干旱綠洲區(qū)3種典型農(nóng)田防護(hù)林的水分來源

王金強(qiáng), 李俊峰, 王昭陽, 楊 廣, 何新林

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室, 新疆 石河子 832000)

水是干旱半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要限制性因素[1]，直接影響著植被的生長(zhǎng)和分布狀況[2]。氫氧同位素被稱為水的“指紋”[3-4]，除了部分旱生和排鹽植物以外，大多數(shù)植物在根系吸收水分后向莖干傳輸?shù)倪^程中木質(zhì)部水分穩(wěn)定氫氧同位素不會(huì)發(fā)生分餾[5]，因此可以定量揭示出植物的水分來源[6-7]。近年來，諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物的水分來源做了大量研究：White等[8]利用δD對(duì)北美喬松(Pinusstrobus)的研究得出夏季地下水越深，北美喬松對(duì)降水的利用率越高的結(jié)論；Romero等[9]對(duì)亞馬遜東部塔帕若斯河植物研究發(fā)現(xiàn)在干旱少雨季節(jié)，植物水分利用深度逐漸加深；趙良菊等[10]通過對(duì)對(duì)黑河下游河岸帶防護(hù)林的研究發(fā)現(xiàn)胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(Tamarixchinensis)主要利用地下水的結(jié)論；朱亞娟等[11]對(duì)烏蘭布和沙漠白刺(Nitrariatangutorum)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和梭梭(Haloxylonammondendron)的研究發(fā)現(xiàn)除白刺使用淺層土壤水外，其余4種植物水分利用機(jī)制隨著季節(jié)的變化也相應(yīng)變化。另外還有其他學(xué)者對(duì)不同樹種[11-12]、不同林齡[13-16]、不同生境[17]和降水[18-19]等因素影響下防護(hù)林的水分利用機(jī)制做了大量研究。

農(nóng)田防護(hù)林對(duì)干旱地區(qū)農(nóng)田有著防風(fēng)固沙、排鹽治堿等重要的防護(hù)作用[20]，也可改善田間土壤、調(diào)節(jié)農(nóng)田溫度和田間濕度等[21]，可進(jìn)一步提高農(nóng)作物產(chǎn)量[22]，同時(shí)對(duì)提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的人工林生態(tài)系統(tǒng)也有顯著影響[22]。多年以來，西北干旱地區(qū)通過種植防護(hù)林，逐漸形成了環(huán)繞綠洲的防護(hù)林體系，膜下滴灌等新型節(jié)水灌溉技術(shù)的大規(guī)模推廣與應(yīng)用，提升農(nóng)作物水分利用效率的同時(shí)，也可改善沙漠邊緣的生態(tài)環(huán)境。

新疆作為中國(guó)最大的高效節(jié)水區(qū)，胡楊、沙棗和榆樹等是當(dāng)?shù)氐闹饕r(nóng)田防護(hù)林樹種[23]。隨著當(dāng)?shù)啬は碌喂嗟刃滦凸?jié)水灌溉技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用推廣，原有的依靠渠灌、漫灌等地表水為主要水分來源的農(nóng)田防護(hù)林的水分利用方式正發(fā)生變化[24]，地下水的過度開采導(dǎo)致地下水水位下降過快[25-26]，以深層土壤水為主要水分來源的農(nóng)田防護(hù)林等植被的根系生長(zhǎng)速度小于地下水的下降速度，這樣農(nóng)田防護(hù)林既不能從表層獲取水分，又無法獲取地下水，導(dǎo)致此類農(nóng)田防護(hù)林出現(xiàn)“頂梢枯死”的退化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響農(nóng)田防護(hù)林的防護(hù)效益。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)防護(hù)林水分來源的研究對(duì)象多為荒漠地區(qū)的防護(hù)林，但對(duì)于農(nóng)田節(jié)水灌溉模式下農(nóng)田防護(hù)林的水分利用來源研究較少。因此本文選取石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)站胡楊、沙棗和榆樹為代表的農(nóng)田防護(hù)林為研究對(duì)象，擬研究其在農(nóng)田灌水時(shí)期的水分利用機(jī)制，旨在為農(nóng)田節(jié)水灌溉模式下農(nóng)田防護(hù)林的需水機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步為農(nóng)田和農(nóng)田防護(hù)林的優(yōu)化灌溉提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

