基于 18O同位素的瑪納斯河流域典型荒漠植被水分利用來源研究

楊 廣，李小龍，陳 思，何新林，楊明杰，龍愛華，薛聯(lián)青

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；2.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水是維持地球生物生存的保障，尤其在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱荒漠區(qū)，水分是維持區(qū)域生態(tài)安全最重要的限制因子。干旱荒漠區(qū)降雨量小、蒸發(fā)量大、土壤含水量低等特征導(dǎo)致荒漠植被在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境演替的過程中形成了特殊的生理特征和水分利用機(jī)理，研究荒漠植物水分利用來源及各水源的貢獻(xiàn)率，揭示植物水分利用效率與耗水機(jī)制，對(duì)協(xié)調(diào)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源緊缺之間的矛盾，探討新疆等干旱地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

梭梭和檉柳為瑪納斯河流域下游典型的鹽生、旱生荒漠植被，具有很強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，分布于沙地、黏土、礫質(zhì)和鹽土荒漠中，耐風(fēng)蝕、耐嚴(yán)寒和高溫、耐瘠薄、抗旱性極強(qiáng)，是干旱荒漠區(qū)的優(yōu)良固沙植物[1]。以往眾多研究主要集中在荒漠植被光合蒸騰特性、莖干液流速率特征及其影響因子等方面[2-5]，對(duì)于植被水分利用來源的研究較少。水分在被植被根系吸收和從根系向葉片移動(dòng)的過程中不發(fā)生同位素的分餾[6,7]，通過對(duì)比不同土層土壤水、地下水和植物莖干水中的δD和δ18O值，可以判斷干旱區(qū)植物水分來源[8-11]。本研究以瑪納斯河流域下游兩年生荒漠植被梭梭、檉柳為研究對(duì)象，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，對(duì)梭梭、檉柳的莖干水、土壤水及地下水的穩(wěn)定同位素值進(jìn)行測(cè)定，通過對(duì)比植被水與地下水、不同土層土壤水中δ18O，分析荒漠植被水分利用來源的種類及各潛在水源的貢獻(xiàn)率，為荒漠植被的保育提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)概況

研究區(qū)位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師121團(tuán)，其為典型的大陸性荒漠氣候。干旱少雨，年降水量約為164.3 mm，主要集中在6-9月，占全年降水量的50%左右。日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均日照時(shí)間達(dá)2 772 h，無霜期達(dá)160 d，年平均氣溫8.2 ℃，平均蒸發(fā)量為2 036.2 mm。年平均風(fēng)速1.5 m/s。土壤凍結(jié)始于每年11月中、下旬，地面最大積雪厚度35 cm，最大凍土深度90 cm。凍層全部消融在3月中旬[11]，地下水潛水埋深波動(dòng)范圍為2～4 m。

試驗(yàn)點(diǎn)地理坐標(biāo)：85°33′03E，44°47′43N，位于瑪納斯河流域荒漠過渡帶，受人為因素干擾較少，易選取野生梭梭和檉柳，且其水分利用的來源與人類活動(dòng)無關(guān)，能夠更加準(zhǔn)確的研究荒漠植被水分利用的來源，使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

試驗(yàn)植物為位于農(nóng)八師121團(tuán)炮臺(tái)試驗(yàn)站的2年生的梭梭和2年生的檉柳各兩株，其各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)如表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 樣品采集及水分提取

樣品采集于荒漠植被的生長(zhǎng)季節(jié)2014年6-8月。在采樣點(diǎn)分別選取生長(zhǎng)狀況良好、相近且相似的2年生梭梭檉柳各2株，每株選取一枝栓化枝條，剪取其4～5 cm木質(zhì)部，并迅速剝?nèi)ケ砥ぁＴ诓蓸又脖桓浇杉煌疃鹊耐寥罉悠?，取樣深度?～150 cm，每10 cm采集一次土壤樣品，用以提取土壤水分用于測(cè)定同位素和用烘干法測(cè)定土壤含水量。在采樣點(diǎn)附近的地下水觀測(cè)井處采集試驗(yàn)點(diǎn)地下水樣品。

表1 梭梭、檉柳生長(zhǎng)指標(biāo)

