基于氫氧穩定同位素的矮砧蘋果樹根系吸水深度研究

郭 飛，高 磊，馬娟娟

(1.中國水權交易所，北京 100053；2.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

矮砧蘋果樹具有果品質量高且節約種植成本的優點，已成為世界現代果業栽培的新方向[1]。截至2013年，我國矮砧蘋果樹的栽培面積已達果樹總栽培面積的12%[2]。矮砧蘋果樹耗水量較大[3]，根系為其主要的吸水部位，而蘋果樹的根系生長隨著生育期的變化而變化[4]，因此得出矮砧蘋果樹根系吸水深度范圍，對于促進蘋果樹生長以及產量和品質的提高具有重要意義。傳統研究中常用土鉆取土的方法來研究蘋果樹的吸水規律[5]。但相關研究表明，根系分布的多少并不能完全等同于根系吸水的能力[6]。目前，可將氫氧穩定同位素技術應用于植物根系吸水的研究，為精確分析植物對不同深度土層水分利用情況提供依據，但相關研究多集中在大田作物以及森林灌木上[7-9]，對矮砧蘋果樹的研究較少。

在利用氫氧穩定同位素研究植物根系吸水深度的模型中，IsoSource多元線性模型被認為是應用最廣泛且最有效的模型[10～11]。因此本研究基于氫氧穩定同位素技術，通過低溫真空抽提系統來提取不同深度土層的土壤水和植物莖干水，并利用IsoSource多元線性模型來分析不同深度土壤水在果樹不同生育期的水分貢獻率，得出矮砧蘋果樹根系吸水深度的變化規律，為制定合理的矮砧蘋果樹節水灌溉策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省農科院果樹研究所矮砧蘋果園(37°23′N，112°32′E，平均海拔781.9 m)，該地區屬于暖溫帶大陸性氣候，區域內年均降雨量為459.6 mm，年均氣溫為9.8 ℃，無霜期為175 d。試驗果園的土質為粉砂壤土，土壤容重為1.47 g/cm3，土壤田間體積持水率為30%。

1.2 試驗設計

研究對象為7年生矮砧富士蘋果樹，選取掛果正常、長勢良好、無病蟲害的果樹進行研究，果樹三段砧木以海棠砧木為底，中間砧為SH系，上部嫁接體為紅富士長富二號。蘋果樹的株距為2 m，行距為4 m，采用南北方向種植。在蘋果樹萌芽花期(4月14日)、新梢旺長期(5月26日、6月13日)和果實膨大期(8月13日)進行田間畦灌，單次灌水量為540 L/株。

1.3 測定項目及方法

試驗從2015年4月至2015年10月，在矮砧蘋果樹的萌芽花期、新梢旺長期與果實膨大期采集土壤與莖干樣品，每個處理重復3次。

在距離樹干50 cm處采集土壤樣品，以20 cm的間隔利用土鉆(直徑5cm)進行采集，分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140和140～160 cm共8層。為確保土壤剖面水分入滲和分餾過程的充分完成，在各生育期降雨或灌溉4 d后采集土壤樣品，使用離心管保存采集的土壤樣品，并用封口膜將管口密封，低溫保存。選取健康的未栓化莖干作為枝條樣品，為防止樣品產生同位素分餾，快速將枝條去皮后放入離心管中，封口膜密封管口后低溫保存。同時，在果樹生育期內，定期收集雨水和灌溉水。雨水采用自制的收集裝置收集，為防止分餾，在瓶口放置乒乓球。灌溉水在每次灌溉時用離心管收集。

采用低溫真空抽提的方法來提取土壤樣品和植物莖干樣品的水樣[11]，該方法利用真空蒸餾與液氮冷凝的原理收集水樣，此過程不發生同位素分餾，抽提時間一般約為1.5～2 h。不同水樣中的δD和δ18O利用isotope ratio infrared spectroscopy(IRIS)測量(PicarroL2130～i)，并利用micro-pyrolysis模塊和ChemCorret Post-processing來去除樣品中有機物的污染。氫氧同位素測量結果經過國際標樣(SLAP2、VSOMW2、GISP)校準后精度分別為±1‰和±0.1‰。

1.4 數據處理及分析

采用Excel，Origin繪制圖表與分析。

2 結果與分析

2.1 蘋果樹不同水源的氫氧穩定同位素分析

試驗地矮砧蘋果樹的水分來源包括土壤水、灌溉水與降水。本試驗在矮砧蘋果樹的不同生育期內，定期分析3種水分樣品氫氧穩定同位素值。圖1為3種水分樣品的氫氧穩定同位素值圖。

圖1 水分樣品δ18O與δDFig.1 δ18O and δD of water samples

由圖1可得出，3種水分樣品的δ18O與δD呈良好的線性正相關關系，且通過分析3種水分樣品的氫氧穩定同位素散點分布情況可得出，降雨與灌溉水的散點范圍包含了土壤水散點，這是因為土壤水是雨水和灌溉水蒸發、入滲以及混合的最終產物。圖1中的黑色實線為全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line，GMWL)，虛線為試驗地的當地降水線LMWL(Local Meteoric Water Line)。GMWL線于1961年由Craig發現并命名[12]，表達式為δD=8×δ18O+10。而試驗地的LMWL為:δD=7.31×δ18O-5.59(R2=0.97)。LMWL比GMWL的斜率與截距值小，其原因是試驗地濕度變化與大氣雨水二次蒸發[13]。此外，土壤水與灌溉水的氫氧穩定同位素擬合線分別為：δD=6.09×δ18O-18.28 (R2=0.98)、δD=2.36×δ18O-54.21(R2=0.94)。兩條斜線的斜率與截距差別是由蒸發中同位素分餾引起的。

