穩(wěn)定同位素在干旱區(qū)水分傳輸過(guò)程的研究進(jìn)展

趙春，張勇勇，趙文智，周海，賈昂元

1. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域研究站/中國(guó)科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049

0 前言

干旱區(qū)約占全球陸地面積 30%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)區(qū)域氣候變化和生態(tài)功能維持具有重要作用[1]。水分來(lái)源及輸入是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維持的主要限制因素[2]，制約著干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀內(nèi)部地下水-土壤-植物-大氣垂向水分循環(huán)過(guò)程，影響著在水平向不同景觀界面間的水力聯(lián)系。干旱區(qū)綠洲化進(jìn)程加速和地表灌溉用水量增加，加劇了水資源緊張態(tài)勢(shì)和地下水枯竭風(fēng)險(xiǎn)[3]，威脅著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，揭示不同景觀界面間地下水-土壤-植物-大氣水分傳輸與聯(lián)系過(guò)程是干旱區(qū)水資源管理迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。

生態(tài)系統(tǒng)的水分傳輸過(guò)程主要包括地表蒸散發(fā)過(guò)程、植物根系吸水過(guò)程及土壤水-地下水相互作用過(guò)程。野外定位監(jiān)測(cè)與水量平衡估算是研究水分傳輸過(guò)程的主要方法，但該法難以捕捉并區(qū)分不同水分來(lái)源及去向。綠洲與外圍荒漠生態(tài)系統(tǒng)存在著復(fù)雜的水力聯(lián)系，且水分傳輸存在景觀異質(zhì)性，氫氧穩(wěn)定同位素的遷移“軌跡”記錄了地下水-土壤-植物-大氣水分循環(huán)過(guò)程信息，因此穩(wěn)定同位素在干旱區(qū)生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從1953年Dansgaard研究大氣降水δ18O特征以來(lái)[4]，氫氧穩(wěn)定同位素引入到生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)研究中。干旱區(qū)水分輸入量(降水)少，輸出量(蒸散)大，受蒸發(fā)模式等條件的影響，大氣降水線方程的斜率小于非干旱區(qū)，遠(yuǎn)離全球大氣降水線的斜率；且降水量少導(dǎo)致氫氧同位素值在土壤剖面上變化差異明顯[5]，植物通過(guò)深根系吸收深層土壤水及地下水，植物潛在水源的同位素組成差異大[6]，因此氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)在分析干旱區(qū)水分傳輸與聯(lián)系過(guò)程中更具研究潛力。

本研究歸納總結(jié)了穩(wěn)定同位素在干旱生態(tài)系統(tǒng)植物/土壤-大氣界面、植物根系-土壤界面、土壤-地下水界面水分傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)與應(yīng)用研究，即量化與拆分地表蒸散發(fā)、揭示植物根系吸水機(jī)制及土壤水-地下水相互作用方面的研究。以期明確干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水分轉(zhuǎn)換與聯(lián)系過(guò)程，揭示不同景觀格局水文連通性機(jī)制，維持干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的功能穩(wěn)定與平衡。

1 穩(wěn)定同位素量化植物/土壤-大氣界面水分轉(zhuǎn)換過(guò)程

地表蒸散發(fā)(ET)是穩(wěn)定同位素量化植物-大氣界面水分轉(zhuǎn)換過(guò)程的關(guān)鍵所在，是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的重要過(guò)程，主要包括土壤蒸發(fā)(E)和植物蒸騰(T)兩部分。區(qū)分蒸散發(fā)組分有助于更好地理解生態(tài)系統(tǒng)的水汽交換過(guò)程[7-8]，穩(wěn)定同位素是量化與拆分干旱區(qū)地表蒸散發(fā)組分的有力工具，且廣泛應(yīng)用在草地[8-9]、森林[10-11]、農(nóng)田[12-13]等生態(tài)系統(tǒng)。

1.1 理論基礎(chǔ)

利用氫氧穩(wěn)定同位素區(qū)分蒸散發(fā)組分的理論基礎(chǔ)是: 由于平衡分餾和動(dòng)力分餾作用，在土壤水分蒸發(fā)過(guò)程中，較輕的水分子(H216O)比較容易離開(kāi)蒸發(fā)表面，而較重的水分子(H218O)在蒸發(fā)表面積聚，土壤蒸發(fā)水汽的重同位素組成相較于土壤水發(fā)生了貧化[14]；在植物蒸騰過(guò)程中，葉片水的重同位素富集，但當(dāng)蒸騰作用強(qiáng)烈或者蒸騰處于同位素穩(wěn)態(tài)時(shí)，植物蒸騰水汽的同位素近似于根系吸收的土壤水同位素組成，基于蒸發(fā)和蒸騰水汽同位素組成的顯著差異區(qū)分蒸散發(fā)組分。

