黃土塬區旱作冬小麥土壤水分利用特征的穩定同位素分析

程立平, 齊 光, 李彥嬌, 劉文兆

(1.平頂山學院, 河南 平頂山 467000;2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

黃土塬區土壤供水占旱作冬小麥耗水量的一半左右，土壤水庫調蓄功能可有效緩解降水不足和季節分布不均所導致的旱情，對冬小麥生長發育以及穩產高產具有重要的意義[1-2]。試驗觀測發現黃土區旱作冬小麥根系可深達3 m以下[3]，但是根系能否利用土壤水還與根系密度和活性相關[4]，因此冬小麥能否利用3 m深度土壤水仍缺乏直接證據。有關研究多將2 m或3 m以內土壤水分作為整體研究其與冬小麥耗水之間的關系[5-6]，較少關注冬小麥對不同土層土壤水分的利用特征，而同位素水分溯源技術則為定量研究植物對不同土層水分利用特征提供了可能[7]。植物根系從土壤中吸收水分和水分在植物體內運輸到達葉片或幼嫩未栓化的枝條之前均不發生同位素分餾[8]，植物莖干水同位素組成是其所利用水源同位素組成的綜合體現。要定量研究植物各水源的利用比例，可采用二源/三源線性混合模型[9]，但該模型不能用確定多于3個以上水源，IsoSource多源混合模型[10]則可用于估算多個水源對植物用水的貢獻比例范圍。隨著同位素示蹤技術的發展，已有學者開展了冬小麥水分溯源的試驗研究。如有灌溉條件且地下水埋深較淺地區的冬小麥的水分利用規律[11-12]，地下水埋藏較深地區0～2 m深度內不同土層土壤水對冬小麥耗水的貢獻[13]，以及田間土柱種植試驗中發現冬小麥自抽穗—灌漿期起開始利用2～3 m土層土壤水[14]。但是鮮有研究關注黃土區旱作冬小麥對3 m深度土壤水分的利用問題，尤其是降水不足的條件下，因此本文首先利用遮雨棚遮雨模擬降雨量減少情景，其次對遮雨樣地和自然樣地3 m深度土壤水標記氘水(D2O)，通過測定不同日期冬小麥莖稈水δD值以確定冬小麥是否利用3 m深度土壤水分；并通過測定冬小麥不同生育期莖稈水、降水和0～4 m土壤剖面不同土層土壤水δ18O值，定量分析旱作冬小麥對不同土層土壤水分的利用特征及其對降雨減少的響應，為旱地農田水分研究和管理服務。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在中國科學院長武農業生態試驗站(35°14′N，107°40′E)所在的長武黃土塬區進行，位于陜西省長武縣，塬面平坦，海拔1 220 m。研究區屬暖溫帶半濕潤易旱大陸性季風氣候，多年平均降水量580 mm，降水年際變化較大，年內分布不均，7—9月降水量占全年降水總量的55%以上。研究區黃土堆積深厚，土壤為黑壚土，田間持水量和凋萎濕度分別為22%(質量含水量，下同)和9%，容重為1.3 g/cm3，母質為中壤質馬蘭黃土，土質疏松，孔隙度在50%左右，通透性良好，利于水分入滲和植物根系生長。研究區地下水埋深40～80 m，不參與土壤—植物水分循環。