于2018年4—6月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨新疆石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站(85°59′E，44°19′N，海拔417 m)開展試驗(yàn)。試驗(yàn)站位于石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試驗(yàn)場(chǎng)二連，研究區(qū)降水量年際變化較大，多年平均降水量207 mm，年均最大降水量為291.6 mm(1987年)，年均最小降水量為107.0 mm(1967年)，平均蒸發(fā)量1 660 mm；季節(jié)分布特征方面，春季降水最多，其次是夏季，降水通常集中在4—8 月，這段時(shí)間降水占全年降水總量的47.5%左右，其中又以4 月、5 月降水最多。年均日照數(shù)為2 865 h，年均溫7.7 ℃，其中>10 ℃積溫為3 463.5 ℃，無霜期170 d。平均地面坡度為6‰，地下水埋深大于10 m，土壤質(zhì)地主要以中壤土為主。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)站農(nóng)作物以棉花為主，農(nóng)田防護(hù)林為胡楊，沙棗和榆樹的混種林，本次試驗(yàn)選取樣地一為胡楊，樣地二為沙棗和榆樹的混種林；由于氫同位素比氧同位素更容易受外界因素的影響，因此以氧同位素為主來研究農(nóng)田節(jié)水灌溉模式下農(nóng)田防護(hù)林的水分利用機(jī)制。

(1) 采樣時(shí)間。2018年4月23日、5月23日和6月21日。由于棉花于4月26日播種，因此于4月23日采集樣品用以確定農(nóng)田防護(hù)林在農(nóng)田節(jié)水灌溉之前的水分利用來源；其余樣品在農(nóng)田的灌溉期內(nèi)采集農(nóng)田防護(hù)林(胡楊、沙棗和榆樹)的土壤和木質(zhì)部樣品。

(2) 土壤樣品的采集。鉆取深度為300 cm，其中0—100 cm深度間每10 cm為一層，100—200 cm深度間每20 cm為一層和200—300 cm深度間每50 cm為一層，每個(gè)深度采集兩個(gè)平行樣品，對(duì)土樣進(jìn)行密封并裝入隨身攜帶的冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室-20 ℃冷藏，直至開始測(cè)定樣品中的同位素。

(3) 植物莖木質(zhì)部的采集。分別選取3棵具有代表性的胡楊、沙棗和榆樹，分別采集3～4根長(zhǎng)3～5 cm，直徑3～5 mm的木栓化莖干，并立即去除外皮和韌皮部，密封并裝入隨身攜帶的冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室-20 ℃冷藏，用于植物水的δ18O測(cè)定。

(4) 地下水的采集。灌溉水源為地下水，因此采集灌溉水作為地下水測(cè)定δ18O。

(5) 數(shù)據(jù)的測(cè)定。土壤含水量，土壤水、降水、植物木質(zhì)部水分以及地下水的δ18O值于石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，其中土壤水抽提為L(zhǎng)I-2 000低溫真空抽提系統(tǒng)，土壤含水量采用烘干法測(cè)定，各樣品δ18O采用LGR水同位素分析儀(IWA-45 EP，美國(guó))測(cè)定，輸出的δ18O是以相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(V-SMOW)的千分率(‰)形式，表示為：

(1)

式中：Rsample——待測(cè)樣品中δ18O；Rstandard——標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水。

不同日期土壤含水量及土壤水δ18O的差異用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，使用Origin 2018繪圖。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 直接判斷法 除了部分旱生和排鹽植物外，絕大多數(shù)植物根部吸收水分后由木質(zhì)部向莖干部分運(yùn)輸?shù)倪^程中不會(huì)發(fā)生氧同位素的分餾現(xiàn)象，因此可利用直接判斷法將植物木質(zhì)部水分的δ18O與各潛在水分來源相互比較，當(dāng)植物木質(zhì)部水分δ18O值與各潛在來源水分的δ18O值相接近或者相同時(shí)，則判定該水源為植物的主要水分來源。

1.3.2 IsoSource模型 利用多元線性混合模型(IsoSource)確定植物的水分來源的貢獻(xiàn)率和貢獻(xiàn)范圍，將不同防護(hù)林的木質(zhì)部水分、灌溉水(地下水)、不同層位的土壤水的δ18O分別輸入至IsoSource軟件，Increment(增量)設(shè)為1%，Tolerance(容差)設(shè)為0.01。由于測(cè)定了17個(gè)土壤層位用以分析農(nóng)田防護(hù)林的水分來源，但該模型只能計(jì)算最多10個(gè)水分來源，因此根據(jù)土壤水的δ18O特征，將0—300 cm的土壤劃分為0—10，10—20，20—50，50—80，80—120，120—160，160—200 cm和200—300 cm共8個(gè)土壤層位；δ18O取平均值，8個(gè)土壤層位含水量同時(shí)結(jié)合地下水共9個(gè)水分來源來計(jì)算。

1.3.3 吸水深度模型 吸水深度模型以同位素質(zhì)量守恒為前提，假設(shè)植物在任何時(shí)間都可以吸收50 cm的土壤水且在不同深度植物吸收的水分服從正態(tài)分布(公式2)，結(jié)合Matlab軟件，分別將不同土壤層位和植物木質(zhì)部水分δ18O輸入模型，植物吸收土壤水的標(biāo)準(zhǔn)方差設(shè)為8.33 cm，模型則計(jì)算從1 cm處開始的每cm處的土壤水，直至土層深度300 cm處。

