杨 广，李小龙，陈 思，何新林，杨明杰，龙爱华，薛联青

(1.石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；2.新疆水利水电规划设计管理局，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

水是维持地球生物生存的保障，尤其在生态环境脆弱的干旱荒漠区，水分是维持区域生态安全最重要的限制因子。干旱荒漠区降雨量小、蒸发量大、土壤含水量低等特征导致荒漠植被在长期适应环境演替的过程中形成了特殊的生理特征和水分利用机理，研究荒漠植物水分利用来源及各水源的贡献率，揭示植物水分利用效率与耗水机制，对协调城市经济发展与水资源紧缺之间的矛盾，探讨新疆等干旱地区生态经济可持续发展具有重要意义。

梭梭和柽柳为玛纳斯河流域下游典型的盐生、旱生荒漠植被，具有很强的生态适应性，分布于沙地、黏土、砾质和盐土荒漠中，耐风蚀、耐严寒和高温、耐瘠薄、抗旱性极强，是干旱荒漠区的优良固沙植物[1]。以往众多研究主要集中在荒漠植被光合蒸腾特性、茎干液流速率特征及其影响因子等方面[2-5]，对于植被水分利用来源的研究较少。水分在被植被根系吸收和从根系向叶片移动的过程中不发生同位素的分馏[6,7]，通过对比不同土层土壤水、地下水和植物茎干水中的δD和δ18O值，可以判断干旱区植物水分来源[8-11]。本研究以玛纳斯河流域下游两年生荒漠植被梭梭、柽柳为研究对象，利用稳定同位素技术，对梭梭、柽柳的茎干水、土壤水及地下水的稳定同位素值进行测定，通过对比植被水与地下水、不同土层土壤水中δ18O，分析荒漠植被水分利用来源的种类及各潜在水源的贡献率，为荒漠植被的保育提供了理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验点概况

研究区位于天山北麓准噶尔盆地南缘的新疆生产建设兵团农八师121团，其为典型的大陆性荒漠气候。干旱少雨，年降水量约为164.3 mm，主要集中在6-9月，占全年降水量的50%左右。日照时间长，年平均日照时间达2 772 h，无霜期达160 d，年平均气温8.2 ℃，平均蒸发量为2 036.2 mm。年平均风速1.5 m/s。土壤冻结始于每年11月中、下旬，地面最大积雪厚度35 cm，最大冻土深度90 cm。冻层全部消融在3月中旬[11]，地下水潜水埋深波动范围为2～4 m。

试验点地理坐标：85°33′03E，44°47′43N，位于玛纳斯河流域荒漠过渡带，受人为因素干扰较少，易选取野生梭梭和柽柳，且其水分利用的来源与人类活动无关，能够更加准确的研究荒漠植被水分利用的来源，使得试验结果更加准确。

试验植物为位于农八师121团炮台试验站的2年生的梭梭和2年生的柽柳各两株，其各项生长指标如表1。

1.2 实验方案

1.2.1 样品采集及水分提取

样品采集于荒漠植被的生长季节2014年6-8月。在采样点分别选取生长状况良好、相近且相似的2年生梭梭柽柳各2株，每株选取一枝栓化枝条，剪取其4～5 cm木质部，并迅速剥去表皮。在采样植被附近采集不同深度的土壤样品，取样深度为0～150 cm，每10 cm采集一次土壤样品，用以提取土壤水分用于测定同位素和用烘干法测定土壤含水量。在采样点附近的地下水观测井处采集试验点地下水样品。

表1 梭梭、柽柳生长指标

注：①研究对象为两年生的梭梭、柽柳；②研究区地下水潜水埋深波动范围为2～4 m。

所有植物、土壤样品及地下水样品装入10 mL带螺纹口的玻璃瓶中,用封口膜封口并置于-18 ℃冰柜中冷冻，再由LI-2000植物水和土壤水抽提装置，采用低温真空蒸馏法[12]提取水分，获得土壤水、地下水及植被茎干水水样并装于50 mL塑料方瓶中封口，在-2 ℃下冷藏，直到用于分析氢稳定同位素组成。

1.2.2 数据监测

利用中子仪并结合烘干称重法对不同深度土层的土壤含水率进行监测；使用LEVEL LOGGER地下水水位自动记录仪对研究区的地下水前水埋深进行监测。由于不同试验点所选样本的树龄不同，土壤水分的测定深度为0～200 cm，而中子仪不适宜测定0～15 cm的土壤含水量，因此选择中子仪测定与烘干称重法相结合测定土壤含水率。在首次试验时，用烘干法对取回的土样进行含水率的测定。将烘干法测出的含水率与中子仪测得的数据进行线性拟合，利用率定所得的方程对中子仪读数进行处理。

