百色干熱河谷地區(qū)降雨氫氧穩(wěn)定同位素特征及芒果樹(shù)水分來(lái)源研究

王 升，黃玉清，丁亞麗，趙銀軍

1.廣西百色國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會(huì)，廣西百色 533612；2.南寧師范大學(xué)北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530001；3.清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系，北京 100084

位于百色市的右江河谷是我國(guó)著名的干熱河谷之一，被譽(yù)為“天然溫室”[1]。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有光、熱能充足，水熱同期、夏季高溫多雨、干濕季節(jié)分明且無(wú)冬季的河谷干熱氣候特征，具備芒果得天獨(dú)厚的適生環(huán)境，種植芒果已有100多年歷史，目前已逐步成為我國(guó)芒果主產(chǎn)區(qū)。截止2021年8月，百色芒果種植總面積已達(dá)8.9萬(wàn)hm2，面積和產(chǎn)量均占全國(guó)的近三成，“百色芒果”獲“國(guó)家級(jí)農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志示范樣板”稱號(hào)，芒果產(chǎn)業(yè)已成為百色革命老區(qū)脫貧致富的主要途徑之一。然而，該地區(qū)年平均溫度22.2℃，年均降水量 1165.8 mm，年蒸發(fā)量1681.7 mm，蒸發(fā)量大于降水量，是全區(qū)最干旱的地區(qū)之一[2]，有“十年十旱”之稱（尤其是春旱發(fā)生的頻率達(dá) 70%~90%），旱災(zāi)已成為右江河谷旱地作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量提高的主要制約因素。已有研究表明右江河谷旱作全生育期的平均水分條件是虧缺的，且近40年來(lái)右江河谷作物生育期內(nèi)有效降水量呈下降趨勢(shì)[3]。百色芒果園 80%以上分布于山地上，基礎(chǔ)設(shè)施落后，水電缺乏，旱季能夠使用地頭水柜等簡(jiǎn)陋設(shè)施灌溉的果園面積僅占全市芒果園面積的 19.5%，而完全靠雨養(yǎng)果園的面積達(dá) 80.0%，抵抗旱災(zāi)的能力較低。芒果果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育的大部分時(shí)間在旱季，水源或者灌溉設(shè)施匱乏致使芒果關(guān)鍵需水時(shí)期水分難以得到保證，產(chǎn)量波動(dòng)大。在干熱河谷生境下，芒果樹(shù)對(duì)土壤水分的吸收利用是否存在季節(jié)性轉(zhuǎn)變特征尚不清楚，不同物候期的主要水分來(lái)源（如淺層土壤水、深層土壤水或地下水等）及各水源貢獻(xiàn)比例也未明確[4]。

水循環(huán)是地球物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，也是物質(zhì)和能量遷移的動(dòng)力和載體之一。降水是大氣圈和水圈物質(zhì)與能量交換最積極的一部分，且降水氫氧同位素具有時(shí)空差異性，其變化受到溫度、濕度、氣壓、降水量、水汽來(lái)源等因素的影響[5]。作為流域的主要水分來(lái)源，降水中的氫氧同位素特征對(duì)該區(qū)域內(nèi)各水體（土壤水、地下水和植物水等）中的氫氧同位素有根本性的影響，是利用同位素技術(shù)在該地區(qū)開(kāi)展水循環(huán)研究的基礎(chǔ)[6-7]。了解不同時(shí)空尺度降水中氫氧同位素組成對(duì)生物地球化學(xué)研究十分必要[8]，如研究土壤水和地下水補(bǔ)給、地下水滯留時(shí)間、植物水分來(lái)源等[7]。

