基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的黃河支流河岸植被水分來源解析

于曉雯, 劉華民,2,3, 王立新,2,3, 王 奇,劉旭華, 溫 璐,2,3, 董少剛,2,3, 潘保柱

(1.內(nèi)蒙古大學 生態(tài)與環(huán)境學院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021; 2.草原生態(tài)安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021; 3.蒙古高原生態(tài)學與資源利用教育部重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021; 4. 西安理工大學 西北旱區(qū)及生態(tài)水利國家重點實驗室, 陜西 西安710048)

水是干旱半干旱區(qū)影響植被生長以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要環(huán)境因子，植被作為河流生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，在區(qū)域水循環(huán)中起著不可忽視的作用[1]，對于蓄洪攔沙，維持河岸綠洲環(huán)境以及流域生態(tài)安全具有重要意義。為合理利用水資源，需要充分了解植被與水分的關(guān)系，掌握不同水分梯度下植被對潛在水源的利用率，確定同一生態(tài)系統(tǒng)中不同物種間水分利用和競爭關(guān)系。在自然界中，植物可以利用的水分主要來自大氣降水、土壤水、地表徑流和地下水[2]，干旱半干旱區(qū)，降雨較少，地表徑流多指內(nèi)陸河流。河岸生態(tài)水文過程復雜，各水體之間存在相互轉(zhuǎn)化相互影響的關(guān)系，且植被分布具有空間異質(zhì)性與不均勻性，增加了研究難度，使植被與水分的關(guān)系難以量化[3]。研究發(fā)現(xiàn)，除了一些鹽生和旱生植物外，大部分植物根系在吸水及向莖部運輸?shù)倪^程中，不與外界環(huán)境發(fā)生交換作用，不存在同位素分餾現(xiàn)象[4]，因此穩(wěn)定性同位素技術(shù)作為一種天然的示蹤劑，可以用于定量示蹤植被水分來源，為研究土壤—植被—大氣連續(xù)體(SPAC)中植物水分利用來源和貢獻率的解析提供了一種新的解決途徑。

穩(wěn)定同位素技術(shù)最早在20世紀40年代末應用于地球化學和生態(tài)學的研究，Urey等[5]在1947年提出同位素分餾理論，1965年Craig和Gordon[6]用經(jīng)驗公式的方式解釋水分在蒸發(fā)過程中氫氧同位素的分餾過程，并提出著名的Craig-Gordon模型，1976年Libby等[7]發(fā)表了一篇有關(guān)樹木同位素氣候參數(shù)的文章，引起各國學者對穩(wěn)定同位素研究的熱烈討論，這些學者的研究成果極大促進了穩(wěn)定同位素技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定同位素生態(tài)學應運而生，這對現(xiàn)代生態(tài)學的研究有著重要的意義[2,8]。20世紀90年代初，美國[9-10]、澳大利亞等[11]學者對河岸植物水分來源進行研究并取得重要成果。近些年，中國學者對高寒區(qū)[12]、干旱區(qū)的黑河流域[13]、塔里木河流域等[14]河岸植被水分來源開展大量研究，而對干旱半干旱區(qū)季節(jié)性河流河岸植物水分來源研究較少。

在20世紀90年代初，西柳溝流域?qū)嵤┩烁€林還草政策及一系列生態(tài)工程措施，希望以此改善河流的生態(tài)環(huán)境，雖然已有研究表明，植被對于蓄水攔沙有明顯的效果[15]，但是不合理的植被恢復措施可能會導致水土流失[16-17]、水分缺乏等[18]生態(tài)負反饋。以往對西柳溝河流的研究主要集中在河流徑流量變化[19]、水沙防治[20]、水沙過程的影響因素等[21]方面，缺乏對植被與水分之間關(guān)系的認識。