1.2 試驗設計

2015年9月下旬在長武站水肥耦合試驗場選擇2個小區(3 m×4 m)種植小麥進行試驗(品種：長旱58)，小麥播種量150 kg/hm2，播前一次性深翻施氮肥(尿素，150 kg/hm2)和磷肥(五氧化二磷，90 kg/hm2)。2016年5月9日起至小麥收獲(6月下旬)對2號小區進行人工遮雨處理，即雨前將遮雨棚推至小區上方遮雨，雨后推離，模擬降雨量減少情景；1號小區接收正常降雨。5月9日在1號樣地(記為A樣地)和2號樣地(記為B樣地)中心位置選擇約1 m2樣方，利用土鉆于四角處鉆至3 m深度，鉆孔直徑約5 cm，利用軟管將D2O(99.8%)注入孔底進行標記，為盡量減小水分輸入對土壤濕度的擾動又能標記成功，每個鉆孔約注入12 ml氘水，然后分層回填。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品采集 于2016年5月9日(抽穗期)，5月19日(開花期)，5月29日(灌漿期)和6月10日(乳熟期)在氘水標記樣方內使用土鉆采集0—4 m剖面土壤樣品，間隔20 cm。因標記樣方面積小，為減少擾動，每次只取一個土壤剖面。土壤樣品分為兩份，一份裝入鋁盒利用烘干法(105℃，12 h)測定土壤含水量；另一份密封于高密度聚乙烯瓶中保存，實驗室內利用低溫真空抽提系統Li-2000抽提土壤水樣，將抽提的水樣密封于玻璃水樣瓶中，編號、記錄并冷藏待測。

1.3.2 小麥莖稈水樣采集 為明確冬小麥是否利用以及何時利用3 m深度以下土壤水分，除在采集土壤樣品日期，又分別于5月13日、5月24日和6月4日在D2O標記樣方內采集冬小麥樣品。采集方法為隨機選擇3株長勢良好冬小麥連根拔起，采集近根部的莖稈，迅速剔除葉鞘部分，裝入10 ml玻璃瓶內密封保存，每次采集3瓶作為重復，實驗室內利用低溫真空抽提系統Li-2000抽提小麥莖稈水樣，將抽提的水樣密封于玻璃水樣瓶中，編號、記錄并冷藏待測。

1.3.3 降水樣品采集 利用人工雨量筒收集次降水水樣，并記錄降水量。

1.3.4 水樣氫氧穩定同位素測定 小麥水樣δD值測定：采用LGR IWA-45 EP液態水同位素分析儀測定抽提小麥水樣的δD值，分析精度為±0.5‰。土壤、小麥和降水水樣δ18O值測定：采用質譜儀Finnigan MAT253，TC/EA法測定水樣內δ18O值，分析精度為±0.3‰。所有水樣δ值測定結果用V-SMOW標準校正。

通過對比不同日期冬小麥莖稈水δD值變化可以確定冬小麥利用3 m深度土壤水分的時間；將冬小麥不同生育期莖稈水、降水和0—4 m土壤剖面不同土層土壤水δ18O值輸入IsoSource模型，可定量分析冬小麥對不同土層土壤水分的利用特征。

1.3.5 土壤儲水量計算 土壤儲水量計算公式為：

式中:W為土壤儲水量(mm)；θ為土壤質量含水量(g/g)；ρ為土壤容重(g/cm3)；h為土層厚度(cm)。

1.3.6 水量平衡方程 黃土塬區水量平衡計算公式一般被簡化為：

ET=P-ΔW

式中:ET為蒸散量(mm)；ΔW為土壤儲水量的變化量(mm)；P為降水量(mm)。

1.4 數據處理

利用IsoSource多源線性混合模型(V1.3.1)計算不同水源對冬小麥耗水的貢獻比例，IsoSource模型參數中的來源增量(source increment)設置為2%，質量平衡公差(mass balance tolerance)為1%。

采用Excel 2007軟件進行數據處理，利用Origin 2018制圖，利用單因素方差分析比較不同時期土壤水同位素組成差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 土壤儲水量變化

由于冬小麥的吸收利用，疊加土壤物理蒸發，至抽穗期兩塊樣地0—50 cm土層土壤水分均已低至萎蔫系數(圖1)。試驗起始日，A樣地和B樣地0—4 m剖面平均土壤水分含量分別為15.7%和15.5%，土壤水分剖面分布近乎一致。但是隨著冬小麥生育期推進，兩塊樣地50 cm深度以下土壤水分剖面均向左移動，土壤含水率降低，試驗終止時分別降低至15.1%和14.2%，出現明顯差異。研究期內，雖然A樣地蒸散量(91.5 mm)大于B樣地蒸散量(78.9 mm)，但是由于A樣地降水輸入為50.8 mm，其土壤儲水量僅減少了40.7 mm，較B樣地減小量少38.2 mm。說明降水量減少條件下，冬小麥能夠利用更多土壤儲水滿足生育耗水需求，緩解旱情。

