氫氧同位素示蹤法探測新疆地區防護林和棉花體系水分來源與競爭

郭 輝,趙 英,蔡東旭,蘭志龍,雷加強

1 中國科學院新疆生態與地理研究所,烏魯木齊 830011 2 西北農林科技大學資源環境學院, 楊凌 712100 3 中國科學院大學,北京 100049

綠洲作為新疆干旱區人類活動的重要載體,生態環境脆弱,使內部各個要素保持健康和諧共存極其重要。由于防護林對沙漠綠洲區具有防風固沙效應[1, 2],因此在新疆綠洲區形成了大面積農田-防護林縱橫交錯的景觀格局。但研究表明防護林根系在趨水趨肥作用下大量分布于農田一側,通過吸收農作物養分水分,限制農作物生長與產量提高[3, 4]。水分是推動綠洲生態系統各要素健康發展的關鍵因子[5],平衡農作物與防護林的水分競爭可以提高農作物產量與防護林正常生長。因此通過研究農作物和防護林水分來源及根系分布,量化兩者的水分競爭區域,對農林復合系統的和合理配置與管理具有重要指導意義。

傳統上采用挖掘法或根鉆法,研究植物根系分布,來推斷植物水分利用來源[6],且費時費力;其次,根菌的分布也可輔助植物對水分養分利用[7, 8];此外,植物根系活性隨著土壤含水量的變化而異,預示著某一層大量根系并不能準確反映同等比例的水分吸收量[9]。穩定同位素示蹤技術具有較高的靈敏性和準確性,是確定植物水分來源的重要工具[10]。De Wispelaere等[11]研究表明熱帶半干旱區植物水分來源隨季節而變化,雨季主要利用降雨,旱季利用地下水;Dai等[12]利用氫氧穩定同位素在溫帶干旱生態系統中發現梭梭等荒漠植物主要利用深層地下水。然而,氫氧穩定同位素并不能準確得出植物根系分布。近年來,人工添加穩定同位素探測植物根系分布和資源利用的范圍也逐步得到應用,Beyer等[13]通過添加δD同位素準確地判斷出非洲半干旱區域不同植物的根系空間分布,表明灌木的根系深度一般不超過1 m,喬木則可以吸收4 m以下的水分。目前氫氧同位素技術主要集中在野外自然條件下,而在人工植被措施下很少涉及[14]。Wang等[15]對華北地區棉花與玉米水分來源研究發現兩者在不同的生長季吸收不同深度土壤水分。

近年來,新疆各地出現大面積防護林死亡現象,部分原因是農民擔心防護林對農作物的負面影響,而對防護林減少灌水和病蟲害防治所致[16];然而,防護林的死亡將會導致綠洲遭受更加嚴重風沙侵蝕[17]。面對這一矛盾,本文選擇新疆種植面積最大的棉花與主要防護林樹種楊樹作為研究對象,通過示蹤δD同位素及測定不同生長期棉花、楊樹及其土壤中的δD與δ18O值,量化棉花與楊樹的主要水分來源,分析潛在競爭區域及防護林對農作物水分負面影響程度。研究結果對新疆綠洲地區防護林的合理管護,及綠洲內部生態平衡的建設具有重要的指導意義。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Location of the study area

研究區位于古爾班通古特沙漠西南緣的莫索灣盆地綠洲,地理坐標東經86°06′—86°50′,北緯44°60′—45°50′,平均海拔358.8 m,屬于典型的大陸干旱荒漠氣候(圖1)。土壤以灰漠土和沙壤土為主[18]。年平均氣溫約為4—6℃,夏季天氣酷熱,蒸發強烈,7月平均溫度最高,達22—26℃,氣溫年較差在42—44℃之間,≥10℃的活動積溫為3100—3200 h。年降水量少于120 mm,季節分配較為均勻,但僅有少量能被農作物利用,而天山的積雪融水為農業生產提供了豐富的水源。

