化。

圖2 不同深度不同月份氧同位素組成變化情況Fig.2 Changes in oxygen isotope composition in different depths and months

2.3 地下水與植物水的氫氧同位素組成及其關(guān)系

試驗(yàn)區(qū)地下水δD值為-8.02%～-7.831%，變幅僅有0.189%，δ18O為-1.201%～-1.049%,變幅僅有0.152%。從圖3可以看出，地下水的氫氧同位素值處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，隨季節(jié)的變化不明顯，地下水存在著滯留現(xiàn)象。從圖1可以看出，地下水的氫氧同位素值接近當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，表明一部分地下水是通過(guò)降水補(bǔ)給的。降水在滲入土壤進(jìn)入地下水的過(guò)程中經(jīng)歷了一段時(shí)間的延后，降水對(duì)土壤的補(bǔ)給使氫氧同位素進(jìn)行了混合，到達(dá)地下水時(shí)使地下水中氫氧同位素出現(xiàn)了平滑現(xiàn)象[17]。

圖3 地下水δD和δ18O的變化特征Fig.3 Variation characteristics of groundwater δD and δ18O

從圖1我們可以看到植物水中氫氧穩(wěn)定同位素變化劇烈，植物水中的δ18O和δD值分別在-0.406%～-1.098%和-5.217%～-8.56%之間變化，可能由于外界環(huán)境(光照、氣溫、濕度等)對(duì)植物的影響較大，進(jìn)一步造成植物水同位素波動(dòng)較大。并且植物水中的δ18O和δD值大部分集中在降水與土壤水同位素值之間，表明土壤水和降水是決定植物水氫氧穩(wěn)定同位素值的主要因素。在5月份時(shí)，植物水δ18O值接近20～60 cm土壤水δ18O值；6月份時(shí)植物水δ18O值接近40～60 cm土壤水δ18O值；而7月份時(shí)植物水δ18O值接近80～160 cm土壤水δ18O值；8月份時(shí)植物水δ18O值接近60～80 cm土壤水δ18O值，當(dāng)9月份時(shí)，植物水δ18O值接近120～220 cm土壤水δ18O值；10月份時(shí)植物水δ18O值接近120～160 cm土壤水δ18O值。

2.4 多元線性模型計(jì)算不同時(shí)期不同水源貢獻(xiàn)情況

利用Isosource軟件進(jìn)行分析計(jì)算前將各土壤層氫氧同位素值進(jìn)行合并，將0～220 cm土壤分為5層：0～40、40～80、80～120、120～160、160～220 cm，每層取平均數(shù)進(jìn)行計(jì)算。將輸出的結(jié)果繪制出柱狀圖得到每月各潛在水源的平均貢獻(xiàn)率及貢獻(xiàn)范圍，橫坐標(biāo)為各潛在水源對(duì)楊樹(shù)的貢獻(xiàn)率，縱坐標(biāo)為各貢獻(xiàn)率出現(xiàn)的頻數(shù)，貢獻(xiàn)率越大且頻數(shù)越多則表示楊樹(shù)最有可能吸收該層水分。運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)圖4與表1。

結(jié)果表明：楊樹(shù)在生長(zhǎng)初期的5、6月主要吸收0～80 cm的淺層土壤水，貢獻(xiàn)率為29%、74%。這是因?yàn)闂顦?shù)在生長(zhǎng)初期需水量較少，且淺層土壤中蘊(yùn)含冬季冰雪融化后的雪水和補(bǔ)給的降水，淺層土壤水足以滿(mǎn)足其楊樹(shù)的需水量。7、8月楊樹(shù)進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，這一階段是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，需水量大大增加，植物主要吸收80～120 cm的中層土壤水，貢獻(xiàn)率為20%和26%，同時(shí)開(kāi)始吸收地下水，貢獻(xiàn)率為38%和23%。這一時(shí)期淺層土壤水雖然得到降水的補(bǔ)給，但由于溫度高蒸發(fā)劇烈淺層土壤水不能滿(mǎn)足這一階段的需水量，植物會(huì)朝著更深的層位進(jìn)行吸水。由于植物根系的活性降低，植物開(kāi)始吸收地下水。楊樹(shù)到了9月進(jìn)入生長(zhǎng)末期主要吸收160～220 cm的深層土壤水和地下水，貢獻(xiàn)率為29%和35%，這是因?yàn)?月份土壤水分經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間消耗，降雨量驟減，淺層土壤水無(wú)法滿(mǎn)足其需水量，中層土壤水無(wú)法得到水源補(bǔ)給，楊樹(shù)選擇利用主根吸收160～220 cm的深層土壤水及地下水。10月楊樹(shù)需水量減少，主要吸收0～40 cm的淺層土壤水，貢獻(xiàn)率為72%。

