基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的黑河下游不同林齡胡楊的吸水深度研究

劉樹寶, 陳亞寧, 陳亞鵬, 鄧海軍, 方功煥

1 新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊　830011

2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊　830011

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基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的黑河下游不同林齡胡楊的吸水深度研究

劉樹寶1, 陳亞寧2,*, 陳亞鵬2, 鄧海軍2, 方功煥2

1 新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011

2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊830011

摘要:水是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)植被分布最重要的因素之一，特別是在干旱地區(qū)，水資源將是限制植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。不同植物具有不同的吸水深度，植物的吸水深度可影響它的分布區(qū)域，因此，精確測(cè)量植物的吸水深度對(duì)預(yù)測(cè)全球氣候變化下植被的時(shí)空分布具有重要意義。穩(wěn)定同位素技術(shù)逐漸被公認(rèn)為是一種精確測(cè)量植物吸水深度的有效方法。利用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析了不同林齡胡楊的吸水深度和不同林齡胡楊的水分利用效率，對(duì)確定胡楊生存的合理地下水位、制定胡楊保育恢復(fù)策略具有重要意義。通過對(duì)黑河下游不同林齡胡楊木質(zhì)部水及其不同潛在水源δD、δ18O的測(cè)定分析，并運(yùn)用深度模型計(jì)算了不同林齡胡楊的吸水深度，探討了不同林齡胡楊的水分利用效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1)不同林齡胡楊木質(zhì)部δ18O差異顯著，胡楊幼苗、成熟木、過熟木的δ18O分別為-5.37‰、-6.03‰、-6.92‰；2)不同林齡胡楊的平均吸水深度不同，且具有隨林齡變老而選擇利用更深的土壤水分的特點(diǎn)：胡楊幼苗的平均吸水深度為37 cm，胡楊成熟木的平均吸水深度為145 cm，胡楊過熟木的平均吸水深度為149.5 cm。3)不同林齡胡楊水分利用效率不同，隨林齡的變老水分利用效率具有降低的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：平均吸水深度; 胡楊; δD; δ18O

河岸林的更新和演替與河流有著密不可分的關(guān)系，河道的演化深刻影響著內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)及其林分的組成和分布特征[1]。胡楊(PopuluseuphraticaOliv)作為干旱區(qū)內(nèi)陸河流域荒漠河岸林的主要建群種，其生態(tài)學(xué)特征、抗逆性以及水分利用等問題等一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[2-5]。胡楊在中國西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域廣泛分布，它耐鹽堿，抗干旱、風(fēng)沙，具有重要的生態(tài)功能[6]，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織林木基因資源專家組確定的全世界最急需優(yōu)先保護(hù)的林木基因資源之一。近年來，李建林等依據(jù)在極端干旱區(qū)額濟(jì)納旗的實(shí)測(cè)資料，對(duì)胡楊根系及根區(qū)土壤水分特征進(jìn)行了分析，建立了胡楊根系吸水的二維數(shù)學(xué)模型，模型結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果平均相對(duì)誤差為9.02%[7]。趙良菊等對(duì)黑河下游河岸植物的水分來源做了初步研究，結(jié)果表明，胡楊的主要吸水層位為地下水[8]。Romero-Saltos等利用降水控制實(shí)驗(yàn)和吸水深度模型對(duì)亞馬遜東部塔帕若斯河植物的水分來源進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在降水很少的干季，樹木的吸水深度會(huì)不斷加深。同時(shí)也指出，在干旱地區(qū)，樹木可能有兩個(gè)不同的水源或存在兩個(gè)不同深度的吸水層位[9]。不少學(xué)者對(duì)塔里木河下游研究表明，地下水是維系胡楊的生存的重要水分來源[6,10-13]。

在20世紀(jì)70年代末，環(huán)境同位素技術(shù)就被逐漸引入到水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著穩(wěn)定性同位素的發(fā)現(xiàn)和同位素分析技術(shù)的迅速發(fā)展，氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用到確定植物水分來源的研究當(dāng)中。植物葉片組織中的穩(wěn)定碳同位素組成能夠解析植物的水分利用效率，F(xiàn)arquhar等認(rèn)為，植物葉片δ13C值可以用來間接指示植物的長(zhǎng)期水分利用效率[14]，大量的研究也證實(shí)δ13C值與植物水分利用效率存在高度相關(guān)性，可以作為衡量植物水分利用效率的有效指標(biāo)[15]。運(yùn)用穩(wěn)定同位素法測(cè)定的植物葉片的δ13C值能直接指示植物的水分利用效率，已成為一種公認(rèn)的估測(cè)植物長(zhǎng)期水分利用效率的可靠途徑。

