基于稳定同位素的干旱半干旱地区杨树水分来源研究

冯 蕴，贾德彬，李雪松,2，张雨强

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

稳定性同位素技术的研究与利用始于20世纪30年代中期的物理科学，然而，稳定性同位素在植物生物学研究中的广泛利用仅近有20多年的历史。它以其快速、稳定、可信的示踪技术，在地球化学中逐渐成为探究植物水分来源重要的技术手段[1-3]。由于干旱半干旱地区降水稀少，土壤水分状况成为影响当地植物生长及其生理过程的最为关键的因子。植物中的水分一般来自于土壤水、地下水和降水等，植物根系在吸收水分和水分在茎干转移的过程中植物水不会有同位素分馏效应的发生，所以对比植物茎干水和不同水源的氢氧同位素值，加以数据的合理处理和计算就可以确定植物在各时期的用水情况。目前比较常用的方法有直接判别法、吸水深度模型、多元线性混合模型和耦合模型，不同的模型计算有其各自优缺点，运用之前需要结合各自的适用条件[4-6]。

本文基于同位素示踪技术分析当地生态系统中大气-杨树-地下水的水分循环，并通过运用多元线性混合模型，研究浑善达克沙地区典型树种杨树独特的水分利用模式，明确其在不同生态环境的应对机制，为合理利用沙漠地区水资源以及实现干旱半干旱地区水资源的优化配置、恢复当地的生态环境和可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验区位于内蒙古锡林浩特市浑善达克沙地南缘的正蓝旗育草站内，地理位置为东经116.02°，北纬42.25°。试验区2017年年均温度4.2 ℃，1月份平均气温-14.8 ℃，7月份平均气温21.8 ℃，极端最高气温28 ℃，极端最低气温-19.8 ℃。年均降雨量为297.6 mm，而且一般集中在6、7、8月份，约占全年降雨量的68%。平均相对湿度为30.8%，属中温带大陆性气候。育草站内杨树为山杨和白毛杨的天然杂交种----河北杨，平均树高13 m，平均树径20 cm，树根长2 m以上，喜水、喜光、喜肥，在湿度良好的地方生长快速，具有强大的根系，主根可达树高的1/3～1/4，而且具有很强的趋水性和向肥性。

1.2 试验设计

在试验区选取3棵长势良好且生长相近的杨树作为研究材料。于2017年5-10月，每月采集一次以下样品：杨树的木质部分。选取7-8枝杨树枝条，迅速去除枝条的外皮和韧皮部位，留下的部分即为木质部分，用于植物水氢氧同位素的测定；分层进行土壤取样。在其林下25 m附近用土钻钻取0～220 cm的土壤，其中，0～80 cm每隔20 cm为一层，80～220 cm每隔40 cm为一层，用于土壤水氢氧同位素的测定；收集降水。用自制的雨水收集器收集2017年每次的降水水样，用于降水氢氧同位素的测定；收集地下水。在距植物样60 m的地下水井取得地下水，取出的水样保存在100 ml塑料瓶中，用于地下水氢氧同位素的测定；附近的自动气象站收集气温、相对湿度和降雨等气象数据。

在进行四种水样同位素测定之前，需要对植物木质部分和土壤样品进行预处理，通过LI-2000型真空低温抽取系统提取出植物水和土壤水[7]。同地下水与降水一起采用美国LGR液态水同位素激光质谱仪进行氢氧同位素的测定，其中测量δD的精度为±0.01%，δ18O的精度为±0.02%。利用LWIA-Spectral Contamination Identifier v2.2软件进行数据的处理分析与修正。

氢氧同位素的组成通常用符号δ表示，最终的测试结果由相对于VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)标准平均海水的千分率给出，如公式(1)所示。

δD(δ18O)=(Rsa/Rst-1)×1 000

(1)

式中：Rsa表示样品中该元素重轻同位素丰度之比；Rst表示国际通用标准物质中该元素重轻同位素丰度之比。

1.3 多元线性混合模型

同位素多元线性混合模型是基于同位素质量守恒原理，被广泛地应用在植物水分来源的研究中，如以下公式所示。

δDp=∑fiδDi

(2)

δ18Op=∑fiδ18Oi

(3)

∑fi=1

(4)

式中：δDp和δ18Op分别表示植物茎干木质部的氢氧同位素的值；δDi和δ18Oi则分别表示其他不同水源i中的氢氧同位素的值；fi则为不同水源i对植物吸水利用的贡献率。

公式(2)-(4)中只有水源数量不大于3个时有唯一解，当大于3个时无法得到唯一解。植物吸水时往往利用3个以上的不同水源，在本文中就是如此。需要采用Phillips及其同事开发出来的Isosource软件[8]进行计算，此软件不仅可以得到不同水源对植物的平均贡献率，还能得到不同水源的贡献范围。