圖1 土壤水分剖面動態變化

2.2 不同水樣δ18 O變化

研究期內降水δ18O最小值為-8.26‰，最大值為-2.96‰，平均值為-5.39‰(圖2)，與研究區多年降水δ18O平均值-10.38‰[15]相比明顯富集，原因在于長武黃土塬區降水同位素組成具有冬春富集、夏秋貧化的年內變化特征。

圖2 研究時段內降水量及降水δ18 O值

受蒸發效應影響，淺層土壤水分重同位素富集[16]。A樣地土壤水δ18O值在20 cm處最大，20—280 cm深度范圍內隨深度增加而減小，280 cm以下隨深度增加而逐漸增加，4個采樣日土壤水δ18O平均值分別為-12.17‰，-12.03‰，-12.49‰和-12.45‰，方差分析表明其無顯著差異(圖3A)。B樣地土壤水δ18O值同樣在20 cm處最大，20—120 cm深度范圍內隨深度增加而減小，120 cm以下基本保持穩定，4個采樣日土壤水δ18O平均值分別為-10.11‰、-10.04‰，-10.31‰和-9.98‰，無顯著差別(圖3B)。

5月9日、5月19日、5月29日和6月10日，A樣地冬小麥莖稈水δ18O值分別為(-9.16±0.57‰)，(-9.82±0.39‰)，(-10.37±0.35)‰和(-10.02±0.51)‰，平均值為(-9.84±0.58)‰(圖3A)；B樣地冬小麥莖稈水δ18O值分別為(-8.99±0.13)‰，(-10.59±0.23)‰，(-10.60±0.39)‰和(-10.30±0.29)‰，平均值為(-10.10±0.72)‰(圖3B)。植物根系吸收水分過程不發生同位素分餾現象，因此植物水的同位素組成是其所利用水源同位素組成的綜合反應。雖然A樣地土壤水同位素組成較B樣地偏負，但是由于A樣地冬小麥能夠利用同位素組成偏正的降水，其莖稈水同位素組成卻偏正一些。

圖3 土壤水及冬小麥莖稈水δ18 O值

2.3 冬小麥對3 m深度土壤水的利用

盡管液態水同位素儀LGR在測定植物水δD值時存在甲醇或乙醇類有機污染[17]，但是其測試結果仍然可以為冬小麥是否利用了標記在3 m深度處的氘水提供有效信息。表1給出了不同日期兩塊樣地冬小麥莖稈水的氫同位素組成變化。可以發現截至5月19日無論是A樣地還是B樣地，冬小麥莖稈水δD值均沒有富集；但是從5月24日起至6月10日，兩塊樣地冬小麥莖稈水δD值發生了明顯富集，表明冬小麥已經開始利用標記在3 m深度處的氘水。因為冬小麥為隨機采樣，因此距離鉆孔較近的小麥莖稈水δD值大，距離較遠的冬小麥莖稈水δD值小。進一步對比兩塊樣地冬小麥莖稈水δD值發現，B樣地較A樣地富集程度高，表明雖然兩塊樣地冬小麥幾乎在同一時間開始利用3 m深度土壤水分，但是在降水量減少條件下冬小麥能夠吸收利用更多的深層土壤水分來滿足耗水需要。

