胡士可，葉 茂

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院/干旱區(qū)湖泊水文水資源與生態(tài)水文過程研究實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054）

【研究意義】水是干旱區(qū)最重要的生態(tài)限制因子，植物根從土壤不同深度吸收水分，有研究表明，植物根系吸收的水分在達(dá)到葉片或者未栓化的嫩枝之前不會(huì)發(fā)生同位素分餾，植物莖稈水分中的同位素含量可以反映土壤水分的來源，因此，通過比較植物木質(zhì)部水與各潛在水源的穩(wěn)定性氫氧同位素組成，即可分析出植物的水分來源情況。在研究植物水分來源的諸多方法中，氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)被認(rèn)為是精確度較高、破壞性低且最高效的一種方法［1］。【前人研究進(jìn)展】自20世紀(jì)80年代以來，國外學(xué)者就開始將氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)應(yīng)用在河岸、荒漠、森林及海岸等群落植物水分來源和植物水分利用關(guān)系的研究上。Thorbum等研究表明，生長于河流邊的赤桉（Eucalyptus camaldulensis）的主要水分來源是土壤水和地下水，河流徑流量增大時(shí)對(duì)河水的利用率最高可達(dá)到30%，該研究指出生長在河岸邊的赤桉會(huì)隨著徑流的改變作出相應(yīng)調(diào)整［2］。Ehleringer等通過研究猶他州與亞利桑那州交界處荒漠優(yōu)勢植物水分來源表明，夏季降水是一年生和肉質(zhì)荒漠植物的主要水分來源，而多年生植物的主要水分來源是夏季降水和深層土壤水（來自土壤中保存的冬季降雨），草本植物最多利用91%的夏季降雨，木本植物也可利用57%的夏季降雨，深根系多年生植物對(duì)夏季降雨利用較少，主要利用地下水和冬季殘留的土壤水分［3］。Aravena等首次分析了智利北部山區(qū)植被對(duì)霧水的利用狀況，推斷霧水是智利北部山區(qū)植被的一個(gè)重要水源［4］。Dawson分析對(duì)比了加利福尼亞北海岸紅杉林（Sequoia sempervirens）木質(zhì)部水和霧水、雨水、土壤水、穩(wěn)定氫氧同位素組成，結(jié)果表明紅杉林可吸收利用34%的霧水［5］。近年來，我國學(xué)者將穩(wěn)定性氫氧穩(wěn)定同位素應(yīng)用到西北干旱區(qū)［6-9］、喀斯特巖溶地區(qū)［10-13］、東部季風(fēng)區(qū)［14-17］的植物水分來源研究，并取得了許多研究成果。鞏國麗等運(yùn)用吸水深度模型結(jié)合Matlab軟件計(jì)算了格爾木市柴達(dá)木盆地南部白刺的平均吸水深度，結(jié)果顯示格爾木白刺穩(wěn)定地吸收土壤深度為60～95 cm之間的土壤水，且平均吸水深度為74 cm［18］。周雅聃等研究了油蒿和白刺在甘肅省民勤縣以及內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣、杭錦旗3個(gè)不同降水區(qū)的水分來源，發(fā)現(xiàn)在降水量較高的地區(qū)，油蒿和白刺主要利用淺層土壤水；在降水量較低的地區(qū)，兩種植物主要利用深層土壤水和地下水［6］。孫守家等在太行山南麓通過測定棗樹穩(wěn)定同位素比值反映季節(jié)尺度下不同水分條件對(duì)棗樹水分來源的影響，結(jié)果表明棗樹對(duì)深層土壤水的利用率達(dá)50%以上［7］。趙良菊等對(duì)黑河下游荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)植物水分來源的研究發(fā)現(xiàn)，在黑河下游荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)，胡楊最多能利用93%的地下水，檉柳最多可利用90%的地下水，而苦豆子97%水分來源于80 cm土層范圍內(nèi)的土壤水，同時(shí)表明黑河下游天然河岸林喬木和灌木較多地利用地下水，而草本植物仍以地表水為主［8］。【本研究切入點(diǎn)】植物穩(wěn)定同位素技術(shù)是近30年來得到迅速發(fā)展和應(yīng)用的一種新技術(shù)手段，旨在通過分析植物體穩(wěn)定性同位素組成來揭示地理環(huán)境要素的時(shí)空變化特征［9］。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)為依托，分析塔里木河下游極端干旱區(qū)長勢良好的成年檉柳對(duì)不同深度土壤（50～70、70～90、90～110、110～130、130～150 cm）的水分利用率，通過定量化分析極端干旱區(qū)植物的水分來源，為沙漠化防治及物種保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河流域管理局沿塔里木河沿岸布置了9個(gè)生態(tài)監(jiān)測斷面，其中英蘇斷面（87°94′08″E，40°42′88°″N）位于塔里木河下游、若羌縣鐵干里克鄉(xiāng)的其文闊爾河上，距大西海子水庫的河道距離約61 km［10］，其東側(cè)為庫魯克沙漠，西側(cè)為塔克拉瑪干沙漠。該區(qū)為典型的大陸性氣候，冬冷夏熱，晝夜溫差大，日照時(shí)間長，多風(fēng)沙和浮塵天氣。區(qū)內(nèi)多年平均降水量在28～50 mm間，蒸發(fā)量高達(dá)2 500～3 000 mm、是降水量的69～130倍，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。研究區(qū)天然植被主要有胡楊（Populus euphratica）、檉柳（Tamarixspp.）、黑果枸杞（Lycium ruthenicum）、鈴鐺刺（Halimodendron halodendron）、蘆葦（Phragmites communist）、羅布麻（Poacynum hendersonii）、疏葉駱駝刺（Alhagi sparsifolia）、脹果甘草（Glycyrrhiza inflata）等［11］。