1.2 蒸散發(fā)量化與拆分的計(jì)算方法

利用氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行蒸散發(fā)分割的關(guān)鍵所在是準(zhǔn)確量化蒸發(fā)、蒸騰和蒸散發(fā)的同位素組成[7]，但受假設(shè)條件、外界環(huán)境變化及儀器測(cè)量精度等因素的影響，蒸散發(fā)組分量化仍存在一定的不確定性[15]。目前估算這三個(gè)組分的方法主要如下:

(1)土壤蒸發(fā): Craig-Gordon模型是估算土壤蒸發(fā)水汽同位素組成(δE)最普遍的方法[16]。公式如下:

其中，δs是蒸發(fā)面土壤水的同位素組成，δv是近地面大氣水汽的同位素組成，h是近地面大氣相對(duì)濕度，α+(＞1)是與表層土壤溫度相關(guān)的平衡分餾系數(shù)[17]，εeq=(1-1/α+)×103(‰)是平衡分餾效應(yīng)，εk是動(dòng)力分餾系數(shù)?；贑raig-Gordon模型估算的土壤蒸發(fā)δ18O值與實(shí)測(cè)結(jié)果有較好一致性，Craig-Gordon模型在計(jì)算土壤蒸發(fā)同位素組成上具有普適性[18]。

(2)植物蒸騰: 基于“同位素穩(wěn)定態(tài)”假設(shè)，植物蒸騰水汽的同位素組成近似于根系吸收的土壤水的同位素組成，因此通過(guò)測(cè)量植物莖部未分餾的水同位素值來(lái)代替蒸騰水汽的同位素值[19-20]。受環(huán)境快速變化的影響或在水汽通量很小的情況下，同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)很難滿(mǎn)足[21-22]，中午蒸騰速率高易滿(mǎn)足同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)[23]。葉室法在同位素穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)條件下都適用，該法基于葉室中水汽和同位素質(zhì)量平衡原理，能快速捕捉分鐘尺度上蒸騰水汽的同位素組成變化[24]，同時(shí)也可估算蒸發(fā)和蒸散發(fā)的同位素組成。但當(dāng)蒸發(fā)較小時(shí)，該法對(duì)蒸發(fā)水汽同位素組成的估算不準(zhǔn)確[25]。此外，受葉面積指數(shù)小和多風(fēng)天氣的影響，葉室法可能造成對(duì)土壤蒸發(fā)的高估[26]。

(3)蒸散發(fā): Keeling Plot方法是估算蒸散水汽同位素組成應(yīng)用最廣泛的方法，該法描述了大氣水汽的穩(wěn)定同位素比與其濃度倒數(shù)之間的線性關(guān)系，該直線在縱軸的截距表示蒸散水汽的同位素組成(δET)[27-28]。公式如下:

其中，δV、CV分別是生態(tài)系統(tǒng)邊界層水汽的同位素值和水汽濃度，δa、Ca分別是背景大氣水汽的同位素值和水汽濃度。該法的應(yīng)用需滿(mǎn)足以下假設(shè): 1)只存在兩種大氣水汽: 生態(tài)系統(tǒng)蒸散水汽和背景大氣水汽；2)在觀測(cè)過(guò)程中，蒸散水汽和背景大氣水汽的同位素比保持穩(wěn)定；3)生態(tài)系統(tǒng)蒸散水汽的損失有且僅有與自由大氣混合一個(gè)損失途徑。

此外，通量梯度法也是估算蒸散水汽同位素組成的重要方法[29]，水汽通量由兩個(gè)高度間的水汽濃度梯度和渦流擴(kuò)散系數(shù)求得，該法具有時(shí)間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可揭示蒸散水汽同位素組成的動(dòng)態(tài)變化特征[30-31]。