2 结果与分析

2.1 大气降水的氢氧同位素组成及其关系

正蓝旗地区大气降水中δD，δ18O值具有很强的季节性变动，呈现出单驼峰形分布，夏季氢氧同位素值最高，冬季氢氧同位素值低。夏季虽然降水量大但温度高蒸发剧烈，导致重同位素富集；而冬季温度低，降水(雪)受蒸发影响不剧烈，轻同位素富集。其中δD，δ18O的最值范围分别为-7.936%～-1.114%、-1.165%～- 0.162%。尽管δD，δ18O值的大小变化范围很大，但是有规律可循，数据大致都会落在同一条直线上。本文对该试验区的降水同位素进行处理，得到了当地大气降水曲线(δD=7.593 3δ18O + 4.910 5，R2=0.976 1)见图1，与1961年Craig得出的全球大气降水线[9](δD=8δ18O+10)相比，斜率与截距均小于全球大气降水线。这与试验区降水量小并且蒸发强烈，降水存在二次蒸发，空气相对湿度低下的自然环境条件是分不开的。此结果与大部分干旱地区的大气降水线斜率与截距偏小这一结果相似[10～12]，这是由于干旱半干旱地区空气干燥且植物覆盖率低，在降水过程中，当雨水降落在干燥的空气时，存在着不平衡的二次蒸发，蒸发程度大于降水作用，导致重同位素富集、轻同位素贫化[13]。

2.2 土壤水的氢氧同位素组成及其关系

试验区土壤水的δ18O值为-1.051%～-0.029%，变幅1.022%，δD值为-9.11%～-4.42%，变幅达4.69%，这说明土壤水δD值比δ18O值更不稳定，同位素更容易分馏。但δD与δ18O有着良好的线性关系，从图1中可以得到土壤水线(SWL=3.791 1δ18O-47.6，R2=0.798 4)斜率与截距均小于当地大气降水线，说明土壤水得到降水的补给，降水进入土壤的过程中在土壤表层发生强烈的蒸发，导致同位素非平衡分馏，使得轻同位素贫化[14]，同时可能还受到地下水等其他水源的补给。

土壤水δD与δ18O有着良好的线性关系，下面仅以土壤水中δ18O值分析不同深度不同月份的同位素值的变化。从图2可以看出土壤水中氢氧同位素组成变化大致趋势为随着土壤深度的增加而减少，0～80 cm浅层土壤变化浮动很大，到了120～220 cm中深层土壤逐渐趋于平缓，在长时间的尺度上保持相对稳定。可能是由于浅层土壤水易受到周围环境的影响，降水的入渗、深层土壤水的水力提升、空气温度等导致浅层土壤水中δ18O值变化较为剧烈；深层土壤水易受到地下水的补给，地下水相对稳定使深层土壤水基本处于平稳状态。

对于干旱季5、6月份，由于长期的干旱，会使20～80 cm土壤中的土壤含水率明显不足，相对湿度又小，雨水入渗缓慢，短暂的降水会短时间的暴露在土壤表面，易受到蒸发的影响，上层的土壤水会因蒸发浓缩而负值加重；对于雨季7月份，δ18O值整体变化都不稳定，存在着不同程度的波动，可能由于降水量大，土壤接受降水补给后δ18O值变化波动大，也可能出现水力提升的现象，使下层土壤水进入上层土壤中发生混合，导致δ18O值变化波动大；对于非干旱季8、9、10月份，虽说此时正蓝旗的气温较高，光照也强，但是对于非干旱季节，土壤水分容量超过它的毛细管的爆破点，此时的土壤水分大多以液体的形式存在，阻碍了其蒸发[15,16]，导致δ18O值无特别的差异变化。

图2 不同深度不同月份氧同位素组成变化情况Fig.2 Changes in oxygen isotope composition in different depths and months

2.3 地下水与植物水的氢氧同位素组成及其关系

试验区地下水δD值为-8.02%～-7.831%，变幅仅有0.189%，δ18O为-1.201%～-1.049%,变幅仅有0.152%。从图3可以看出，地下水的氢氧同位素值处于一个稳定的状态，随季节的变化不明显，地下水存在着滞留现象。从图1可以看出，地下水的氢氧同位素值接近当地大气降水线，表明一部分地下水是通过降水补给的。降水在渗入土壤进入地下水的过程中经历了一段时间的延后，降水对土壤的补给使氢氧同位素进行了混合，到达地下水时使地下水中氢氧同位素出现了平滑现象[17]。