1.2 樣地選擇

試驗于2016年7月到9月在莫索灣試驗站棉花試驗田進行,如圖2。2016年7月7號,樣地內選擇10棵冠幅相似,間距大于20 m,干徑約為35 cm的楊樹。首先采用土鉆在4棵楊樹附近依次鉆50、100、200、400 cm的洞,每個洞3個重復;同時以20 cm為間隔采集土壤剖面樣品(即0—20、20—40、40—60、60—80,80—100 cm等),每層3個重復,將每個樣方一部分土壤裝入50 mL塑料瓶中,并用封口膜封口,迅速冷凍保存,用于抽提水,另一部分裝入鋁盒中,用烘干法測土壤含水量;其后選擇楊樹長勢良好枝條,除去外皮和韌皮部迅速裝入8 mL玻璃瓶中,用封口膜封口冷凍;最后依次將300 mL水且含量為33% δD小心裝入塑料袋放入每個楊樹洞底,扎破,迅速將土填充,并在接下來6 d每天采集楊樹木質部,冷凍封存。接著在分別距楊樹2、5、8 m棉田中,每個距離用土鉆分別打50、100 cm深度,每個深度間隔大于10 m(3個重復),依次采集土樣棉花樣本與棉花正對面楊樹樣本冷凍,然后進行δD同位素示蹤與填土,方法與上同,并在接下來6 d每天采集樣點正對面楊樹樣本。當所有樣品采集完成之后,在試驗第7天, 再次用土鉆取楊樹100 cm與200 cm深處示蹤點的土壤,每個樣點一鉆,按照之前方法采土樣并冷藏。

最后,2016年8月16日再次分別采集楊樹和距離楊樹8 m遠處棉田200 cm、100 cm深的土樣,為防止之前的人工填充土干擾,避開之前的采土樣點,并且采集植物樣本。

圖2 試驗設計圖Fig.2 Experimental design in farmland of Mosuowan oasis不同顏色圓點表示δD同位素示蹤不同的深度

1.3 水分提取與同位素測定

采用低溫真空蒸餾法(LI- 2000全自動真空冷凝抽提系統進行水分抽提裝置)抽提植物莖干和土壤樣品水分,抽提水放入玻璃樣品瓶中冷藏,用DLT- 100液態水同位素儀(Lios Gatos Research, Mountain View, USA)測定δD和δ18O值。其中δD的誤差不超過±2‰,δ18O為0.25‰。

1.4 數據分析方法

除一些鹽生植物外,水分在由植物根系向莖干傳輸送的過程中氫氧同位素一般未因蒸發或新陳代謝導致分餾,因此木質部中或根莖結合部可以反映植物水分來源[19]。為了避免人工添加的δD同位素在后期實驗中可能存在的潛在污染,本文采用δ18O同位素來判斷植物主要水分來源,水分來源判定采取兩種方法。其一是焦點法,植物樣本的穩定同位素值與土樣值相等,即可視為其主要水分來源區間;其二是SIAR混合模型(Stable Isotope Analysis in R, SIAR package, version 3.4.2, Parnell等[20]),該方法采用貝葉斯混合運算,考慮到了可能發生的同位素分餾與樣本同位素值的多變性與多重來源的非一致性等,已成為當前主要的同位素來源分析方法。

本研究中,分別采用距地表深100 cm且距離楊樹8 m棉花土樣與200 cm深楊樹土樣分析水分來源區域。并且根據棉花不同生育期的生理表現,判定7月7日采集為蕾期棉花(棉花開始開花),8月16日為花鈴期(棉花將要吐絮)。棉花與楊樹根系吸水的潛在來源被認為是不同深度的土壤水。依據前人對棉花與楊樹根系分布規律的研究結論[15],可以將棉田土壤劃分為0—40 cm 土壤表層,40—100 cm土壤深層;楊樹土壤劃分為0—40 cm土壤表層,40—120 cm土壤較深層,以及120—200 cm 土壤深層。

