黔西北石漠化桑園土壤水穩(wěn)定同位素的時(shí)空變化特征

邢 丹，肖玖軍，王曉紅，張 芳，韓世玉*，羅朝斌，梁彥平

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省蠶業(yè)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001；4.貴州師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

黔西北石漠化桑園土壤水穩(wěn)定同位素的時(shí)空變化特征

邢 丹1，2，肖玖軍3，王曉紅2，張 芳2，韓世玉2*，羅朝斌2，梁彥平4

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省蠶業(yè)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001；4.貴州師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

為揭示石漠化桑園土壤水分動(dòng)力學(xué)機(jī)制及進(jìn)一步研究桑樹(shù)水分利用策略提供依據(jù)，采用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究黔西北石漠化桑園(貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)清水鋪鎮(zhèn)大地村)0～50 cm剖面土壤水氫氧穩(wěn)定同位素的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：黔西北石漠化桑園土壤水中氫氧同位素具有良好的線性關(guān)系：δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98。土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素組成具有明顯的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)為春季(δD和δ18O平均值分別為-33.9 ‰±18.5 ‰和-5.8 ‰±2.0 ‰)>夏季(分別為-41.4 ‰±8.8 ‰和-6.4 ‰±1.2 ‰)>秋季(分別為-87.0 ‰±6.8 ‰和-11.9 ‰±1.2 ‰)。在空間上樣地間的土壤水δD和δ18O差異均不顯著；土壤水氫氧同位素隨土壤深度呈梯度分布，其中4月份土壤水δD和δ18O隨剖面深度增加而遞減，7月份遞增，10月份呈降-升-降變化趨勢(shì)。

石漠化桑園；土壤水；穩(wěn)定同位素

我國(guó)西南喀斯特地區(qū)雖然地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，但由于喀斯特充分發(fā)育，土層淺薄，土被不連續(xù)，地表保水能力差，加之降水時(shí)空分布不均，土壤水分虧缺仍然是該區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要障礙因子[1]。為提高土壤水分利用效率，必須采取合理的水資源管理措施，因此需要充分了解土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。氫氧同位素(D和18O)是研究水體運(yùn)移的理想示蹤劑，土壤水中D和18O的時(shí)空變化不僅對(duì)分析土壤的補(bǔ)給水從地表向地下入滲的過(guò)程有示蹤作用，而且對(duì)分析受蒸發(fā)作用土壤水或地下水向上運(yùn)移的過(guò)程也具有良好的指示作用。ZIMMERMANN U等[2]較早應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)研究土壤水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制及同位素剖面分布情況。隨后大量土壤水同位素研究相繼展開(kāi)，并指出穩(wěn)定同位素技術(shù)可為分析土壤水分運(yùn)移提供更有效的信息[3-6]，因而在探索石漠化桑園土壤水分運(yùn)動(dòng)與循環(huán)方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

土壤水中穩(wěn)定同位素值受降水入滲、土壤蒸發(fā)、土壤水分運(yùn)動(dòng)、植被類型等多種因素影響，處于不斷變化中[7]。田立德等[5]研究表明，表層土壤水中δ18O受降水的影響最為明顯。程立平等[7]研究發(fā)現(xiàn)，土地利用、降水入滲和蒸發(fā)等條件明顯影響土壤水同位素剖面分布。一般而言，降雨入滲補(bǔ)給是影響土壤水同位素組成的重要因素[8]，而影響降雨入滲的因素有降雨量、植被覆蓋、土壤性質(zhì)等[9-12]。植物的蒸騰作用、植被類型差異等對(duì)土壤水分穩(wěn)定同位素組成產(chǎn)生影響[13-14]。西南喀斯特山區(qū)土壤水分具有明顯的時(shí)空變異性和派生性，這些特性與該地區(qū)復(fù)雜多變的地形地貌、植被類型和多樣的小生境等密切相關(guān)[15-16]。借助于穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，一些學(xué)者研究分析了貴州中部、南部等自然生長(zhǎng)的植被條件下土壤水分同位素組成、變化及土壤水運(yùn)移規(guī)律[17-19]。