1.3 應(yīng)用研究

利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)分割開(kāi)展了相關(guān)研究。在南加州高溫旱地農(nóng)業(yè)觀測(cè)蒸散發(fā)同位素組成，研究表明約有 46%的灌溉水用以植物蒸騰，有 54%通過(guò)土壤蒸發(fā)形式損失，農(nóng)作物對(duì)灌溉水的利用效率僅為總水量的 28%—39%，極端高溫干旱的自然條件導(dǎo)致了灌溉水的非生產(chǎn)性消耗[32]?；讦?H在摩洛哥開(kāi)展冬小麥蒸散分割研究，灌溉前后的蒸騰量所占比例分別為 80%和 69%，植物蒸騰是蒸散發(fā)的主要組成部分[33]。在黑河流域綠洲農(nóng)田開(kāi)展了蒸散發(fā)動(dòng)態(tài)變化研究，在日尺度上，13:00—15:00蒸騰滿(mǎn)足同位素穩(wěn)態(tài)，且由通量梯度法估算的δET達(dá)到日最大值，蒸騰對(duì)蒸散發(fā)的相對(duì)貢獻(xiàn)范圍為 71%—96%；在季節(jié)尺度上，受葉面積指數(shù)和氣溫的影響，農(nóng)田5—8月的蒸騰速率高于9月，δET值呈現(xiàn)出“高-低”的季節(jié)變化特征[30-31]。目前對(duì)干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的分割及動(dòng)態(tài)變化做了相關(guān)基礎(chǔ)研究，但由于蒸騰水汽的同位素組成一般基于“同位素穩(wěn)定態(tài)”假設(shè)估算，對(duì)于中午之外時(shí)段的蒸騰水汽仍然缺乏準(zhǔn)確估算，故在獲取蒸騰水汽同位素組成的動(dòng)態(tài)變化上仍需突破；此外，目前缺乏驗(yàn)證蒸散發(fā)分割的共識(shí)性衡量標(biāo)準(zhǔn)。隨著大量野外試驗(yàn)的開(kāi)展、數(shù)據(jù)的積累以及不同方法的對(duì)比，有望使蒸散發(fā)分割方法的驗(yàn)證成為可能。植物蒸騰是干旱區(qū)綠洲蒸散發(fā)的主要組成部分且干旱區(qū)水分耗散量大，對(duì)干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)分割的研究有助于理解農(nóng)田水汽交換機(jī)制以及減少植被奢侈性耗水，提高干旱區(qū)綠洲農(nóng)田水分生產(chǎn)力。

但在干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)，由于水分輸出量遠(yuǎn)大于降水量，基于穩(wěn)定同位素技術(shù)估算荒漠生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)組分難度大且存在較大的不確定性，故關(guān)于荒漠植被蒸散發(fā)分割的相關(guān)研究少。利用Lysimeter、樹(shù)干液流技術(shù)、氣孔計(jì)法、熱技術(shù)法等方法在荒漠開(kāi)展了不同研究尺度的蒸騰、蒸散發(fā)觀測(cè)研究[34-39]，遙感技術(shù)與地面觀測(cè)相結(jié)合進(jìn)行多尺度蒸散發(fā)模擬是目前荒漠生態(tài)系統(tǒng)研究趨勢(shì)[40]。

2 穩(wěn)定同位素揭示植物根系-土壤界面水力聯(lián)系與根系吸水過(guò)程

穩(wěn)定同位素在研究植物根系-土壤界面水力聯(lián)系的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是植物根系吸水過(guò)程，其理論基礎(chǔ)是:當(dāng)植物有多個(gè)水分來(lái)源時(shí)，根系吸收的水分為不同來(lái)源水分的混合物[41]，但氫氧同位素在根系吸水的過(guò)程中不發(fā)生分餾[42-43]，即植物木質(zhì)部水分與吸水源的同位素組成相同，通過(guò)比對(duì)植物木質(zhì)部與不同潛在水源的氫氧同位素組成即可確定根系吸水來(lái)源。

2.1 植物根系吸水深度估算

植物根系的吸水深度采用直接對(duì)比法估算[44]，將木質(zhì)部水同位素值與對(duì)應(yīng)土壤剖面同位素值進(jìn)行比較，二者同位素曲線的交匯處為根系的主要吸水深度。利用直接對(duì)比法得出不同作物根系吸水的變化特點(diǎn)，如玉米的根系吸水深度隨生育期呈現(xiàn)出由淺變深再變淺的特點(diǎn)[45]，但具體吸水層次因作物生長(zhǎng)環(huán)境等因素差異有所區(qū)別[46-47]?；谥参镏焕媚骋簧疃韧寥浪值募僭O(shè)，直接對(duì)比法能判斷出植物根系的主要吸水深度，但該方法忽略了根系吸水來(lái)源往往是不同深度土壤水分的混合物。

