元陽(yáng)梯田水源區(qū)印度木荷水分來(lái)源分析

閔惠琳，宋維峰*，馬建剛，王卓娟，吳錦奎

(1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000；3.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000)

【研究意義】水分在植物的生長(zhǎng)中起到重要的作用，在一定程度上，當(dāng)環(huán)境水分狀況發(fā)生變化時(shí)，植物對(duì)水分的吸收和利用模式將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果起決定性作用[1]，同時(shí)，當(dāng)氣候變化時(shí)，不同的水分利用來(lái)源不僅對(duì)不同的生活型植物影響生態(tài)水分平衡的程度，而且植被對(duì)水分利用的響應(yīng)程度也起決定性作用。植物的潛在水源主要有降水、土壤水、河水及地下水等，降水又是土壤水、地下水等的源頭。在降水過(guò)程中穩(wěn)定同位素會(huì)產(chǎn)生季節(jié)性的差異，并且在水分運(yùn)移和相態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)發(fā)生同位素的分餾，使得不同的潛在水源的穩(wěn)定氫氧同位素特征存在差異[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，在根系吸收水分到葉片蒸騰的過(guò)程中，葉片中的水分會(huì)產(chǎn)生同位素的富集[3]。除一小部分鹽生植物之外，大多數(shù)植物在根系吸收水分的過(guò)程中氫氧同位素都不會(huì)發(fā)生分餾[4]。使用傳統(tǒng)物理方法很難準(zhǔn)確的確定植物水分來(lái)源[5]，而通過(guò)氫氧同位素可以判斷植物的水分來(lái)源，因此穩(wěn)定同位素技術(shù)被越來(lái)越多的研究者使用，通過(guò)對(duì)比植物體內(nèi)水的δD、δ18O值和各個(gè)潛在水源的δD、δ18O值，就可以確定植物對(duì)這些水源的利用比例[6]。【前人研究進(jìn)展】目前穩(wěn)定同位素在植物水分來(lái)源方面的應(yīng)用主要集中在干旱區(qū)，如邢星等[7]對(duì)諾木洪地區(qū)5種荒漠植物水分及不同水源的穩(wěn)定同位素進(jìn)行對(duì)比分析；周海等[8]應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)研究了準(zhǔn)噶爾盆地白刺、紅砂、多枝怪柳的水分來(lái)源；余紹文等[9]用δ18O同位素確定黑河中游戈壁地區(qū)荒漠植物的水分來(lái)源。但是對(duì)于元陽(yáng)梯田特殊的亞熱帶山地氣候濕潤(rùn)區(qū)的植物水分來(lái)源的研究很少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】印度木荷是一種喜光、喜溫暖濕潤(rùn)的植被，是元陽(yáng)梯田水源區(qū)的優(yōu)勢(shì)樹種之一，適應(yīng)于熱帶和亞熱帶氣候，對(duì)土壤適應(yīng)性較強(qiáng)，其發(fā)達(dá)的根系對(duì)涵養(yǎng)水源和攔截泥沙起到關(guān)鍵性作用。文章以印度木荷為研究對(duì)象，運(yùn)用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)元陽(yáng)梯田水源區(qū)印度木荷植物水與各潛在水源的穩(wěn)定δD、δ18O進(jìn)行對(duì)比分析?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】對(duì)各個(gè)潛在水源的貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量研究，為元陽(yáng)梯田水源區(qū)水分利用及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

元陽(yáng)縣地處云南省紅河州的西南部，地理位置為東經(jīng)102°27′～103°13′，北緯22°49′～23°19′，總面積2215.46 km2。元陽(yáng)縣地處元陽(yáng)梯田的核心區(qū)，境內(nèi)梯田面積為1.32×104hm2，海拔在700～1800 m。研究區(qū)位于全福莊小流域梯田核心區(qū)上方的水源林區(qū)，水源林面積77 hm2，海拔在1584～2030 m，屬中低山丘陵地貌，氣候?qū)賮啛釒降丶撅L(fēng)氣候，相對(duì)濕度為85 %，常年濃霧籠罩[10]。多年平均降水量為1397.6 mm，降水主要集中在5-10月，占全年降雨量的78 % 。多年平均氣溫為20.5 ℃，極端最高氣溫為37.5 ℃，極端最低氣溫為0.6 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)為1820.8 h，年蒸發(fā)量為1184.1 mm[11]。土壤以黃壤、黃棕壤為主，土壤剖面完整，土層厚度約100 cm左右[12]，植被種類豐富，森林茂密。