在黑河下游，以胡楊為優(yōu)勢(shì)種的荒漠河岸林具有重要的保護(hù)生物多樣性的生物學(xué)功能[8]。但是，隨著近幾十年來中上游用水量的增加，黑河下游額濟(jì)納地區(qū)來水量逐年減少[16]，導(dǎo)致地下水位的逐年下降，沙化、鹽化等加速，造成胡楊林大面積退化，胡楊林分結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡、胡楊幼苗死亡更加嚴(yán)重，對(duì)胡楊林的更新造成很大的打擊[17]。自2000年，黑河的分水使得下游生態(tài)環(huán)境有了一定的改善，地下水位普遍抬升，胡楊林內(nèi)出現(xiàn)了成片的胡楊幼苗，河岸林生態(tài)系統(tǒng)逐漸好轉(zhuǎn)。可見，黑河下游胡楊林的退化與更新和地下水位有直接的關(guān)系，尤其對(duì)胡楊幼苗的生長(zhǎng)至關(guān)重要，但是對(duì)于胡楊因地下水位下降而退化和因地下水位升高而出現(xiàn)成片胡楊幼苗的機(jī)理方面的研究的案例較少，尤其是河岸林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同植物吸水深度方面的研究更少。為此，本文通過對(duì)黑河下游河岸林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同林齡胡楊樣地土壤含水量及土壤水和木質(zhì)部δD、δ18O和葉片δ13C的測(cè)定分析，解析不同林齡胡楊的平均吸水深度，探討不同林齡胡楊的水分利用格局及其在干旱環(huán)境下的水分利用和適應(yīng)機(jī)制，旨在為制定黑河下游生態(tài)用水配置方案和胡楊林的恢復(fù)、保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)據(jù)采集與方法

1.1研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于祁連山，全長(zhǎng)821 km，多年平均徑流總量為24.75×108m3。主要由山區(qū)冰川(雪)融水、降水構(gòu)成，是中國第二大內(nèi)陸河。研究區(qū)額濟(jì)納盆地位于黑河流域下游，總面積約30000 km2，地理坐標(biāo)為99°30′—102°00′E，40°20′—42°30′N，海拔900—1130 m，北部和西部為馬鬃山和阿爾泰山低山丘陵，東南部為巴丹吉林沙漠，南與鼎新盆地相鄰。行政區(qū)劃屬內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟額濟(jì)納旗。該地區(qū)深居內(nèi)陸，氣候極端干旱，多年平均降水量42 mm，年最大為103 mm，最小為7 mm；多年平均蒸發(fā)量為3755 mm，最高達(dá)4035 mm，蒸發(fā)量是降水量的89倍；多年平均氣溫8. 2 ℃，盛行西北風(fēng)，平均風(fēng)速4. 2 m/s，最大風(fēng)速24. 0 m/s。天然植被主要以喬木胡楊和與其伴生的灌木檉柳和草本植物苦豆子為主。

圖1　研究區(qū)位置示意圖Fig.1　The Sketch map of study area

試驗(yàn)樣地位于額濟(jì)納旗的烏蘭圖格(圖1)，距黑河河道300 m左右，地下水埋深在2.5—3.2 m之間，植物主要為胡楊和檉柳，林下伴生的草本稀少，多為苦豆子，覆蓋度約為50%，土壤由第四紀(jì)洪積、沖積物組成，以細(xì)砂土為主[18]。

1.2樣品采集與數(shù)據(jù)分析1.2.1樣品采集

在試驗(yàn)樣地內(nèi)分別選擇具有代表性(長(zhǎng)勢(shì)良好，樹干通直，冠幅適中，無病蟲害)的胡楊幼苗、成熟木、過熟木各3棵，進(jìn)行木質(zhì)部取樣，在其周圍用土鉆鉆取土壤用于土壤水的提取和土壤含水量的測(cè)定，挖取的土壤深度直至含水飽和層(胡楊幼苗和成熟木的含水飽和層深度為3.2 m、過熟木的為2.6 m)。挖取過程中記錄各層土壤質(zhì)地(如細(xì)沙土或黏土)，同時(shí)觀察不同林齡胡楊根系主要分布深度。采樣時(shí)間為2012年8月初，采樣的前后幾天內(nèi)均無降雨產(chǎn)生也無凝結(jié)水生成。齡組劃分參照林業(yè)部門的標(biāo)準(zhǔn)，各不同林齡胡楊基本特征見表1。