2.2 植物根系吸水模型

植物根系吸水的穩(wěn)定同位素模型主要包括雙源及三源線性混合模型、IsoSource混合模型和貝葉斯混合模型(MixSIR，SIAR，MixSIAR)。雙源及三源線性混合模型適用于植物水分來(lái)源不超過(guò)三種的情形。利用穩(wěn)定同位素標(biāo)記研究了植物對(duì)土壤水和地下水的吸收利用[48-49]，根據(jù)植物潛在利用水源數(shù)量，將二源及三源混合模型結(jié)合起來(lái)分析根系吸水機(jī)制[50]。

Phillips等于2003年提出IsoSource混合模型[51]，該模型以同位素質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)，可以量化多種潛在水源對(duì)植物根系吸水的貢獻(xiàn)率，彌補(bǔ)了雙源及三源線性混合模型在植物水分來(lái)源數(shù)量限制上的不足?；贗soSource模型，對(duì)研究區(qū)土壤剖面做分層處理，將同位素值相近的土層合并，得出在不同生育期作物的主要吸水層及相應(yīng)的貢獻(xiàn)率，此外，模型中還考慮了作物根長(zhǎng)密度和根細(xì)胞活性對(duì)根系吸水的影響[52]，綜合考慮作物根系吸水多方面因素，提高了研究結(jié)果可靠性。但I(xiàn)soSource模型未充分考慮潛在水源不確定性的影響。

貝葉斯混合模型(MixSIR，SIAR，MixSIAR)在結(jié)合潛在水源和同位素特征不確定性方面具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的優(yōu)勢(shì)[53-54]。利用MixSIAR模型，通過(guò)比較作物莖部水與土壤水中的δ2H和δ18O值，確定作物根系的主要吸水層及貢獻(xiàn)率[55]，量化作物對(duì)不同深度土壤水分的利用率[47]，揭示了作物根系吸水規(guī)律。通過(guò)對(duì)比IsoSource、SIAR、MixSIR和MixSIAR四種模型研究植物的水分利用，在 IsoSource模型中，基于氫氧兩種同位素值以及單一的氫(氧)同位素值估算根系吸水，得出植物主要吸收0-120 cm土層的水分，即僅考慮δ18O或δ2H對(duì)研究根系吸水模式?jīng)]有明顯影響；相對(duì)于MixSIR模型，SIAR和MixSIAR模型能較好的對(duì)木本植物的水分來(lái)源做出區(qū)分[56]，為干旱區(qū)選擇適宜的穩(wěn)定同位素模型研究植物根系吸水機(jī)制提供了重要參考價(jià)值。

2.3 應(yīng)用研究

綠洲生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水量少，水分是主要限制性因素，作物生長(zhǎng)需水主要依靠農(nóng)田灌溉。利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)不同灌溉方式下的作物水分利用效率進(jìn)行研究，結(jié)果表明: 基于MixSIR貝葉斯模型，結(jié)合玉米莖部水、土壤水、灌溉水中的δ18O值，指出黑河中游綠洲農(nóng)田玉米優(yōu)先獲取 0—10 cm 土層的水分，但在漫灌方式下，0—10 cm 土層僅儲(chǔ)存(24.7 ± 5.5)%的灌溉水，絕大部分灌溉水都入滲至 10 cm以下土層[57]，即灌溉深度與作物水分吸收深度不匹配，漫灌方式下作物的灌水利用率低。而相較于漫灌，膜下滴灌和控制性交替隔溝灌溉能有效減少水分深層滲漏進(jìn)而提高作物灌水利用效率?；贗soSource模型分析得出膜下滴灌后棉花的根系吸水層做出調(diào)整，顯著增加了對(duì)0—30 cm土層的水分利用率[58]。在控制性交替隔溝灌溉下，通過(guò)IsoSource模型量化了不同生育期玉米對(duì)溝、壟不同位置的根系吸水率，揭示了交替隔溝灌溉的節(jié)水機(jī)理[59]，為制定合理的節(jié)水灌溉制度和作物根系用水策略提供了重要的理論依據(jù)。