注：①研究對(duì)象為兩年生的梭梭、檉柳；②研究區(qū)地下水潛水埋深波動(dòng)范圍為2～4 m。

所有植物、土壤樣品及地下水樣品裝入10 mL帶螺紋口的玻璃瓶中,用封口膜封口并置于-18 ℃冰柜中冷凍，再由LI-2000植物水和土壤水抽提裝置，采用低溫真空蒸餾法[12]提取水分，獲得土壤水、地下水及植被莖干水水樣并裝于50 mL塑料方瓶中封口，在-2 ℃下冷藏，直到用于分析氫穩(wěn)定同位素組成。

1.2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

利用中子儀并結(jié)合烘干稱重法對(duì)不同深度土層的土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)；使用LEVEL LOGGER地下水水位自動(dòng)記錄儀對(duì)研究區(qū)的地下水前水埋深進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于不同試驗(yàn)點(diǎn)所選樣本的樹齡不同，土壤水分的測(cè)定深度為0～200 cm，而中子儀不適宜測(cè)定0～15 cm的土壤含水量，因此選擇中子儀測(cè)定與烘干稱重法相結(jié)合測(cè)定土壤含水率。在首次試驗(yàn)時(shí)，用烘干法對(duì)取回的土樣進(jìn)行含水率的測(cè)定。將烘干法測(cè)出的含水率與中子儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，利用率定所得的方程對(duì)中子儀讀數(shù)進(jìn)行處理。

植物莖干木質(zhì)部中的水來源于植物所利用的各種水源，如降雨、地下水和土壤中的水分，自然界中各種理化過程導(dǎo)致了同位素的分餾，植物吸收水分的過程中，除少數(shù)鹽生植物外，其氫氧同位素值均不發(fā)生分餾反應(yīng)[13]，因此，可以通過各水源的穩(wěn)定同位素分布特征來分析植物的水分利用來源。本文采用LGR液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定各水樣的δD和δ18O，測(cè)定結(jié)果以維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(VSMOW)校正，測(cè)定精度為0.03%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

先利用直接法初步判斷植物的水分來源，再將植物木質(zhì)部水和各潛在水源的同位素值代入IsoSource模型[14]，IsoSource模型基于穩(wěn)定同位素的質(zhì)量守恒計(jì)算植物對(duì)各水源的利用比例?；竟綖椋?/p>

δM=fAδA+fBδB+fCδC

(1)

I=fA+fB+fC

(2)

當(dāng)模型運(yùn)行時(shí)，來源增量設(shè)為1%，質(zhì)量平衡公差，設(shè)為0.01%。用Origin軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水潛水埋深及其δ18O同位素特征

于2014年5-8月期間對(duì)研究區(qū)的地下水潛水埋深進(jìn)行了檢測(cè)，并于每月上、中旬對(duì)地下水水樣進(jìn)行采集，利用液態(tài)水穩(wěn)定同位素儀對(duì)其δ18O進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)繪制如圖，分析該地區(qū)穩(wěn)定同位素特征(圖1)及地下水潛水埋深動(dòng)態(tài)變化(圖2)。

圖1 地下水 18O同位素值變化

圖2 地下水潛水埋深的變化

由圖1、圖2可知，在梭梭、檉柳的生長(zhǎng)期研究區(qū)的地下水潛水埋深變化浮動(dòng)不大，從5-8月，地下水潛水埋深呈小幅增大，這是由于這期間研究區(qū)蒸發(fā)量逐漸增大且研究區(qū)灌溉抽取了地下水所導(dǎo)致的。地下水δ18O值在年內(nèi)也基本沒有變化，5月到7月間δ18O逐漸偏正，這是由于在夏季降水不足，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，使得流域水汽再循環(huán)強(qiáng)烈，重同位素富集；8月溫度逐漸降低，地表蒸發(fā)減弱，所以δ18O逐漸減小。

2.2 土壤含水率及其δ18O同位素特征

于2014年5-8月期間利用中子儀并結(jié)合烘干稱重法對(duì)研究區(qū)不同土層深度的土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將5月、6月、7月的不同深度土壤含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制如圖3。于2014年5月13日、6月16日和7月18日在研究植被附近采集不同深度的土壤樣品，取樣深度為0～150 cm，每10 cm采集一次土壤樣品，測(cè)定其土壤水中δ18O同位素值，分析其季節(jié)變化特征(圖4)。