(1)土壤含水量測(cè)定

土壤含水量取樣，幼齡林和成熟林樣地土壤剖面0—40 cm，每10 cm為一層;40—320 cm，每20 cm為一層。過熟林樣地土壤剖面0—40 cm,每10 cm為一層;40—260 cm，每20 cm為一層。每層3個(gè)重復(fù)。測(cè)定土壤含水量的土壤裝入鋁盒中，在試驗(yàn)地立即稱鮮重并記錄其鮮重，帶回實(shí)驗(yàn)室于105 ℃烘箱中烘干至恒重后計(jì)算土壤含水量。

(2)植物木質(zhì)部取樣

為消除氣孔蒸騰作用造成的同位素富集，對(duì)于木質(zhì)部的取樣，選擇超過2a的莖，直徑0.5 cm左右，長(zhǎng)在5 cm之內(nèi)的枝條段，迅速將枝條段的外皮和韌皮部去除，保留木質(zhì)部。

(3)土壤水取樣

土壤水同位素取樣的土壤剖面的分層情況同土壤含水量取樣，與土壤水取樣同時(shí)進(jìn)行，所取樣品(植物木質(zhì)部和土壤同位素樣品)均迅速裝入玻璃瓶?jī)?nèi)蓋好瓶塞，利用parafilm封口膜予以密封并迅速放入冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室。在進(jìn)行同位素測(cè)定前，置于-20 ℃冷凍。

表1　不同林齡胡楊基本特征

(4)地下水取樣

地下水樣取自附近觀測(cè)井。2010年10月在黑河下游額濟(jì)納旗的烏蘭圖格建成一條生態(tài)監(jiān)測(cè)斷面，沿垂直于河道的方向布設(shè)7口生態(tài)監(jiān)測(cè)井，不同林齡胡楊樣地附近的井水代表地下水測(cè)定其的δD、δ18O值。

(5)葉片取樣

在木質(zhì)部取樣的同時(shí)進(jìn)行葉片取樣，選擇生長(zhǎng)良好，無病蟲害的綠色葉片，每棵樹取20—30片葉子。把晾干后的葉子放入烘箱在105 ℃殺青，之后在60 ℃下干燥樣品48 h至恒重，然后將樣品粉碎過0.15 mm的篩子，取約5.0 mg樣品，用錫箔包裝好后制備成供測(cè)樣品。

1.2.2水分提取和樣品分析

土壤水和植物木質(zhì)部水分采用低溫真空蒸餾法提取[9]。在荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用Isoprime100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)量地下水、枝條木質(zhì)部水分和土壤各層水分的穩(wěn)定氫和氧同位素比率和葉片碳同位素比率:

δD(‰)=((Rsample/Rstandard)-1)×1000

(1)

δ18O(‰)=(( Rsample/Rstandard)-1)×1000

(2)

δ13C(‰)=((Rsample/Rstandard)-1)×1000

(3)

式中,δD、δ18O和δ13C和分別為對(duì)應(yīng)樣品的穩(wěn)定氫、氧和碳同位素值，Rsample和Rstandard分別為樣品和國際通用標(biāo)準(zhǔn)物中元素的重輕同位素豐度之比(如18O /16O)。精度(1δ)18O/16O優(yōu)于0.1‰，D/H優(yōu)于0.3‰，13C/12C優(yōu)于0.2‰。δD值的測(cè)試誤差不超過1‰，δ18O和δ13C值的測(cè)試誤差不超過0.2‰。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

不同林齡胡楊的平吸水深度用深度模型進(jìn)行分析[9]，該模型是由Romero-Saltos 等在2005 年提出的模型方法，模型以同位素質(zhì)量守恒為前提，植物莖木質(zhì)部水中的同位素的值是土壤各深度處的水分同位素值按比例混合的結(jié)果。該模型結(jié)合 MATLAB 軟件，利用觀察到的平均δD的值所計(jì)算出的方差來計(jì)算預(yù)期的土壤中每厘米氘同位素的值。模型估計(jì)在確定一棵樹所吸水的平均深度是有兩個(gè)假設(shè)：假設(shè)一，在任何時(shí)間，植物都可以吸收 50 cm處的水分。假設(shè)二，植物在土壤不同深度吸水服從正態(tài)分布(公式4)。模型還有一個(gè)公理：質(zhì)量平衡原理。模型可計(jì)算每厘米處土壤水中同位素的值，從地表直到計(jì)算的最底部。

模型具體算法如下：先輸入土壤采樣的深度，各深度處土壤樣品的氘同位素的值，其次輸入植物樣品中的氘同位素值，再次輸入植物吸收土壤水的標(biāo)準(zhǔn)方差。(例如：如果植物被認(rèn)為能從土壤中 50 cm 深度處吸收水分時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差定為 8.33 cm)。輸入之后由 1 開始計(jì)算，計(jì)算間隔設(shè)為 1 cm，這樣每1厘米的土壤水中的氘同位素的值算出的貢獻(xiàn)率都可以知道，模型可以算出植物具體吸收哪一平均深度的土壤水分。