1.5 數據分析

利用R語言進行數據分析,用origin 8.0軟件繪圖。

2 結果分析

2.1 土壤含水量變化

圖3表示棉田與楊樹土壤含水量隨時間和深度的變化。在棉花蕾期(7月7)與花鈴期(8月16),棉田各層土壤含水量未呈現出劇烈變化,平均土壤含水量約15%,這主要是棉田在滴灌條件下,灌溉頻繁(平均7 d灌溉一次),土壤含水量一直保持在較高水平;又因土樣采集時間不一致,分別為灌溉前一天和后一天,導致各層土壤含水量出現較大波動。楊樹各土層含水量出現劇烈波動,表現出先增大后減小趨勢。首先7月7日楊樹未漫灌之前,表層0—60 cm土層含水量較低,60—180 cm土層土壤含水量變化保持相對恒定的值(約14%),與棉田含水量較為一致;在200 cm深處,土壤質地變粗,土壤持水能力較小,導致土壤含水量較小。在8月16日,楊樹大水漫灌一周后,土壤含水量在0—100 cm土層顯著高于灌溉水之前(P<0.01),而在100 cm以下含水量波動相對較小,表明灌溉一周后,水分入滲土壤剖面鋒值約在100 cm深處。

圖3 不同生長季棉田與楊樹土壤質量含水量(a為棉田土壤含水量,b為楊樹土壤含水量)Fig.3 Mean soil moisture content (%) on July 7th and August 16th in the soil profile at (a) cotton and (b) poplar plots

圖4 棉花與楊樹不同生長時期不同深度土壤水與莖干水的δ18O值Fig.4 δ18O values in soil water, cotton and poplar xylem at each growth stage

2.2 水分來源與貢獻率

土壤水中氫氧穩定同位素組成主要受灌溉水(降水)、蒸發、地下水等多因素影響[21]。

圖4為不同時期棉田與楊樹土壤剖面δ18O的垂直變化,從圖可知,δ18O值隨著土壤深度增加而在減小,這是因為土壤表層強烈的蒸發作用,導致土壤水發生分餾,δ18O值變大。通過利用焦點法,得出棉花在蕾期,主要的水分來源于0—20 cm土層(圖4);而在花鈴期,水分主要來源于20—40 cm(圖4)。進一步運用SIAR模型,量化各土層水分貢獻率(圖5),可知棉花在蕾期與花鈴期主要吸收表層土壤水分(0—40 cm),貢獻率高達94%和86%。

楊樹作為新疆防護林主要樹種,探測其主要水分來源是否來自農作物表層根系分布區域,是判斷兩者水分競爭程度的重要依據[3]。圖4展示了楊樹在漫灌前后,土壤200 cm以上,δ18O值的變化與木質部δ18O值,通過對比發現在灌溉前楊樹水分主要吸收20—60 cm土壤水分,灌溉后偏向于吸收0—40 cm范圍內土壤水分,呈現出吸水區向上遷移趨勢。通過進一步用SIAR模型分析,灌溉前土壤0—40,40—120,120—200 cm分別貢獻為41%,30%,29%;灌溉后為43%,26%,31%。灌溉后比灌溉前土壤0—40 cm水分貢獻略有提高,但土壤40 cm以下仍然是主要的供水區間,提供了約60%水分來源(圖5)。

圖5 棉花與楊樹在不同生長季各土層水分的貢獻率Fig.5 Proportion source contribution of different soil depths to cotton and poplar箱形圖表示50%,75%,95%的置信區間

圖6 不同土壤深度和距離楊樹木質部人工添加δD同位素值Fig.6 The articial δD isotope values of poplar during the experiment for labeling different depths

