稳定同位素在干旱区水分传输过程的研究进展

赵春，张勇勇，赵文智，周海，贾昂元

1. 中国科学院西北生态环境资源研究院/中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站/中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州730000

2. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049

0 前言

干旱区约占全球陆地面积 30%，是陆地生态系统的重要组成部分，对区域气候变化和生态功能维持具有重要作用[1]。水分来源及输入是干旱区生态系统维持的主要限制因素[2]，制约着干旱区生态系统景观内部地下水-土壤-植物-大气垂向水分循环过程，影响着在水平向不同景观界面间的水力联系。干旱区绿洲化进程加速和地表灌溉用水量增加，加剧了水资源紧张态势和地下水枯竭风险[3]，威胁着社会经济和生态环境可持续发展。因此，揭示不同景观界面间地下水-土壤-植物-大气水分传输与联系过程是干旱区水资源管理迫切需要解决的科学问题。

生态系统的水分传输过程主要包括地表蒸散发过程、植物根系吸水过程及土壤水-地下水相互作用过程。野外定位监测与水量平衡估算是研究水分传输过程的主要方法，但该法难以捕捉并区分不同水分来源及去向。绿洲与外围荒漠生态系统存在着复杂的水力联系，且水分传输存在景观异质性，氢氧稳定同位素的迁移“轨迹”记录了地下水-土壤-植物-大气水分循环过程信息，因此稳定同位素在干旱区生态水文学领域得到广泛应用。从1953年Dansgaard研究大气降水δ18O特征以来[4]，氢氧稳定同位素引入到生态系统水文循环研究中。干旱区水分输入量(降水)少，输出量(蒸散)大，受蒸发模式等条件的影响，大气降水线方程的斜率小于非干旱区，远离全球大气降水线的斜率；且降水量少导致氢氧同位素值在土壤剖面上变化差异明显[5]，植物通过深根系吸收深层土壤水及地下水，植物潜在水源的同位素组成差异大[6]，因此氢氧稳定同位素技术在分析干旱区水分传输与联系过程中更具研究潜力。

本研究归纳总结了稳定同位素在干旱生态系统植物/土壤-大气界面、植物根系-土壤界面、土壤-地下水界面水分传输的理论基础与应用研究，即量化与拆分地表蒸散发、揭示植物根系吸水机制及土壤水-地下水相互作用方面的研究。以期明确干旱区生态系统水分转换与联系过程，揭示不同景观格局水文连通性机制，维持干旱区生态系统的功能稳定与平衡。

1 稳定同位素量化植物/土壤-大气界面水分转换过程

地表蒸散发(ET)是稳定同位素量化植物-大气界面水分转换过程的关键所在，是干旱区生态系统水循环的重要过程，主要包括土壤蒸发(E)和植物蒸腾(T)两部分。区分蒸散发组分有助于更好地理解生态系统的水汽交换过程[7-8]，稳定同位素是量化与拆分干旱区地表蒸散发组分的有力工具，且广泛应用在草地[8-9]、森林[10-11]、农田[12-13]等生态系统。

1.1 理论基础

利用氢氧稳定同位素区分蒸散发组分的理论基础是: 由于平衡分馏和动力分馏作用，在土壤水分蒸发过程中，较轻的水分子(H216O)比较容易离开蒸发表面，而较重的水分子(H218O)在蒸发表面积聚，土壤蒸发水汽的重同位素组成相较于土壤水发生了贫化[14]；在植物蒸腾过程中，叶片水的重同位素富集，但当蒸腾作用强烈或者蒸腾处于同位素稳态时，植物蒸腾水汽的同位素近似于根系吸收的土壤水同位素组成，基于蒸发和蒸腾水汽同位素组成的显著差异区分蒸散发组分。