(2)

式中：ni——植物根在土層深度Y處所吸收的水分的比例，ni的總和為1；μ——植物根在土壤中所吸收水分的平均深度，50 cm的土壤σ標(biāo)準(zhǔn)偏差值8.33 cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量

分析圖1可得出，樣地一中胡楊土壤含水量從4—6月份林地土壤表層含水量呈下降趨勢(shì)，林地土壤含水量在90—180 cm處到達(dá)谷值，該范圍內(nèi)土壤為沙土；其中4月份土壤含水量最低；5—6月份土壤含水量有所增加。樣地二為沙棗和榆樹樣地的土壤含水量，其表層土壤含水量(0—60 cm)4—6月依次降低；60—160 cm深度土壤含水量較高且比較穩(wěn)定；160—300 cm深度土壤含水量小幅度下降。

2.2 直接判斷法

兩個(gè)樣地不同取樣時(shí)間土壤水氧同位素，胡楊、沙棗和榆樹的木質(zhì)部水氧同位素特征見圖2。

分析圖2可知，兩個(gè)樣地不同時(shí)間和不同深度土壤的氧同位素特征差異顯著(p<0.05)，但呈規(guī)律性變化；4—6月由于地表蒸發(fā)較深層強(qiáng)烈，因此越接近地表，氧同位素值越偏正；其中4月表層土壤水氧同位素值較5月和6月偏負(fù)；隨著土層深度的增加，氧同位素值逐漸偏負(fù)，70—300 cm深度土壤氧同位素都穩(wěn)定在某個(gè)范圍之內(nèi)，差異不顯著；不同時(shí)間各農(nóng)田防護(hù)林的水分來源見表1。

圖1 干旱綠州區(qū)胡楊林和沙棗與榆樹混種林土壤含水量變化

圖2 干旱綠州區(qū)不同時(shí)間胡楊林和沙棗與榆樹混種林土壤水和各植物木質(zhì)部水δ18O值比較

表1 直接判斷法得到的干旱綠州區(qū)水分不同來源深度cm

根據(jù)直接判斷法可以判斷出胡楊在4—6月份主要利用0—40 cm的淺層土壤水，沙棗和榆樹在4月利用淺層、中間層和深層土壤水；5—6月沙棗和榆樹都轉(zhuǎn)而利用0—50 cm的淺層土壤水；但是直接判斷法無法判斷出各水源對(duì)植物的貢獻(xiàn)率。

2.3 IsoSource 多元線性混合模型

將不同時(shí)間的各潛在水分來源與不同樹種的木質(zhì)部水分氧同位素值輸入IsoSource軟件計(jì)算，計(jì)算結(jié)果得出：4月胡楊主要利用水分來源為10—20 cm的淺層土壤水，其貢獻(xiàn)率達(dá)到了83.3%；沙棗主要利用80—120 cm和120—160 cm的深層土壤水，其貢獻(xiàn)率分別為50.6%和16.9%；榆樹對(duì)0—50 cm的土壤水利用率較少，而對(duì)50—300 cm以及地下水的水分利用較為均勻，每層的貢獻(xiàn)率大約在10%左右，累計(jì)達(dá)到82.5%，進(jìn)一步說明榆樹主要利用深層土壤水。5月胡楊主要利用淺層0—30 cm的土壤水，貢獻(xiàn)率為57.1%，較4月有所下降；沙棗和榆樹轉(zhuǎn)而利用表層0—10 cm的土壤水，其貢獻(xiàn)率分別為50.8%和52.7%。6月胡楊利用0—20 cm淺層土壤水和地下水，貢獻(xiàn)率分別為38.7%和10.5%；沙棗有76.9%的水分來源于10—20 cm的淺層土壤；榆樹主要水分來源中有49.1%來自于0—80 cm，另有12.3%來自于地下水。利用IsoSource模型可以計(jì)算出植物主要水分來源及其貢獻(xiàn)率，但是具體深度無法計(jì)算得出。

2.4 吸水深度模型

將不同時(shí)間、不同樹種的農(nóng)田防護(hù)林土壤樣品和木質(zhì)部樣品的氧同位素值輸入吸水深度模型計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同時(shí)間胡楊、沙棗和榆樹的平均吸水深度(δ18 O) cm

根據(jù)表2可得出，胡楊在4—6月主要利用淺層土壤水；沙棗和榆樹在4月主要利用118 cm和95 cm的中間層位土壤水，5—6月由于農(nóng)田開始灌溉，淺層土壤來水量增加，但地下水下降，且隨著農(nóng)田防護(hù)林的生長(zhǎng)以及氣溫的上升，沙棗和榆樹轉(zhuǎn)而使用淺層土壤水，這與IsoSource模型計(jì)算出的結(jié)果相一致。

