基于穩(wěn)定氫氧同位素的黃土高原不同生長年限油用牡丹水分來源研究

李盼根， 王震洪， 李 赫， 何曉樂， 嚴 婷， 帕提爾·阿米特

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

眾所周知，牡丹(Paeoniasuffruticosa)是中國的傳統(tǒng)名花，是多年生小灌木[1]。油用牡丹是牡丹組植物中產(chǎn)籽出油率高的(≥22%)種的統(tǒng)稱，主要有鳳丹和紫斑兩大品種，具備高產(chǎn)出、高含油率、高品質(zhì)、低成本，即“三高一低”的特點；除此之外牡丹根即丹皮是中國傳統(tǒng)中藥材，具有極高藥用價值。油用牡丹耐干旱、耐瘠薄、耐高寒，具有蓄水保土等生態(tài)效益，是集諸多優(yōu)點于一身的水土保持樹種[2-4]。2015年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于加快木本油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》中便提到油用牡丹是黃土高原地區(qū)生長的高級油用類植物品種，合理種植，不僅可以治理黃土高原水土流失，促進生態(tài)文明建設(shè)，而且有利于保障中國的糧油安全[2]。為了推廣種植，現(xiàn)在針對油用牡丹的研究有很多，但多數(shù)集中在種植模式、種質(zhì)資源，育苗技術(shù)等的探索[1,4]，甚至有關(guān)于對土壤環(huán)境改善的報道[3]。而制約植物生長發(fā)育的最主要因素之一就是水分[5]，侯小改等[6]對不同土壤水分條件下牡丹的生理特性做了研究，試驗證明不同水分條件下牡丹生理特性差異明顯。

黃土高原地處典型的干旱與半干旱地區(qū)，全年降水量少，氣候干旱，水土流失嚴重[7-9]。因此如何因地制宜，兼顧經(jīng)濟與生態(tài)的發(fā)展，一直是該地區(qū)亟待解決的問題。在惡劣環(huán)境的脅迫下,植物需要努力對自身的生理習(xí)性、形態(tài)結(jié)構(gòu)等進行調(diào)整，才能夠適應(yīng)并生存下去。隨著生境的變化有選擇性的將不同水源作為自己生存的保障,就是植物適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)[10]。所以,研究植物水分來源有助于了解植物的用水策略,從而針對性地進行適地適樹與灌溉。探究植物水分來源的傳統(tǒng)方法是首先用全根系挖掘法了解植物根系分布特征,再結(jié)合測定同化枝水勢、植物導(dǎo)水度以及植物蒸騰速率等來確定，不僅費時、費力、而且嚴重破壞了植物的生境,常常影響對植物水源的量化[11]。穩(wěn)定同位素技術(shù)作為一種方便、有效的研究手段,近年來在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[12-17]，已有很多學(xué)者利用穩(wěn)定同位素技術(shù)定量區(qū)分植物利用的水分來源[16-24]。Eggemeyer等[21]在2008年利用氫氧同位素的方法研究了半干旱草原的兩種喬木和兩種草本水分利用深度的季節(jié)變化，得到了在雨季，喬木主要吸收表層和深層土壤混合水的結(jié)果。周天河等[22]利用穩(wěn)定同位素研究胡楊與檉柳的水分來源，探究兩者水分利用方式的差異，了解兩者對干旱環(huán)境的適應(yīng)機制。張江等[23]利用穩(wěn)定同位素測定了塔里木河下游不同齡級胡楊的水分利用來源。許浩等[24]基于穩(wěn)定同位素技術(shù)探究了河?xùn)|沙地沙蒿的水分利用，對比了不同月份沙蒿的水分來源等。