1.2 蒸散发量化与拆分的计算方法

利用氢氧稳定同位素进行蒸散发分割的关键所在是准确量化蒸发、蒸腾和蒸散发的同位素组成[7]，但受假设条件、外界环境变化及仪器测量精度等因素的影响，蒸散发组分量化仍存在一定的不确定性[15]。目前估算这三个组分的方法主要如下:

(1)土壤蒸发: Craig-Gordon模型是估算土壤蒸发水汽同位素组成(δE)最普遍的方法[16]。公式如下:

其中，δs是蒸发面土壤水的同位素组成，δv是近地面大气水汽的同位素组成，h是近地面大气相对湿度，α+(＞1)是与表层土壤温度相关的平衡分馏系数[17]，εeq=(1-1/α+)×103(‰)是平衡分馏效应，εk是动力分馏系数。基于Craig-Gordon模型估算的土壤蒸发δ18O值与实测结果有较好一致性，Craig-Gordon模型在计算土壤蒸发同位素组成上具有普适性[18]。

(2)植物蒸腾: 基于“同位素稳定态”假设，植物蒸腾水汽的同位素组成近似于根系吸收的土壤水的同位素组成，因此通过测量植物茎部未分馏的水同位素值来代替蒸腾水汽的同位素值[19-20]。受环境快速变化的影响或在水汽通量很小的情况下，同位素稳态假设很难满足[21-22]，中午蒸腾速率高易满足同位素稳态假设[23]。叶室法在同位素稳态和非稳态条件下都适用，该法基于叶室中水汽和同位素质量平衡原理，能快速捕捉分钟尺度上蒸腾水汽的同位素组成变化[24]，同时也可估算蒸发和蒸散发的同位素组成。但当蒸发较小时，该法对蒸发水汽同位素组成的估算不准确[25]。此外，受叶面积指数小和多风天气的影响，叶室法可能造成对土壤蒸发的高估[26]。

(3)蒸散发: Keeling Plot方法是估算蒸散水汽同位素组成应用最广泛的方法，该法描述了大气水汽的稳定同位素比与其浓度倒数之间的线性关系，该直线在纵轴的截距表示蒸散水汽的同位素组成(δET)[27-28]。公式如下:

其中，δV、CV分别是生态系统边界层水汽的同位素值和水汽浓度，δa、Ca分别是背景大气水汽的同位素值和水汽浓度。该法的应用需满足以下假设: 1)只存在两种大气水汽: 生态系统蒸散水汽和背景大气水汽；2)在观测过程中，蒸散水汽和背景大气水汽的同位素比保持稳定；3)生态系统蒸散水汽的损失有且仅有与自由大气混合一个损失途径。

此外，通量梯度法也是估算蒸散水汽同位素组成的重要方法[29]，水汽通量由两个高度间的水汽浓度梯度和涡流扩散系数求得，该法具有时间分辨率高的优点，可揭示蒸散水汽同位素组成的动态变化特征[30-31]。

1.3 应用研究

利用稳定同位素技术对干旱区绿洲生态系统的蒸散发分割开展了相关研究。在南加州高温旱地农业观测蒸散发同位素组成，研究表明约有 46%的灌溉水用以植物蒸腾，有 54%通过土壤蒸发形式损失，农作物对灌溉水的利用效率仅为总水量的 28%—39%，极端高温干旱的自然条件导致了灌溉水的非生产性消耗[32]。基于δ2H在摩洛哥开展冬小麦蒸散分割研究，灌溉前后的蒸腾量所占比例分别为 80%和 69%，植物蒸腾是蒸散发的主要组成部分[33]。在黑河流域绿洲农田开展了蒸散发动态变化研究，在日尺度上，13:00—15:00蒸腾满足同位素稳态，且由通量梯度法估算的δET达到日最大值，蒸腾对蒸散发的相对贡献范围为 71%—96%；在季节尺度上，受叶面积指数和气温的影响，农田5—8月的蒸腾速率高于9月，δET值呈现出“高-低”的季节变化特征[30-31]。目前对干旱区绿洲生态系统蒸散发的分割及动态变化做了相关基础研究，但由于蒸腾水汽的同位素组成一般基于“同位素稳定态”假设估算，对于中午之外时段的蒸腾水汽仍然缺乏准确估算，故在获取蒸腾水汽同位素组成的动态变化上仍需突破；此外，目前缺乏验证蒸散发分割的共识性衡量标准。随着大量野外试验的开展、数据的积累以及不同方法的对比，有望使蒸散发分割方法的验证成为可能。植物蒸腾是干旱区绿洲蒸散发的主要组成部分且干旱区水分耗散量大，对干旱区绿洲生态系统蒸散发分割的研究有助于理解农田水汽交换机制以及减少植被奢侈性耗水，提高干旱区绿洲农田水分生产力。