1.2 野外取樣

塔里木河流域管理局在英蘇斷面距河道不同距離布置了11個(gè)地下水位監(jiān)測井（F1～F11），我們選取F1、F3、F5、F7、F9、F11井作為研究樣點(diǎn)，分別在這些監(jiān)測井周圍采集土壤樣本和植物樣本（圖1）。本次樣品采集于2019年10月15—16日，共采集到土壤樣品36個(gè)、植物樣品12個(gè)。在各個(gè)研究樣地內(nèi)，在離監(jiān)測井最近處隨機(jī)選取1株無人工干擾、長勢良好的檉柳，利用枝剪選取長勢良好的非一年生栓化枝條與檉柳葉片，在采集枝條植株附近，利用長100 cm、內(nèi)徑3.5 cm的手持土鉆和鐵鍬采集土壤樣品［12］。由于研究區(qū)地處極端干旱區(qū)，地表蒸發(fā)極強(qiáng)，0～50 cm處幾乎無水分存在，故按照50～70、70～90、90～110、110～130、130～150 cm共5個(gè)層次采集土壤樣品，每層3次重復(fù)，將樣品分為兩部分：一部分放入鋁盒內(nèi)，用烘干稱量法測定土壤含水率；另一部分置于聚乙烯瓶內(nèi)，密封并放入隨身攜帶的冷藏箱，避免蒸發(fā)過程造成同位素分餾，帶回實(shí)驗(yàn)室用于氫氧同位素組成分析。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview map of research area

1.3 樣品分析

利用全自動(dòng)超低壓無分餾水分無損提取系統(tǒng)LI-2100 Pro抽提植物枝葉和土壤的水分，用LGR DLI-100液態(tài)水同位素分析儀測定抽提出的植物和土壤樣品中的δD、δ18O同位素值［13］，δD、δ18O的測定誤差分別為±0.1‰和±0.2‰。測量土壤水氫氧穩(wěn)定氫同位素比率，計(jì)算公式為：

式中，Rsample是樣品中元素的重輕同位素豐度比（如D/H、16O/18O）；Rstandard是國際通用標(biāo)準(zhǔn)物的重輕同位素豐度比（氫、氧穩(wěn)定性同位素采用V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)）［14］。

有研究者提出，真空蒸餾提取植物和土壤水時(shí)可能同時(shí)餾出有機(jī)物質(zhì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在誤差，故利用NB、BB系數(shù)與污染物建立了修正曲線［15］。甲醇類污染修正曲線為：