因此，本研究選擇黃土高原為研究地點,基于穩(wěn)定氫氧同位素，利用圖解法與多源線性模型計算法兩種方法，探究油用牡丹的水分來源與用水策略，比較不同季節(jié)、不同生長年限油用牡丹吸水來源的異同，并結(jié)合不同土層的土壤含水率,了解其用水機制，以期為合理種植、推廣發(fā)展油用牡丹，提高牡丹成活率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于芋園村油用牡丹種植基地(108.69°E，35.09°N)，地處陜西省中部銅川市照金鎮(zhèn)，陜北黃土高原的南緣。氣候?qū)贉貛Т箨懶园敫珊?、半濕潤區(qū)，年平均降水量560～604 mm，氣溫的特點是：冬季寒冷，夏季炎熱，春季升溫較快，秋季降溫迅速，氣溫日較差大，晝夜溫差大，年平均氣溫8.4 ℃，無霜期206 d。當(dāng)?shù)氐孛步Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體呈西北高、東南低的傾斜地勢，海拔最高1 734.2 m，最低536 m，溝壑密度1.27 km/km2，境內(nèi)山巒縱橫，峪谷相間，臺塬廣布，梁峁交錯，形成一個不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。主要河流有照金河、蘭干川河、雷神河、高爾塬水庫等。

1.2 采樣方法

基于穩(wěn)定同位素進行的水源劃分，需要兩種假設(shè)[23]： ①在根區(qū)范圍內(nèi)，土壤水同位素在水平方向上沒有明顯差異； ②土樣和植物樣品的采樣時間差與水分在植物體內(nèi)運輸?shù)臅r間差無明顯差異。所以為對比幼年期與成年期兩種生長年限油用牡丹主要水分來源，本文使用以下方法采集了2018年9月(秋季)與2019年4月(春季)兩個生長季節(jié)的土壤、植物、地下水樣品，根據(jù)所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。

(1) 樣地設(shè)置。試驗地油用牡丹品種為“紫斑”牡丹。油用牡丹按生命周期一般劃分為幼年期、成年期和衰老期，通常我們將1～3 a為養(yǎng)根階段，3～5 a為幼年期，成年期一般從第5 a開始。但在不同品種和環(huán)境的影響下也會有所差異。在本試驗中，依據(jù)所選油用牡丹的兩種年限挑選了2塊樣地(見表1)。通過對比株高，根深等，我們將3～4 a生的油用牡丹作為幼年期樣本，將5～6 a生的牡丹作為成年期樣本。樣地均為坡改梯田，栽植密度均為株行距(50 cm×60 cm)。試驗期間管理僅包括除草及秋末剪去退縮枯枝，并沒有施肥與澆水的措施。

表1 黃土高原油用牡丹樣地劃分

(2) 植物樣品采集。在油用牡丹生長季，測定油用牡丹株高、冠幅，最終選擇3株作為樣本植株。油用牡丹具有典型的“退稍枯枝”現(xiàn)象，也就是說其生長季生長量的60%均不會發(fā)生木質(zhì)化，會在秋季枯死，所以采樣方法一般是：剪取非綠色的栓化小枝(直徑0.3～0.5 cm,長3～5 cm)，迅速去皮后裝入采樣瓶并用Parafilm封口膜密封，然后放入便攜式冰箱冷凍保存(2 ℃)，帶回實驗室冷凍保存。

(3) 土壤樣品采集。采集土壤樣品時，削去表層2 cm，用1 m長的土鉆在樣地每株植物下方分別鉆取土壤樣品，土樣分6個土層0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm。采集土樣，分為兩組，將一份土壤樣品迅速裝入樣品瓶,用封口膜密封,并放入攜帶的便攜式冰箱,帶回實驗室冷凍保存,用于測定氫氧同位素值；另外一份土壤樣品裝入鋁盒,帶回實驗室用于分析各層土壤質(zhì)地。

(4) 潛在水源樣品采集。收集試驗期間地下水樣品。在樣地附近80 m范圍內(nèi)有一水井，水位在試驗期間均距地表5 m以下，其井水可用于測定地下水δD與δ18O。將所取樣品迅速裝入樣品瓶、用封口膜密封，并放入便攜式冰箱，帶回實驗室2 ℃冷藏，每組3個重復(fù)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤質(zhì)地 土壤粒級分布使用馬爾文2000進行測定，土壤質(zhì)地采用國際制土壤質(zhì)地分級。試驗結(jié)果如表2所示。通過比對，兩塊樣地土壤為壤質(zhì)黏土，且兩塊樣地土壤粒徑差異不顯著(p>0.05)，介于黏土與沙土之間的土壤最適合油用牡丹生長，試驗地土壤保水、保肥性好，土溫較穩(wěn)定，適于植物生長，但通氣性，透水性差，不利于好氣性微生物活動。