穩(wěn)定同位素技術(shù)過(guò)去主要應(yīng)用于水分循環(huán)及水分運(yùn)移等方面，相比傳統(tǒng)的水文研究方法，如水量平衡、空氣動(dòng)力學(xué)及模型模擬等方法，由于其具有精量、精細(xì)、精準(zhǔn)和可控性，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，開(kāi)始廣泛應(yīng)用于植物水分來(lái)源研究[4]。通過(guò)測(cè)定植物木質(zhì)部水分和不同水源（不同季節(jié)降水、霧水，不同層次土壤水、地下水、地表徑流等）的氫和氧同位素組成來(lái)分析植物水源，可判斷植物根系有效吸水區(qū)域，且有助于解釋植物水分利用策略對(duì)環(huán)境水分變化的適應(yīng)[9]。前人研究表明不同功能型植物利用水分的方式不同，如禾本科等草本植物和仙人掌類(lèi)植物主要利用來(lái)自近期降水的淺層土壤水，河岸帶樹(shù)木和深根系植物則主要利用深層土壤水或地下水[10]，而灌木類(lèi)常利用幾種水源的混合水[11]，即綜合應(yīng)用了雨水、土壤水、地下水和河水[12-13]?；跉溲跬凰胤椒▽?duì)南方丘陵區(qū)幼年油茶水分來(lái)源的研究發(fā)現(xiàn)，果實(shí)生長(zhǎng)高峰期主要應(yīng)用了0~30 cm深度的土壤水，0~30、30~60、60~100 cm土壤水的貢獻(xiàn)率分別為51.3%、28.2%和20.5%[12]。綜上，穩(wěn)定性氫氧同位素示蹤技術(shù)作為植物水分關(guān)系過(guò)程研究的有效手段，定量判別估算作物生長(zhǎng)期對(duì)潛在水源的利用比例以及季節(jié)性轉(zhuǎn)變模式，有助于推動(dòng)區(qū)域生態(tài)水文效應(yīng)的模擬和預(yù)測(cè)。

在全球氣候變化的大背景下，目前缺乏對(duì)干熱河谷地區(qū)降雨氫氧穩(wěn)定同位素特征及芒果樹(shù)根系吸水來(lái)源方面的研究。百色干熱河谷地區(qū)降雨氫氧穩(wěn)定同位素組成隨季節(jié)如何變化？不同生育期芒果樹(shù)分別利用了哪個(gè)層次的水分？本研究應(yīng)用氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，分析降雨氫氧穩(wěn)定同位素動(dòng)態(tài)變化及其影響因素，綜合直接對(duì)比法和線性混合模型方法探討百色干熱河谷地區(qū)芒果樹(shù)根系吸水來(lái)源，并量化各潛在水源的貢獻(xiàn)比例，以期為該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源高效利用及芒果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西百色市田陽(yáng)縣百育鎮(zhèn)，是典型的干熱河谷區(qū)，地貌以河谷沖積平原和小丘陵為主。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫度 22.2℃，最冷月 1月平均溫度13.7℃，最熱月7月平均溫度28.4℃，極端最高溫度42℃，極端最低溫度-1.7℃，溫度水平差異小，垂直差異大。年際間最大年降水量1668.7 mm，最小年降水量832.2 mm，多年平均降水量1165.8 mm，年蒸發(fā)量1681.7 mm。雨季平均開(kāi)始于5月上旬，結(jié)束于9月下旬，平均持續(xù) 132 d。降水量南北山區(qū)多，中間河谷少，夏季多，冬季少，干濕季分明。年均日照時(shí)數(shù)1711.2 h。

在百色市國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)芒果莊園（106°59′E, 23°41′N(xiāo)）開(kāi)展研究，芒果園屬低山丘陵坡地，坡向西北，無(wú)灌溉。試驗(yàn)品種為30年生‘貴妃芒’，長(zhǎng)勢(shì)一致，無(wú)病蟲(chóng)害，種植密度為500株/hm2，株行距 4.00 m×5.00 m。平均樹(shù)高2.90 m，平均胸徑20.30 cm，平均南北冠幅2.92 m，平均東西冠幅為3.14 m。果園定期進(jìn)行病蟲(chóng)害防治，適時(shí)拉枝剪梢、套袋、保墑追肥，定期清除雜草，果樹(shù)生長(zhǎng)管理措施在該區(qū)域具有代表性。

1.2 降水樣品采集及測(cè)定

該地區(qū)的降水均以降雨的形式出現(xiàn)，雨水收集采用國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)全球大氣降水網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（Global Network of Isotopes in Precipitation,GNIP）推薦的方法和裝置，采用超純水清洗棕色收集瓶，烘干，然后置于離地面2 m高的位置，雨水通過(guò)漏斗進(jìn)入密閉的收集瓶，漏斗內(nèi)放置一個(gè)乒乓球以防止蒸發(fā)，收集過(guò)程中注意密封，盡量避免收集的雨水樣品與外界空氣進(jìn)行交換，將蒸發(fā)的影響降到最低。雨水樣品裝入2 mL冷凍管后用 parafilm封口膜密封，放于冰箱 4℃冷藏保存，待測(cè)水中氫氧同位素組成[14-15]。自 2020年7月—2021年10月，共收集35份雨水樣品。