1.2 樣地概況

試驗(yàn)樣地設(shè)在全福莊小流域上方的水源林區(qū)設(shè)3個(gè)10 m×10 m的印度木荷樣地，樣地概況如表1所示。

1.3 樣品采集與分析

于5-11月上午11:00 時(shí)在全福莊小流域上游水源林區(qū)固定的樣地內(nèi)采集植物、土壤、降水及地下水樣品，以減少光照強(qiáng)度等對(duì)同位素分析的影響。選擇生長(zhǎng)狀況良好的標(biāo)準(zhǔn)木為固定取樣對(duì)象，采集直徑約3 cm左右已栓化的、成熟的印度木荷枝條，迅速去除枝條外皮后放入50 mL的塑料離心管中，在距離植株 1 m 之外的位置，將0～100 cm的土壤以10 cm為單位分層取樣并裝入50 mL的塑料離心管中，在研究區(qū)內(nèi)有常流水的泉水出露點(diǎn)進(jìn)行地下水樣品的采集，同時(shí)在每次降雨停止后收集天然降水，裝入50 mL的塑料離心管中，所有樣品均用Parafilm膜密封，防止水分蒸發(fā)，冷凍貯存。植物和土壤中的水分采用真空抽提裝置來(lái)抽取[13]，使用液態(tài)同位素激光分析儀 DLT100(LGR公司，美國(guó)) 進(jìn)行水樣氫氧同位素值的測(cè)定。同位素的分析結(jié)果用分析水樣與V-SMOW的千分差來(lái)表示，δD的精度為±1 ‰，δ18O的精度為±0.2 ‰。

表1 印度木荷樣地概況

1.4 數(shù)據(jù)處理

由于印度木荷的潛在水源超過(guò)3個(gè)，則用IsoSource來(lái)計(jì)算各潛在水源對(duì)印度木荷的貢獻(xiàn)率[14]，公式如下：

δD=x1δD1+x2δD2+x3δD3

(1)

δ18O=x1δ18O1+x2δ18O2+x3δ18O3

(2)

x1+x2+x3=100 %

(3)

其中,δD1、δD2、δD3為不同水源中的相應(yīng)的氫穩(wěn)定同位素值( ‰)；δ18O1、δ18O2、δ18O3為不同水源中的相應(yīng)的氧穩(wěn)定同位素值( ‰)；x1、x2、x3為不同水源對(duì)植物的相對(duì)貢獻(xiàn)量(%)。

用SPSS17.0進(jìn)行δD和δ18O的相關(guān)性分析和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)降雨特征

降雨量的月際分布直接影響徑流的年內(nèi)分配和植物的生長(zhǎng)發(fā)育，從圖1可以看出，試驗(yàn)區(qū)年降雨量為1343 mm，研究期5-11月的降雨總量為1262 mm，占年降雨量的93.97 %，降雨主要集中在6-9月，占降雨總量的81.93 %。月降雨量呈現(xiàn)單峰型分布，峰值出現(xiàn)在7月，為306 mm，占總降雨量的24.25 %，最小值出現(xiàn)在5和10月，均為75 mm。

圖1 試驗(yàn)區(qū)降雨量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of rainfall in the experimental area

2.2 土壤含水量特征

由圖2可知，5月印度木荷土壤含水量隨土壤深度的增加而增加，變化為7.7 %～26.5 %，整體上較??；7月由于降水強(qiáng)度較大，使得土壤含水量有明顯的增加，變化為2.8 %～35.6 %；8月表層土壤水分相對(duì)比較富集，土壤含水量較之前有所增加，變化為3.5 %～37.8 %；11月土壤含水量整體上隨土壤深度的增加而增加，變化為3.2 %～36.1 %。由于元陽(yáng)地區(qū)降雨量大，土壤持水能力強(qiáng)，下滲快且流失慢，土壤含水量隨土壤深度的增加有增加的趨勢(shì)，并且在60 cm以下此趨勢(shì)更加明顯。

