不同生境胡杨林地下水的氢氧稳定同位素和水化学特征

哈丽古丽·艾尼, 伊丽米努尔, 阿丽亚·拜都热拉, 卡依拉·阿布都艾尼, 玉米提·哈力克, 海妮肯·山台, 吴天忠

(1.新疆林业科学院，新疆 乌鲁木齐 830063；2.新疆农业大学林学与风景园林学院, 新疆 乌鲁木齐 830052;3.新疆大学资源与环境科学学院/新疆维吾尔自治区绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)

水是植物生命活动中最活跃的因素，在干旱荒漠环境中地下水是影响植被生长及分布的关键因素[1-2].地下水是在复杂的地理结构中具有独特动态特性的天然水，并且是水文循环的重要组成部分[3].由于构成水分子的氢氧同位素理化性质不同，引起不同水体中同位素组成的变化，这种现象被称为同位素分馏作用.水循环系统中不同水体具有各自独特的同位素组成，即富含不同种同位素氢(2H)和氧(18O)[4].氢氧同位素是水文过程的重要指示剂，在自然界中各水源的互相转变过程中稳定同位素分流效应造成各水体氢、氧同位素含量的空间差异[5]，通过同位素组成变化可以示踪水体来源及其循环过程[6]，干旱地区地下水形成与循环机理一直是干旱地区水资源研究的重要课题[7].自然水体中的离子主要来源于陆地、大气以及人类活动，分析离子特征的水化学组分能够揭示水体离子组成，识别其控制因素[6]，因此，结合氢氧稳定同位素和水化学等相关数据，可以更好地评价水资源的质量状况，为区域水资源的可持续利用等提供依据.

胡杨(Populuseuphratica)为干旱、大陆性气候条件下的树种，属于杨柳科(Salicaceae)杨属(PopulusL.)植物[8]，对保持沙漠河流的生态平衡、防止荒漠化起到了重要作用[9-10].在干旱地区地下水源为胡杨的生存奠定了物质基础，胡杨个体至少85%的生命周期依靠这种水源[11].研究[12]表明，胡杨幼苗在地下水总盐含量低于2.2 g·L-1的情况下能存活，总盐含量在10～20 g·L-1时只有极少数的胡杨能够生长发育，由此可见，地下水的水质状况会影响该区域胡杨的生长及分布.地下水的pH和含盐量对于胡杨的生长有一定的影响[13-14].地下水化学特征的变化对于植被更新以及生存极其重要[15].本研究对南北疆8个不同生境胡杨林附近的地下水进行了氢氧同位素和水化学组成的测定，并测量了胡杨的生长指标，为探讨绿洲地下水循环变化、评价地下水资源的质量状况，以及有效利用地下水来保护绿洲生态环境等提供依据.

1 材料与方法

1.1 样品采集

2016年7月底在南北疆选择8个不同生境(表1)，采集胡杨林附近的地下水.在每个生境点选择开阔、平坦区域，同时尽可能避免人为活动的影响.在每个采集水样地点随机选择8～10棵胡杨，按胡杨的胸径进行分组，将胡杨分为幼树(胸径<20 cm)和成熟林木(胸径>20 cm)，分别测量胡杨树的树高、胸径和冠幅，样株间隔100～120 m.地下水取自各生境胡杨林附近的监测水井，地下水水位30～80 m.采集的地下水清洁，不含悬浮物等，样品放入冰盒冷藏(4 ℃)保存.

表1 不同生境点的基本信息 Table 1 Basic information on different habitats

1.2 不同生境地下水δ18O、δ2H以及化学成分的测定

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS软件对地下水氢氧稳定同位素组成(δ18O)、(δ2H)以及化学成分进行作图分析，选用AquaChem软件对研究区内采集的8个地下水水样进行水化学分类，绘制水样的Piper三线图.

2 结果与分析

2.1 不同生境地下水的化学特征

2.1.1 常规离子特征 通过分析天然水体的水化学成分可为地下水的追溯提供一定的依据[18].通过对8个采样点的离子进行测定分析，得到地下水化学数据(表2).电导率在一定程度上反映了水流的路径和水在流域循环中的停留时间[19].水体中的电导率逐渐提高，而不与低电导率的水体、气体沉淀及溶解固体沉淀混合[20].对8个地下水样品的分析结果表明，各生境地下水电导率为353～16 090 μS·cm-1，平均值为5 701.81 μS·cm-1；各生境地下水的pH为7.42～8.32，平均值为7.73；总盐含量为180～8 650 mg·L-1，平均值为2 984.44 mg·L-1.其中，G生境样品的总盐量达到8 650 mg·L-1，E生境样品的总盐量次之，为6 650 mg·L-1.从表2可看出：总体硬度为23.398～1 996.63 mg·L-1，平均值为682.98 mg·L-1；总碱度为96.485～598.88 mg·L-1，平均值为340.56 mg·L-1.