表2 黃土高原區(qū)域土壤粒徑分布比例 %

1.3.2 植物及土壤水分提取 樣品的抽提使用全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)LI-2100(北京理加聯(lián)合科技有限公司)，單次抽提率達到98%以上為合格樣品。抽提的水分與地下水采用LGR液態(tài)水同位素分析儀(美國Los Gatos Research公司)測定，其精度δ18O<0.03‰，δD<0.2‰；測得的水樣中氫氧同位素含量為“標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水(SMOW)”的千分差，表示為：

式中：RSample——樣品中的D/H或18O/16O的摩爾比；RStandard——SMOW中的D/H或18O/16O的摩爾比。

1.3.3 土壤含水量 土壤體積含水量由TDR300便攜式水分測定儀測量。采用上密下疏的方法，在表層20 cm內(nèi)的土層使用10 cm探頭，40—60 cm土層使用20 cm探頭，分別測定土壤含水率。試驗地土壤屬于壤質(zhì)粘土，各層土壤粘土含量均大于25%，所以TDR300選擇高粘土模式(黏土含量大于22%)。因為試驗需要比較不同生長年限油用牡丹吸水來源的差異，所以我們在兩塊樣地樣本植株附近分別記錄各剖面土壤含水率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excle 2016和Spass Statistics對數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計分析，線性相關(guān)法分析樣品中δD和δ18O的相關(guān)性，最后利用Origin Pro 9.1軟件進行作圖。利用IsoSource模型計算水源貢獻率，模型運行時資源增量參數(shù)(source increment)設(shè)置為1%, 質(zhì)量平衡忍受差參數(shù)(mass balance tolerance) 設(shè)置為0.01%。

2 結(jié)果與分析

2.1 油用牡丹水分來源

2.1.1 圖解法判斷油用牡丹水分來源 成年期油用牡丹的樣地與幼年期樣地對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 圖解法確定油用牡丹水分來源

由圖1可知越靠近表層土壤，成年期油用牡丹樣地的δD，δ18O值較幼年期油用牡丹樣地更加富集。并且，兩個季節(jié)，春季較秋季重同位素更加富集，而地下水的氫氧同位素值則基本一致。在春季，幼年期油用牡丹δD與δ18O最大值都出現(xiàn)在0—10 cm土層，并在該土層土壤水和木質(zhì)部水、地下水分別相交，另外，木質(zhì)部δD與60—80 cm土層相交(圖1a,1e)；成年期油用牡丹δD與δ18O最大值則都出現(xiàn)在0—10 cm土層，植物水與0—20 cm土壤水相交，且該土層δD與地下水相交(圖1c,1g)。在秋季，幼年期油用牡丹δD與δ18O最大值均出現(xiàn)在60—80 cm土層，δD與40—60 cm土壤水相交，δ18O與60—80 cm土壤水相交(圖1b,1f)；成年期油用牡丹δD與δ18O最大值均出現(xiàn)在40—60 cm土層，木質(zhì)部與地下水δD與δ18O的值同時與60—80 cm土壤水有交點，δD值與20—40 cm土壤水，δ18O與0—20 cm土壤水分別相交(圖1d,1h)。通過對比我們發(fā)現(xiàn)；在春季，幼年期與成年期油用牡丹均主要吸收0—20 cm土壤水分；在秋季，幼年期吸收40—80 cm土層水分，成年期油用牡丹主要吸收60—80 cm土壤水分，并且都利用地下水。

2.1.2 利用多源線性混合模型確定油用牡丹水分來源和貢獻范圍 依據(jù)δD，δ18O分別利用圖解法進行分析會有不同的結(jié)果，精確性不夠。因此，本文利用IsoSource軟件根據(jù)多源線性模型計算油用牡丹的水分來源。因為60—80 cm和80—100 cm土層δD，δ18O的差異性均不顯著(p>0.05)，所以合并土層為60—100 cm。表3匯總了各個水源的平均、最小以及最大貢獻率。