在荒漠生態(tài)系統(tǒng)，穩(wěn)定同位素在確定荒漠植物水分來(lái)源及水分利用策略方面廣泛應(yīng)用。荒漠植物的水分來(lái)源受生境、物種、植株年齡、地下水位和降水等因素的影響。在敦煌盆地，以利用淺層土壤水(0—20 cm)為主的鹽爪爪和吸收深層水源的駱駝刺、檉柳等植物共存；而戈壁和外圍沙地的荒漠植物對(duì)深層土壤水(＞200 cm)和地下水的依賴(lài)性更強(qiáng)[60]。在柴達(dá)木盆地，基于 IsoSource模型分析白刺莖部水、地下水和不同深度土壤水的氫氧同位素值，得出白刺主要利用 50—100 cm的深層土壤水分及地下水[61]。在河西走廊荒漠綠洲邊緣，梭梭的吸水層隨植株年齡的增加趨于深層土壤水和地下水，沙拐棗對(duì)深層土壤水和地下水的貢獻(xiàn)率可達(dá) 80%以上，礫質(zhì)生境下的泡泡刺對(duì)降水的利用率大于沙質(zhì)生境下的泡泡刺[62]。在黑河下游，胡楊、檉柳等以利用地下水為主，而苦豆子、苦苣菜等草本植物主要利用地表水[63]。通過(guò)分析胡楊木質(zhì)部水、土壤水、地下水的δ18O值，指出不同生境下胡楊的用水策略不同但均依賴(lài)?yán)玫叵滤?，且胡楊的主要吸水源隨地下水埋深的增加而趨于深層土壤水和地下水[64]。不同林齡胡楊的水分來(lái)源不同，幼齡木的吸水層較淺，而成熟木和過(guò)熟木以利用地下水為主[65-66]。目前對(duì)荒漠植物水分來(lái)源及水分利用策略的研究局限在植物個(gè)體尺度，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)在群落尺度方面的研究。此外，穩(wěn)定同位素模型的適用性是否會(huì)隨生境、物種等條件的變化存在差異仍需進(jìn)一步驗(yàn)證?？傮w來(lái)看，荒漠生態(tài)系統(tǒng)淺層土壤含水量低，植物主要依賴(lài)深層土壤水和地下水，且主要吸水深度隨植株年齡的增加而增加，同一生境下不同植物的主要水分來(lái)源在空間上存在差異進(jìn)而可以共存。分析荒漠植物的水分利用來(lái)源，可更好揭示荒漠植被在干旱脅迫環(huán)境下的水分利用策略且有助于營(yíng)造與區(qū)域水分條件相適應(yīng)的植被環(huán)境，對(duì)干旱區(qū)物種選擇和荒漠植被群落建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

3 穩(wěn)定同位素研究土壤水-地下水相互作用

地下水補(bǔ)給是外界水源對(duì)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)充過(guò)程[67]，補(bǔ)給類(lèi)型包括: (1)直接補(bǔ)給是在超過(guò)蒸散發(fā)和補(bǔ)充土壤水分虧缺下，水分通過(guò)包氣帶入滲補(bǔ)給地下水；(2)非直接補(bǔ)給是通過(guò)地表水的河床滲漏補(bǔ)給地下水；(3)局部補(bǔ)給指水平、近地表水分聚集補(bǔ)給地下水，該補(bǔ)給類(lèi)型沒(méi)有明確的水流補(bǔ)給通道[68]。在干旱區(qū)，不同因素主要影響地下水補(bǔ)給過(guò)程、速率和機(jī)制等方面[69-72]。穩(wěn)定同位素技術(shù)是研究干旱區(qū)地下水補(bǔ)給的重要方法，且δ18O在研究降水入滲深度和補(bǔ)給機(jī)制上更為靈敏[73]，這也印證了穩(wěn)定同位素在干旱區(qū)土壤水-地下水相互作用研究中的適用性。

