基于穩(wěn)定同位素的干旱半干旱地區(qū)楊樹水分來源研究

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)及其生理過程的最為關(guān)鍵的因子。植物中的水分一般來自于土壤水、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)算有其各自優(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-地下水的水分循環(huán)，并通過運(yùn)用多元線性混合模型，研究渾善達(dá)克沙地區(qū)典型樹種楊樹獨(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)楊樹為山楊和白毛楊的天然雜交種----河北楊，平均樹高13 m，平均樹徑20 cm，樹根長(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)相近的楊樹作為研究材料。于2017年5-10月，每月采集一次以下樣品：楊樹的木質(zhì)部分。選取7-8枝楊樹枝條，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及其同事開發(fā)出來的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€，說明土壤水得到降水的補(bǔ)給，降水進(jìn)入土壤的過程中在土壤表層發(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。可能是由于淺層土壤水易受到周圍環(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降水補(bǔ)給的。降水在滲入土壤進(jìn)入地下水的過程中經(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)越多則表示楊樹最有可能吸收該層水分。運(yùn)算結(jié)果見圖4與表1。

結(jié)果表明：楊樹在生長(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)闂顦湓谏L(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，淺層土壤水足以滿足其楊樹的需水量。7、8月楊樹進(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，植物開始吸收地下水。楊樹到了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)過長(zhǎng)時(shí)間消耗，降雨量驟減，淺層土壤水無法滿足其需水量，中層土壤水無法得到水源補(bǔ)給，楊樹選擇利用主根吸收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。