基于以上內(nèi)容，本研究選擇具有代表性的西柳溝河流為研究對象，應用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)，分析比較不同水分梯度下植物水的氫氧同位素特征，掌握植物生長季降雨水汽的傳輸途徑，定量闡明優(yōu)勢植物對水分的利用模式，以此加深對干旱半干旱區(qū)河流生態(tài)水文過程的認識，利用生態(tài)措施通過改變下墊面環(huán)境的方式改善流域生態(tài)環(huán)境，進而達到黃河流域生態(tài)保護與防蝕控沙目的。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西柳溝(109°24′—110°00′E，39°47′—40°30′N)是位于內(nèi)蒙古境內(nèi)直接穿過庫布齊沙漠流入黃河的十大孔兌(蒙語中譯為洪水溝)之一，發(fā)源于鄂爾多斯高原北緣的丘陵溝壑區(qū)[22]，流域面積為1 356 km2，海拔1 000～1 500 m。位于黃河右岸的“十大孔兌”，屬季節(jié)性河流，由于河流處于特殊的地形地貌，雖然在植物生長季降雨少，但常形成洪水將大量的泥沙沖入到黃河中，因此也成為黃河內(nèi)蒙古段產(chǎn)沙最多的支流，其中最嚴重的就是西柳溝[23]。研究區(qū)從南到北表現(xiàn)出不同的地貌特征，上游為水土流失嚴重的丘陵溝壑區(qū)，中游為穿越庫布齊沙漠的風沙區(qū)，下游為地勢相對平坦的黃土平原沖積區(qū)[23]。屬于半干旱大陸性氣候，季節(jié)性差異較明顯，降雨集中在植物生長季的6—9月，年平均降雨量267.7 mm之間，年均溫在5.3～6.1 ℃之間。土壤類型以栗鈣土為主；區(qū)域內(nèi)植被稀疏，植被覆蓋度較低，由于河流所處地貌類型多樣，水文條件存在差異，導致上、中、下游的植被類型不同。研究區(qū)受風水兩相侵蝕條件的影響，多年平均侵蝕模數(shù) 5 000 t/(km2·a)[20]。

1.2 樣地設(shè)計與樣品采集

1.2.1 樣點設(shè)置 為全面考慮西柳溝河岸植被的水分來源，基于河流景觀生態(tài)學原理，本文主要分為橫向和縱向兩個方面設(shè)置樣點。首先橫向上，在垂直河道方向設(shè)置不同水分梯度下的樣地；縱向上，考慮到研究區(qū)被3種不同的地貌類型劃分為面積大小不等的上、中、下游，在整條河流的河岸從上游到下游均勻布點(表1)。每個采樣點設(shè)置1～2個10 m×10 m的樣地，每個樣地在對角線方向設(shè)置3個1 m×1 m的樣方。采樣時間為2018年8月和2020年8月。

表1 黃河支流西柳溝河岸不同樣地優(yōu)勢植物組成

1.2.2 采樣方法

(1) 植物樣品采集。在所設(shè)樣地中選取長勢良好、植株大小相似的灌木層和草本層優(yōu)勢植物，每種植物設(shè)有3個重復。將采集的植物樣品快速放入帶有蓋子的5 ml玻璃樣品瓶中，用于后續(xù)植物水分的提取。

(2) 土壤樣品采集。在所取植物旁側(cè)同時進行土壤樣品的采集，使用土鉆取0—5，5—10，10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm層土樣，每層取3個重復，放入5 ml玻璃樣品瓶中，用于土壤水氫氧穩(wěn)定同位素的測定。同時測定土壤含水率(SWC，%)。

(3) 地下水和地表水收集。河水樣品取自樣地附近的河流，地下水樣品取自樣地附近居民家井水。共采集河水12個，地下水21個。

所有植物樣品、土壤樣品和水樣裝入樣品瓶內(nèi)立即用parafilm封口膜密封，在野外放入保溫箱保存后帶回實驗室分析。

1.3 穩(wěn)定性氫氧同位素測定

用全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)(LI-2100，LGR，Beijing，China)提取水分，使用 0.22 μm有機相針式濾器進行過濾，抽提效率達到98%以上。

水分氫氧穩(wěn)定同位素值使用液態(tài)水同位素分析儀(TIWA-45-EP，ABB-Los Gatos Research)進行測定，δD的測量精度為± 1‰，δ18O的測量精度為±0.3‰。氫氧同位素比值以相對于維也納平均海洋水(VSMOW)的千分差值表示：

δX=(Rsample/Rstandard-1)×1 000‰

式中：X代表D或18O；Rsample為水樣中重同位素與輕同位素的比值(2H/1H和18O/16O),即同位素比率；Rstandard為維也納平均海洋水(VSMOW)的同位素比率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 植物水分來源 為消除植物水和土壤水中有機物污染對結(jié)果所帶來的影響，應用LWIA Post Analysis (Version 3.1.0.9)數(shù)據(jù)后處理軟件對測得的數(shù)據(jù)進行分析、檢測、校準。應用貝葉斯混合模型MixSIAR(Version 3.1.7)對篩選過的數(shù)據(jù)進行植物水分來源分析[24]。潛在水源包括地下水、河水和土壤水。為使后續(xù)分析更清晰，將土壤水分為3層，分別為淺層(0—30 cm)、中層(30—70 cm)和深層(70—100 cm)，并將模擬結(jié)果合并。