桑樹(shù)(MorusalbaL.)是我國(guó)最常見(jiàn)的鄉(xiāng)土樹(shù)種，自古就有“東方自然神木”之稱。桑樹(shù)不僅在治病療疾中用途廣泛，還是優(yōu)良的抗逆樹(shù)，即抗旱、耐瘠、耐堿能力極強(qiáng)[20-21]。同時(shí)，桑樹(shù)在綠化荒山、治理水土流失等生態(tài)治理方面作用顯著[22-23]。已有零星報(bào)道桑樹(shù)作為抗旱、耐瘠、喜鈣的速生經(jīng)濟(jì)樹(shù)種應(yīng)用于石漠化地區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[24]。但是，桑樹(shù)受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度大，目前缺乏對(duì)石漠化地區(qū)桑樹(shù)生長(zhǎng)條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程的科學(xué)認(rèn)識(shí)。為此，筆者以貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)石漠化桑園為試驗(yàn)點(diǎn)，采集不同季節(jié)不同剖面土壤樣品進(jìn)行穩(wěn)定同位素分析，研究土壤水穩(wěn)定同位素組成及時(shí)空變化特征，以期發(fā)現(xiàn)土壤水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為揭示石漠化桑園土壤水分動(dòng)力學(xué)機(jī)制及進(jìn)一步研究該區(qū)桑樹(shù)水分利用策略提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 桑樹(shù) 種植桑樹(shù)品種為農(nóng)桑12號(hào)，屬于魯桑系列，由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所選育。于2006年引進(jìn)桑苗移栽，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民為了養(yǎng)蠶分別于立春前后和7月初左右對(duì)桑樹(shù)進(jìn)行春伐和夏伐，直至2013年開(kāi)始停止對(duì)桑樹(shù)伐枝，桑樹(shù)處于自然生長(zhǎng)狀態(tài)。該桑樹(shù)品種樹(shù)形直立，樹(shù)冠緊湊，發(fā)條數(shù)多，枝條粗長(zhǎng)而直，無(wú)側(cè)枝；葉長(zhǎng)23.3 cm，葉幅22.7 cm，秋季每米條長(zhǎng)產(chǎn)葉量比春季多[25]。

1.1.2 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)在貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)清水鋪鎮(zhèn)大地村的石漠化桑園進(jìn)行，土壤為石灰性土。試驗(yàn)區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，氣候溫和，年均氣溫14.4 ℃，雨量充沛，年均降雨量900 mm。2015年全年降雨量1126 mm，其中春季3-5月的降雨量為397 mm(4月為89.4 mm)、夏季6-8月降雨量為408.2 mm(7月為117.4 mm)、秋季9-11月降雨量為244.1 mm(10月為3.5 mm)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤采集 在桑園選擇3個(gè)樣地土壤為研究對(duì)象(表1)，分別于2015年的4月16日、7月20日和10月16日采用土鉆法鉆取不同深度土壤樣品，取樣深度0～50 cm，間隔10 cm采集一個(gè)混合樣品。為避免蒸發(fā)引起的同位素分餾，現(xiàn)場(chǎng)采集樣品后迅速裝入8 mL同位素玻璃瓶并密封，放入低溫采樣箱帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存。土壤水分提取與氫氧同位素測(cè)定均在清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室完成。

1.2.2 土壤水分提取 采用真空蒸餾技術(shù)[26]提取土壤水分，與共沸蒸餾方法相比，該方法雖耗時(shí)，但所提取出水分更能真實(shí)地反映樣品中氫氧同位素組成[27]。在抽提過(guò)程中需確保整個(gè)裝置為真空狀態(tài)且不漏氣，并且以樣品不再產(chǎn)生水汽表明已充分抽提出水分。

1.2.3 土壤水δD 和δ18O測(cè)定 對(duì)所抽提的土壤水用MAT 253 同位素比率質(zhì)譜儀-Flash 2000 HT 元素分析儀(美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司生產(chǎn))測(cè)定δD 和δ18O含量，測(cè)定精度分別小于1 ‰和小于0.02 ‰。測(cè)定結(jié)果以SMOW(標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水)為標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示。