δDY=26.942787+13.888X（R2=0.9253）

δ18OY=-13.70462-7.36932X（R2=0.9090）

乙醇類污染修正曲線為：

δDY=97.34868-95.09271X（R2=0.9239）

δ18OY=-34.23433+33.50574X（R2=0.9901）

將采集到的土壤樣本稱樣放入80°恒溫烘箱中不間斷烘干24 h，計(jì)算土壤含水量：

1.4 數(shù)據(jù)處理

IsoSource是Donald L.Phillips創(chuàng)立的可以估算出各類初級(jí)生產(chǎn)者對(duì)消費(fèi)者相對(duì)貢獻(xiàn)率的可能范圍及其平均值的分析軟件［16］，基于穩(wěn)定同位素的質(zhì)量守恒原理，有如下公式：

式中，F(xiàn)A、FB表示兩種資源A、B的比例（未知量）；δA、δB分別表示A、B中同位素的值（已知量）；δM表示混合物（消費(fèi)者）的同位素值（已知量）。以上方程組有唯一解，對(duì)其進(jìn)一步擴(kuò)展至3種或更多資源，方程組的解唯一對(duì)于n個(gè)同位素種類（＞n+1）種資源的系統(tǒng)，可利用這種質(zhì)量守恒來求解資源比例的多種組合的可能解［17］。

直接對(duì)比法是將植物莖稈水的同位素δD或δ18O與各潛在水源的同位素δD或δ18O直接進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為交叉點(diǎn)或相近區(qū)域的水源為植物主要利用的潛在水源。兩者距離越近，則植物利用該水源的比例越大。直接對(duì)比法只能定性直觀描述植物的主要吸水深度范圍，但沒有考慮不同深度土壤混合的情況，也不能定量計(jì)算出各潛在水源對(duì)植物的貢獻(xiàn)率。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與作圖采用Origin Pro 8軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深度土壤水分變化特征

土壤含水量如圖2所示，樣點(diǎn)F1土壤含水量在50～70 cm處有減少趨勢，70～110 cm含水量極速上升，110～130 cm含水量沒有變化，可能與作為吸水層有關(guān)，130～150 cm含水量增加。樣點(diǎn)F3土壤含水量隨深度的加深而增加。樣點(diǎn)F5土壤含水量極低，在50～150 cm處最高含水量為0.95%。樣點(diǎn)F7土壤含水量相對(duì)較低，50～90 cm處逐漸增高，90 cm處達(dá)到最大值5.88%，后迅速降低至110 cm處的1.10%，110～150 cm則無明顯上升。樣點(diǎn)F9從70 cm以下才逐漸呈上升趨勢，含水量最高處為150 cm的8.27%。樣點(diǎn)F11土壤含水量50～90 cm呈顯著增加趨勢，90～110 cm變化不明顯，110～150 cm緩慢增加。F1、F3、F11樣點(diǎn)的土壤含水量隨深度的增加呈上升趨勢，F(xiàn)5、F7、F9變化趨勢較弱。

2.2 各樣點(diǎn)檉柳吸水深度分析

圖2 各樣點(diǎn)不同深度土壤含水量Fig.2 Soil moisture content at different depths of various sampling points