3.1 示蹤地下水補(bǔ)給來(lái)源

利用同位素示蹤原理，通過(guò)對(duì)比地下水與潛在水源的同位素組成可示蹤干旱區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源。庫(kù)姆塔格沙漠的地下水與周邊疏勒河、黨河流域地表水的同位素組成差異較大，故其主要補(bǔ)給源為流域之外的徑流補(bǔ)給[74]。在鄂爾多斯盆地，通過(guò)分析其地下水和當(dāng)?shù)亟邓臍溲跬凰亟M成，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源并不是當(dāng)?shù)亟邓?，而是氫氧同位素值較低的其他地區(qū)的降水[75]。根據(jù)氫氧等同位素示蹤干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的地下水補(bǔ)給來(lái)源，由于降水少，故降水對(duì)地下水的補(bǔ)給極為有限，灌溉水和河水滲漏補(bǔ)給是干旱區(qū)綠洲地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源[76-77]。巴丹吉林沙漠因高大沙山和湖泊分布備受關(guān)注，關(guān)于其沙漠地下水和湖泊水來(lái)源，目前尚未有統(tǒng)一的觀點(diǎn)，主要有以下 4種認(rèn)識(shí): 利用同位素示蹤分析巴丹吉林地下水的主要補(bǔ)給源為青藏高原河流和湖泊的滲漏水等外源水[78-79]；在考慮蒸發(fā)對(duì)水同位素特征影響的情況下，巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水主要源于當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)代大氣降水[80]；巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水受雅布賴(lài)山地下水等補(bǔ)給[81]；根據(jù)巴丹吉林沙漠地下水同位素特征并結(jié)合古水文環(huán)境等條件推斷巴丹吉林沙漠地下水受晚更新世至全新世早期周邊山區(qū)的降水徑流及祁連山河流的古水補(bǔ)給[82]。在澳大利亞中部沙漠，通過(guò)對(duì)比分析地下水與雨水、洪水兩種潛在補(bǔ)給水源的氫氧同位素組成，表明地下水主要受降水補(bǔ)給，而非來(lái)自泛洪區(qū)的洪水滲透補(bǔ)給[83]。干旱區(qū)地下水受降水補(bǔ)給有限且外源水對(duì)地下水的補(bǔ)給作用更明顯，對(duì)干旱區(qū)地下水補(bǔ)給源的研究有助于揭示地下水的水化學(xué)特征和環(huán)境演變規(guī)律。

3.2 確定地下水補(bǔ)給形式

利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，通過(guò)分析土壤水穩(wěn)定同位素值的剖面變化可推斷干旱區(qū)地下水補(bǔ)給形式及時(shí)空上的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。降水入滲補(bǔ)給主要以活塞流和優(yōu)先流兩種形式，水分通常以自上而下的活塞形式穩(wěn)定推進(jìn)入滲補(bǔ)給地下水，此外憑借垂直裂縫、大孔隙等通道，降水能以?xún)?yōu)先流的形式較迅速的補(bǔ)給深層土壤水和地下水[84-85]。相較于活塞流，優(yōu)先流補(bǔ)給形式的發(fā)生能顯著增加土壤水分入滲能力和入滲量，形成深層滲漏補(bǔ)充地下水[86]。通過(guò)對(duì)比土壤剖面氫氧同位素組成的動(dòng)態(tài)變化值，降水以活塞流和優(yōu)先流的形式入滲補(bǔ)給地下水，同時(shí)優(yōu)先流形式的補(bǔ)給作用有時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位，且優(yōu)先流的補(bǔ)給形式在空間上并不普遍，與土地利用方式和降水強(qiáng)度有關(guān)[87-88]。受水分來(lái)源的影響，地下水補(bǔ)給主要集中在雨季，具有季節(jié)性的動(dòng)態(tài)變化特征[89]。此外，地下水補(bǔ)給作用還具有空間變化特征，在新疆艾比湖盆地，降水、地表水和地下水的相互補(bǔ)給作用隨著流域位置的不同而變化[90]。