表1 桑樹(shù)生長(zhǎng)的樣地環(huán)境特征

δ=(Rsam/Rref-1)×1000 ‰

式中，δ為樣品中穩(wěn)定性氫或氧同位素組成，Rsam和Rref分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物中穩(wěn)定性氫或氧同位素的比率，即重同位素與輕同位素豐度之比。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用軟件Microsoft Excel 2010和Spss 18對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SigmaPlot 10.0和Microsoft Excel 2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 石漠化桑園土壤水穩(wěn)定同位素總體特征

研究區(qū)土壤水δD為-101.4 ‰～-14.3 ‰，變幅達(dá)87.1 ‰，平均為-52.8 ‰±26.5 ‰，說(shuō)明0～50 cm土層土壤水δD值不穩(wěn)定。δ18O為―15.0 ‰～-3.4 ‰，變幅為11.6 ‰，平均為-7.9 ‰±3.1 ‰，變異范圍較小，說(shuō)明0～50 cm土層土壤水δ18O較穩(wěn)定。土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素δD和δ18O的線性關(guān)系較好(圖1)，δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，表明石漠化桑園土壤水氫氧同位素具有極好的相關(guān)性。但其斜率、截距均大于全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)[28]和我國(guó)西南地區(qū)大氣降水線(δD=7.96δ18O+9.52)[29]，表明土壤水的蒸發(fā)分餾較降水的分餾效應(yīng)弱。研究區(qū)土壤水同位素在大氣降水線附近，與劉偉等[17]對(duì)貴州荔波喀斯特與非喀斯特地區(qū)土壤水穩(wěn)定同位素的研究結(jié)果類似，一方面表明研究區(qū)在降水補(bǔ)給土壤水分過(guò)程中，蒸發(fā)作用使土壤水中的氫和氧同位素富集；另一方面表明土壤水中氫和氧同位素除受降水影響外，還受其他水體如地下水或泉水等影響。

圖1 石漠化桑園土壤水、西南地區(qū)及全球大氣降水線Fig.1 Soil water of stony desertification mulberry field and atmospheric precipitation line of Southwestern Guizhou and the world

2.2 土壤水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化特征

從圖2看出，4月份土壤水δD=9.00δ18O+18.68，R2=0.94，δD、δ18O變化范圍分別為-70.2 ‰～-14.3 ‰和-9.4 ‰～-3.4 ‰，平均為-33.9 ‰±18.5 ‰和-5.8 ‰±2.0 ‰；7月份土壤水δD=6.86δ18O+2.87，R2=0.90，δD、δ18O變化范圍分別為-55.0 ‰～-26.3 ‰和-8.3 ‰～-4.5 ‰，平均為-41.4 ‰±8.8 ‰和-6.4 ‰±1.2 ‰；10月份土壤水δD=5.45δ18O-21.90，R2=0.94，δD、δ18O變化范圍分別為-101.4 ‰～-80.4 ‰和-15.0 ‰～-10.8 ‰，平均為-87.0 ‰±6.8 ‰和-11.9 ‰±1.2 ‰。對(duì)比不同時(shí)間δD和δ18O關(guān)系發(fā)現(xiàn)，斜率和截距依次降低，4月份土壤水的同位素值最大、7月份次之、10月份最小，土壤水的氫氧同位素富集程度減弱。原因可能是4月份桑樹(shù)屬于初長(zhǎng)期，土壤表層裸露，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，到10月份時(shí)雖然降雨少但枯落物較多將地表基本覆蓋，土壤蒸發(fā)弱造成。經(jīng)方差分析，不同月份土壤水中δD和δ18O表現(xiàn)出明顯的季節(jié)效應(yīng)，即春季偏重、夏季次之、秋季最輕。