所有降水水樣的氫氧穩(wěn)定同位素組成由北京松盛華嘉檢測(cè)技術(shù)有限公司進(jìn)行測(cè)試分析，所用儀器為L(zhǎng)GR水同位素分析儀（型號(hào)：912-0050）。水樣上機(jī)測(cè)試之前用0.22 mm孔徑的濾膜進(jìn)行過(guò)濾，以去除水樣中的雜質(zhì)。測(cè)試結(jié)果用相對(duì)于V-SMOW（維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水）標(biāo)準(zhǔn)的δ（‰）表示：

式中，sample為待測(cè)樣品，VSMOW為標(biāo)準(zhǔn)樣品，δD值的測(cè)試誤差不超過(guò)±1‰，δ18O值的測(cè)試誤差不超過(guò) 0.2‰。此外，氘盈余（d）為δD與 8δ18O之差，反映了水汽源地、空氣濕度、水汽路徑等。

1.3 土壤水、地下水及芒果莖稈水取樣及測(cè)定

于2021年3—6月（芒果的重要生育期：花期、幼果期、果實(shí)膨大期及成熟期）對(duì)百色市田陽(yáng)縣百育鎮(zhèn)芒果園土壤與植株進(jìn)行調(diào)查取樣，采樣時(shí)間分別為3月11日、4月10日、5月15日和6月17日。

土壤樣品采集：按照10、20、30、40、60、80、100 cm深度在芒果樹(shù)根系附近0~60 cm土層內(nèi)用土鉆采集土壤樣品，每層采集鋁盒樣品和同位素樣品各1份，鋁盒土樣用烘干法（105℃，12 h）測(cè)定土壤含水量，同位素樣品裝入采樣瓶?jī)?nèi)并用parafilm封口膜密封以防止蒸發(fā)，放入便攜式冰盒（4℃），帶回實(shí)驗(yàn)室后冷藏保存，后期在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用植物土壤水分真空抽提系統(tǒng)提取土壤中的水分。

植物樣品采集：截取4~5節(jié)10 cm左右長(zhǎng)度的芒果樹(shù)栓質(zhì)化小莖，并立即剝離韌皮部后裝入10 mL螺口玻璃樣品瓶中，擰緊瓶蓋，用parafilm封口膜密封以防止蒸發(fā)，放入便攜式冰盒（4℃），帶回實(shí)驗(yàn)室后冷凍（-20℃）保存，待真空提取植物水樣。

地下水樣品采集：在芒果園附近泉水口采集地下水2 mL于采樣瓶，用parafilm封口膜密封以防止蒸發(fā)，放入便攜式冰盒（4℃），帶回實(shí)驗(yàn)室后冷藏保存。

土壤水和植物水萃取：植物和土壤樣品的水分提取采用真空冷凍蒸餾法，使用真空抽提系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）進(jìn)行低溫真空抽提。將收集好的液態(tài)水裝入 2 mL玻璃瓶待測(cè)。植物和土壤抽提的液態(tài)水樣品的氫氧同位素含量同樣采用LGR水同位素分析儀測(cè)定。

1.4 植物水源判斷方法

1.4.1 直觀相關(guān)法 顧名思義就是指將樹(shù)莖水與不同潛在水源的δD和δ18O進(jìn)行直接對(duì)比，當(dāng)其與某潛在水源δD和δ18O交叉或者相近時(shí)，就大致可以定性判斷出植物水分利用來(lái)源所處的土壤深度。但利用直觀相關(guān)法進(jìn)行分析時(shí)，有一個(gè)先決條件，即在任意時(shí)間，植物優(yōu)先利用某一特定層次的土壤水。