(4)

式中，ni是植物根在Y 深度處所吸收的水分的比例，μ是根在土壤中所吸收水分的平均深度，σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差值為8.33 cm，ni的總和為1。

不同土層土壤水δ18O的差異及不同林齡胡楊δ18O的差異用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件分析。采用Origin進(jìn)行圖表繪制。

2結(jié)果分析

2.1不同林齡胡楊土壤剖面含水量的變化

不同林齡胡楊土壤剖面含水量隨土壤深度的變化而變化(圖2)，其中，幼苗土壤剖面的含水量高于過熟木高于成熟木，根據(jù)不同林齡胡楊土壤剖面含水量情況可大致分為3個(gè)區(qū)間，即：

1)第1個(gè)區(qū)間為土壤深度小于100 cm的范圍。在這個(gè)深度范圍內(nèi)，幼苗高于過熟木高于成熟木(圖2)。成熟木和過熟木的土壤剖面含水量變化不大，含水量都緩慢上升，成熟木的土壤含水量變化范圍在0.64%—2.08%；過熟木的土壤含水量變化范圍在2.09%—4.15%；幼苗土壤剖面的含水量變化范圍在3.86%—18.89%，且在40—80 cm出現(xiàn)了一個(gè)含水量高峰，在此深度范圍土壤質(zhì)地為沙壤土，與周圍土層沒有區(qū)別，因此，出現(xiàn)這個(gè)“峰”值可能與胡楊幼苗的根系分布等有關(guān)。

圖2　黑河下游河岸林不同林齡胡楊土壤剖面含水量變化Fig.2　Variations of soil water content in soil profile of Riparian forest of different ages of Populus Euphratica in the lower reaches of the Heihe Basin

2)第2個(gè)區(qū)間為土壤深度100—200 cm。在這個(gè)區(qū)間，不同林齡胡楊土壤剖面含水量都出現(xiàn)了一個(gè)含水量的高峰，胡楊幼苗在120—140 cm處出現(xiàn)了第2個(gè)“峰”，峰值處含水量為17.35%。成熟木土壤剖面的含水量在180—200 cm出現(xiàn)了一個(gè)“峰”，峰值處含水量為7.08%。過熟木土壤剖面的含水量在100—120 cm出現(xiàn)了一個(gè)“峰”，峰值處含水量為6.34%。這些峰值的出現(xiàn)是該層土壤為粘土所致，但成熟木和過熟木的峰值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于幼齡林的峰值。胡楊幼苗土壤剖面的含水量和峰值都高于成熟木和過熟木，這可能與成熟胡楊耗水量高于胡楊幼苗有關(guān)[19]。

3)第3個(gè)區(qū)間為土壤深度200 cm至地下水位處(胡楊幼苗、成熟木為320 cm，過熟木為260 cm。)，在這個(gè)區(qū)間，胡楊幼苗、成熟木和過熟木土壤剖面的含水量都在接近地下水位時(shí)忽然出現(xiàn)了一個(gè)含水量最高峰，峰值分別為31.79%、24.55%和28.63%，這是地下水直接補(bǔ)給該層土壤水分的原因。這個(gè)也可在下文中通過對(duì)比深層土壤水的δ18O接近地下水δ18O得出此結(jié)論。

2.2不同林齡胡楊吸水層位

從胡楊木質(zhì)部水的測(cè)試結(jié)果可知，胡楊幼苗、成熟木、過熟木的δ18O分別是-5.37‰；-6.03‰；-6.92‰。不同林齡胡楊木質(zhì)部的δ18O值差異呈極顯著(P<0.001)，胡楊幼苗高于胡楊成熟木高于胡楊過熟木，不同林齡胡楊木質(zhì)部δ18O值差異顯著，這可能和不同林齡胡楊的主要吸水層位有關(guān)。