2.4 冬小麥土壤水分利用規律

黃土塬區地下水埋藏極深，因而旱作冬小麥生長發育僅能依賴降水和土壤水。研究時段屬于旱季、降水較少，5月1日至6月10日共記錄到13個降水日，但是降水量大于5 mm的有效降水僅6次(圖2)，最大日降水量僅為13.6 mm，很難入滲至20 cm深度土層。本試驗中土壤水分測定從20 cm開始，所以圖1中表現出兩塊樣地0.5 m以上土層含水率與萎蔫系數持平，幾乎沒有變化，意味該層土壤水分已不能為冬小麥所吸收利用。對于B樣地，冬小麥只能利用0.5 m深度以下土壤水分。對于A樣地，降水轉化的土壤水集中在0—20 cm深度范圍以內，研究表明冬小麥能夠優先利用降水轉化而來的土壤水，然后才利用土壤前期儲水[18]，同時冬小麥根系密度在此范圍以內最大，所以該地塊冬小麥能夠直接利用降水轉化而來的土壤水。由冬小麥莖稈水樣δD值變化可知，兩塊樣地冬小麥在5月24日起已經利用3 m深度土壤水分。因此，本文根據土壤水同位素剖面分布特征，在抽穗期和開花期將50—300 cm土層分為3組，分別是50—100 cm，100—200 cm和200—300 cm；在灌漿期和乳熟期將50—400 cm土層分為4組，分別是50—100 cm，100—200 cm，200—300 cm和300—400 cm。研究表明干旱地區植物體內在降水之后的7日內仍保存有大量的降水[19]，因此本文分別利用5月8日、5月13日、5月27日和6月9日降水代替0—50 cm土層土壤水，來計算不同生育期A樣地冬小麥對0—50 cm土層土壤水(降水)的利用比例，四日降水量分別為7.7 mm，13.6 mm，5.5 mm和6.4 mm，降水δ18O值分別為-6.03‰，-4.72‰，-6.57‰和-5.67‰。最后將冬小麥不同生育期莖稈水以及各組土壤水δ18O值分別輸入IsoSource模型，計算旱作冬小麥對各層土壤水分的利用比例。

表1 冬小麥莖稈水樣δD值 ‰

IsoSource模型最終結果不是唯一解，而是依據計算過程中各水源相對貢獻率的頻率確定可行的概率分布組合[10]，即冬小麥對各水源利用比例的分布范圍，具有一定的不確定性，可利用各潛在水源相對貢獻率的頻率加權平均值作為唯一解的體現(圖4)。抽穗期，0—50 cm土壤水(降水)，50—100 cm，100—200 cm，200—300 cm土壤水對A樣地冬小麥耗水的貢獻率分別是36.7%，29.9%，20.6%和12.8%，對B樣地冬小麥耗水的貢獻率分別為33.4%，27.9%，20.4%和18.3%?？梢园l現，雖然兩塊樣地同一土層土壤水對冬小麥耗水貢獻率有所差異，但是冬小麥對各層土壤水分的利用狀況表現出了相同的規律，即冬小麥對不同土層土壤水分的利用強度隨土層深度的增加而減小。

圖4 不同生育期各層土壤水對冬小麥耗水的貢獻率

A樣地冬小麥開花期、灌漿期和乳熟期的土壤水分利用規律與抽穗期一致，利用強度隨深度增加而減小，但是各層水分對冬小麥耗水的貢獻率在不同生育期不同。圖4A可知0—50 cm土壤水(降水)對開花期、灌漿期和乳熟期冬小麥耗水的貢獻率分別為28.0%，28.3%和32.6%，50—100 cm土壤水的貢獻率分別為32.3%，25.7%和24.7%，100—200 cm土壤水的貢獻率分別為22.3%，16.9%和15.7%，200—300 cm土壤水的貢獻率分別為17.4%，12.5%和11.4%。冬小麥自開花—灌漿期間開始利用3 m深度土壤水分，300—400 cm土層土壤水對灌漿期—乳熟期冬小麥耗水的貢獻率為15.6%～16.6%。

雨量減少條件下，冬小麥需要利用更多的深層土壤儲水來滿足生育耗水的需要。由于0—50 cm土層土壤含水率與萎蔫系數持平且沒有降水輸入，B樣地深層土壤水分對冬小麥耗水的貢獻率相較A樣地大幅增加。50—100 cm土壤水對開花期、灌漿期和乳熟期冬小麥耗水的貢獻率分別為31.7%，21.1%和20.6%，100—200 cm土壤水的貢獻率分別為34.2%，32.9%和31.5%，200—300 cm土壤水貢獻率分別為34.1%，24.5%和24%。300—400 cm土層土壤水在灌漿期—乳熟期間的平均貢獻率為22.7%。冬小麥對深層土壤水分利用強度的增加，導致深層土壤儲水消耗增加。計算得知，A樣地200—400 cm土層土壤儲水量減少18.7 mm，B樣地則減少了27.4 mm。