2.3 氫氧同位素的統(tǒng)計(jì)描述

統(tǒng)計(jì)分析印度木荷土壤水、地下水、莖干水和降水的氫氧同位素如表2，印度木荷林下土壤水的δD值在-172.73 ‰ ～-37.37 ‰，δ18O在-23.27 ‰ ～-5.43 ‰；地下水的δD值在-71.35 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-10.67 ‰～-7.09 ‰之；降水的δD值在-68.68 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-9.74 ‰ ～-7.09 ‰；印度木荷莖干水的δD值在-89.55 ‰～-50.15 ‰，δ18O值在-12.78 ‰～-5.29 ‰。對(duì)印度木荷土壤水、地下水、降水及莖干水的δD和δ18O分別進(jìn)行SPSS相關(guān)性分析，得到的相關(guān)性系數(shù)分別為0.949**、0.942**、0.961**和0.987**，表示4種類型樣品的δD和δ18O均極顯著相關(guān)。由于δD和δ18O的相關(guān)性較強(qiáng)，分析印度木荷水分來(lái)源時(shí)只采用δD值進(jìn)行分析。

2.4 印度木荷土壤水與降水、地下水δD間的關(guān)系

從圖3可見，印度木荷土壤水與降水、地下水間的關(guān)系，降水的δD值在-97 ‰～-47 ‰變化，平均值為-70 ‰；地下水的δD值在-70.8 ‰～-53.5 ‰，平均值為-65.6 ‰，標(biāo)準(zhǔn)差為4.43。張應(yīng)華等[15]研究發(fā)現(xiàn)地下水的δD同位素組成處于一個(gè)穩(wěn)定的范圍，不隨季節(jié)變化的結(jié)論相似。從土層看，0～20 cm土層的土壤水氫同位素波動(dòng)較大，隨著土層的增加，土壤水氫同位素的波動(dòng)逐漸減小，60 cm以下各層土壤水的氫同位素波動(dòng)趨于一致。從時(shí)間看，各層土壤水氫同位素值都有較大波動(dòng)。大部分降水的氫同位素值與土壤水大致處在同一范圍，有交點(diǎn)或靠近，說(shuō)明各土層的土壤水在不同程度上得到了降雨的補(bǔ)給。同時(shí)可以看出部分降水的氫同位素與地下水較為接近，說(shuō)明降水對(duì)地下水也存在一定程度的補(bǔ)給。同時(shí)可以看出在5、11月，10～20 cm土層的土壤水氫同位素值與地下水的氫同位素值較為接近，說(shuō)明在降水較少的情況下，地下水對(duì)土壤水有一定程度的補(bǔ)給。

圖2 土壤含水量Fig.2 Soil moisture content

表2 氫氧同位素的統(tǒng)計(jì)描述分析

注：**在0.01 水平上顯著相關(guān)。

Note：** meant significant difference at the 0.01 level.

2.5 印度木荷莖干水與各潛在水源δD的關(guān)系

通過(guò)對(duì)比植物莖干水以及不同深度土壤水的δD值和各水源的δD值，就可以確定植物對(duì)不同潛在水源的利用情況[16]。印度木荷與潛在水源氫氧同位素關(guān)系圖4，5月土壤水的δD值變化為-107 ‰～-37 ‰，土壤水δD逐漸減小，發(fā)現(xiàn)印度木荷莖干水的δD值與土壤水δD值變化曲線在20～40 cm土層之間有一個(gè)交點(diǎn)，可知印度木荷利用的是20～40 cm的土壤水。同時(shí)40～60 cm土層附近的δD值與印度木荷莖干水δD值接近，印度木荷也會(huì)部分利用這一層的土壤水分。

7月受到前期連續(xù)降雨188 mm的影響，土壤含水量有明顯的增加，土壤水的δD值變化范圍為-91 ‰～-68 ‰。表層土壤水的氫同位素被稀釋，δD值降低，隨著土層加深，土壤水δD呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。由于80 cm附近土壤水δD值與印度木荷莖干水的δD值較為接近，印度木荷可能利用的是80 cm附近的、較深層的水分，而不是近期降水，同樣地下水的δD值與印度木荷莖干水的δD值較為接近，印度木荷也會(huì)利用地下水。