不同林齡胡楊土壤剖面不同深度的土壤水δ18O存在較大差異，并呈規(guī)律性變化，土壤水δ18O隨深度加深呈逐漸降低的趨勢(shì)，不同林齡胡楊土壤剖面都在5 cm深度左右出現(xiàn)了δ18O最大值(圖3)。胡楊幼苗、成熟木和過熟木土壤剖面δ18O最大值分別為4.36‰、4.09‰和1.52‰。在5 cm以下深度，土壤水δ18O總體上隨深度增加而逐漸減小。胡楊幼苗土壤剖面在0—30 cm蒸發(fā)較強(qiáng)烈，δ18O值為4.36‰ — -3.44‰。自60 cm至320 cmδ18O值波動(dòng)較小，值在-7.00‰左右，且接近地下水的δ18O值(-6.94‰)；胡楊成熟木土壤剖面在0—120 cmδ18O值從4.09‰降到-3.57‰，減小的速度較快；120—200 cmδ18O值在-5.00‰左右波動(dòng)，減小的幅度變緩；200 — 320 cmδ18O值在-7.1‰ — -7.4‰之間波動(dòng)，且接近地下水的δ18O值(-6.94‰)，胡楊過熟木土壤剖面在0—100 cmδ18O值為1.52‰ — -6.14‰，120 — 260 cmδ18O值在-7.00‰左右波動(dòng)，且非常接近地下水的δ18O值(-6.94‰)。在接近地下水位之前，不同林齡胡楊樣地土壤水的δ18O值都接近地下水的δ18O值，這主要是由于底部土壤受地下水補(bǔ)給影響大的原因。不同林齡胡楊樣地的土壤水δ18O值變化都與其深度呈指數(shù)關(guān)系(圖3)，表明土壤剖面在上界面受連續(xù)蒸發(fā)作用，下界面接受潛水的連續(xù)補(bǔ)給[20]。

圖3　不同林齡胡楊樣地δ18O值與深度關(guān)系Fig.3　The relations of δ18O values and depth forsamples of different ages of Populus euphratica

本研究將土壤水和胡楊木質(zhì)部水的δ18O、δD進(jìn)行對(duì)比，以胡楊木質(zhì)部水為標(biāo)準(zhǔn)，尋找δ18O、δD同位素組成與之相同的土壤水所處的區(qū)間，該區(qū)間即為胡楊吸收土壤水的主要層位。

將胡楊幼苗、成熟木和過熟木木質(zhì)部水的δ18O與不同深度土壤水δ18O對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖4)：胡楊幼苗δ18O相交于與土壤水30—40 cm深度處；胡楊成熟木δ18O相交于與土壤水170—190 cm深度處；胡楊過熟木δ18O相交于與土壤水70—100 cm、190—210 cm、230—250 cm深度處。

圖4　不同林齡胡楊樣地土壤水、地下水和木質(zhì)部水δD、δ18O值比較Fig.4　Comparison of δ D、δ18O values of soil water and xylem water and ground water from the sample of different ages of P. euphratica

將胡楊幼苗、成熟木和過熟木木質(zhì)部水的δD與不同深度土壤水δD對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖4)：胡楊δD相交于與土壤水35—50 cm深度處，接近130 cm和210—250 cm；胡楊成熟木δD值相交于與土壤水15—35 cm和110—130 cm深度處，胡楊過熟木δD值相交于與土壤水25—35 cm和190—210 cm深度處。

通過對(duì)比不同林齡胡楊木質(zhì)部水的δ18O、δD和不同深度土壤水δ18O、δD，結(jié)果胡楊幼苗的主要吸水層位基本相同，而胡楊成熟木和過熟木有所差別。

2.3不同林齡胡楊的平均吸水深度

吸水深度模型圖結(jié)合 MATLAB 軟件的計(jì)算結(jié)果如圖所示。

δ18O計(jì)算的胡楊幼苗、成熟木、過熟木的平均吸水深度依次為36 cm、182 cm和104 cm(圖5)。

圖5　不同林齡胡楊的平均吸水深度　Fig.5　Mean depths of water uptaker by different ages of Populus euphratica

δD計(jì)算的胡楊幼苗、成熟木、過熟木的平均吸水深度依次為38 cm、26 cm和108 cm、39 cm 和195 cm，其中測(cè)得胡楊成熟木、過熟木的平均吸水深度為兩個(gè)值(26 cm和108 cm，39 cm和195 cm)(圖5)。

由δD和δ18O計(jì)算得出的胡楊幼苗吸水深度基本相同，位于36—38 cm之間，這和通過對(duì)比土壤水δ18O和胡楊幼苗木質(zhì)部水的δ18O得出的胡楊幼苗的主要吸水層位位于30—40 cm之間的結(jié)果一致，而由δD和δ18O計(jì)算得出的胡楊成熟木和過熟木的結(jié)果相差較大，由δ18O計(jì)算得出的胡楊成熟木吸水深度深于胡楊過熟木，相反，由δD計(jì)算得出的胡楊過熟木吸水深度深于胡楊成熟木。由δD和δ18O計(jì)算得出的胡楊成熟木和過熟木吸水深度相差較大。究其原因，可能與氫氧同位素的分餾速度不一致有關(guān)，不同林齡胡楊δD與δ18O關(guān)系見圖6。