本次研究中，果樹的最初水分來源于降水與灌溉水(試驗地地下水埋深較大，已忽略其對果樹根系吸水的影響)，而降水與灌溉水在被果樹根系吸收之前需要經過入滲等復雜過程，最終以土壤水的形式被果樹根系吸收利用，即矮砧蘋果樹莖干水的氫氧穩定同位素值是在雨水與灌溉水發生同位素分餾作用后的同位素混合值。因此，研究將不同深度的土壤水作為果樹根系的吸水水源，避免了直接將雨水與灌溉水作為潛在水源進行水分貢獻率分析而導致分析結果出現的較大誤差[14]。研究中，在各生育期降雨或灌溉4 d后采集土壤樣品，這樣確保了降雨與灌溉水經過充分的混合入滲，確保了基于穩定同位素質量守恒的水源分析方法的準確性。因此，本研究將不同深度的土壤水作為蘋果樹的潛在水源，基于氫氧穩定同位素技術研究果樹水源(不同深度土壤水)的水分貢獻率，進而得出矮砧蘋果樹根系的主要吸水深度。

2.2 利用IsoSource多元線性模型分析矮砧蘋果樹吸水深度

基于穩定同位素存在的質量守恒原理，利用多元線性模型可分析植物根系對不同水源的吸收利用情況。當所分析的水源數目超過3個時，可以利用IsoSources來獲得不同水源的貢獻率情況[10]。IsoSources中的參數Increment表示每個水源水分貢獻率的增幅，即水分貢獻率以Increment值作為步長進行從0到100%的遞增，研究中設置為1%或者2%。研究中將各個水源的水分貢獻率與對應的穩定同位素值相乘，累計求和，作為一組水源的線性混合值。IsoSources中的參數Tolerance設置為0.01，其含義為計算得出的線性混合值與測定的果樹植物莖干同位素值的誤差最大值為0.01，即誤差在0.01內的貢獻率組合為一組可行解。進一步將所有可行解制作水分貢獻率直方圖，可得出各個水源的水分貢獻率范圍與均值。考慮到一些特殊植物在根系吸水過程中，氫穩定同位素易發生分餾作用[15]，為使分析結果更為精確，本試驗單獨將氧穩定同位素帶入IsoSource軟件分析矮砧蘋果樹的吸水深度。

圖2 矮砧蘋果樹不同生育期分貢獻率直方圖Fig.2 Histogram of water contribution in different growth stages of dwarfing apple

圖2為矮砧蘋果樹不同生育期內，不同深度的土壤水的貢獻率情況。在圖2中，橫縱坐標分別代表不同深度的土壤水的水分貢獻率情況與不同貢獻率出現的頻率大小。以圖2(a)為例，在該時期，對于0～20 cm土層，0.3～0.6的土壤水分貢獻率出現的頻率最大，而對于20～40 cm等深度的土壤，當水分貢獻率為0～0.05時出現的頻率最大。由此得出，在萌芽花期，0～20 cm土層是該時期矮砧蘋果樹的主要吸水區域。表1進一步分析對比了不同深度土壤水的平均水分貢獻率值。

由表1和圖2可得出，在萌芽花期，7年生矮砧蘋果樹的主要吸水深度為0～20 cm的土壤水，平均水分貢獻率為59.5%。這可能是由于萌芽花期屬于蘋果樹生長前期，蘋果樹在該時期的耗水量相對較少，且吸水根系多集中在表層、深層根系發育并不完全導致[4]。與萌芽花期不同，不同深度土壤水的水分貢獻率在新梢旺長期6月有所變化，雖然0～20 cm(42.9%)仍為蘋果根系的主要吸水深度，但20～40 cm深度的土壤水貢獻率有所增加，為11.1%。而在新梢旺長期7月，蘋果樹根系吸水的深度不單集中在表層，其對深層土壤水的利用明顯增加，各深層土壤水的水分貢獻率都較高；在該生育期，根系主要對20～40 cm深度的土壤水利用最高，為29.1%，0～20 cm與40～60 cm深度的土壤水次之，分別為24.3%和12.5%。而在果實膨大期8月，20～40 cm深度的土壤水對蘋果樹的貢獻率達到最大，為37.1%，其次為0～20 cm(23.6%)，而40～60 cm深度的土壤水貢獻率為11.6%，與上一時期的貢獻率差異較小。在果實膨大期9月，果樹的主要吸水深度仍以20～40 cm為主，但其水分貢獻率較上一時期有所減少，為27.3%，而0～20 cm深度的土壤水貢獻率增大到26.3%，較8月份增幅為12%，40～60 cm深度的土壤水貢獻率為13.8%。

表1 矮砧蘋果樹生育期內不同深度土壤水的水分貢獻率平均值Tab.1 Average water contribution of soil water in different depths in growth stages of dwarfing apple

3 結 論

根據上述研究分析，主要得出以下兩點結論。

(1)利用氫氧穩定同位素技術研究矮砧蘋果樹根系吸水深度時，將不同深度的土壤水作為潛在水源可得出更準確的根系吸水深度分析結果。

(2)矮砧蘋果樹的吸水深度隨生育期變化而變化，但基本集中在0～40 cm范圍的土壤深度。在萌芽花期，蘋果樹主要利用0～20 cm(59.5%)處的土壤水；在新梢旺長期6月，其主要吸水深度為0～20 cm(42.9%)和20～40 cm(11.1%)；新梢旺長期7月根系的主要吸水深度為0～20 cm(24.3%)和20～40 cm(29.1%)；果實膨大期8月為0～20 cm(23.6%)、20～40 cm(37.1%)和40～60 cm(11.6%)；果實膨大期9月為0～20 cm(26.3%)、20～40 cm(27.3%)和40～60 cm(13.8%)。