圖4 不同時(shí)期不同水源貢獻(xiàn)率所有可能解的柱狀圖Fig.4 Histogram of all possible solutions for different water source contribution rates in different periods

研究發(fā)現(xiàn)干旱半干旱地區(qū)降水稀少，并且分布不均，但是其光照長(zhǎng)且太陽(yáng)輻射強(qiáng)，蒸散發(fā)嚴(yán)重，植物的正常生長(zhǎng)會(huì)受到水分脅迫等瓶頸[18-20]。而楊樹(shù)是具有“二態(tài)根系”[21]，它的吸水層位幾乎遍布所有的土壤層，并且根系活性很強(qiáng)，即使是在干旱環(huán)境下，仍能通過(guò)轉(zhuǎn)變吸水方式的同時(shí)積極與土壤的調(diào)蓄作用配合主動(dòng)應(yīng)對(duì)水分脅迫。其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其在水資源缺乏，生態(tài)環(huán)境惡劣的情況下能最大程度地利用地下水和土壤水來(lái)供給自身的正常生長(zhǎng)用水需求，充分利用干旱地區(qū)有限的水資源。其植物避免干旱的抗旱適應(yīng)機(jī)制廣泛用于干旱與半干旱地區(qū)，并且為大面積綠化造林，抑制土壤荒漠化和重建良好生態(tài)環(huán)境的偉大目標(biāo)起到重要作用。

3 結(jié) 論

正藍(lán)旗地區(qū)降水的氫氧同位素值具有季節(jié)性的變化。通過(guò)降水同位素值擬合出當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(δD= 7.593 3δ18O + 4.910 5，R2=0.976 1)，土壤水線(SWL=3.791 1 δ18O-47.6，R2=0.798 4)。土壤水中氧同位素值隨深度的增加而降低后慢慢趨于穩(wěn)定，隨時(shí)間的變化具有明顯的季節(jié)性變化。地下水中的δD和δ18O值處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；而植物水中δD和δ18O的值波動(dòng)較大。

植物吸水來(lái)源隨著季節(jié)的變化有著顯著的改變。生長(zhǎng)初期5、6月楊樹(shù)主要利用0～80 cm的淺層土壤水，貢獻(xiàn)率分別為29%、74%；快速生長(zhǎng)期內(nèi)7、8月楊樹(shù)吸水層位下移逐漸利用80～120 cm的中深層土壤水，貢獻(xiàn)率分別為20%、26%，同時(shí)開(kāi)始利用地下水，貢獻(xiàn)率分別為38%和23%；生長(zhǎng)末期9月楊樹(shù)轉(zhuǎn)為利用地下水及160～220 cm的深層土壤水，貢獻(xiàn)率分別為29%和35%；10月楊樹(shù)需水量減少主要利用0～40 cm的淺層土壤水，貢獻(xiàn)率為72%。

表1 不同時(shí)期不同水源對(duì)楊樹(shù)的貢獻(xiàn)情況Tab.1 Contribution of different water sources to poplars in different periods

注：表中X表示水源，Xg為地下水，X0～220 cm為不同土壤層對(duì)應(yīng)的土壤水。