2.3 土壤水穩(wěn)定同位素的空間變化特征

喀斯特石漠化地區(qū)具有豐富多樣的小生境，其小氣候特征、土壤性質(zhì)等存在較大差異，導(dǎo)致各小生境土壤水分δD和δ18O存在顯著差異[19]。從表2可知，不同生境樣地的δD平均值分別為-49.6 ‰±27.6 ‰、-50.0 ‰±26.4 ‰和-58.3 ‰±26.5 ‰，變幅分別為73.1 ‰、80.8 ‰和85.3 ‰；δ18O平均值分別為-7.6 ‰±3.2 ‰、-7.8 ‰±2.9 ‰和-8.3 ‰±3.4 ‰，變幅分別為8.7 ‰、9.5 ‰和11.3 ‰。經(jīng)方差分析，各樣地間土壤水δD和δ18O差異均不顯著(P>0.05)，這與小生境上的植株有關(guān)[34]，因?yàn)楦鳂拥氐纳?shù)品種、種植時(shí)間、大小相同，因而桑樹(shù)對(duì)其土壤水分蒸發(fā)影響程度類似，從而樣地間土壤水分δD和δ18O值差異不顯著；但與所研究的自然環(huán)境下生長(zhǎng)的植株不同[19，35]，

圖2 石漠化桑園不同季節(jié)土壤水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of soil water of stony desertification mulberry field in different seasons

表2 石漠化桑園土壤水穩(wěn)定同位素值的統(tǒng)計(jì)特征

表3 石漠化桑園土壤不同剖面土壤水δD和δ18O的組成

由于同一月份樣地間土壤水同位素組成差異不顯著，采用同一層面土壤水中δD和δ18O的算術(shù)平均值作為當(dāng)月不同深度的δD和δ18O。從表3和圖3可知，土壤水δD和δ18O的變化趨勢(shì)一致，即4月份隨剖面深度增加呈持續(xù)遞減趨勢(shì)，其中土壤水δD值由0～10 cm的-18.3 ‰減少至40～50 cm的-44.5 ‰，δ18O值由-3.8 ‰減少至-7.2 ‰。7月份呈遞增趨勢(shì)，δD值增加17.2 ‰，δ18O值增加1.8 ‰，說(shuō)明降水入滲推動(dòng)了土壤水的向下移動(dòng)。10月份呈降-升-降趨勢(shì)，整體呈降低趨勢(shì)，δD值從0～10 cm到10～20 cm減少5.3 ‰，10～20 cm到20～30 cm上升4.8 ‰，20～30cm到40～50cm減少17.0 ‰；同樣地，δ18O值從0～10 cm到10～20 cm降低0.9 ‰，10～20 cm到20～30 cm上升0.8 ‰，20～30 cm到40～50 cm減少3.6 ‰。10月份土壤水δD和δ18O的剖面變化規(guī)律表明，0～20 cm土壤水受降雨影響較大，隨土層深度增加，30 cm以下受降雨影響減弱，氫和氧同位素主要受土壤水初始同位素影響，與靳宇蓉等[38]采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M黃土高原黃綿土中土壤水氫氧同位素變化特征的結(jié)果相似。

圖3 石漠化桑園土壤水的δD和δ18O垂直變化特征Fig.3 Vertical variation characteristics of δD and δ18O in soil water of stony desertification mulberry field

3 討 論

土壤水是土壤-植物-大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)系統(tǒng)中連接大氣水和植物水的紐帶，土壤水在垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中水分發(fā)生蒸發(fā)分餾，氫氧穩(wěn)定同位素組成發(fā)生改變，因而研究土壤水δD和δ18O的剖面動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)理解SPAC系統(tǒng)的水分運(yùn)移規(guī)律、降水入滲補(bǔ)給、土壤水蒸發(fā)和植物根系吸水等方面有重要作用。土壤水δD、δ18O隨土壤剖面的垂直變化一方面體現(xiàn)出降水入滲補(bǔ)給和土面蒸發(fā)對(duì)土壤水分的影響，另一方面為探索植物根系吸水奠定基礎(chǔ)[36-37]。對(duì)黔西北石漠化桑園土壤水分進(jìn)行氫氧穩(wěn)定同位素分析，采樣期內(nèi)土壤水中氫氧同位素具有良好的線性關(guān)系，δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98，土壤水中δD和δ18O的數(shù)學(xué)平均值為-52.8 ‰和-7.9 ‰。在空間上，3個(gè)樣地間的土壤水δD和δ18O差異均不顯著；土壤水氫氧同位素隨土壤深度呈梯度分布，同時(shí)具有明顯的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)為春季>夏季>秋季。這種季節(jié)變化主要由于當(dāng)?shù)卮髿饨邓?、大氣溫度及桑?shù)生長(zhǎng)的季節(jié)變化引起。一般而言，土壤水氫氧存在季節(jié)變化并呈下降趨勢(shì)[9]，但具體由什么影響因素，不同學(xué)者結(jié)論的不同。有研究表明，δ18O和降水量存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[30-31]，土壤水中氧同位素值亦與降雨有關(guān)[32]，δ18O除受降水量影響外還受根區(qū)水量交換作用及表面蒸發(fā)作用的共同影響[28]。因而，后續(xù)還需深入研究不同影響因素對(duì)桑園土壤水δD和δ18O變化的影響。