表3 多源線性混合模型確定油用牡丹各水分來源的貢獻比例 %

由表3可知，在春季，幼年期與成年期的油用牡丹對0—20 cm表層土壤水的利用效率分別為61.8%和70.7%，二者主要利用0—20 cm表層土壤水，且隨著土層深度的增加，對水分的利用也隨之減少。在秋季，0—40 cm土層幼年期油用牡丹的水分利用率(59.6%)遠大于成年期油用牡丹(37.2%)，在40—100 cm土層及地下水的利用率，成年期油用牡丹(46.3%，16.5%)則要大于幼年期(30.1%，10.3%)。綜合兩個季節(jié)來看，成年期與幼年期油用牡丹對水分的利用策略存在明顯差異。幼年期油用牡丹在春秋季都傾向利用較淺層水分，而且對20—40 cm土層的水分利用較為穩(wěn)定；成年期油用牡丹春秋兩季則都可以利用較深土層的水分。

2.2 土壤剖面含水率與水分來源

2.2.1 土壤剖面含水率與δD的關(guān)系 除個別泌鹽與旱生植物，植物吸收土壤水分并不存在同位素分餾現(xiàn)象，并且由于降水、表層蒸發(fā)、地下水補給、植物蒸騰等作用的影響，土壤各個剖面的含水率有著明顯的不同，通過分析研究土壤剖面含水率與氫氧同位素值的變化有助于分析土壤水的補給、損失等各種水力活動。不同生長年限的油用牡丹木質(zhì)部的δD有顯著差異(p=0.016)，而δ18O則差異不顯著(p=0.25)。因此，本文著重關(guān)注土壤各個剖面δD值的變化。在本次試驗中，土壤剖面含水率與δD值存在明顯的線性關(guān)系(見圖2)。通過相關(guān)性分析，土壤含水率與δD值呈顯著負相關(guān)(r=-0.492，P=0.014，n=24)。意味著在含水率越高，δD值愈小，反之亦然。春季表層因為長時間的蒸發(fā)，含水量較低，重同位素富集，所以δD值較大；秋季表層土壤含水率較大，δD值則較小?？梢耘袛嗖蓸又坝捎谘芯繀^(qū)接受了降雨補給土壤水分，表層土壤含水量增加，而δD值降低。

2.2.2 土壤剖面含水率與不同來源水分貢獻率的關(guān)系 植物吸收水分與土壤含水量密切相關(guān)，土壤剖面含水率與油用牡丹吸收不同來源水分貢獻率的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，除了幼年期秋季(r=0.509，p=0.381，n=5)以外，油用牡丹吸收的不同土層水分的貢獻率與含水率均呈負相關(guān)關(guān)系；幼年期春季(r=-0.031，p=0.960，n=5)，成年期春季(r=-0.837，p=0.077，n=5)，成年期秋季(r=-0.968，p=0.007，n=5)。這意味著為油用牡丹貢獻水分越高的土層，其含水率越低。另外，通過兩塊樣地不同土層土壤含水率的單因素方差分析，秋季0—20cm及60—100 cm土層含水量差異不顯著(p>0.05)，但整體依舊顯示，成年期牡丹樣地表層含水率低于幼年期樣地。20—60 cm土層含水量差異極顯著(p<0.01)。春季 0—10 cm及80—100 cm土層含水量差異不顯著(p>0.05)，在10—80 cm差異顯著(p<0.05)。兩個季節(jié)表層土壤由于氣候等影響的劇烈水力活動，導(dǎo)致植物對土壤水分的影響并不明顯。

圖2 油用牡丹土壤含水率與δD值

3 討 論

3.1 不同生長年限油用牡丹的水分來源

不同類型的植物具有不同的水分利用來源, 植物在水分利用來源上存在著較大的時空變異, 尤其在干旱半干旱地區(qū)。即便同種植物,不同年齡階段所利用的水分來源也有差異[25]。植物根系在土壤中吸收水分的過程中，穩(wěn)定氫氧同位素一般不會發(fā)生分餾，因此木質(zhì)部水分的同位素信息能夠較好地反映出植物利用不同水源穩(wěn)定同位素的組成信息[12-13,16-17,19]。