2.3 人工添加δD同位素方法確定農林復合系統植物根系分布

本研究中,通過添加δD同位素探測楊樹根系的分布,判斷其可能對棉花生長的影響范圍。圖6可知,δD同位素在實驗處理后信號顯著增強,在土壤50、100與200 cm深處都顯示出非常高的δD值;然而,在土壤400 cm并沒有檢測到明顯的δD值上升。在探測楊樹側根水平分布于棉田的處理中(圖6),發現δD值在距離樹干2 m處、距地表50 cm與100 cm深處有明顯增加;在距樹干5 m處和距地表50 cm棉田深處顯示有δD同位素增大信號,100 cm深處并沒有發現;而在遠距樹干8 m處,距地表50 cm 和100 cm深處,未出現楊樹δD同位素值異常升高現象。因此,可根據楊樹木質部δD同位素值,推測出莫索灣楊樹主要根系分布在200 cm土層以內,但深度不超過400 cm;并在棉田一側,側根可延伸到5 m遠、距地表50 cm土層深處;8 m處并沒有大量楊樹根系存在此外;在距楊樹3 m處、距地表50 cm到100 cm深處都有楊樹根系存在,表明此處楊樹根系密度較高。

3 討論

3.1 棉花與楊樹水分利用策略

土壤水作為干旱區限制植物生長的重要因素,對整個干旱區生態環境具有重要意義[22]。而干旱區植物根系分布則反應了植物在極端缺水環境中適應性[23]。本研究中,棉花花鈴期土壤表層含水量(0—40 cm)高于棉花蕾期(圖3),圖4與圖5中,棉花主要水分來源反而向下遷移,這反映了棉花作為直根系深根作物,隨著棉花生育期的進行,根系也不斷向下生長,擴大其有效資源利用范圍。然而,Wang等[15]分別對華北平原不同生長季棉花水分利用研究,發現棉花在花鈴期主要利用50 cm以下土壤水分,這與本文中棉花水分來源在花鈴期在40 cm之下僅為14%有較大差距。造成這種差距的原因可能是在本研究中隨著灌溉量與灌溉頻次的增加,尤其是膜下滴灌技術的應用,土壤淺層含水量增加,棉花根系大量有向表層聚集的趨勢[24]。從圖3中,莫索灣由于采用膜下滴管技術,表層土壤含水量一直保持在較高水平,并在花鈴期灌溉后表層土壤含水量大于深層,導致棉花在未受到干旱脅迫情況下,根系向下生長的驅動力變弱,以吸收淺層土壤水分為主。因此,可推測莫索灣綠洲棉花灌溉水量與頻次相對較高,棉花并未過多利用到較深層土壤水分,造成該地區水資源存在潛在的浪費。可采取適當降低灌溉水量,迫使棉花擴大根系分布,提高水分利用范圍和效率。

楊樹水分利用策略在大水漫灌前后短期內并未發生明顯的水分利用遷移現象。雖在漫灌后,主要水分來源從20—60 cm土層遷移到0—40 cm(圖4),但總體上0—40 cm土層貢獻率差別并不明顯(41%與43%, 圖5),120—200 cm土層可供給總需水量約30%。從圖3可知,楊樹在漫灌前深層土壤含水量較表層大。表層土壤由于長時間未得到充足的灌溉水補給(2016年8月之前沒有灌溉),再加上本地區較小的降水量與強烈的蒸散發,導致表層土壤含水量較小。Yi等[25]研究表明農田的側面補給是河西走廊防護林重要的深層土壤水分來源,而較深層來自農田的側面補給,導致土壤含水量相對較高,楊樹根系大量分布于此,而表層根系分布相對較少。因此即使表層土壤含水量迅速增加,但水分貢獻率變化幅度依然有限。進一步通過δD同位素示蹤,楊樹根系至少深入200 cm土層(圖6),較大的根系分布范圍為其提供了較大的水分利用區間。這與 Everson 等[26]在南非發現干旱環境中,大量防護林根系分布在土壤深層的結果較為一致。