圖3 印度木荷土壤水與降水、地下水氫同位素間的關(guān)系Fig.3 The isotopic relationship among soil water, rain water and ground water

8月表層土壤水分相對(duì)比較富集，土壤水的δD值變化范圍在-140 ‰～-77 ‰。對(duì)比發(fā)現(xiàn)印度木荷莖干水的δD值與土壤水δD值變化曲線在60～80cm土層有一個(gè)交點(diǎn)，可知印度木荷利用的是60～80 cm的土壤水。同時(shí)印度木荷莖干水的δD值與80cm處土壤水的δD值接近，80 cm處的土壤水分含量較高，為印度木荷的吸收利用提供了條件。

11月土壤水的δD值變化為-124 ‰～-70 ‰，20 cm附近土壤水的δD值相對(duì)較高，60～100 cm的土壤水的δD值隨土壤深度的增加而降低。印度木荷莖干水與20 cm附近土壤水的δD值及地下水的δD值較接近，以此推斷印度木荷在利用了20 cm附近的土壤水的同時(shí)也會(huì)利用地下水。

綜上分析，印度木荷在利用20～40 cm和60～80 cm土壤水的同時(shí)，也利用地下水問(wèn)題，還需要進(jìn)一步證明。

2.6 不同水源對(duì)植物的貢獻(xiàn)率

利用IsoSource模型得到各水源印度木荷的貢獻(xiàn)率，表3顯示。5月對(duì)印度木荷貢獻(xiàn)率最大的是地下水，其平均貢獻(xiàn)率為38.6 %，印度木荷主要利用了40～100 cm土壤水，其對(duì)印度木荷的貢獻(xiàn)率平均值之和為60.4 %，0～40 cm表層土壤水貢獻(xiàn)很小，說(shuō)明深層土壤水和地下水是印度木荷水分的主要來(lái)源；7月對(duì)印度木荷貢獻(xiàn)率最大的仍然是地下水，平均貢獻(xiàn)率為51.7 %，40～100 cm土壤水對(duì)印度木荷貢獻(xiàn)率的平均值之和為48.6 %，貢獻(xiàn)率最小的仍是表層土壤水，說(shuō)明在有較強(qiáng)降水補(bǔ)給土壤水的情況下，印度木荷利用了40～100 cm土壤水，也利用了地下水；8月60～80 cm的土壤水是印度木荷利用的主要水源，平均貢獻(xiàn)率為39.2 %，其次為地下水，平均貢獻(xiàn)率為32.1 %，當(dāng)降雨時(shí)間長(zhǎng)而量大，補(bǔ)給的土壤水分可以浸潤(rùn)印度木荷的粗根時(shí)，印度木荷的水分來(lái)源趨于多樣化。雖然表層土壤含水量較高，但是印度木荷仍然對(duì)深層土壤水和地下水有很強(qiáng)的依賴；11月前期降雨較少，地下水對(duì)印度木荷的平均貢獻(xiàn)率高達(dá)82.8 %，土壤水的貢獻(xiàn)率很小，少雨季節(jié)，印度木荷主要利用的是地下水，對(duì)土壤水的利用較少。

圖4 不同時(shí)間土壤水、地下水及印度木荷莖干水氫同位素Fig.4 The isotopic of soil water, grand water and water ofSchima khasianain the different stage

綜上分析， 7-8月降雨充足時(shí)，地下水與深層土壤水對(duì)印度木荷的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，總的平均貢獻(xiàn)率地下水為41.9 %，40～100 cm土壤水為19.12 %。在雨季有較強(qiáng)降水補(bǔ)給的情況下印度木荷對(duì)地下水仍有較強(qiáng)的依賴。5和11月前期降雨較少的情況下，地下水對(duì)印度木荷的平均貢獻(xiàn)率高達(dá)60.7 %，土壤水的貢獻(xiàn)較小，說(shuō)明少雨季節(jié)，印度木荷主要利用的是地下水，對(duì)土壤水的利用較少。