图3 地下水δD和δ18O的变化特征Fig.3 Variation characteristics of groundwater δD and δ18O

从图1我们可以看到植物水中氢氧稳定同位素变化剧烈，植物水中的δ18O和δD值分别在-0.406%～-1.098%和-5.217%～-8.56%之间变化，可能由于外界环境(光照、气温、湿度等)对植物的影响较大，进一步造成植物水同位素波动较大。并且植物水中的δ18O和δD值大部分集中在降水与土壤水同位素值之间，表明土壤水和降水是决定植物水氢氧稳定同位素值的主要因素。在5月份时，植物水δ18O值接近20～60 cm土壤水δ18O值；6月份时植物水δ18O值接近40～60 cm土壤水δ18O值；而7月份时植物水δ18O值接近80～160 cm土壤水δ18O值；8月份时植物水δ18O值接近60～80 cm土壤水δ18O值，当9月份时，植物水δ18O值接近120～220 cm土壤水δ18O值；10月份时植物水δ18O值接近120～160 cm土壤水δ18O值。

2.4 多元线性模型计算不同时期不同水源贡献情况

利用Isosource软件进行分析计算前将各土壤层氢氧同位素值进行合并，将0～220 cm土壤分为5层：0～40、40～80、80～120、120～160、160～220 cm，每层取平均数进行计算。将输出的结果绘制出柱状图得到每月各潜在水源的平均贡献率及贡献范围，横坐标为各潜在水源对杨树的贡献率，纵坐标为各贡献率出现的频数，贡献率越大且频数越多则表示杨树最有可能吸收该层水分。运算结果见图4与表1。

结果表明：杨树在生长初期的5、6月主要吸收0～80 cm的浅层土壤水，贡献率为29%、74%。这是因为杨树在生长初期需水量较少，且浅层土壤中蕴含冬季冰雪融化后的雪水和补给的降水，浅层土壤水足以满足其杨树的需水量。7、8月杨树进入快速生长期，这一阶段是植物生长的关键时期，需水量大大增加，植物主要吸收80～120 cm的中层土壤水，贡献率为20%和26%，同时开始吸收地下水，贡献率为38%和23%。这一时期浅层土壤水虽然得到降水的补给，但由于温度高蒸发剧烈浅层土壤水不能满足这一阶段的需水量，植物会朝着更深的层位进行吸水。由于植物根系的活性降低，植物开始吸收地下水。杨树到了9月进入生长末期主要吸收160～220 cm的深层土壤水和地下水，贡献率为29%和35%，这是因为9月份土壤水分经过长时间消耗，降雨量骤减，浅层土壤水无法满足其需水量，中层土壤水无法得到水源补给，杨树选择利用主根吸收160～220 cm的深层土壤水及地下水。10月杨树需水量减少，主要吸收0～40 cm的浅层土壤水，贡献率为72%。

图4 不同时期不同水源贡献率所有可能解的柱状图Fig.4 Histogram of all possible solutions for different water source contribution rates in different periods

研究发现干旱半干旱地区降水稀少，并且分布不均，但是其光照长且太阳辐射强，蒸散发严重，植物的正常生长会受到水分胁迫等瓶颈[18-20]。而杨树是具有“二态根系”[21]，它的吸水层位几乎遍布所有的土壤层，并且根系活性很强，即使是在干旱环境下，仍能通过转变吸水方式的同时积极与土壤的调蓄作用配合主动应对水分胁迫。其独特的优势使其在水资源缺乏，生态环境恶劣的情况下能最大程度地利用地下水和土壤水来供给自身的正常生长用水需求，充分利用干旱地区有限的水资源。其植物避免干旱的抗旱适应机制广泛用于干旱与半干旱地区，并且为大面积绿化造林，抑制土壤荒漠化和重建良好生态环境的伟大目标起到重要作用。

3 结 论

正蓝旗地区降水的氢氧同位素值具有季节性的变化。通过降水同位素值拟合出当地大气降水线(δD= 7.593 3δ18O + 4.910 5，R2=0.976 1)，土壤水线(SWL=3.791 1 δ18O-47.6，R2=0.798 4)。土壤水中氧同位素值随深度的增加而降低后慢慢趋于稳定，随时间的变化具有明显的季节性变化。地下水中的δD和δ18O值处于一个相对稳定状态；而植物水中δD和δ18O的值波动较大。

植物吸水来源随着季节的变化有着显著的改变。生长初期5、6月杨树主要利用0～80 cm的浅层土壤水，贡献率分别为29%、74%；快速生长期内7、8月杨树吸水层位下移逐渐利用80～120 cm的中深层土壤水，贡献率分别为20%、26%，同时开始利用地下水，贡献率分别为38%和23%；生长末期9月杨树转为利用地下水及160～220 cm的深层土壤水，贡献率分别为29%和35%；10月杨树需水量减少主要利用0～40 cm的浅层土壤水，贡献率为72%。

表1 不同时期不同水源对杨树的贡献情况Tab.1 Contribution of different water sources to poplars in different periods

注：表中X表示水源，Xg为地下水，X0～220 cm为不同土壤层对应的土壤水。