3.2 水分競爭與協同

農林復合系統中平衡喬木與農作物競爭與協作是研究的主要內容之一[27]。喬木與農作物適當的種植距離,根系空間分布互補對于提高作物產量和養分水分利用效率具有重要意義[28]。本文中楊樹對棉花水分養分的主要影響是通過其側根延伸入棉田。從圖6可推測,楊樹對棉花水分養分的競爭一般發生在8 m以內,5 m內棉花生長必定受到楊樹影響。在距楊樹3 m處楊樹根系密度較高,對棉花水分養分的潛在競爭增大。雖然楊樹與棉花主要水分利用區間有一定偏差(楊樹約40%的水來自0—40 cm,而棉花則為80%以上),但由于楊樹巨大的耗水量(Fu等[18]發現莫索灣同一地區楊樹單月最高耗水量可達307 mm),對棉花水分養分競爭依然強烈。而通過人為干預,如修剪喬木冠幅,增加肥料投入等可以降低喬木對農作物影響[29]。本研究區中5 m范圍內楊樹對棉花影響最為嚴重,因此在5 m范圍內增加化肥投入與灌溉量部分抵消楊樹對棉花水分養分的競爭影響,并進一步通過在5 m范圍內對楊樹根系的修剪可顯著降低其對農作物的影響。從圖4與圖5,棉花主要利用表層土壤水分,對40 cm以下的土壤水分利用有限,而通過楊樹根系吸收深層水分,提高了整個干旱區生態系統的水分利用效率。此外由于防護林在新疆綠洲中的生態意義,通過量化楊樹對棉花的影響范圍估算農民損失,從而為平衡防護林生態價值與經濟價值意義重大。

3.3 人工添加同位素的應用

植物根系分布決定了其所能利用的資源范圍[30],根系范圍越大,表明其可以利用資源選擇余地就越大。本研究中,楊樹根系側向分布范圍越大,意味著對棉花潛在的水分養分競爭。然而,單純的用穩定同位素分析方法,并不能準確判斷出植物根系分布范圍,由于植物根系活性的可塑性[9],穩定同位素方法只能計算出某一時的植物水分來源,用它很難準確推斷植物根系分布;此外,如果土壤剖面同位素值變異較小,或者拐點較多,用傳統的穩定同位素方法出現的誤差較大。本文通過應用人工添加同位素方法,量化了楊樹的根系分布,并通過觀察試驗處理后第7天δD同位素在土壤剖面的分布,發現并未出現顯著向上遷移(圖7)。這與Beyer等[13]結論相一致,表明人工δD同位素添加可以探測植物根系分布,可作為一種穩定同位素研究植物根系水分的輔助方法去推廣應用。

圖7 100 cm和 200 cm土壤深度人工添加δD同位素運移Fig.7 The dynamic of articial δD isotope after seven days of experiment for labeling depths of 100 cm and 200 cm in poplar plots

4 結論

(1)棉田在膜下滴灌技術下,土壤含水量較高,從蕾期到花鈴期水分主要來源向下遷移(0—20 cm至20—40 cm),0—40 cm土層貢獻了85%以上棉花水分來源。楊樹由于表層的土壤水分蒸發,0—40 cm土壤含水量較低,迫使根系大量生長于土壤較深層,導致楊樹在灌溉前后,土壤40 cm以下為其主要供水來源區間(貢獻率約60%),同時土壤主要供水層在灌溉后出現向上遷移趨勢(20—60 cm至0—40 cm)。因此綜合得出棉花與楊樹主要水分來源的土壤深度有明顯分層,但由于楊樹巨大的含水量,對棉花的水分競爭不可避免,主要發生在土壤0—40 cm深度處。

(2)通過人工添加δD同位素,探測出楊樹根系垂直深度在土壤200—400 cm處,水平可延伸到棉田5—8 m處,超過8 m楊樹根系分布的可能性較小,且在3 m處根系大量分布。這意味著距樹干5 m內楊樹與棉花肯定存在強烈的水分競爭,5—8 m是過渡區;這對防護林與農作物的配置管理和對農民經濟補償有指導和借鑒意義,進而維持整個新疆干旱區生態平衡。

(3)本文通過焦點法與SIAR模型,較為精確的算出棉花與楊樹的主要水分利用區間,并進一步通過人工添加δD同位素方法彌補了上述方法上的不足,并且量化了楊樹根系的空間分布,從而多維角度對植物水分和根系其進行分析解釋,對以后穩定同位素方法在生態環境中應用具有借鑒意義。