植物茎干木质部中的水来源于植物所利用的各种水源，如降雨、地下水和土壤中的水分，自然界中各种理化过程导致了同位素的分馏，植物吸收水分的过程中，除少数盐生植物外，其氢氧同位素值均不发生分馏反应[13]，因此，可以通过各水源的稳定同位素分布特征来分析植物的水分利用来源。本文采用LGR液态水同位素分析仪测定各水样的δD和δ18O，测定结果以维也纳标准平均海水(VSMOW)校正，测定精度为0.03%。

1.3 数据分析

先利用直接法初步判断植物的水分来源，再将植物木质部水和各潜在水源的同位素值代入IsoSource模型[14]，IsoSource模型基于稳定同位素的质量守恒计算植物对各水源的利用比例。基本公式为：

δM=fAδA+fBδB+fCδC

(1)

I=fA+fB+fC

(2)

当模型运行时，来源增量设为1%，质量平衡公差，设为0.01%。用Origin软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 地下水潜水埋深及其δ18O同位素特征

于2014年5-8月期间对研究区的地下水潜水埋深进行了检测，并于每月上、中旬对地下水水样进行采集，利用液态水稳定同位素仪对其δ18O进行测定，数据绘制如图，分析该地区稳定同位素特征(图1)及地下水潜水埋深动态变化(图2)。

图1 地下水 18O同位素值变化

图2 地下水潜水埋深的变化

由图1、图2可知，在梭梭、柽柳的生长期研究区的地下水潜水埋深变化浮动不大，从5-8月，地下水潜水埋深呈小幅增大，这是由于这期间研究区蒸发量逐渐增大且研究区灌溉抽取了地下水所导致的。地下水δ18O值在年内也基本没有变化，5月到7月间δ18O逐渐偏正，这是由于在夏季降水不足，地表蒸发强烈，使得流域水汽再循环强烈，重同位素富集；8月温度逐渐降低，地表蒸发减弱，所以δ18O逐渐减小。

2.2 土壤含水率及其δ18O同位素特征

于2014年5-8月期间利用中子仪并结合烘干称重法对研究区不同土层深度的土壤含水率进行监测，将5月、6月、7月的不同深度土壤含水率监测数据绘制如图3。于2014年5月13日、6月16日和7月18日在研究植被附近采集不同深度的土壤样品，取样深度为0～150 cm，每10 cm采集一次土壤样品，测定其土壤水中δ18O同位素值，分析其季节变化特征(图4)。

图3 土壤含水率变化

图4 土壤水中18O同位素变化

同一月份土层剖面上，土壤含水量随着土壤深度变化显著，随着土层深度的增加而增大；土壤水中δ18O值随土壤深度变化也变化明显，随着土层变浅而偏正，且0～100 cm浅层土壤的土壤水δ18O值变幅明显大于深层土壤。这是由于浅层土壤的蒸发作用显著，导致其土壤水分较少，土壤含水率降低，重同位素在浅层富集，δ18O值增大。不同月份土壤含水率变化也较为显著，相同深度土层的含水率均为5月>6月>7月，这是由于随着季节变化温度逐渐升高且降雨稀少，导致地表蒸发强烈，土壤含水量降低；随着季节变化，浅层土壤的δ18O值变化显著，随着月份的增加土壤水δ18O值逐渐增大，但100 cm以下的深层土壤的δ18O值变化不显著，这是因为浅层土壤受蒸发作用的影响较大。

2.3 梭梭水分利用来源分析

由于水分由植物根系吸收并向茎干输送的过程中氢氧同位素未因蒸发或新陈代谢导致分馏，因此木质部中氢氧同位素可以反映植物的水分来源[15]。Ellsworth和Williams发现旱生盐生植物的茎在输送水分的过程中，D同位素可能会发生分馏[16]，所以本文仅用18O的同位素值分析2年生梭梭水分利用来源。

于2014年5月-9月在梭梭生长期内对其木质部枝条进行取样，并于同一时间对其周围不同深度的土壤、地下水进行取样，测定植被水、不同土层土壤水和地下水的稳定18O的同位素，选取7月的测定数据绘制如图5。

图5 不同深度土壤水、梭梭植被水、地下水的δ18O值

根据土壤水中δ18O值的分布将土层分为0～10、10～20、20～30、30～80和80～150 cm五层，通过对比梭梭与地下水、不同土层土壤水的δ18O值，发现梭梭木质部植被水的δ18O值与地下水和80～150 cm土壤水较为接近。利用IsoSource多源混合模型计算各水源对其的相对贡献率进行计算，发现地下水对植被水分利用的贡献最大，贡献率为56.8%±6.8%；其次是80～150 cm土层的土壤水，贡献率为26.3%±7.2%；30～80 cm的土壤水对梭梭生长的贡献较小，贡献率为10.9%±4.7%；0～10、10～20和20～30 cm的表层土壤水对梭梭生长的贡献极小，分别为1.4%、2.1%和2.9%。因此，在干旱少雨，蒸发量较大的旱季，梭梭通过根系吸收地下水及80～150 cm土层的土壤水来维持其生长，对表层土壤中的水分利用较少。