1.4.2 水汽來源模型 為得到降水水汽的傳輸途徑和過程，選取美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)所開發(fā)的基于拉格朗日算法的HYSPLIT4氣團軌跡模型對研究區(qū)的水汽來源進行后向軌跡模擬。模型中所需要的氣象數(shù)據(jù)來源于美國國家氣象局的國家環(huán)境預測中心(NCEP)提供的GDAS (global data assimilation system)數(shù)據(jù)，以西柳溝上游最遠的采樣點為觀測終點，分別回溯氣團到達觀測點前168 h的軌跡。

1.4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 本文應用SPSS軟件進行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析有Kolmogorov-Smirnov (K-S)檢驗和方差分析(ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物水氫氧同位素組成及變化特征

植物種類和采樣地點不同，使得植物水氫氧同位素的組成存在差異(圖1)。在上游，距離河岸50—200 m范圍生長的植物水氫氧同位素值變化范圍最大，其δD值的變化范圍為-74.90‰～-58.55‰，平均值為-69.19‰，δ18O值的變化范圍為-10.92‰～-5.42‰，平均值為-8.52‰；其次為距河岸大于200 m的樣地生長的植物，δD平均值為-66.85‰，δ18O平均值為-7.43‰；距河岸<50 m區(qū)域的植物δD平均值為-48.92‰，δ18O平均值為-5.40‰。分析中游樣地優(yōu)勢植物水同位素可知，距河岸200 m的樣地植物水氫氧同位素值變化范圍最大，δD值的變化范圍為-71.00‰～-59.73‰，平均值為-63.42‰，δ18O值的變化范圍為-10.51‰～-7.34‰，δ18O平均值為-8.69‰；距河岸小于50 m和介于50—200 m區(qū)域的植物水氫氧同位素值變化范圍相近，δD平均值分別為-63.42‰和-66.37‰，δ18O平均值分別為-9.12‰和-9.24‰。下游和上游變化趨勢相同，距河岸<50 m，50—200 m和>200 m的植物水δD平均值分別為-73.04‰，-63.41‰和-67.30‰，δ18O平均值分別為-8.51‰，-7.00‰和-8.21‰。

圖1 西柳溝河岸不同樣地植物水穩(wěn)定氫氧同位素變化特征

通過上述分析可知，距河道近的樣地主要生長的植物以草本為主，隨著距離的增加出現(xiàn)灌木類植物。其中在上、中、下游距離河道最近的樣地，優(yōu)勢植物水同位素差距比較大，這可能是因為在這一樣地中，土壤水分容易受到河水補給的影響導致植物對水分的吸收利用有所差異。在草本植物和灌木植物共存的樣地中，同位素值變化范圍大，且草本植物水同位素值大于灌木植物，這可能是因為草本植物根系較短，主要利用淺層容易獲得的水分，而灌木類植物根系更深，在水分不充足時，吸收更深層的水分。研究區(qū)上、中、下游距河岸不同距離的植物水氫氧同位素值均存在顯著差異(p<0.05)，以上表明植物對水分的吸收具有空間上的差異，且灌木植物和草本植物具有不同的水分來源。

2.2 基于MixSAIR模型分析植物的水分來源

為定量分析植物水分來源，選用MixSAIR模型計算潛在水源(淺層土壤水、中層土壤水、深層土壤水、河水和地下水)對植物水的貢獻率(圖2)。河流上中下游所處的地形地貌、水分條件存在差異，因此優(yōu)勢植物有所不同，距離河道最近樣地的優(yōu)勢植物分別為蘆葦、金戴戴、堿蓬、密穗莎草、燈心草、小糠草、褐穗莎草、水蔥和蘆葦，這些植物所利用的都是淺層土壤水分，利用率分別為(36.5±8.04)%，(57.1±12.30)%，(45.7±9.57)%，(50.9±10.55)%，(40.3±9.39)%，(50.2±10.80)%，(43.3±9.67)%，(45.4±9.83)%和(46±10.40)%。

隨著距河道的距離增大，在上游出現(xiàn)了灌木類植物檉柳，對土壤水和地下水的利用率比較平均，很少利用河水，水分貢獻率最高的就是深層土壤水，貢獻率為(27±19.6)%，除檉柳外，優(yōu)勢植物還有植株較高的拂子茅和一年生植物狗尾草，拂子茅的水分來源與檉柳相似，利用最多的是深層土壤水，為(25.6±18.2)%，而狗尾草則主要利用淺層土壤水為(42.4±9.64)%；在這一樣地，中游的優(yōu)勢植物為小糠草、蘆葦、香蒲，雖然它們植株的大小存在差異，但都為濕生植物，所利用的主要是淺層土壤水，貢獻率分別為(45.2±9.47)%，(52.2±11.49)%和(60.60±15.02)%，與上游不同的是，同樣距離河道50～200 m的樣地，中游水分條件更好，甚至出現(xiàn)淹水的情況，因此水分條件好可能是導致植物利用淺層土壤水的原因；下游的優(yōu)勢植物為歐亞旋覆花、蒼耳和堿地風毛菊，其中植株高度相近的歐亞旋覆花和蒼耳主要利用的淺層和中層土壤水，占所有潛在水源的63.9%和60.7%，堿地風毛菊主要利用淺層土壤水，貢獻率為(43±12.23)%。

