科爾沁沙地5種闊葉樹葉片δ13C組成及水分利用效率變化

摘要采用穩(wěn)定同位素技術對科爾沁沙地南緣5種闊葉樹的葉片進行測定，結合降水量、地下水位、土壤含水率等因子，分析不同樹種對土壤水分的利用效率及環(huán)境水分因子對樹種的影響。結果表明：5種闊葉樹主要利用100 cm以上的土壤水作為植物生存的水分來源，植被覆蓋度增加不是地下水位下降的主要原因;五角楓（Acer elegantulum）、糖槭（Acer negundo）和家榆（Ulmus pumila）在旱季的水分利用效率均達到75%以上，比較適合科爾沁沙地南緣半干旱的氣候條件。

關鍵詞科爾沁沙地;闊葉樹;穩(wěn)定同位素;水分利用效率

中圖分類號：S718.45文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.002

Carbon Isotope Composition and Water Use Efficiency of Leaf of Five Types Broadleaf? Tree in Horqin

Chi Linlin

（1. Zhanggutai Horqin Sandy Ecosystem National Positioning and Research Station， Fuxin 123000， Liaoning;2. Liaoning Research Institute of Sandy Land Control and Utilization， Fuxin 1230000， Liaoning 123000）

AbstractIn the present study， the effects of different tree species on the soil water use efficiency and the environment water factors? were analyzed by determining leaves of 5 types broadleaf tree in the southern edge of Horqin sandy land using stable isotope technology， combined with factors precipitation， groundwater level， soil water content. The results showed that the source of water for 5 broadleaf trees survival mainly was soil water above 100 cm， and the increased vegetation coverage was not the main reason for the decline of groundwater level. Water use efficiency in the dry season of Acer elegantulum ， Acer negundo ， Ulmus pumila all reached more than 75%， which were suitable for semiarid climatic conditions in the southern edge of Horqin sandy land.

Key wordsHorqin sandy land; broadleaf tree; stable isotope; water use efficiency

水分是限制沙地植物生長最主要的因素，探索沙地植物生長對水分的依賴程度，是評價植物對干旱環(huán)境響應的基礎。葉片穩(wěn)定碳同位素組成（δC）指示植物有機質形成期間的平均水分利用效率，反映植物在一段時間內對水分的利用及水分脅迫的適應狀況，是目前植物葉片長期水分利用效率研究的最佳方法之一[1-3]。葉片尺度上的水分利用效率可以直接揭示植物內在水分利用機制，是近年來被眾多學者采用最頻繁的研究方法[4-6]。本研究以科爾沁沙地南緣5種常用造林闊葉樹為研究對象，在相同的氣候和立地條件下，在旱季和雨季，分別對不同樹種葉片δC值、階段水分利用效率及其與環(huán)境水分因子間的關系進行分析，揭示不同樹種對土壤水分的利用策略及其應對干旱脅迫的自我保護機制，以期為科爾沁沙地植被恢復與重建樹種的選擇提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地南緣的遼寧省沙地治理與利用研究所萬畝林工區(qū)（119°33′06″ E，42°40′37″ N）。該區(qū)域屬于溫帶大陸性亞濕潤氣候區(qū)，具有春季干旱多風、雨熱同期的特征。年均氣溫6.3 ℃，無霜期為150～160 d。土壤以風沙土為主，土壤顆粒均勻，有機質含量較低。研究區(qū)多年平均降水量480.0 mm，地下水位3.8 m左右[7]。

1.2試驗材料

試驗選取12年生左右的五角楓（Acer elegantulum）、糖槭（Acer negundo）、桑樹（Morus alba）、家榆（Ulmus pumila）和小葉楊（Populus simonii）5種科爾沁沙地常用造林闊葉樹種為研究對象，測定其生存環(huán)境的土壤含水量，通過降水、地下水位和不同深度土壤含水率與植物葉片δC值的關系來判定植物的水分來源及其水分利用效率。

1.3樣品的采集與測定

葉片樣品的采集：分2次進行（2019年6月21日，2019年8月25日），分別代表旱季和雨季。每個樹種選取典型樣株3株，每株取其向陽樹冠中部當年生葉片若干，混合后裝入自封袋帶回實驗室用蒸餾水沖洗、去葉柄后，放入105 ℃烘箱殺青20 min，調至70 ℃烘干24 h，粉碎，過100目篩，用質譜儀（DeIta plus XP，美國 Finnigan MAT公司）測定葉片樣品的δC值，用國際通用標準公式[8]計算：

水分指標的測定：利用CAWS600-B型自動氣象站監(jiān)測試驗地降水量，地下水采用Adcon smm地下水位監(jiān)測儀測定，土壤含水率用便攜式土壤水分測量儀（TRIME-Pico 64/32 TDR，IMKO，德國）測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