圖3 土壤含水率變化

圖4 土壤水中18O同位素變化

同一月份土層剖面上，土壤含水量隨著土壤深度變化顯著，隨著土層深度的增加而增大；土壤水中δ18O值隨土壤深度變化也變化明顯，隨著土層變淺而偏正，且0～100 cm淺層土壤的土壤水δ18O值變幅明顯大于深層土壤。這是由于淺層土壤的蒸發(fā)作用顯著，導(dǎo)致其土壤水分較少，土壤含水率降低，重同位素在淺層富集，δ18O值增大。不同月份土壤含水率變化也較為顯著，相同深度土層的含水率均為5月>6月>7月，這是由于隨著季節(jié)變化溫度逐漸升高且降雨稀少，導(dǎo)致地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水量降低；隨著季節(jié)變化，淺層土壤的δ18O值變化顯著，隨著月份的增加土壤水δ18O值逐漸增大，但100 cm以下的深層土壤的δ18O值變化不顯著，這是因?yàn)闇\層土壤受蒸發(fā)作用的影響較大。

2.3 梭梭水分利用來源分析

由于水分由植物根系吸收并向莖干輸送的過程中氫氧同位素未因蒸發(fā)或新陳代謝導(dǎo)致分餾，因此木質(zhì)部中氫氧同位素可以反映植物的水分來源[15]。Ellsworth和Williams發(fā)現(xiàn)旱生鹽生植物的莖在輸送水分的過程中，D同位素可能會(huì)發(fā)生分餾[16]，所以本文僅用18O的同位素值分析2年生梭梭水分利用來源。

于2014年5月-9月在梭梭生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)其木質(zhì)部枝條進(jìn)行取樣，并于同一時(shí)間對(duì)其周圍不同深度的土壤、地下水進(jìn)行取樣，測(cè)定植被水、不同土層土壤水和地下水的穩(wěn)定18O的同位素，選取7月的測(cè)定數(shù)據(jù)繪制如圖5。

圖5 不同深度土壤水、梭梭植被水、地下水的δ18O值

根據(jù)土壤水中δ18O值的分布將土層分為0～10、10～20、20～30、30～80和80～150 cm五層，通過對(duì)比梭梭與地下水、不同土層土壤水的δ18O值，發(fā)現(xiàn)梭梭木質(zhì)部植被水的δ18O值與地下水和80～150 cm土壤水較為接近。利用IsoSource多源混合模型計(jì)算各水源對(duì)其的相對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)地下水對(duì)植被水分利用的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為56.8%±6.8%；其次是80～150 cm土層的土壤水，貢獻(xiàn)率為26.3%±7.2%；30～80 cm的土壤水對(duì)梭梭生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)較小，貢獻(xiàn)率為10.9%±4.7%；0～10、10～20和20～30 cm的表層土壤水對(duì)梭梭生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)極小，分別為1.4%、2.1%和2.9%。因此，在干旱少雨，蒸發(fā)量較大的旱季，梭梭通過根系吸收地下水及80～150 cm土層的土壤水來維持其生長(zhǎng)，對(duì)表層土壤中的水分利用較少。

2.4 檉柳水分利用來源分析

于2014年5-9月在檉柳生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)其木質(zhì)部枝條進(jìn)行取樣，并于同一時(shí)間對(duì)其周圍不同深度的土壤、地下水進(jìn)行取樣，測(cè)定植被水、不同深度土壤水和地下水的穩(wěn)定18O的同位素，選取7月的測(cè)定數(shù)據(jù)繪制如圖6。

圖6 不同深度土壤水、檉柳植被水、地下水的δ18O值

根據(jù)土壤水中穩(wěn)定18O同位素值將土層分為0～10、10～30、30～60和60～150 cm 4層，通過對(duì)比檉柳植被水與地下水、不同土層土壤水的δ18O值，發(fā)現(xiàn)檉柳木質(zhì)部植被水的δ18O值與地下水和60 cm以下的地下水較為接近，與0～30 cm的關(guān)系不顯著。利用IsoSource多源混合模型計(jì)算各水源對(duì)其的相對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)60～150 cm土層土壤水對(duì)檉柳生長(zhǎng)的水分利用貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率達(dá)到54.6%±9.2%；地下水對(duì)其貢獻(xiàn)率也較大，達(dá)到36.8%±8.5%；而檉柳生長(zhǎng)過程中對(duì)0～10、10～30、30～60 cm等淺層土壤水的利用較少，貢獻(xiàn)率分別為1.4%、2.7%和4.5%。因此，在旱季，檉柳的主要水分利用來源是60～150 cm土層土壤水和地下水，貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上，對(duì)表層土壤水利用較少。