圖2 西柳溝河岸潛在水源對優(yōu)勢植物水分的貢獻率

距離河道大于200 m的樣地以灌木類植物為主，如上游的檸條、中游的沙柳和花棒，以及下游的油蒿，其中檸條、沙柳和花棒主要利用淺層土壤水和深層土壤水，總利用率分別為55.2%，56%，62%，油蒿以淺層土壤水為主要水源(38.7±9.39)%，且除了河水外，對其他水源的利用都比較平均。除灌木外，每個樣地的優(yōu)勢植物還包括草本植物，上游草本植物是糙隱子草、蟲實和黃蒿，淺層土壤水為3種植物提供更多的水分，貢獻率分別為(48.7±10.41)%，(54.2±11.09)%和(48.3±10.32)%；中游的沙鞭主要水源是土壤水，且每層土壤水對其貢獻的水分比例相當，總貢獻率為80.4%，沙地旋覆花主要利用淺層和中層土壤水，利用率分別為(46.8±9.74)%和(21.1±8.93)%。下游的優(yōu)勢草本植物為沙蓬和霧冰藜，沙蓬在淺層和中層土壤中共吸收了73.7%的水分，而霧冰藜在淺層、中層土壤水以及地下水都吸收一定比例的水分，利用率分別為(39.4±9.28)%，(20.7±9.11)%和(21.3±10.6)%。

綜上可知，土壤水是植物優(yōu)先選擇的水源，當水分條件較好時，植物更傾向于吸收淺層土壤水；在同一生境中，灌木植物對各層土壤水分的利用比較均勻，植株較小的草本植物則主要利用淺層土壤水。潛在水源對距河道相同距離的上、中、下游樣地植物的水分貢獻率無顯著差異(p>0.05)；在相同樣地中，優(yōu)勢植物都為草本植物時，潛在水源貢獻率無顯著性差異(p>0.05)，而在草本和灌木植被共存的樣地中，水源貢獻率具有顯著性差異(p<0.05)。草本植物和灌木植物的靈活用水策略減少了對水和養(yǎng)分的競爭，增強了對干旱環(huán)境的適應性。

為確定優(yōu)勢植物利用的潛在水源，將植物水的氫氧同位素值與不同深度的土壤水、河水和地下水進行比較，以植物水同位素垂直線與土壤水同位素剖面的交點用于確定植物水分吸收的主要深度(圖3—4)，這種圖形推理法可以初步判斷出不同樣地的植物莖部水同位素的來源但并不能量化植物水分的利用率。

圖3 西柳溝河漫灘水體δD和δ18O值

3 討 論

3.1 土壤水垂直梯度變化特征

土壤水同位素受到降雨入滲、地表蒸發(fā)、地下水和地表水補給作用的影響，在垂直方向上呈現(xiàn)出不同的變化特征[26]。通過圖3可知，河漫灘上的中游和下游淺層土壤水同位素較貧化甚至接近地下水的同位素值，這可能是因為在采樣期間，經(jīng)歷一次強度較小降雨事件，根據(jù)降雨水汽來源分析得知，研究區(qū)局地蒸發(fā)強烈，雨水在降落過程中發(fā)生同位素分餾，使得含有重同位素的水分滲入淺層土壤導致淺層土壤水同位素值更貧化[27]。河漫灘土壤水同位素值從淺層到深層變化不大，這可能是由于河水對土壤水的側(cè)向補給導致，與周天河等[28]研究結(jié)果一致。因此當靠近河道時，降雨入滲、河水補給是影響土壤水穩(wěn)定同位素值變化的主要因素。

同樣在降雨之后取樣，卻發(fā)現(xiàn)河谷階地土壤水同位素值隨土層深度增加而減小(圖4)，表層土壤水同位素值更富集，接近河水同位素值，由于遠離河岸的樣地很難受到河水的補給，可以說明，降雨入滲后淺層土壤水經(jīng)歷了處于開闊環(huán)境的河水一樣的強烈蒸發(fā)作用，但這種作用對深層土壤水影響較小，根據(jù)地下水和河水同位素垂線與土壤水同位素節(jié)點的距離可初步判斷，深層土壤水主要來源于地下水，隨土層深度的增加變化比較穩(wěn)定。研究學者對干旱半干旱區(qū)土壤水的影響因素研究得出相同結(jié)論[29-30]。當距離河岸較遠時，土壤水受到降雨及地下水的補給，蒸發(fā)作用影響土壤水同位素的垂直變化。