3 討 論

相較于地下水淺埋地區及灌區冬小麥可利用的眾多水源(降水、土壤水、灌溉水和地下水)[11-12]，黃土塬區旱作冬小麥能夠利用的水源只有降水和土壤水。降水對抽穗期、開花期、灌漿期和乳熟期冬小麥耗水的貢獻率分別為36.7%，28.0%，28.3%和32.6%(圖4A)，受降水時間以及降水量的顯著影響[19]。隨著生育期的延伸和根系下扎，冬小麥根系吸水峰不斷向深層土壤移動[20-21]。在地下水埋深較淺的封丘地下冬小麥從孕穗期開始利用埋深在3 m以下的地下水[12]，而在干旱半干旱的山西省南部地區，旱作冬小麥則自抽穗期起開始利用2～3 m土層土壤水[14]。相關試驗觀測發現，長武塬區冬小麥越冬前根系可扎至60 cm深度，返青期已生長至250～280 cm深度，至收獲前依然繼續向下延伸[3]。本研究氘水標記試驗表明長武塬區旱作冬小麥在開花—灌漿期間開始利用300 cm深度土壤水分，且該時間點未受降雨量減少的影響。說明，該區旱作冬小麥根系在開花—灌漿期已生長至300 cm深度以下，且抽穗期以后的降水量減少不會對作物根系下延生長造成影響。

冬小麥對土壤水分的利用狀況取決于土層中根系分布量、根系吸水速率及土壤含水量，但是與土壤水分狀況相比，根系在作物吸水過程中起著控制作用，尤其在土壤干旱條件下作用更大[20]，冬小麥根系在土壤剖面上的分布呈指數遞減[21]，因此冬小麥對淺層土壤水分利用強度大于深層土壤水分，但是傳統方法僅是定性描述。本文利用IsoSource得出不同土層土壤水分對冬小麥耗水的貢獻率隨深度增加而減小(圖4A)，從定量角度表明冬小麥對各層土壤水分利用強度具有隨深度增加而減小的趨勢。深根習性的植物能夠吸收更深層水分以避免干旱影響[8,22]，而深層土壤水分利用能力使植物克服水分限制并在無雨期生長成為可能[23]。由于沒有降水可供利用，具有深根習性的旱作冬小麥調整了土壤水分利用策略，提升了對深層土壤水分的利用強度，從而導致深層土壤水對冬小麥耗水貢獻率的增加(圖4B)。傳統的水量平衡法也觀測到了類似的結果，枯水年旱作冬小麥孕穗—抽穗到成熟期，300 cm以下土層水分消耗率為15.4%，遠高于平水年的3.9%和豐水年的5.2%[24]?？梢姡S土塬區深層土壤儲水對于緩解降水不足，保障冬小麥水分供給具有重要意義。

4 結 論

氘水標記表明，旱作冬小麥自開花—灌漿期開始利用3 m深度土壤水分，且該時間不受降水量減少的影響。冬小麥對各層土壤水分的利用強度具有隨深度增加而減小的趨勢，0—50 cm土壤水(降水)，50—100 cm土壤水、100—200 cm土壤水、200—300 cm土壤水對抽穗期、開花期、灌漿期、乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻率分別為31.4%，28.2%，18.9%，13.5%；300—400 cm土壤水對灌漿期—乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻率為16.1%。冬小麥可通過調整土壤水分利用策略，提升對深層土壤水分的利用強度來響應生育期降水量的減少。降水量減少情況下，50—100 cm土壤水、100—200 cm土壤水、200—300 cm土壤水對開花期、灌漿期、乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻率分別為25.3%，29.8%，25.2%；300—400 cm土壤水對灌漿期—乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻率為22.7%。

深層土壤儲水能有效緩解降水不足的影響，對旱作冬小麥穩產具有重要意義。因此，生產實踐中應通過夏閑期蓄水保墑措施，減少土壤蒸發、增加雨水入滲量和入滲深度，促使深層土壤水分恢復，來保證土壤水庫調蓄功能的持續發揮。