1.4.2 多元線性混合模型法 根據(jù)同位素質(zhì)量守恒原理，PHILLIPS等[16]提出了多元線性混合模型法確定植物對(duì)各潛在水源的利用比例，建立了Isosource模型。同位素種類(lèi)最多可輸入5種，水分來(lái)源最多可輸入10種，Mixtures表示植物木質(zhì)部水的同位素值，對(duì)來(lái)源增量（source increment）和質(zhì)量平衡公差（mass balance tolerance）分別賦值為1%（表示以1%的增量賦值植物對(duì)各水源的利用比例，用以檢測(cè)可能的比例組合）和 0.1‰（表示各水源同位素值被利用比例加權(quán)值之和與植物木質(zhì)部水同位素值的差異不差過(guò) 0.1‰，此時(shí)的比例組合被認(rèn)為是可能的組合）。質(zhì)量平衡公差越大，可接受的值也越多。PHILLIPS等[16]認(rèn)為質(zhì)量平衡公差不小于來(lái)源增量與各可能最大水源同位素值之間最大差值的乘積的1/2。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨氫氧穩(wěn)定同位素組成及其影響因素

通過(guò)采樣分析，實(shí)驗(yàn)區(qū)域2020年7月—2021年 10月降水同位素值δ18O變化范圍為-15.75‰~-0.97‰，年均值為-7.39‰；δD 變化范圍為-116.03‰~4.35‰，年均值為-48.70‰；氘盈余d的變化范圍為 4.92‰~14.82‰，平均值為10.78‰（表1、圖1）。δ18O、δD和d的月均值最大值均出現(xiàn)在4月，分別為-1.81‰、-1.73‰和12.76‰；最小值均出現(xiàn)在8月，分別為-11.13‰、-81.29‰和7.92‰。δ18O和δD月變幅最大的月份均為8月，變化范圍分別為-15.75‰~-7.73‰、-116.03‰~-55.32‰；變幅最小的月份均為4月，變化范圍分別為-2.63‰~-0.97‰、-9.33‰~4.35‰。整體而言，雨季降水中的δ18O和δD值均低于旱季，雨季變幅大于旱季。

由表1可見(jiàn)，研究區(qū)實(shí)驗(yàn)期間35場(chǎng)降雨中，d值小于10‰的降水次數(shù)為14次，占40%，這部分水汽可能是由于海洋水汽遠(yuǎn)距離補(bǔ)給，d值微升。降水中的d值呈現(xiàn)雨季低而旱季高的特點(diǎn)，說(shuō)明在雨季，百色地區(qū)降水的水汽主要來(lái)自低緯度海洋，空氣濕度大，降水過(guò)程中蒸發(fā)微弱以及遠(yuǎn)距離水汽輸送導(dǎo)致同位素貧化，d值較小。干燥水汽可以顯著增加降水中的d值，干燥水汽來(lái)自于大陸盆地或途徑內(nèi)陸；在旱季，受大陸性氣團(tuán)的控制，該地區(qū)降水的水汽可能來(lái)源于區(qū)域再蒸發(fā)水汽的補(bǔ)給，空氣濕度小，蒸發(fā)較強(qiáng)，導(dǎo)致降水中重同位素富集，d值較大。張君等[15]在桂西北的研究也有類(lèi)似相關(guān)的結(jié)果，即春季（13.27‰）和冬季（17.05‰）的氘盈余大于夏季（10.12‰）和秋季（11.07‰）。

表1 研究區(qū)降雨δ18O、δD和氘盈余月統(tǒng)計(jì)特征Tab.1 Monthly variation of δ18O, δD and d-excess in precipitation

降水中δ18O、δD和d與日平均溫度變化的關(guān)系見(jiàn)圖1，δ18O和δD與日平均氣溫呈相反的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為隨著氣溫的降低而升高、隨氣溫的升高而降低。對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析（圖2），可見(jiàn)降水中的δ18O和δD與日平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)。

圖1 研究區(qū)降水δ18O、δD、d及氣溫變化Fig.1 Variation of δ18O, δD, d in precipitation and air temperature

圖2還表明，降水中δ18O和δD值隨降雨量的增大而偏貧化，即降水中氫氧穩(wěn)定同位素值與降雨量之間呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。本研究中大氣降水同位素表現(xiàn)出明顯的“降雨量效應(yīng)”，即降雨量與同位素的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與本研究區(qū)位于中低緯度受到強(qiáng)對(duì)流天氣的影響有關(guān)。

圖2 研究區(qū)降水δ18O、δD與降水量（A、C）、氣溫（B、D）在次降雨尺度變化的關(guān)系Fig.2 Relationships between δ18O and δD in precipitation and rainfall amount (A, C) and air temperature (B, D)