從檉柳莖稈水δD含量對(duì)比（圖3）可以看出，樣點(diǎn)F1土壤水δD值在50～110 cm處逐漸降低，在80 cm處與莖稈水δD值有一個(gè)交叉點(diǎn)，可判斷70～90 cm為該點(diǎn)檉柳的一個(gè)吸水層；110～130 cm土壤水δD值有所上升并再次接近莖稈水δD含量，說明該點(diǎn)檉柳在130 cm附近也有根系分布；130～150 cm土壤水δD值逐漸降低。樣點(diǎn)F3土壤水δD含量從50～150 cm逐漸降低，說明蒸發(fā)作用隨著土層深度的增加而減弱，土壤水δD值從90 cm以下開始迅速接近莖稈水，在110 cm處趨于重合，并將次趨勢延續(xù)到150 cm以下，說明110～150 cm是該試驗(yàn)點(diǎn)檉柳根系所在的吸水深度。樣點(diǎn)F5土壤水含量極低，未提取出實(shí)驗(yàn)所需液態(tài)水樣品，該點(diǎn)檉柳莖稈水的土壤水δD值為-16.77‰，遠(yuǎn)高于其他試驗(yàn)點(diǎn)莖稈水的δD含量，反映出極強(qiáng)的干旱蒸發(fā)作用。樣點(diǎn)F7干旱作用也相對(duì)明顯，莖稈水含量為-25.15‰；土壤水50～70 cm δD呈遞增趨勢，在之間的60 cm處有交叉點(diǎn)，可看作是檉柳的一個(gè)吸水深度，50～90 cm土壤水與莖稈水δD值比較接近，說明檉柳較多利用該深度的土壤水。樣點(diǎn)F9相對(duì)干旱，50 cm、70 cm處的土壤含水量分別為0.27%、0.30%，未提取出足夠進(jìn)行氫氧同位素分析的液態(tài)水，故這兩層土壤水的δD值缺失。δD值在90～110 cm呈上升趨勢，110～150 cm間緩慢下降，90～130 cm處莖稈水與土壤水δD值趨于接近并在90、120 cm處有兩次交叉，故可認(rèn)為該點(diǎn)檉柳主要吸收利用90～130 cm處的土壤水。樣點(diǎn)F11土壤水與莖稈水的δD值偏負(fù)，土壤水δD值在50～130 cm逐漸降低，130～150 cm有增高趨勢，與莖稈水在80 cm處有交點(diǎn)，可認(rèn)為80 cm存在一個(gè)吸水層，在150 cm處趨于重合，說明該檉柳可能存在兩個(gè)吸水層?？梢?，F(xiàn)1、F3、F11等3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤水在110 cm以下δD值逐漸偏負(fù)且趨近，三地莖稈水δD值分布在-50‰～-60‰之間，偏差較小。F1、F3兩試驗(yàn)點(diǎn)土壤水δD值在130 cm處重疊，兩試驗(yàn)點(diǎn)距離較近，可能在此深度受同一水源補(bǔ)給。幾處試驗(yàn)點(diǎn)土壤水的δD值均在150 cm以下趨于降低，可能逐漸接近地下水的δD值。

圖3 各樣點(diǎn)不同深度土壤水和莖稈水的δD含量Fig.3 δD content of soil moisture and stem water at different depths of various sample points

2.3 檉柳水分來源定量分析

IsoSource軟件分析可得出每個(gè)樣點(diǎn)檉柳不同吸水深度的水分利用率。為便于區(qū)分，將0～50 cm劃分為淺層土壤，50～100 cm劃分為中層土壤，100～150 cm劃分為深層土壤。由表1可知，樣點(diǎn)F1土壤水分利用率最大為24.80%（50 cm處）、最小為0.99%（150 cm處）；樣點(diǎn)F7土壤水分利用率最大為70.40%（50 cm處）、最小為0.38%（150 cm處）；樣點(diǎn)F9土壤水分利用率最大為37.60%（110 cm處）、最小為0.86%（150 cm處）；樣點(diǎn)F11土壤水分利用率最大為70 cm處的23.50%，最小為130 cm處的10.80%。樣點(diǎn)F3、F5未計(jì)算出結(jié)果。

表1 不同土壤深度對(duì)檉柳水分來源的貢獻(xiàn)率（%）Table 1 Contribution rate of different soil depths to Tamarix water source (%)

英蘇斷面檉柳在土壤深度50 cm處平均水分利用率為39.23%，70 cm處水分利用率為19.56%，90 cm處水分利用率為17.26%，110 cm處水分利用率為15.21，130 cm處水分利用率為14%，150 cm處水分利用率為4.50%?？梢?，檉柳更多地利用50～100 cm處的中層土壤水。

6個(gè)樣點(diǎn)距離河道的距離分別為F1 50 m、F3 300 m、F5 750 m、F7 968 m、F9 412 m、F11 70 m。由圖2可知，各點(diǎn)土壤含水量隨距河道距離的增加而減少；由圖4可知，隨著距河道距離的增加，檉柳利用中層土壤水的比例由70%下降到40%，即呈現(xiàn)出由利用中層土壤水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲绽酶顚哟蔚耐寥浪默F(xiàn)象。樣點(diǎn)F7雖距河道較遠(yuǎn)，但含水量由50～90 cm向110 cm以下急劇減少，故該點(diǎn)檉柳更多地利用含水量較多的中層土壤水。

圖4 檉柳吸水深度與距河道遠(yuǎn)近關(guān)系Fig.4 Relationship between Tamarix water absorption depth and distance from river