但在干旱区荒漠生态系统，由于水分输出量远大于降水量，基于稳定同位素技术估算荒漠生态系统蒸散发组分难度大且存在较大的不确定性，故关于荒漠植被蒸散发分割的相关研究少。利用Lysimeter、树干液流技术、气孔计法、热技术法等方法在荒漠开展了不同研究尺度的蒸腾、蒸散发观测研究[34-39]，遥感技术与地面观测相结合进行多尺度蒸散发模拟是目前荒漠生态系统研究趋势[40]。

2 稳定同位素揭示植物根系-土壤界面水力联系与根系吸水过程

稳定同位素在研究植物根系-土壤界面水力联系的关键科学问题是植物根系吸水过程，其理论基础是:当植物有多个水分来源时，根系吸收的水分为不同来源水分的混合物[41]，但氢氧同位素在根系吸水的过程中不发生分馏[42-43]，即植物木质部水分与吸水源的同位素组成相同，通过比对植物木质部与不同潜在水源的氢氧同位素组成即可确定根系吸水来源。

2.1 植物根系吸水深度估算

植物根系的吸水深度采用直接对比法估算[44]，将木质部水同位素值与对应土壤剖面同位素值进行比较，二者同位素曲线的交汇处为根系的主要吸水深度。利用直接对比法得出不同作物根系吸水的变化特点，如玉米的根系吸水深度随生育期呈现出由浅变深再变浅的特点[45]，但具体吸水层次因作物生长环境等因素差异有所区别[46-47]。基于植物只利用某一深度土壤水分的假设，直接对比法能判断出植物根系的主要吸水深度，但该方法忽略了根系吸水来源往往是不同深度土壤水分的混合物。

2.2 植物根系吸水模型

植物根系吸水的稳定同位素模型主要包括双源及三源线性混合模型、IsoSource混合模型和贝叶斯混合模型(MixSIR，SIAR，MixSIAR)。双源及三源线性混合模型适用于植物水分来源不超过三种的情形。利用稳定同位素标记研究了植物对土壤水和地下水的吸收利用[48-49]，根据植物潜在利用水源数量，将二源及三源混合模型结合起来分析根系吸水机制[50]。

Phillips等于2003年提出IsoSource混合模型[51]，该模型以同位素质量守恒为基础，可以量化多种潜在水源对植物根系吸水的贡献率，弥补了双源及三源线性混合模型在植物水分来源数量限制上的不足。基于IsoSource模型，对研究区土壤剖面做分层处理，将同位素值相近的土层合并，得出在不同生育期作物的主要吸水层及相应的贡献率，此外，模型中还考虑了作物根长密度和根细胞活性对根系吸水的影响[52]，综合考虑作物根系吸水多方面因素，提高了研究结果可靠性。但IsoSource模型未充分考虑潜在水源不确定性的影响。