3 討 論

研究區(qū)土壤含水量在0～100 cm，都有隨土壤深度的增加而增加的趨勢(shì)，此趨勢(shì)在60 cm深度以下更加明顯。與鄧文平等[5]研究北京山區(qū)林地土壤含水量，得到的土壤含水量從表層到深層逐漸減少的結(jié)論不同，與余紹文等[9]研究黑河流域戈壁灘土壤含水量隨土層深度的變化特征所得出的結(jié)論也不同，是因?yàn)樵颇蠈儆跐駶?rùn)區(qū)，降雨量大并且土壤持水能力強(qiáng)，下滲快且流失慢，致使土壤含水量隨土壤深度的增加而增加。這與馬菁等[17]研究元陽(yáng)梯田林地土壤含水量隨土層深度的變化特征所得出的結(jié)論是一致的。印度木荷對(duì)土壤水和地下水均有不同比例的利用，5和11月前期降雨較少，地下水對(duì)印度木荷的平均貢獻(xiàn)率高達(dá)60.7 %，土壤水的貢獻(xiàn)較小，說(shuō)明少雨季節(jié)，印度木荷主要利用的是地下水，對(duì)土壤水的利用較少，這與王卓娟等[18]研究元陽(yáng)梯田優(yōu)勢(shì)喬木旱冬瓜得出的結(jié)論一致。李鵬菊等[19]研究在干季植物通過(guò)自身發(fā)達(dá)的根系吸收深層土壤水和地下水，給植物提供穩(wěn)定而持久的水分供應(yīng)。7和8月降雨充足時(shí)，地下水與深層土壤水對(duì)印度木荷的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，總的平均貢獻(xiàn)率地下水為41.9 %，40～100 cm土壤水為19.12 %。說(shuō)明印度木荷對(duì)地下水有較強(qiáng)的依賴性，在雨季有較強(qiáng)降水補(bǔ)給的情況下，在利用深層土壤水的同時(shí)，地下水仍是印度木荷的主要水分來(lái)源，為印度木荷提供較為穩(wěn)定的長(zhǎng)期水分供應(yīng)，這與Paula C等[20]研究表明落葉植物幾乎只使用比較可靠的深層土壤水或者地下水的結(jié)論相似。

表3 印度木荷對(duì)各水源的利用率

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)印度木荷土壤水、地下水、莖干水和降水的氫氧同位素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到，印度木荷林下土壤水的δD值在-172.73 ‰ ～-37.37 ‰，δ18O在-23.27 ‰ ～-5.43 ‰；地下水的δD值在-71.35 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-10.67 ‰～-7.09 ‰；降水的δD值在-68.68 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-9.74 ‰ ～-7.09 ‰；印度木荷莖干水的δD值在-89.55 ‰～-50.15 ‰，δ18O值在-12.78 ‰～-5.29 ‰。土壤水、地下水、降水及莖干水的δD和δ18O的相關(guān)性系數(shù)分別為0.949**、0.942**、0.961**和0.987**，表明4種類型樣品的δD和δ18O均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系。

(2)利用直接相關(guān)法對(duì)印度木荷的水分來(lái)源進(jìn)行分析得到：5月印度木荷可能利用40～60 cm附近的土壤水；7月80 cm附近的土壤水可能為印度木荷的主要利用水源；8月60～80 cm的土壤水可能為印度木荷的主要水源；11月印度木荷可能利用的是20 cm附近的土壤水和地下水。

(3)利用IsoSource模型得到各水源對(duì)印度木荷的貢獻(xiàn)率為：5月貢獻(xiàn)率最高的是地下水和40～100 cm土壤水，平均貢獻(xiàn)率分別為38.6 %和60.4 %；7月貢獻(xiàn)率最高的仍然是地下水和40～100 cm土壤水，平均貢獻(xiàn)率分別為51.7 %和48.6 %；8月貢獻(xiàn)率最高的是60～80 cm的土壤水和地下水，平均貢獻(xiàn)率為39.2 %和32.1 %；11月前期降雨較少，地下水對(duì)印度木荷的平均貢獻(xiàn)率高達(dá)82.8 %，土壤水的貢獻(xiàn)率很小。