圖6　不同林齡胡楊δ D與δ18O關(guān)系Fig.6　The relations of δ D and δ18O for different ages of Populus euphratica

圖7　不同林齡胡楊δ13C值變化　Fig.7　Variation of δ13C values of different ages of Populus euphratica

2.4不同林齡胡楊的水分利用效率

通過比較不同林齡胡楊δ13C的變化(圖7)，結(jié)果表明，林齡對(duì)胡楊葉片δ13C 值的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05) 。其中，胡楊幼苗葉片δ13C顯著高于胡楊成熟木高于胡楊過熟木，胡楊葉片δ13C 值在C3植物的葉片δ13C 值范圍內(nèi)(-20‰ — -35‰),葉片的δ13C 值可以反映它的長(zhǎng)期水分利用效率[21]。

3結(jié)論與討論

不同林齡胡楊土壤剖面水分的顯著差異主要與土壤質(zhì)地、胡楊根系在土壤剖面的分布及胡楊水分利用等有關(guān)。觀察試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)剖面中都出現(xiàn)了含水量的高峰，而不同林齡胡楊的平均吸水深度都接近含水量的高峰，這與劉麗穎研究的高寒沙地中間錦雞兒吸水根集中分布區(qū)域土壤含水量明顯降低的結(jié)果不同[22]。

不同林齡胡楊樣地不同深度的土壤水δ18O和δD值存在較大差異，總體上隨深度增加而逐漸減小。主要原因是干旱區(qū)降水對(duì)土壤水補(bǔ)給較少，因而，土壤剖面的上界面受到連續(xù)蒸發(fā)作用，下界面則接受潛水的連續(xù)補(bǔ)給，從而造成了不同深度的土壤水δ18O和δD值存在較大差異，這與前人的研究結(jié)果相似[23- 25]。不同樣地土壤剖面都在5 cm深度左右出現(xiàn)了δ18O最大值，在5 cm以下深度，土壤水δ18O總體上隨深度增加而逐漸減小。不同林齡胡楊樣地的土壤水δ18O值變化都與其深度呈指數(shù)關(guān)系，表明土壤剖面在上界面受連續(xù)蒸發(fā)作用，使得表層土壤水重同位素表現(xiàn)出明顯的富集，下界面接受潛水的連續(xù)補(bǔ)給，使得與表層土壤水δ18O和δD值存在較大差異。

3.1不同林齡胡楊的主要吸水層位

通過對(duì)比不同林齡胡楊木質(zhì)部和不同土層土壤水δD、δ18O，結(jié)果表明，雖然不同林齡胡楊主要吸水層位有些不同，但有些吸水區(qū)域是重合的，對(duì)比得出的胡楊幼苗吸水層位基本相同，重合區(qū)間位于35—40 cm之間，而通過對(duì)比δD還得出，胡楊幼苗δD 與130 cm 和210—250 cm處土壤水δD接近，由于胡楊幼苗主要吸水根系位于土壤表層，因此排除130 cm 和210—250 cm，認(rèn)為胡楊幼苗主要利用35—40 cm之間的土壤水。

對(duì)比δD發(fā)現(xiàn)，胡楊成熟木δD值相交于與土壤水15—35 cm和110—130 cm深度處，但胡楊成熟木在15—35 cm之間土壤含水量低，且取樣過程中未見根系分布，因此排除15—35 cm，結(jié)合對(duì)比δ18O的結(jié)果，認(rèn)為胡楊成熟木主要利用110—130 cm和170—190 cm之間的土壤水。

對(duì)比δD發(fā)現(xiàn)，胡楊過熟木δD值相交于與土壤水25—35 cm和190—210 cm深度處。胡楊過熟木在25—35 cm之間土壤含水量低，且取樣過程中未見根系分布，因此排除25—35 cm。結(jié)合對(duì)比δ18O的結(jié)果，胡楊過熟木δ18O值相交于與土壤水70—100 cm、190—210 cm、230—250 cm深度處，認(rèn)為胡楊過熟木主要利用190—210 cm之間的土壤水。

3.2不同林齡胡楊的平均吸水深度

吸水深度模型計(jì)算結(jié)果顯示，用δD、δ18O分別測(cè)定的胡楊幼苗的吸水深度非常接近，為37 cm，同時(shí)也和通過對(duì)比土壤水δD、δ18O和胡楊幼苗木質(zhì)部水的δD、δ18O得出的結(jié)論(胡楊幼苗主要利用35—40 cm之間的土壤水)一致，該吸水深度也符合胡楊幼苗吸水根系的分布范圍[19]。