2.2 當(dāng)?shù)卮髿饨邓€

在水的蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程中，存在H2O和HDO之間蒸汽壓變化與H216O和H218O之間蒸汽壓變化的比例關(guān)系，δD和δ18O的平衡分餾系數(shù)值S≈8.2（T=25℃），所以導(dǎo)致水體中D和18O的線性關(guān)系[7]。這一關(guān)系用最小二乘法表示，即為大氣降水線方程，其揭示的是水汽在其源地非平衡蒸發(fā)以及水汽在凝結(jié)過(guò)程中平衡分餾條件下降水中穩(wěn)定同位素比率δD和δ18O之間的對(duì)比關(guān)系，其斜率反映兩類(lèi)穩(wěn)定同位素δD和δ18O分餾速率的對(duì)比關(guān)系，截距表示氘對(duì)平衡狀態(tài)的偏離程度，對(duì)研究區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程具有重要意義[13]。圖3為研究區(qū)大氣降水線，方程為δD=8.2587δ18O+12.308，δD和δ18O值有極顯著相關(guān)性（r=0.9968,n=35,P＜0.001）。當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程的斜率和截距分別為8.2587和12.308，與全球大氣降水線方程δD=8δ18O+10相比，研究區(qū)降水線方程斜率和截距均偏大。由于δD值與δ18O值之間存在顯著的線性關(guān)系，因此本文其余部分使用δD值來(lái)反映降雨同位素特征。

圖3 研究區(qū)當(dāng)?shù)卮髿饨邓€與全球大氣降水線對(duì)比Fig.3 Comparison of local meteoric water line in study area and global meteoric water line

2.3 芒果樹(shù)水分來(lái)源

2.3.1 土壤含水量及土壤水的氫氧同位素變化特征 4次取樣前期降水和日均溫如表2所示，芒果園各月土壤含水量如圖4所示。2021年3—6月，日均溫逐漸升高。由于2021年3月11日前期降水較少（1月和 2月總降雨量?jī)H為51.4 mm），無(wú)雨天數(shù)較長(zhǎng)，土壤含水量較低（18.9%）。2021年4月10日采樣時(shí)，由于3月較多降雨的補(bǔ)給（187.8 mm），土壤含水量有所上升（20.3%）。2021年5月15日采樣時(shí)，可能是由于采樣前降雨較少（5月1日至5月14，僅5月11日降雨19.2 mm），且氣溫較高（28.5℃）、蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤含水量下降（17.3%）。2021年6月17日采樣時(shí)，經(jīng)過(guò)降水補(bǔ)給（6月3日和6月5日降水量分別為57.2 mm和98.8 mm），土壤含水量達(dá)到較高水平（21.6%）。從土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化中可以看出高溫、蒸發(fā)強(qiáng)烈的夏季，干熱河谷區(qū)作物容易遭受水分脅迫。

表2 土壤取樣時(shí)芒果生育期及前期天氣概況Tab.2 Growth periods and weather conditions during sampling days

圖4 2020年研究區(qū)土壤體積含水量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Variation of volumetric soil water content at study area in 2020

芒果園土壤水δD值隨土壤深度的變化特征見(jiàn)圖5，總體來(lái)看，土壤水中氫穩(wěn)定同位素的變化具有一定的規(guī)律性：不同月份土壤水δD總體上隨土壤深度的增加而變貧，表層的同位素豐度較為富集，而后隨著深度的增加逐漸貧化，在60 cm以下深度則保持一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。土壤表層氫氧同位素較為富集是由于受地表蒸發(fā)和樹(shù)木截留水分蒸發(fā)的影響，但對(duì)于深層的土壤，只有當(dāng)降雨達(dá)到一定量（超過(guò)冠層截留量和表層土壤一定補(bǔ)給量）時(shí)才開(kāi)始入滲補(bǔ)給深層土壤水分，因此表現(xiàn)為深層土壤層中δD值較小。

圖5 芒果園地下水、芒果莖稈及土壤水δD變化特征Fig.5 Variation of δD in groundwater, xylem water, and soil water at mango garden