4 結(jié) 論

黔西北石漠化桑園土壤水中氫氧同位素具有良好的線性關(guān)系：δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98。土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素組成具有明顯的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)為春季(δD和δ18O平均值分別為-33.9 ‰±18.5 ‰和-5.8 ‰±2.0 ‰)>夏季(分別為-41.4 ‰±8.8 ‰和-6.4 ‰±1.2 ‰)>秋季(分別為-87.0 ‰±6.8 ‰和-11.9 ‰±1.2 ‰)。在空間上樣地間的土壤水δD和δ18O差異均不顯著；土壤水氫氧同位素隨土壤深度呈梯度分布，其中4月份土壤水δD和δ18O隨剖面深度增加而遞減，7月份遞增，10月份呈降-升-降的變化趨勢(shì)。

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(責(zé)任編輯 馮 衛(wèi))

SpatialandTemporalVariationCharacteristicsofStableIsotopesinSoilWaterofStonyDesertificationMulberryFieldinNorthwesternGuizhou

XING Dan1,2, XIAO Jiu-jun3, WANG Xiao-hong2, ZHANG Fang2, HAN Shi-yu2*, LUO Chao-bin2, LIANG Yan-ping4

(1.College of Forestry, Guizhou University, Guizhou Guiyang 550025,China; 2.Guizhou Sericultural Institute, Guizhou Guiyang 550006,China; 3.Guizhou Institute of Mountainous Resources, Guizhou Guiyang 550001,China; 4.College of Life Sciences, Guizhou Normal University, Guizhou Guiyang 550025, China)

The spatial and temporal variation characteristics of hydrogen and oxygen stable isotope in soil water of mulberry field at 0-50 cm soil depth in stony desertification area was analyzed to reveal the soil water dynamics mechanism of mulberry fields in stony desertification area and provide the basis for formulating water utilization strategy of mulberry field. Results: There is a good linear relation between hydrogen and oxygen isotope in soil water of mulberry field (δD=8.39, δ18O=13.76 andR2=0.98). The hydrogen and oxygen stable isotope composition is of obvious seasonal variation characteristics. The average δD and δ18O value in soil water of mulberry field is -33.9 ‰±18.5 ‰ and -5.8 ‰±2.0 ‰ in Spring > -41.4 ‰±8.8 ‰ and -6.4 ‰±1.2 ‰ in Summer > -87.0 ‰±6.8 ‰ and -11.9 ‰±1.2 ‰ in Autumn. There is no obvious difference in δD and δ18O content in soil water among different sample plots. The hydrogen and oxygen stable isotope in soil water presents a gradient distribution with increase of soil depth. The δD and δ18O value in soil water decreases with increase of soil depth in April, increases with increase of soil depth in July and presents a declining-rising-declining trend in October.

Stony desertification mulberry field; Soil water; Stable isotope

1001-4829(2017)3-0639-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.028

S124;S152

A

2016-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“石漠化地區(qū)桑樹(shù)叢枝菌根真菌對(duì)宿主根系吸水的促進(jìn)作用”(31460225)；貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目“辣椒、蠶桑種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用研究創(chuàng)新能力建設(shè)”[黔科合院所創(chuàng)新(2012)4003]；農(nóng)業(yè)部專項(xiàng)資金項(xiàng)目“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)”(CARS-22-SYZ26)

邢 丹(1983-)，女，副研究員，博士，從事土壤與植物生態(tài)學(xué)研究，E-mail:2004xingdan@163.com，*為通訊作者：韓世玉(1965-)，男，高級(jí)農(nóng)藝師，從事辣椒與桑樹(shù)的育種及栽培研究，E-mail：gzhansy@sohu.com。