表2 不同生境地下水的水化学数据1)Table 2 Chemical information on groundwater from different habitats

2.1.2 不同海拔下地下水的水化学离子特征 因各生境海拔不同，地下水的水化学离子特征也存在明显的差异.从图1可知，各采样点的(生境B和C)海拔为234～260 m时地下水中的电导率(353 μS·cm-1)、总盐(180 mg·L-1)、总硬度(23.398 mg·L-1)、总碱度(96.485 mg·L-1)为最小值；在采样点(生境G)海拔为1 351 m时，电导率(16 090 μS·cm-1)、总盐(8 650 mg·L-1)、总硬度(1 996.63 mg·L-1)、总碱度(598.88 mg·L-1)为最大值，地下水中的这些离子含量随着海拔的上升呈现升高的趋势.

图2 不同海拔地下水的阴离子特征Fig.2 Anionic characteristics of groundwater at different altitudes

生境B和C地下水中的阳离子Ca2+、K+、Mg2+、Na+在海拔为234～260 m时出现最小值；生境G地下水中的阴离子Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量在海拔为1 351 m时出现最大值(图3)；地下水中的阳离子含量随着各生境海拔的上升呈现先升高后降低的变化趋势.

图3 不同海拔下地下水的阳离子特征Fig.3 Cationic characteristics of groundwater at different altitudes

图4 不同生境地下水化学组分Piper图 Fig.4 Piper graph of chemical components of groundwater in different habitats

2.2 不同生境胡杨林地下水氢氧稳定同位素特征

2.2.1 胡杨林地下水氢氧同位素 不同生境胡杨林地下水δ2H、δ18O值测定结果(表3～4)显示，各个生境的δ2H为-83.710‰～-35.826‰，平均值为-55.086‰，最大值为-35.826‰；δ18O为-12.351‰～-5.175‰，平均值为-8.656‰，最大值为-5.175‰.

表3 地下水离子相关系数Table 3 Correlation coefficients of groundwater ions

表4 不同生境地下水氢氧同位素组成Table 4 δ2H and δ18O composition of groundwater in different habitats

2.2.2 地下水δ2H与δ18O的关系 对不同胡杨林地下水体的δ2H和δ18O数据点分布情况(图5)进行分析，对比研究区大气降水线，确定水体来源[20-25].对研究区地下水的δ2H、δ18O数据点与全球大气降水线(GMWL)和本地大气降水线(LMWL)进行比较.

采用线性回归方法，对不同生境胡杨林地下水氢氧同位素进行分析，得出相应的线性关系(图5).从图5可知，不同生境胡杨林的地下水氢氧同位素关系为：δ2H=7.18δ18O+7.23，r2=0.97.研究区地下水水样的δ2H和δ18O数据点位于在GMWL下方(图5)，也低于LMWL，说明各生境蒸发较严重，蒸发来源于大气降水.

图5 不同生境地下水δ2H和δ18O的关系Fig.5 Relationship between ground water δ2H and δ18O in different habitats

2.3 不同地下水环境与胡杨生长状况

由表5可以看出，在不同地下水环境下胡杨生长状况明显不同.不同的采集水样点附近的幼树胡杨株高为3.9～6.8 m，平均值为(5.20±0.29) m，表现为G>E>B>C>A>D>H.生境G幼龄胡杨的平均树高(6.8 m)高于其他地点，生境F无幼龄树林.不同采集水样点附近的成熟胡杨高度为8.3～22.4 m，平均值为(11.93±0.83) m，表现为F>G>D>E>C>A>B.生境F的成熟胡杨树的平均高度(22.4 m)大于其他地点，在生境H无成熟林.

表5 不同地下水环境下胡杨的生长状况1)Table 5 Growth of P.euphratica in different groundwater environments

不同地下水环境下的幼龄胡杨的胸径为8.07～19.11 cm，平均值为12.48 cm；树冠为1.82～5.12 m，平均值为(3.25±0.27) m.生境C的平均胸径(19.11 cm)和树冠(5.12 m)大于其他地点.成熟胡杨的胸径为26.69～110.67 cm，平均值为57.25 cm.生境G的平均胸径(110.67 cm)大于其他地点；树冠为4.88～15.52 m，平均值为(8.66±0.55) m.生境F的平均树冠(15.52 m)大于其他地点.

1)幼树：胸径小于或等于20 cm.成熟树：胸径大于20 cm.-表示样点无幼树或者无成熟树.表中数据为均值±标准误.

3 小结

不同生境的胡杨林地下水δ2H为-87.462‰～-35.826‰，平均值为-63.867‰；δ18O为-12.706‰～-5.175‰，平均值为-9.836‰.不同生境胡杨林地下水的氢氧同位素关系为：δ2H=7.18δ18O+7.23，r2=0.97，研究区地下水水样的δ2H和δ18O数据点位于GMWL下方，也低于LMWL，说明各生境蒸发较严重，并且来源于大气降水.调查结果表明于田县(阿日系马扎)的幼树胡杨的平均树高[6.8±0.62) m]和成熟胡杨的平均胸径[(110.67±15.95) cm]均高于其他地点；甘家湖国家级自然保护区的幼树胡杨的平均胸径[(19.11±0.37) cm]和树冠[(5.12±0.43) m]均高于其他地点；于田县(喀尔克)成熟胡杨的平均树高[(22.4±4.13) m)和树冠[(15.52±1.63) m)均大于其他地点.