2.4 柽柳水分利用来源分析

于2014年5-9月在柽柳生长期内对其木质部枝条进行取样，并于同一时间对其周围不同深度的土壤、地下水进行取样，测定植被水、不同深度土壤水和地下水的稳定18O的同位素，选取7月的测定数据绘制如图6。

图6 不同深度土壤水、柽柳植被水、地下水的δ18O值

根据土壤水中稳定18O同位素值将土层分为0～10、10～30、30～60和60～150 cm 4层，通过对比柽柳植被水与地下水、不同土层土壤水的δ18O值，发现柽柳木质部植被水的δ18O值与地下水和60 cm以下的地下水较为接近，与0～30 cm的关系不显著。利用IsoSource多源混合模型计算各水源对其的相对贡献率进行计算，发现60～150 cm土层土壤水对柽柳生长的水分利用贡献最大，贡献率达到54.6%±9.2%；地下水对其贡献率也较大，达到36.8%±8.5%；而柽柳生长过程中对0～10、10～30、30～60 cm等浅层土壤水的利用较少，贡献率分别为1.4%、2.7%和4.5%。因此，在旱季，柽柳的主要水分利用来源是60～150 cm土层土壤水和地下水，贡献率达到90%以上，对表层土壤水利用较少。

3 结 语

(1)同位素技术在近几年得到了快速发展，对于同位素技术的研究，主要针对大气降水、地表水、地下水以及土壤水中的一个或两个对象来进行研究，很少将它们看成一个整体进行研究，这一方面是技术层面的问题，另一方面也是理论方面的问题。因此，在今后研究中应该结合多种方法或创新方法对流域进行“四水转化”研究，同时有条件考虑加入植物水进行分析，这对于将来在干旱地区进行大尺度水循环研究起到了重要指导意义。

(2)在5-8月的植被生长季节，研究区地下水潜水埋深和稳定18O同位素值呈现出微量的变化。在干旱降雨稀少的夏季，受高温及长时间日照的影响，地表蒸发强烈，导致流域水循环强烈，地下水中稳定18O同位素值变大；加之灌溉对一定量的地下水进行抽取，使得地下水埋深呈小幅度增大。8月后，由于大气温度逐渐降低，秋季降量也有所增加，地表蒸发减弱，地下水中稳定18O同位素值减小。

(3)在干旱高温、降雨稀少的夏季，地表蒸发强烈，土层中浅层土壤的蒸发强度大于深层土壤，导致浅层土壤含水量较少且土壤水中重同位素富集，因此土壤含水率随着土层深度的增加，土壤水中δ18O值随土壤深度的减小而逐渐偏正，这一变化在0～100 cm的土壤中表现得最为明显，100 cm以下的土壤水中稳定18O同位素值相对稳定，且趋于地下水中的稳定18O同位素值，这表明地下水以毛细上升的形式补充深层的土壤水。

(4)土壤含水率及土壤水中稳定18O同位素值均存在一定季节性变化。土壤含水率的季节变化较为显著，相同深度土层的含水率均为5月>6月>7月；且随着时间变化，浅层土壤的δ18O值变化也较为显著，由于随着月份的增大，地表蒸发强烈，使得浅层土壤水的δ18O值逐渐增大，但100 cm以下的深层土壤的δ18O值较为稳定，只有小幅波动。

(5)在干旱少雨，蒸发量大的环境条件下，梭梭和柽柳通过根系吸收地下水及较深层的土壤水来维持其生长，地下水及较深层的土壤水对梭梭的贡献率达柽柳的贡献率均达到90%以上。对梭梭而言，地下水对的贡献率最大，其次是80～150 cm的土壤水，其对表层土壤水分的利用极少，而柽柳则主要利用60～150 cm的土壤水，其贡献率达到54.6%±9.2%，其次是地下水，柽柳对表层土壤水的利用也较少。植被根系的发育和分布不同决定了典型荒漠植被梭梭和柽柳不同的水分利用来源。梭梭侧根极少，根幅较窄，有粗壮强大的垂直主根系，所以在干旱生长期梭梭主要利用地下水维持生长；柽柳根系除了垂直的主根还有较多水平扩展的侧根，根长在垂直 剖面上近似“丰”字形分布，所以跟梭梭相比，柽柳对60～150cm土层的土壤水利用较多。

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