贝叶斯混合模型(MixSIR，SIAR，MixSIAR)在结合潜在水源和同位素特征不确定性方面具有统计学的优势[53-54]。利用MixSIAR模型，通过比较作物茎部水与土壤水中的δ2H和δ18O值，确定作物根系的主要吸水层及贡献率[55]，量化作物对不同深度土壤水分的利用率[47]，揭示了作物根系吸水规律。通过对比IsoSource、SIAR、MixSIR和MixSIAR四种模型研究植物的水分利用，在 IsoSource模型中，基于氢氧两种同位素值以及单一的氢(氧)同位素值估算根系吸水，得出植物主要吸收0-120 cm土层的水分，即仅考虑δ18O或δ2H对研究根系吸水模式没有明显影响；相对于MixSIR模型，SIAR和MixSIAR模型能较好的对木本植物的水分来源做出区分[56]，为干旱区选择适宜的稳定同位素模型研究植物根系吸水机制提供了重要参考价值。

2.3 应用研究

绿洲生态系统蒸发强烈、降水量少，水分是主要限制性因素，作物生长需水主要依靠农田灌溉。利用稳定同位素技术对不同灌溉方式下的作物水分利用效率进行研究，结果表明: 基于MixSIR贝叶斯模型，结合玉米茎部水、土壤水、灌溉水中的δ18O值，指出黑河中游绿洲农田玉米优先获取 0—10 cm 土层的水分，但在漫灌方式下，0—10 cm 土层仅储存(24.7 ± 5.5)%的灌溉水，绝大部分灌溉水都入渗至 10 cm以下土层[57]，即灌溉深度与作物水分吸收深度不匹配，漫灌方式下作物的灌水利用率低。而相较于漫灌，膜下滴灌和控制性交替隔沟灌溉能有效减少水分深层渗漏进而提高作物灌水利用效率。基于IsoSource模型分析得出膜下滴灌后棉花的根系吸水层做出调整，显著增加了对0—30 cm土层的水分利用率[58]。在控制性交替隔沟灌溉下，通过IsoSource模型量化了不同生育期玉米对沟、垄不同位置的根系吸水率，揭示了交替隔沟灌溉的节水机理[59]，为制定合理的节水灌溉制度和作物根系用水策略提供了重要的理论依据。

在荒漠生态系统，稳定同位素在确定荒漠植物水分来源及水分利用策略方面广泛应用。荒漠植物的水分来源受生境、物种、植株年龄、地下水位和降水等因素的影响。在敦煌盆地，以利用浅层土壤水(0—20 cm)为主的盐爪爪和吸收深层水源的骆驼刺、柽柳等植物共存；而戈壁和外围沙地的荒漠植物对深层土壤水(＞200 cm)和地下水的依赖性更强[60]。在柴达木盆地，基于 IsoSource模型分析白刺茎部水、地下水和不同深度土壤水的氢氧同位素值，得出白刺主要利用 50—100 cm的深层土壤水分及地下水[61]。在河西走廊荒漠绿洲边缘，梭梭的吸水层随植株年龄的增加趋于深层土壤水和地下水，沙拐枣对深层土壤水和地下水的贡献率可达 80%以上，砾质生境下的泡泡刺对降水的利用率大于沙质生境下的泡泡刺[62]。在黑河下游，胡杨、柽柳等以利用地下水为主，而苦豆子、苦苣菜等草本植物主要利用地表水[63]。通过分析胡杨木质部水、土壤水、地下水的δ18O值，指出不同生境下胡杨的用水策略不同但均依赖利用地下水，且胡杨的主要吸水源随地下水埋深的增加而趋于深层土壤水和地下水[64]。不同林龄胡杨的水分来源不同，幼龄木的吸水层较浅，而成熟木和过熟木以利用地下水为主[65-66]。目前对荒漠植物水分来源及水分利用策略的研究局限在植物个体尺度，未来应加强在群落尺度方面的研究。此外，稳定同位素模型的适用性是否会随生境、物种等条件的变化存在差异仍需进一步验证。总体来看，荒漠生态系统浅层土壤含水量低，植物主要依赖深层土壤水和地下水，且主要吸水深度随植株年龄的增加而增加，同一生境下不同植物的主要水分来源在空间上存在差异进而可以共存。分析荒漠植物的水分利用来源，可更好揭示荒漠植被在干旱胁迫环境下的水分利用策略且有助于营造与区域水分条件相适应的植被环境，对干旱区物种选择和荒漠植被群落建设具有指导意义。