圖解法有一定指示作用，但因依據(jù)δD，δ18O分別進行分析會有不同的結(jié)果，精確性不夠，所以我們利用圖解法與多源線性模型兩種方法區(qū)分兩種年份油用牡丹的水分來源。結(jié)果表明，兩種年限油用牡丹的水分來源有所差異，由不同土層土壤水對油用牡丹的貢獻率可以得出，在黃土高原地區(qū)，春季兩種年份油用牡丹均傾向吸收淺層土壤水分，這與其根系分布及土壤含水量密切相關(guān)，當(dāng)水源較為充足時，植物傾向優(yōu)先發(fā)展表層根系，優(yōu)先吸收利用儲存在淺層土壤中的水分，有利于節(jié)省能量[26-30]。差異是在淺層土壤中，成年期的油用牡丹較幼年期在相同土層的水分利用率更高，這種策略使得成年期油用牡丹在整個吸水土層能更持久的利用水分。秋季，在油用牡丹生長周期的末期，兩種年份的油用牡丹吸收各土層水分，并利用地下水。差異是成年期油用牡丹主要吸收40—60 cm土層水分，并且對40 cm土層以下及地下水的利用率均高于幼年期的油用牡丹。這與成年期油用牡丹平均最大扎根深度可達70 cm，而幼年期平均只有30 cm有關(guān)。此外成年期油用牡丹根系主要分布在0—40 cm土層，這與秋季成年期油用牡丹主要吸水土層并不一致，證明了過去利用根系結(jié)構(gòu)進行植物水分來源判斷的方法確實存在一定的局限性[23]。

圖3 土壤剖面含水率與水源水分貢獻率的關(guān)系

3.2 油用牡丹吸水來源與土壤含水率

牡丹生長忌澇, 土壤水分過多, 會造成爛根、爛葉,易滋長病蟲害; 水分不足,又會影響植株的正常生長和發(fā)育[6]。通過分析兩個季節(jié)、兩種生長年限油用牡丹土壤剖面含水率與水源水分貢獻率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土層含水率與該土層對油用牡丹的水分貢獻率呈負相關(guān)，土層含水率越低，水分貢獻率則越高。一般來說，大部分的植物在旱季主要吸收深層的土壤水和地下水，而到雨季水量充足時會轉(zhuǎn)而吸收淺層的土壤水[31-32]。但本研究中，油用牡丹秋(雨)季土壤含水率遠遠高于春(旱)季，表層土壤這種差距更為顯著。且油用牡丹在春季傾向吸收表層水分，而在秋天則傾向利用較深層的水分，這些結(jié)果與前人的研究不相符合。通過分析春季土層δD值的變化，表明表層土壤含水量較少的主要原因是因為蒸發(fā)而不是蒸騰。野外調(diào)查實測得到成年期油用牡丹最大扎根深度可達70 cm，根系主要分布在0—40 cm；幼年期油用牡丹最大扎根深度為32 cm，且根系主要分布在0—20 cm，成年期油用牡丹在秋季反而利用含水量較表層低且根系分布量較少的深層土壤水分。

4 結(jié) 論

油用牡丹更傾向于吸收含水率較低土層的水分。而秋季幼年期的油用牡丹不符合這一規(guī)律則是因為表層土壤含水量差異不顯著且根系分布較淺。除此之外，兩次采樣期間的土壤含水量均沒有達到干旱脅迫的程度，反而土壤含水率都較高。油用牡丹如果田間排水不暢,長時間積水，則很容易發(fā)生根腐病，常造成整株甚至成片死亡[33],試驗得出的用水策略也與它耐旱不耐澇的特性相關(guān)。

黃土高原是中國土壤侵蝕最嚴重的地區(qū)，雨季多暴雨，水蝕面積占整個區(qū)域的45%[34]。生物措施是目前比較有效且有利的方法之一，油用牡丹耐干旱瘠薄，能夠較好地控制水土流失。但幼年期與成年期油用牡丹相比，根系的生長相對不夠成熟，所以其用水策略選擇的自主性，弱于成年期。因此選擇推廣種植油用牡丹時，尤其在其幼年期，注意排澇至關(guān)重要。