計(jì)算胡楊成熟木、過熟木的平均吸水深度時(shí)都出現(xiàn)了兩個(gè)值(26 cm、108 cm和39 cm、195 cm)，這種現(xiàn)象僅僅存在于干旱地區(qū)[18]。參考鞏國麗[5]在確定柴達(dá)木盆地南部白刺吸水深度的研究結(jié)果，認(rèn)為土壤含水量低的該深度的土壤水不是植物所吸收的水。由于成熟木和過熟木在26 cm和39 cm處土壤含水量很低，且沒有根系分布，因此認(rèn)為成熟木和過熟木的平均吸水深度為108 cm和195 cm。

δD、δ18O測(cè)定的胡楊成熟木的平均吸水深度在108—182 cm之間，再結(jié)合通過對(duì)比土壤水和胡楊木質(zhì)部水的δD、δ18O結(jié)果，木質(zhì)部δ18O值與土壤水δD、δ18O值相交于110—130 cm和170—190 cm深度處，108 cm非常接近110—130 cm，182 cm處于由于170—190 cm之間，因此認(rèn)為胡楊成熟木的平均吸水深度為δD、δ18O測(cè)定吸水深度的平均值145 cm。

δD、δ18O測(cè)定的胡楊過熟木的平均吸水深度在104—195 cm之間，胡楊過熟木δ18O值與土壤水δ18O值相交于70—100 cm、190—210 cm、230—250 cm深度處，作者認(rèn)為胡楊過熟木的主要吸水層位首先排除230—250 cm，因?yàn)樵诮咏叵滤坏?50 cm處的δ18O值遠(yuǎn)離地下水的δ18O值，可能原因是在采樣、真空抽提等過程中出現(xiàn)了誤差，再結(jié)合通過對(duì)比土壤水和過熟木木質(zhì)部水的δD、δ18O結(jié)果，木質(zhì)部δ18O值與土壤水δD、δ18O值相交于70—100 cm和190—210 cm深度處，104cm非常接近70—100 cm，195 cm處于由于190—210 cm之間，認(rèn)為胡楊過熟木的平均吸水深度為δD、δ18O測(cè)定的吸水深度的平均值149.5 cm，位于兩主要吸水層位70—100 cm和190—210 cm之間。

通過運(yùn)用吸水深度模型并結(jié)合通過對(duì)比土壤水和胡楊木質(zhì)部水的δ18O值的結(jié)果顯示，胡楊幼苗的平均吸水深度為37 cm，胡楊成熟木的平均吸水深度為145 cm，胡楊過熟木的平均吸水深度為149.5 cm,表明不同林齡胡楊的平均吸水深度不同，會(huì)隨林齡變化而選擇性地利用不同深度的土壤水分。而劉麗穎等利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，測(cè)定了共和盆地不同林齡中間錦雞兒枝條木質(zhì)部和土壤各層水分的值,分析它們是否隨林齡變化而選擇性地利用不同深度的土壤水分，結(jié)果表明:中間錦雞兒均主要利用源自降雨的土壤淺層10—50 cm 的水分，不會(huì)隨林齡變化而選擇性地利用不同深度的土壤水分[20]，這和本研究的胡楊會(huì)隨林齡變化而選擇性地利用不同深度的土壤水分結(jié)果相反，究其原因，主要和不同植物的根系分布及水分利用策略有關(guān)。

3.3不同林齡胡楊的水分利用效率

穩(wěn)定碳同位素的測(cè)量結(jié)果表明，不同林齡胡楊水分利用效率差異顯著，隨著年齡的增長(zhǎng)，水分利用效率具有降低的趨勢(shì)。胡楊幼苗與成熟木和過熟木相比，具有相對(duì)較高的水分利用效率。胡楊幼苗平均株高3.5 m，平均冠幅1.2m × 1.5 m，根系分布土層較淺，主要分布在20—40 cm。胡楊幼苗木質(zhì)部水分的δD 值、δ18O 值與地下水的值均差異較大，表明胡楊幼苗沒有利用地下水，這就可能致使胡楊幼苗在缺水季節(jié)受到一定的水分脅迫，導(dǎo)致其δ13C 值明顯高于成熟木和過熟木，加之黑河下游降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，胡楊幼苗更易受到水分脅迫，因此，胡楊幼苗在尚未能夠利用地下水之前，采取提高其水分利用效率的方法來應(yīng)對(duì)干旱脅迫。而胡楊成熟木和過熟木具有較深和較廣的根系分布，具有較穩(wěn)定的水分來源(深層土壤水和地下水)，這樣就不容易受到水分脅迫，因此，具有相對(duì)較低的水分利用效率。比較胡楊成熟木(60—120 cm)和過熟木(60—160 cm)根系分布范圍，過熟木具有更深的分布范圍，表明胡楊過熟木更容易利用穩(wěn)定的水源(地下水)，導(dǎo)致其δ13C 值低于成熟木，具有較低的水分利用效率。這也從側(cè)面說明，隨著胡楊林齡的增長(zhǎng)，會(huì)選擇利用更穩(wěn)定的水分來源來應(yīng)對(duì)干旱脅迫。