比較δD值在不同月份、不同土壤深度之間的分布特征（圖6）。整體來(lái)看，3—6月δD平均值依次為-45.185‰±0.170‰、-33.635‰±0.256‰、-38.029‰±0.184‰和-29.595‰±0.101‰。結(jié)合土壤含水量和各月降水量，可見(jiàn)由于3月之前較為干旱，導(dǎo)致3月氫同位素較為貧化；隨著3、4月降水的增加，雨水在下滲過(guò)程中挾帶重同位素補(bǔ)充到各層土壤中，使4月氫同位素豐度較為富集；由于5月中上旬基本無(wú)降水，導(dǎo)致5月的氫同位素值又貧化而偏負(fù)；經(jīng)過(guò)6月初較大降水補(bǔ)給（6月 3日和 6月 5日降水量分別為 57.2 mm和98.8 mm），6月氫同位素豐度又得到提升。

圖6 不同月份芒果園土壤水δD變化特征Fig.6 Variation of δD in soil water at mango garden

2.3.2 芒果樹(shù)水分來(lái)源 利用直觀相關(guān)法對(duì)不同月份芒果樹(shù)莖水、土壤水及地下水δD進(jìn)行對(duì)比，若與芒果樹(shù)莖水同位素值接近或相交即為芒果樹(shù)吸水來(lái)源區(qū)域。由圖5可知，不同月份芒果樹(shù)莖水與土壤水均有交叉或接近于地下水，初步判斷芒果樹(shù)同時(shí)利用60 cm以下土層的土壤水及地下水。3月芒果樹(shù)木質(zhì)部水分δD值為-45.771‰，與30、40 cm和以下土壤水分及地下水δD值相近；4月芒果樹(shù)木質(zhì)部水分δD值為-40.246‰，與 40 cm及以下土壤水及地下水δD值相近；5月芒果樹(shù)木質(zhì)部水分δD值為-45.155‰，對(duì)應(yīng)于60 cm及以下土壤水和地下水δD值；6月芒果樹(shù)木質(zhì)部水分δD值為-39.640‰，與60 cm及以下土壤水和地下水δD值相近。綜合來(lái)看，芒果樹(shù)在雨季初期主要利用中下層土壤水分及地下水，雨季主要利用深層土壤水及地下水。同時(shí)可見(jiàn)，直觀相關(guān)法屬于定性方法，精確性欠佳，尚需借助定量計(jì)算法進(jìn)一步明確主要吸水來(lái)源及其貢獻(xiàn)率。

利用多元線性混合模型（基于 IsoSource軟件）定量研究芒果樹(shù)對(duì)各層土壤水源及地下水的利用比例，在分析過(guò)程中以δD值的分析結(jié)果為主（表3），3月及之前降雨較少，芒果樹(shù)在花期對(duì)各土層土壤水分及地下水利用較為均勻，對(duì)20~40 cm處土壤的水分利用比例稍高；4月幼果期主要利用 40 cm以下土層土壤水及地下水；5月果實(shí)膨大期和6月成熟期均主要利用60 cm以下土壤水及地下水，特別是在成熟期對(duì)地下水利用比例達(dá)到 58.9%。表明干熱河谷地區(qū)芒果樹(shù)主要以深層土壤水及地下水為水源，這是由于芒果樹(shù)根系主要分布在深層，說(shuō)明芒果樹(shù)更接近于保守型水分利用策略。

表3 基于δD的不同深度土壤水及地下水對(duì)芒果樹(shù)根系吸水的貢獻(xiàn)率Tab.3 Contribution rates of soil water at different depths and groundwater to mango tree at different growing stage based on δD

3 討論

3.1 降雨氫氧穩(wěn)定同位素組成及其影響因素

中國(guó)降水年均δ18O 變化范圍為-13.9‰~-3.6‰，δD 變化范圍為-134‰~-17‰[13]，本研究中δ18O和δD的變化范圍在中國(guó)降水氫氧同位素的變化范圍內(nèi)。張君等[15]分析了西南喀斯特小流域 2013—2018年日尺度降水的氫氧穩(wěn)定同位素值，發(fā)現(xiàn)δ18O變化范圍為-15.20‰~1.06‰，δD變化范圍為-118.88‰~32.00‰，d值介于-9.25‰~33.89‰之間，平均值為 12.02‰[15]，本研究區(qū)域（位于百色市）與其研究小流域（位于河池市）均位于桂西北地區(qū)，因此δ18O、δD和d值的變化范圍也在該范圍內(nèi)。張君等[15]的研究結(jié)果表明重同位素值相對(duì)較高，如δ18O最大值為1.06‰，δD最大值為32‰，這是由于其收集了所有降水，包括小于20 mm的降水，甚至對(duì)2 mm的降水也進(jìn)行了測(cè)定，這類(lèi)降水往往表現(xiàn)出重同位素特征，造成了重同位素值范圍比較大。