圖4 西柳溝河谷階地水體δD和δ18O值

3.2 不同水分梯度下優(yōu)勢植物水分來源差異

河流生態(tài)系統(tǒng)具有縱向和橫向的水文連通性，最明顯和最有力的連接是河流的主河道和泛濫平原之間的聯(lián)系，河流生態(tài)系統(tǒng)的水文連通性是季節(jié)性的，受到洪水的發(fā)生程度影響。實地考察發(fā)現(xiàn)西柳溝中游所處的環(huán)境比較特殊，可以形容為“沙漠中的綠洲”，中游左右兩岸的風成沙在風蝕作用下將風沙帶入河道之中，夏季遇到暴雨時形成洪水，在大量的徑流沖泄之下把堆積在河道的泥沙帶入黃河，有研究表明黃河內(nèi)蒙古河段河道泥沙淤積其中一部分主要來源于十大孔兌的庫布齊沙漠[31]。植被作為一種天然的屏障，對防止水土流失、攔沙蓄水具有一定作用。根據(jù)河流景觀生態(tài)學原理，河岸植被空間分布格局存在明顯的時空異質(zhì)性[32]，同時河岸植被也遵循河流連續(xù)體的特征呈現(xiàn)出連續(xù)分布的規(guī)律[33]。MixSIAR模型計算結(jié)果可知，水分條件不同的樣地，植物選擇的水源有所差異，可見，水環(huán)境對植被群落分布和植物水分利用格局的空間異質(zhì)性和連續(xù)性具有調(diào)控作用，因此掌握植被的水分利用策略對選擇適宜的物種，使其發(fā)揮河岸帶植被作用顯得尤為重要。

水文生態(tài)位(hydrological niches)在維持植物多樣性方面發(fā)揮重要作用，尤其在水源不足的環(huán)境中水文生態(tài)位顯得至關(guān)重要。基于HYSPLIT4后向軌跡模型對西柳溝樣地的水汽來源進行模擬發(fā)現(xiàn)，采樣期間水汽大多來源于局地蒸發(fā)，氣候干燥，且西柳溝河岸多為不同生態(tài)特征的草本植物以及灌木、草本植物組成的樣地，在這樣長期的水資源競爭環(huán)境下物種間依然能共存，這種共存機制可以用水文生態(tài)位分離(ecohydrologic separation)來解釋[34-35]。植物主要通過根系獲取水分植物，因此根系在土壤中的空間分布特征對植物的水分利用策略起關(guān)鍵作用[36-37]。本研究發(fā)現(xiàn)，在水分條件好的區(qū)域，盡管植株的大小、生活型、以及根系都不同，植物都會傾向于選擇離植株更近的淺層土壤水；但淺層土壤水分不足時，檉柳、花棒、檸條、沙柳、油蒿等灌木類植物以及植株高大的草本植物更傾向于深層土壤水。這是由于灌木和高大草本植物具有二態(tài)型根系[37-38]，當不存在水分競爭時，側(cè)根可以吸收淺層土壤水，與淺根系的草本植物產(chǎn)生水分生態(tài)位重疊現(xiàn)象；但當水資源有限時，為了保證生存，灌木和高大草本類植物另一部分側(cè)根可以向更深層的土壤中獲取水分，由此呈現(xiàn)出水文生態(tài)位分離。植物對水源的均勻利用是最佳吸水模式，且具有更靈活的水分利用模式的植物在干旱的環(huán)境下生存能力強，更適用于防蝕控沙，保護流域生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié) 論

通過對植物水、土壤水、河水和地下水的氫氧穩(wěn)定同位素特征以及降雨的水汽來源分析得到以下結(jié)論。

(1) 河岸帶優(yōu)勢植物主要利用土壤水，很少利用河水。

(2) 在河漫灘上，灌木類和草本類植物都以淺層土壤水(0—30 cm)為主要水源，利用率達40%以上。

(3) 在河岸階地上，草本類植物以淺中層土壤水為主要水源，而灌木類和高大草本類植物轉(zhuǎn)而吸收深層土壤水，出現(xiàn)水文生態(tài)位分離現(xiàn)象，這類植物具有靈活的水分利用策略更適于干旱半干旱環(huán)境。