不同林齡胡楊的平均吸水深度不同，隨林齡變化而選擇性地利用不同深度的土壤水分，以避免水分競(jìng)爭(zhēng)。成熟胡楊選擇利用較深的土壤水及地下水，可減少對(duì)表層土壤水分的耗散，使胡楊幼苗和草本植物有更多的水分供給，保證胡楊幼苗的成活率和天然更新。有文章指出胡楊過熟木會(huì)將體內(nèi)多余的水分釋放到土壤表層，供給幼齡胡楊生長(zhǎng)所需[26]。長(zhǎng)此以往，過熟胡楊充當(dāng)了供給水分的物種，一部分水分供給幼齡胡楊使用，從而，保證了胡楊幼苗的生長(zhǎng)。在本文中，胡楊幼苗樣地土壤含水量在40—80 cm出現(xiàn)一個(gè)含水量的高峰，這也從側(cè)面解釋了胡楊過熟木可能存在水力提升現(xiàn)象。

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Study on the depth of water uptake byPopuluseuphraticatrees of different ages in the lower reaches of the Heihe River, based on the stable isotope techniques

LIU Shubao1, CHEN Yaning2,*,CHEN Yapeng2, DENG Haijun2, FANG Gonghuan2

1XinjiangKeyLaboratoryforEnvironmentalpollutionmonitoringandriskwarning，XinjiangAcademyofEnvironmentalProtectionSciences,Urumqi830011,China2StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China

Abstract：Water availability is one of the most important factors affecting vegetation distribution in terrestrial ecosystems, especially in arid regions. Plant species vary in their abilities to absorb water from different soil depths.The depth from which plant species obtain water directly determines their distributions. Therefore, quantifying the depth of water uptake of dominant species is critically important to defining and predicting vegetation spatiotemporal distributions under global change. Stable isotopes of oxygen and hydrogen have become an important tool for identifying the plant water uptake sources; this is because various water sources possess distinct oxygen or hydrogen isotope signatures. However, there has been little research on shifts in water sources with phenological development. Research on the mean depth of water uptake of trees of different ages is essential for formulating conservation strategies for the riparian tree, Populus euphratica. This study assessed the contributions of different potential water sources to P. euphratica. We used the Romero-Saltos model and levels of stable oxygen and hydrogen isotopes (δD, δ18O) in the xylem of P. euphratica individuals of different ages and in soil water and groundwater along the lower Heihe River. For all the three age classifications (young forest, mature forest and over-mature forest), the shallowest soil water sample (5 cm in depth) had the highest or near highest measured values of δ18O: 4.4 ‰, 4.1 ‰, and 1.5 ‰, respectively. δD and δ18O decreased with increasing depth. The greatest rates of decrease occurred near the surface, reflecting evaporation of soil water near the surface. The similarity between deep soil and groundwater δD and δ18O values of for all forest ages strongly suggests that the deep soil water is derived from groundwater. We found significant differences in δ18O values in the xylem among different ages of P. euphratica. The δ18O values of young, mature and over-mature forest reached -5.37‰, -6.03‰, and -6.92‰ respectively, reflecting the reliance of older trees on deeper sources of water with lower δ18O values, closer to those of groundwater. The mean depth of water uptake P. euphratica varied with age. The mean depths of water uptake of seedlings, mature and over-mature forest were 37, 145, and 149.5 cm, respectively. This indicates that P. euphratica accesses deeper soil moisture with age. The δ13C values of young, mature and over-mature forest were -26.30‰, -27.53‰, and -29.03‰, respectively. Similarly, we found significant differences in δ13C values of leaves among different ages of P. euphratica. The water use efficiency of young, mature, and over-mature forest were different, and tended to decrease with age. For all ages of forest, soil moisture peaked between 100 and 200 cm depth, which it is close to the mean water uptake depth of P. euphratica of all ages.

Key Words:the mean depth of water uptake; Populus euphratica;δD; δ18O

DOI:10.5846/stxb201404050650

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: chenyn@ms.xjb.ac.cn

收稿日期:2014- 04- 05; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 06- 12

基金項(xiàng)目:自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91025025)

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