大氣降水中δ18O和δD值的變化與產(chǎn)生降水的物理過(guò)程密切相關(guān)，其中水循環(huán)過(guò)程中的蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程對(duì)δ18O和δD值大小的影響最顯著。降水中的氫氧同位素一般存在以下規(guī)律：δ值向遠(yuǎn)離海岸線的方向降低的大陸效應(yīng)，沿緯度升高方向降低的緯度效應(yīng)，沿高程增加方向減少的高程效應(yīng)，隨地面氣溫升高而增大的溫度效應(yīng)，隨降水量增大而減少的降水量效應(yīng)[5]。降水量效應(yīng)主要發(fā)生在低緯度熱帶地區(qū)，而溫度效應(yīng)主要發(fā)生在高緯度地區(qū)[17]。溫度是影響蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程的重要因素之一，本研究表明試驗(yàn)區(qū)存在反溫度效應(yīng)。張君等[15]在桂西北（河池市）喀斯特小流域的研究也發(fā)現(xiàn)δ18O與日均氣溫的極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度每升高 1℃，δ18O值降低 0.27‰。這與降雨同位素溫度效應(yīng)（指δ值隨溫度升高而升高，原因在于降水云團(tuán)的冷凝溫度與雨水的δ值有直接關(guān)系，而地面氣溫在一定程度上與冷凝溫度有對(duì)應(yīng)關(guān)系）不一致，很多中國(guó)南方季風(fēng)區(qū)的研究也表現(xiàn)出反溫度效應(yīng)[18-19]。其原因在于在受東南季風(fēng)影響的中國(guó)大部分地區(qū)，由于水熱同步，降雨量效應(yīng)掩蓋了溫度效應(yīng)，導(dǎo)致氫氧穩(wěn)定同位素與溫度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究區(qū)屬于珠江流域，受季風(fēng)氣候、雨滴凝結(jié)時(shí)的溫度以及相對(duì)濕度的綜合影響，一定程度上消減了溫度效應(yīng)[19]。SCHOTTERER等[20]在關(guān)于全球尺度降雨年δ18O平均值與氣溫的研究中發(fā)現(xiàn)二者呈正相關(guān)關(guān)系。隨著全球氣候變暖的趨勢(shì)，降水中的δ18O值也在升高，降水δ18O與氣溫之間的關(guān)系存在時(shí)空尺度的差異。本研究還揭示了該地區(qū)存在顯著的降雨量效應(yīng)，和臨近地區(qū)的研究結(jié)果[13,18-19]相同。張君等[15]在桂西北喀斯特小流域通用觀測(cè)到降水中氫氧同位素隨降雨量的增大而減小，降雨量每增加1 mm，δ18O值降低0.05‰，且溫度對(duì)δ18O和δD的影響強(qiáng)于降雨量的影響。

張君等[15]建立的桂西北（河池市）喀斯特小流域的大氣降水線方程為δD=8.37δ18O+14.45，斜率和截距也均大于全球大氣降水線方程的斜率和截距，與本研究的大氣降水線方程相近。由于水汽來(lái)源、水汽輸送方式、地理位置（海拔、經(jīng)緯度、地帶性氣候等）及氣候條件的差異，各地大氣降水線的斜率和截距不盡相同。本研究建立的方程與緯度相近的如章新平等[21]報(bào)道的長(zhǎng)沙（δD=8.74δ18O+15.46）、涂林玲等[22]建立的桂林（δD=8.42δ18O+16.28 ）、 貴 陽(yáng) （δD=8.82δ18O+22.06）、香港（δD=8.08δ18O+11.08）及珠江（δD=7.68δ18O+8.73）[13]等地的大氣降水線方程相近，表明這些地區(qū)的降水與季風(fēng)類(lèi)型、水汽來(lái)源以及所處氣候帶相似。另外，大氣越干熱，大氣降水線斜率和截距越小[23]，本研究中百育鎮(zhèn)大氣降水線的斜率和截距均小于臨近地區(qū)的貴陽(yáng)[13]、河池（δD=9.016δ18O+19.66）[24]、桂林[22]及長(zhǎng)沙[21]，反映了研究區(qū)較為干旱、相對(duì)濕度較低、降水過(guò)程受云霞二次蒸發(fā)作用較強(qiáng)的特點(diǎn)[23]。降水線方程的高截距反映出研究流域以受大陸性局地水汽來(lái)源影響為主，降落到地表的水重新蒸發(fā)在當(dāng)?shù)厮麃?lái)源中占很大比例。羅芳芳[25]獲得的云南元謀干熱河谷地區(qū)的大氣降水線方程為δD=7.56δ18O- 0.988（r=0.984,P＜0.001,n=24），斜率和截距均比本研究小，表明該地區(qū)更為干熱的氣候特征。