3 結(jié) 語

(1)同位素技術(shù)在近幾年得到了快速發(fā)展，對(duì)于同位素技術(shù)的研究，主要針對(duì)大氣降水、地表水、地下水以及土壤水中的一個(gè)或兩個(gè)對(duì)象來進(jìn)行研究，很少將它們看成一個(gè)整體進(jìn)行研究，這一方面是技術(shù)層面的問題，另一方面也是理論方面的問題。因此，在今后研究中應(yīng)該結(jié)合多種方法或創(chuàng)新方法對(duì)流域進(jìn)行“四水轉(zhuǎn)化”研究，同時(shí)有條件考慮加入植物水進(jìn)行分析，這對(duì)于將來在干旱地區(qū)進(jìn)行大尺度水循環(huán)研究起到了重要指導(dǎo)意義。

(2)在5-8月的植被生長(zhǎng)季節(jié)，研究區(qū)地下水潛水埋深和穩(wěn)定18O同位素值呈現(xiàn)出微量的變化。在干旱降雨稀少的夏季，受高溫及長(zhǎng)時(shí)間日照的影響，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致流域水循環(huán)強(qiáng)烈，地下水中穩(wěn)定18O同位素值變大；加之灌溉對(duì)一定量的地下水進(jìn)行抽取，使得地下水埋深呈小幅度增大。8月后，由于大氣溫度逐漸降低，秋季降量也有所增加，地表蒸發(fā)減弱，地下水中穩(wěn)定18O同位素值減小。

(3)在干旱高溫、降雨稀少的夏季，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土層中淺層土壤的蒸發(fā)強(qiáng)度大于深層土壤，導(dǎo)致淺層土壤含水量較少且土壤水中重同位素富集，因此土壤含水率隨著土層深度的增加，土壤水中δ18O值隨土壤深度的減小而逐漸偏正，這一變化在0～100 cm的土壤中表現(xiàn)得最為明顯，100 cm以下的土壤水中穩(wěn)定18O同位素值相對(duì)穩(wěn)定，且趨于地下水中的穩(wěn)定18O同位素值，這表明地下水以毛細(xì)上升的形式補(bǔ)充深層的土壤水。

(4)土壤含水率及土壤水中穩(wěn)定18O同位素值均存在一定季節(jié)性變化。土壤含水率的季節(jié)變化較為顯著，相同深度土層的含水率均為5月>6月>7月；且隨著時(shí)間變化，淺層土壤的δ18O值變化也較為顯著，由于隨著月份的增大，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，使得淺層土壤水的δ18O值逐漸增大，但100 cm以下的深層土壤的δ18O值較為穩(wěn)定，只有小幅波動(dòng)。

(5)在干旱少雨，蒸發(fā)量大的環(huán)境條件下，梭梭和檉柳通過根系吸收地下水及較深層的土壤水來維持其生長(zhǎng)，地下水及較深層的土壤水對(duì)梭梭的貢獻(xiàn)率達(dá)檉柳的貢獻(xiàn)率均達(dá)到90%以上。對(duì)梭梭而言，地下水對(duì)的貢獻(xiàn)率最大，其次是80～150 cm的土壤水，其對(duì)表層土壤水分的利用極少，而檉柳則主要利用60～150 cm的土壤水，其貢獻(xiàn)率達(dá)到54.6%±9.2%，其次是地下水，檉柳對(duì)表層土壤水的利用也較少。植被根系的發(fā)育和分布不同決定了典型荒漠植被梭梭和檉柳不同的水分利用來源。梭梭側(cè)根極少，根幅較窄，有粗壯強(qiáng)大的垂直主根系，所以在干旱生長(zhǎng)期梭梭主要利用地下水維持生長(zhǎng)；檉柳根系除了垂直的主根還有較多水平擴(kuò)展的側(cè)根，根長(zhǎng)在垂直 剖面上近似“豐”字形分布，所以跟梭梭相比，檉柳對(duì)60～150cm土層的土壤水利用較多。

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