3 討論

土壤水穩(wěn)定同位素易受到蒸發(fā)分餾作用的影響，表層比下層土壤水更易富集重同位素［19］。英蘇斷面地表層土壤粒組以粉砂和砂為主，其次是粘土［20］，持水力弱。土壤水分受降水入滲補(bǔ)給和蒸騰消耗等的影響，處于不斷變化的狀態(tài)。土壤水分補(bǔ)給、消耗、地表水分蒸發(fā)、季節(jié)變化、地表土壤蒸發(fā)以及土壤水和地下水之間的同位素差異，使土壤水分產(chǎn)生同位素組成產(chǎn)生梯度變化，故利用氫氧同位素示蹤技術(shù)能夠高效準(zhǔn)確地分析植物水分來源，目前極端干旱區(qū)針對(duì)檉柳水分來源及用水機(jī)制的研究報(bào)道較為鮮見，且少有學(xué)者做長期跟蹤研究。本試驗(yàn)旨在彌補(bǔ)極端干旱區(qū)內(nèi)水分變化對(duì)檉柳的影響機(jī)制，以期對(duì)極端干旱區(qū)的生態(tài)保護(hù)及恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。周海等在準(zhǔn)格爾盆地東南緣的研究表明，多枝檉柳屬于深根系植物，其90%以上的水分來源于深層土壤水和地下水，基本不受土壤水分變化的影響［6］，與本研究結(jié)果不一致，這可能與研究區(qū)地下水位深度不同有關(guān)。周天河等在塔里木河上游的研究表明，檉柳對(duì)河水的依賴性較強(qiáng)，且利用淺層土壤水的程度高于深層土壤水，該研究結(jié)果與本文結(jié)論類似。邢星等在柴達(dá)木盆地諾木洪地區(qū)的研究表明，檉柳在50～70 cm土層對(duì)土壤水分吸收最大，且在生長季存在水源轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；陳小麗等在黑河下游荒漠的研究表明，檉柳主要利用200～300 cm的深層土壤水。以上研究結(jié)果不盡相同，但可以肯定的是，在水分極其缺乏的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，根據(jù)不同區(qū)域地理環(huán)境的差異性植物可以通過自身調(diào)節(jié)向著最優(yōu)（最有利）表現(xiàn)型發(fā)展，從而最大程度地獲取水分［21］，荒漠地區(qū)的生態(tài)保護(hù)與物種選擇應(yīng)充分結(jié)合本地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行。本試驗(yàn)點(diǎn)位于極端干旱區(qū)，0～50 cm土壤極為破碎，故未將0～50 cm深度土壤水作為植物水分來源深度，可能會(huì)導(dǎo)致其他深度土壤水分對(duì)植物的貢獻(xiàn)率增高；樣點(diǎn)F5 50～150 cm含水量極低，幾乎不存在檉柳吸水層，該點(diǎn)檉柳可能利用更深層次的土壤水。值得注意的是，樣點(diǎn)F7從90 cm以下含水量急劇減少，110～150 cm含水量平均為1.5%，相對(duì)于其他樣點(diǎn)表現(xiàn)出極度干旱的特征，可能與地下水埋深、地形等因素有關(guān)，在未來研究中應(yīng)對(duì)這兩個(gè)現(xiàn)象加以深入分析。

4 結(jié)論

本研究利用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)和直接對(duì)比法分析了英蘇斷面檉柳吸水深度，利用IsoSource線性混合模型定量分析了不同土壤深度水分對(duì)檉柳水分利用的貢獻(xiàn)率，分析了距河道距離不同檉柳吸水深度的變化。利用烘干法計(jì)算了土壤含水量，英蘇斷面檉柳在土壤深度50 cm處平均水分利用率為39.23%，70 cm處水分利用率為19.56%，90 cm處水分利用率為17.26%，110 cm處水分利用率為15.21%，130 cm處水分利用率為14%，150 cm處水分利用率為4.50%。英蘇斷面土壤水分含量極低，最小值為樣點(diǎn)F5土壤深度50 cm處的0.20%，最大值為樣點(diǎn)F1 150 cm處的23.81%，土壤含水量大致隨深度的加深而增加；英蘇斷面檉柳多利用50～100 cm間的中層土壤水，平均利用率達(dá)69%；英蘇斷面檉柳呈現(xiàn)出距河道距離增加，轉(zhuǎn)為逐漸利用更深層次土壤水的現(xiàn)象。