3.2 芒果樹(shù)水分來(lái)源

總體來(lái)看，在花期和幼果期，芒果樹(shù)對(duì)各層次土壤水分及地下水利用比例較為均勻，果實(shí)膨大期和成熟期則主要利用深層土壤水及地下水。表明該地區(qū)芒果樹(shù)在生育期尤其是耗水量較大的階段，主要以深層土壤水及地下水為吸水來(lái)源，這是由于研究區(qū)芒果樹(shù)齡為 30 a，根系主要分布在深層，傾向于較為保守的水分利用策略。多數(shù)研究表明，在干旱半干旱地區(qū)或蒸發(fā)需求較大的旱季，降水存留周期短，淺層土壤水分資源大幅減少，根系較深的喬木或具有二態(tài)根系的多年生植物能開(kāi)發(fā)獲取更深更廣的土壤水分維持蒸騰生長(zhǎng)需要，其下扎的深根可獲取相對(duì)較穩(wěn)定的深層土壤水或地下水，上層根系可以吸收即使是小降水事件仍能得到補(bǔ)給的淺層土壤水分[9,11]。

另外，植物不同生長(zhǎng)周期對(duì)水分需求量有所差異，同時(shí)受前期降雨格局和根區(qū)水分環(huán)境的影響，也會(huì)驅(qū)動(dòng)水分吸收來(lái)源以及利用策略發(fā)生轉(zhuǎn)變。多數(shù)經(jīng)濟(jì)果樹(shù)在果實(shí)膨大期耗水量較大，如陜北山地蘋(píng)果園蘋(píng)果樹(shù)果實(shí)膨大期耗水量占全生育期的44%~47%，遠(yuǎn)高于其他時(shí)期[26]。雖然果實(shí)膨大期一般發(fā)生在雨季，但由于干熱河谷特殊的水熱條件，導(dǎo)致該區(qū)域夏季高溫、蒸發(fā)強(qiáng)烈，造成土壤含水量下降，可利用水分減少，作物反而容易遭受水分脅迫。因此，該區(qū)域芒果樹(shù)在高溫、蒸發(fā)強(qiáng)烈的果實(shí)膨大期吸收利用深層水分和地下水以維持蒸騰，保證該生育期的耗水需求得以滿足。

此外，由于取土深度有限，未能獲取更深層土壤水穩(wěn)定氫氧同位素值參與計(jì)算，因此本研究中芒果樹(shù)利用了較多地下水，可側(cè)面反映芒果樹(shù)利用了更多深層次水分（包括深層土壤水及地下水）。綜合研究區(qū)芒果園樹(shù)齡較老、根系深扎、水分利用策略較為保守等特征，本研究建議針對(duì)芒果樹(shù)不同生育期的需水規(guī)律，采用地下滲灌方式進(jìn)行合理灌溉，調(diào)節(jié)芒果生長(zhǎng)狀況，進(jìn)一步提高芒果水分利用效率和產(chǎn)量品質(zhì)。

4 結(jié)論

百色干熱河谷地區(qū)降水氫氧同位素在年內(nèi)具有明顯的季節(jié)變化，δ值及氘盈余（d）均呈雨季低而旱季高的特點(diǎn)；研究區(qū)的大氣降水線方程為δD=8.2587δ18O+12.308（r=0.9968,n=35,P＜ 0.001）。土壤水氫氧穩(wěn)定同位素總體上隨土壤深度的增加而變貧；在花期和幼果期，芒果樹(shù)對(duì)各層次土壤水分及地下水利用比例較為均勻，果樹(shù)膨大期和成熟期則主要利用深層次土壤水及地下水，表明該地區(qū)芒果樹(shù)主要以深層次土壤水及地下水為水源，說(shuō)明其傾向于較為保守的水分利用策略。