應用Excel 2010和SPSS20.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖。采用單因素方差分析和多重比較法分析不同季節(jié)、不同樹種在不同土層深度條件下的葉片δC值和WUE的差異。

2結果與分析

2.15種闊葉樹葉片δC值的季節(jié)變化規(guī)律

由表1可知，5種闊葉樹種的葉片δC值在旱季分布在-28.9～-27.7之間，在雨季分布在-30.4～-29.8之間，5個樹種的葉片δC值在旱季和雨季間均存在顯著性差異，旱季均高于雨季，原因是，在干旱環(huán)境下，會激發(fā)植物的自我保護機制，通過降低氣孔密度的方式，降低進入葉片的CO濃度，從而使葉片δC值升高。

2.2水分利用效率的種間差異

由圖1可知，5種闊葉樹種的水分利用效率均表現(xiàn)出與葉片δC值相同的季節(jié)變化趨勢。5種闊葉樹種的水分利用效率在旱季的變化范圍是67.562%～81.341%，雨季的變化范圍是50.976%～57.301%。從水分利用效率變化趨勢和平均值可以看出，在旱季，家榆的水分利用效率顯著高于其他4種闊葉樹，其次為五角楓和糖槭，桑樹和小葉楊的水分利用效率相對較低;在雨季，家榆的水分利用效率反而最低，與其他4種闊葉樹的水分利用效率差異顯著，五角楓、糖槭、桑樹和小葉楊的水分利用效率均高于家榆，且彼此間差異不顯著，出現(xiàn)這種情況的原因可能是家榆的耐旱性較強，只有在水分脅迫條件下，才會誘發(fā)家榆體內的保護機制，提高其自身的水分利用效率。

2.3樹種的水分利用效率與環(huán)境水分因子的相關性

由表2可知，五角楓、糖槭、家榆、桑樹和小葉楊水分利用效率與降水量均呈顯著負相關，與地下水位的相關性均不顯著。5種闊葉樹種的主要根系多分布在1.0 m以內的土層中，家榆的根系分布較深，大部分根系分布在20～200 cm的范圍內，但當?shù)氐叵滤辉?.5 m以下，5種闊葉樹種與地下水位的相關系數(shù)均較低，也說明旱季和雨季，5種闊葉樹種基本以降水作為生存的主要水分來源，即使植物有少量的根系可以達到這個深度，對地下水的利用也極其有限。五角楓與各土層的土壤含水率相關性均不顯著，糖槭和小葉楊的水分利用效率只與0～100 cm土層的土壤含水率相關性顯著，家榆與0～150 cm土層內的土壤含水率均有較高的相關系數(shù)，桑樹的水分利用效率與0～50 cm土層的土壤含水率相關性顯著，與50 cm土層以下的土壤含水率雖有一定的相關性，但并不顯著，這說明五角楓、糖槭和小葉楊的根系主要分布在100 cm以內，桑樹的根系可延伸至150 cm深度，家榆的根系生長量最大，可達200 cm處，但隨著土壤深度的增加，5種闊葉樹種水分利用效率與土壤含水率的相關系數(shù)均有降低趨勢，至150～200 cm深度時，水分利用效率與土壤含水率的相關性均不顯著，也驗證了5種闊葉樹種基本以降水作為生存的主要水分來源的結論。

3討論與結論

近年來，隨著生態(tài)環(huán)境關注度越來越高，很多學者開始質疑科爾沁沙地的植被覆蓋度增加是否是導致當?shù)氐叵滤幌陆档闹饕?。根?jù)對當?shù)夭煌疃韧寥浪趾康拈L期監(jiān)測，以及土壤水分含量與幾種常見闊葉造林樹種水分利用效率的相關性分析得知：本研究中5種常見闊葉樹種的根系主要分布在0～100 cm的土層中，150～200 cm深度土層中根系已經(jīng)大大減少。研究區(qū)地下水位長年保持在3.5 m以下，而研究區(qū)地下水沿毛管上升高度在1.1?m左右，5種闊葉樹種根系利用的主要土壤水并不在地下水的分布范圍內。相關學者在不同區(qū)域的研究結果也顯示，本研究中的造林樹種，垂直根系分布多在100 cm以內，一般不超過200 cm，主要通過水平根的擴展獲取土壤水。張光燦等[9]研究認為，5年生的桑樹的根系雖可達到80 cm，但以0～40 cm土層內的百分比含量最大;劉鑫等[10]研究認為，小葉楊在30～40 cm土層根系密度較大，40 cm以下根系密度大幅度減少;李紅麗等[11]認為，榆樹根系主要分布在200 cm以內的土層內。

5種闊葉樹種的水分利用效率與降水量極顯著負相關，與地下水位相關性不顯著，5種闊葉樹種在旱季和雨季均利用降水作為植株生存的水分來源，且主要利用0～100 cm范圍的土壤水。

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