3 稳定同位素研究土壤水-地下水相互作用

地下水补给是外界水源对地下水系统的补充过程[67]，补给类型包括: (1)直接补给是在超过蒸散发和补充土壤水分亏缺下，水分通过包气带入渗补给地下水；(2)非直接补给是通过地表水的河床渗漏补给地下水；(3)局部补给指水平、近地表水分聚集补给地下水，该补给类型没有明确的水流补给通道[68]。在干旱区，不同因素主要影响地下水补给过程、速率和机制等方面[69-72]。稳定同位素技术是研究干旱区地下水补给的重要方法，且δ18O在研究降水入渗深度和补给机制上更为灵敏[73]，这也印证了稳定同位素在干旱区土壤水-地下水相互作用研究中的适用性。

3.1 示踪地下水补给来源

利用同位素示踪原理，通过对比地下水与潜在水源的同位素组成可示踪干旱区地下水补给来源。库姆塔格沙漠的地下水与周边疏勒河、党河流域地表水的同位素组成差异较大，故其主要补给源为流域之外的径流补给[74]。在鄂尔多斯盆地，通过分析其地下水和当地降水的氢氧同位素组成，发现该地区地下水的主要补给来源并不是当地降水，而是氢氧同位素值较低的其他地区的降水[75]。根据氢氧等同位素示踪干旱区绿洲生态系统的地下水补给来源，由于降水少，故降水对地下水的补给极为有限，灌溉水和河水渗漏补给是干旱区绿洲地下水的主要补给来源[76-77]。巴丹吉林沙漠因高大沙山和湖泊分布备受关注，关于其沙漠地下水和湖泊水来源，目前尚未有统一的观点，主要有以下 4种认识: 利用同位素示踪分析巴丹吉林地下水的主要补给源为青藏高原河流和湖泊的渗漏水等外源水[78-79]；在考虑蒸发对水同位素特征影响的情况下，巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水主要源于当地的现代大气降水[80]；巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水受雅布赖山地下水等补给[81]；根据巴丹吉林沙漠地下水同位素特征并结合古水文环境等条件推断巴丹吉林沙漠地下水受晚更新世至全新世早期周边山区的降水径流及祁连山河流的古水补给[82]。在澳大利亚中部沙漠，通过对比分析地下水与雨水、洪水两种潜在补给水源的氢氧同位素组成，表明地下水主要受降水补给，而非来自泛洪区的洪水渗透补给[83]。干旱区地下水受降水补给有限且外源水对地下水的补给作用更明显，对干旱区地下水补给源的研究有助于揭示地下水的水化学特征和环境演变规律。

3.2 确定地下水补给形式

利用稳定同位素技术，通过分析土壤水稳定同位素值的剖面变化可推断干旱区地下水补给形式及时空上的动态变化过程。降水入渗补给主要以活塞流和优先流两种形式，水分通常以自上而下的活塞形式稳定推进入渗补给地下水，此外凭借垂直裂缝、大孔隙等通道，降水能以优先流的形式较迅速的补给深层土壤水和地下水[84-85]。相较于活塞流，优先流补给形式的发生能显著增加土壤水分入渗能力和入渗量，形成深层渗漏补充地下水[86]。通过对比土壤剖面氢氧同位素组成的动态变化值，降水以活塞流和优先流的形式入渗补给地下水，同时优先流形式的补给作用有时占据主导地位，且优先流的补给形式在空间上并不普遍，与土地利用方式和降水强度有关[87-88]。受水分来源的影响，地下水补给主要集中在雨季，具有季节性的动态变化特征[89]。此外，地下水补给作用还具有空间变化特征，在新疆艾比湖盆地，降水、地表水和地下水的相互补给作用随着流域位置的不同而变化[90]。