3 討 論

4月表層土壤含水量最高，5月和6月表層土壤含水量較4月份降低，這是由于4月氣溫較低且存在凍土，表層土壤蒸發(fā)較少，冬季融雪可補(bǔ)給一部分水分，因此淺層土壤水有一定的儲(chǔ)存量，本文研究結(jié)果表明：胡楊主要利用淺層土壤水，沙棗和榆樹除了利用淺層土壤水外，還較多的利用更為穩(wěn)定的深層土壤水和地下水。在5月份，隨著氣溫回升和農(nóng)田開始灌溉等因素影響下，表層土壤含水量較4月份增加，研究發(fā)現(xiàn)胡楊仍主要使用淺層土壤水，沙棗和榆樹由原來的利用深層土壤水和地下水轉(zhuǎn)而利用淺層土壤水。在6月份，農(nóng)田防護(hù)林的生長(zhǎng)旺盛，胡楊、沙棗和榆樹主要利用淺層土壤水，但胡楊和榆樹對(duì)地下水的利用增多，同時(shí)6月份氣溫較4—5月高，農(nóng)田防護(hù)林蒸散量和土壤蒸發(fā)量較大，使得植物耗水量增加，表層土壤含水量降低，進(jìn)一步導(dǎo)致植株吸收地下水。

本試驗(yàn)中利用3種方法計(jì)算出試驗(yàn)期間不同樹種農(nóng)田防護(hù)林的水分來源結(jié)果一致。直接判斷法較為直觀，但主觀影響較大，且無法判斷出各來源水分的貢獻(xiàn)率；鄧文平等[27]通過對(duì)栓皮櫟(Quercusvariabilis)旱季水分來源研究得出，直接判斷法能夠解釋大約70%的水分來源，IsoSource能較直接判斷法更精確地判斷出各水分來源及貢獻(xiàn)率，基于Matlab軟件的吸水深度模型則可以將植物吸收的水分具體到某一數(shù)值，但是無法計(jì)算出地下水的貢獻(xiàn)率；鞏國(guó)麗等[28]通過對(duì)白刺水分利用來源的研究得出：可利用IsoSource多元線性混合模型計(jì)算出各水源對(duì)植物的貢獻(xiàn)率，進(jìn)一步利用吸水深度模型計(jì)算出植物吸收水分的平均深度。

劉樹寶等[15]在黑河下游不同林齡的胡楊吸水深度研究發(fā)現(xiàn)：隨著樹齡的增加，胡楊所吸收的深度加深；周天河等[29]對(duì)塔里木河上游胡楊的水分來源研究發(fā)現(xiàn)：靠近河岸地帶的胡楊主要利用0—100 cm的淺層土壤水，同時(shí)河水對(duì)該深度土壤水分有補(bǔ)充作用，這與本文對(duì)農(nóng)田灌溉期間農(nóng)田防護(hù)林的研究結(jié)果相一致；褚建民[30]對(duì)沙棗的研究發(fā)現(xiàn)沙棗主要利用深層土壤水，本文研究得出在農(nóng)田灌水前沙棗使用深層土壤水，農(nóng)田灌水期使用淺層土壤水的結(jié)論；對(duì)于榆樹水分來源的研究較少，本文通過試驗(yàn)研究進(jìn)一步得出榆樹在農(nóng)田灌水前使用深層土壤水和農(nóng)田灌溉期間轉(zhuǎn)而使用淺層土壤水的結(jié)論。

4 結(jié) 論

(1) 4—6月表層土壤水含水量由于蒸發(fā)作用呈下降趨勢(shì)，其同位素值較大，隨著土層深度的增加土壤中同位素值呈下降趨勢(shì)；

(2) 胡楊在農(nóng)田灌溉前后主要利用0—40 cm的淺層土壤水，6月又增加對(duì)地下水的利用；沙棗和榆樹在4月份農(nóng)田灌水前使用深層土壤水和地下水，但5—6月農(nóng)田灌水期轉(zhuǎn)變?yōu)槔脺\層土壤水。

試驗(yàn)區(qū)為典型的干旱半干旱地區(qū)，胡楊、沙棗和榆樹在農(nóng)田灌溉期內(nèi)主要利用淺層土壤水，會(huì)與農(nóng)作物之間產(chǎn)生竟水現(xiàn)象，且胡楊、沙棗和榆樹之間互相有競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，因此選擇農(nóng)田防護(hù)林樹種時(shí)，在保證防護(hù)林防護(hù)效益的同時(shí)應(yīng)選擇搭配以深層土壤水或地下水為主要水分來源的種類，從而更加高效的發(fā)揮農(nóng)田防護(hù)林的防護(hù)作用。