3.3 估算土壤水對(duì)地下水的補(bǔ)給量

利用穩(wěn)定同位素技術(shù)可以量化土壤水對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給量。自20世紀(jì)60年代，Zimmermann等將δ2H 引入到土壤水分運(yùn)移的研究中[14]，且隨著土壤水提取和分析技術(shù)的進(jìn)步，穩(wěn)定同位素在定量研究地下水補(bǔ)給方面得以普適性應(yīng)用。其量化原理為:根據(jù)土壤垂直剖面的δ18O、δ2H峰值隨時(shí)間的推移，并結(jié)合土壤含水量推求該時(shí)間段內(nèi)土壤水對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給量。應(yīng)用同位素峰值位移法的前提假設(shè)為: (1)包氣帶土壤水補(bǔ)給來(lái)源的同位素組成不同；(2)地下水的水平流動(dòng)滯緩，保持土壤垂直剖面同位素峰值的穩(wěn)定；(3)采樣深度選為植物根部以下從而避免入滲水源的δ18O、δ2H受蒸發(fā)分餾效應(yīng)的影響[91]?；谕凰胤逯滴灰品ü浪懔朔侵藜蛹{、納米比亞的地下水入滲補(bǔ)給量，并結(jié)合模型模擬的方法進(jìn)一步驗(yàn)證了同位素峰值位移法的可靠性[92-93]。雖然同位素峰值位移法的研究思路已經(jīng)在量化干旱區(qū)地下水補(bǔ)給問(wèn)題上取得了一系列成果，但氫氧穩(wěn)定同位素的示蹤能力會(huì)隨著水分入滲深度的加深而被削弱，故在包氣帶深厚且地下水埋深較深的區(qū)域，穩(wěn)定同位素技術(shù)在定量分析包氣帶水分入滲和歷史補(bǔ)給速率上仍存在挑戰(zhàn)。干旱區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，同位素受蒸發(fā)分餾的影響致使量化結(jié)果存在不確定性[94]；且優(yōu)先流補(bǔ)給形式的發(fā)生也會(huì)對(duì)量化結(jié)果造成影響，應(yīng)考慮地下水入滲補(bǔ)給形式并結(jié)合模型模擬等方法加強(qiáng)對(duì)土壤水入滲補(bǔ)給地下水的量化研究。地下水補(bǔ)給決定著地下水的數(shù)量和質(zhì)量，量化地下水補(bǔ)給對(duì)干旱區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用至關(guān)重要[95-96]。

4 結(jié)論與展望

本文歸納了穩(wěn)定同位素在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植物/土壤-大氣界面、植物根系-土壤界面、土壤-地下水界面水分轉(zhuǎn)換與水力聯(lián)系方面的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。分析穩(wěn)定同位素蒸散發(fā)組分的量化原理，總結(jié)了其在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用；揭示植物根系-土壤界面水力聯(lián)系與根系吸水過(guò)程，估算了根系吸水深度，評(píng)價(jià)了穩(wěn)定同位素根系吸水模型及在荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用；針對(duì)干旱區(qū)土壤水-地下水相互作用，示蹤了干旱區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源，確定了干旱區(qū)地下水的補(bǔ)給形式及補(bǔ)給量。鑒于目前研究現(xiàn)狀，穩(wěn)定同位素在干旱區(qū)水分傳輸與水力聯(lián)系方面的研究應(yīng)加強(qiáng)如下方面:

1)加強(qiáng)對(duì)干旱區(qū)非穩(wěn)態(tài)條件的蒸散發(fā)同位素量化研究。干旱區(qū)蒸散發(fā)組分區(qū)分的難點(diǎn)是準(zhǔn)確量化蒸發(fā)與蒸騰的同位素組分，尤其是在非穩(wěn)態(tài)的情形下。由于受干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境快速變化和水汽通量小等因素影響，同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)通常僅在中午短時(shí)間(小時(shí))尺度上滿(mǎn)足，導(dǎo)致難以捕捉蒸騰水汽同位素組成的動(dòng)態(tài)變化特征，因此對(duì)非穩(wěn)態(tài)時(shí)段蒸散發(fā)量化研究是未來(lái)干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要方向。

2) 優(yōu)化不同生境植物根系吸水的同位素模型。植物根系吸水模型隨生境、物種等因素的變化存在差異，穩(wěn)定同位素混合模型在準(zhǔn)確量化植物對(duì)不同潛在水源的利用比例上存在不確定性。未來(lái)研究中需通過(guò)模型對(duì)比確定不同生境最優(yōu)同位素模型，揭示作物耗水規(guī)律和水分利用策略，優(yōu)化綠洲農(nóng)田灌溉制度。

3)基于區(qū)域地下水-土壤-植被長(zhǎng)時(shí)間序列同位素觀測(cè)，闡明干旱區(qū)不同景觀界面間的水力聯(lián)系機(jī)制。不同景觀界面間的水力聯(lián)系是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水分傳輸?shù)年P(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。受蒸發(fā)強(qiáng)烈、地下水天然補(bǔ)給少等因素的限制，穩(wěn)定同位素技術(shù)在不同景觀界面間的水文連通性研究仍存在不足，今后應(yīng)重視基于區(qū)域地下水-土壤-植被長(zhǎng)時(shí)間序列同位素野外觀測(cè)試驗(yàn)，揭示干旱區(qū)不同景觀界面間的水力連通機(jī)制。