3.3 估算土壤水对地下水的补给量

利用稳定同位素技术可以量化土壤水对地下水的入渗补给量。自20世纪60年代，Zimmermann等将δ2H 引入到土壤水分运移的研究中[14]，且随着土壤水提取和分析技术的进步，稳定同位素在定量研究地下水补给方面得以普适性应用。其量化原理为:根据土壤垂直剖面的δ18O、δ2H峰值随时间的推移，并结合土壤含水量推求该时间段内土壤水对地下水的入渗补给量。应用同位素峰值位移法的前提假设为: (1)包气带土壤水补给来源的同位素组成不同；(2)地下水的水平流动滞缓，保持土壤垂直剖面同位素峰值的稳定；(3)采样深度选为植物根部以下从而避免入渗水源的δ18O、δ2H受蒸发分馏效应的影响[91]。基于同位素峰值位移法估算了非洲加纳、纳米比亚的地下水入渗补给量，并结合模型模拟的方法进一步验证了同位素峰值位移法的可靠性[92-93]。虽然同位素峰值位移法的研究思路已经在量化干旱区地下水补给问题上取得了一系列成果，但氢氧稳定同位素的示踪能力会随着水分入渗深度的加深而被削弱，故在包气带深厚且地下水埋深较深的区域，稳定同位素技术在定量分析包气带水分入渗和历史补给速率上仍存在挑战。干旱区蒸发强烈，同位素受蒸发分馏的影响致使量化结果存在不确定性[94]；且优先流补给形式的发生也会对量化结果造成影响，应考虑地下水入渗补给形式并结合模型模拟等方法加强对土壤水入渗补给地下水的量化研究。地下水补给决定着地下水的数量和质量，量化地下水补给对干旱区地下水资源的可持续利用至关重要[95-96]。

4 结论与展望

本文归纳了稳定同位素在干旱区生态系统植物/土壤-大气界面、植物根系-土壤界面、土壤-地下水界面水分转换与水力联系方面的理论基础与应用研究。分析稳定同位素蒸散发组分的量化原理，总结了其在干旱区生态系统中的应用；揭示植物根系-土壤界面水力联系与根系吸水过程，估算了根系吸水深度，评价了稳定同位素根系吸水模型及在荒漠绿洲生态系统中的应用；针对干旱区土壤水-地下水相互作用，示踪了干旱区地下水的补给来源，确定了干旱区地下水的补给形式及补给量。鉴于目前研究现状，稳定同位素在干旱区水分传输与水力联系方面的研究应加强如下方面:

1)加强对干旱区非稳态条件的蒸散发同位素量化研究。干旱区蒸散发组分区分的难点是准确量化蒸发与蒸腾的同位素组分，尤其是在非稳态的情形下。由于受干旱区生态环境快速变化和水汽通量小等因素影响，同位素稳态假设通常仅在中午短时间(小时)尺度上满足，导致难以捕捉蒸腾水汽同位素组成的动态变化特征，因此对非稳态时段蒸散发量化研究是未来干旱区生态系统的重要方向。

2) 优化不同生境植物根系吸水的同位素模型。植物根系吸水模型随生境、物种等因素的变化存在差异，稳定同位素混合模型在准确量化植物对不同潜在水源的利用比例上存在不确定性。未来研究中需通过模型对比确定不同生境最优同位素模型，揭示作物耗水规律和水分利用策略，优化绿洲农田灌溉制度。

3)基于区域地下水-土壤-植被长时间序列同位素观测，阐明干旱区不同景观界面间的水力联系机制。不同景观界面间的水力联系是干旱区生态系统水分传输的关键科学问题。受蒸发强烈、地下水天然补给少等因素的限制，稳定同位素技术在不同景观界面间的水文连通性研究仍存在不足，今后应重视基于区域地下水-土壤-植被长时间序列同位素野外观测试验，揭示干旱区不同景观界面间的水力连通机制。