黃河中游濕地優(yōu)勢(shì)植物水分利用的同位素研究

許秀麗,李云良,郭 強(qiáng)

黃河中游濕地優(yōu)勢(shì)植物水分利用的同位素研究

許秀麗1,2,李云良3*,郭 強(qiáng)2

(1.江蘇第二師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210008；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024；3.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略背景下,探究沿黃濕地植物水分利用來源是揭示黃河濕地生態(tài)系統(tǒng)演替機(jī)制的重要基礎(chǔ).本文以汾河入黃典型河口濕地為研究區(qū),分析旱季(5月)和雨季(9月)不同水源(降水、土壤水、地下水和河水)和優(yōu)勢(shì)植物的氫氧同位素特征,辨析濕地水分的補(bǔ)給來源和植物水分利用比例,探討植物干濕季水分利用策略.結(jié)果發(fā)現(xiàn),濕地地下水18O 、D值同當(dāng)?shù)亟邓头诤铀啾让黠@貧化,地下水接受當(dāng)?shù)亟邓挠行аa(bǔ)給僅在雨季,地下水主要來自黃河水側(cè)滲并向汾河排泄.淺層土壤水(0～20cm)主要受降水補(bǔ)給,深層土壤水(20～80cm)則來自毛細(xì)地下水和汾河水補(bǔ)給.旱季,不同植物出現(xiàn)了水分利用的生態(tài)位分離現(xiàn)象,小型草本小香蒲(,(46%±7%))和假葦拂子茅(,(95%±1%))對(duì)淺層土壤水利用率最高,大型草本水莎草()主要利用深層土壤水和地下水(89%±23%),而蘆葦()主要利用河水、地下水和深層土壤水(86%±19%); 雨季草本植物均主要利用深層土壤水、地下水和河水,表現(xiàn)出水分利用的生態(tài)位重疊.灌木檉柳()的水源存在季節(jié)轉(zhuǎn)換,旱季均衡利用多種水源,雨季主要利用淺層土壤水(68%±5%).在未來暖干氣候背景下,檉柳靈活的水分利用模式具有更大的生存優(yōu)勢(shì),而草本植物間的水分競(jìng)爭(zhēng)可能加劇.研究結(jié)果可加強(qiáng)對(duì)黃河中游濕地生態(tài)系統(tǒng)演變機(jī)制的認(rèn)識(shí),為濕地生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù).

黃河中游；植物水分利用；水源補(bǔ)給；氫氧同位素；河口濕地

水分利用策略是植物生存、適應(yīng)與發(fā)展的關(guān)鍵,也是植被生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮保持水土、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能的基礎(chǔ)[1].黃河流域是我國(guó)重要的生態(tài)屏障,隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施,如何在水資源短缺的黃河流域,保證生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定是一個(gè)重大問題[2].濕地是黃河流域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有調(diào)節(jié)黃河水量、維護(hù)生物多樣性和生態(tài)平衡的功能,是黃河流域生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[3].然而,濕地系統(tǒng)發(fā)育與植被演替對(duì)水分條件變化尤為敏感[4-5],黃河流域大部分處于半干旱和半濕潤(rùn)區(qū),水資源先天不足,過去30a沿黃濕地退化已成為不爭(zhēng)的事實(shí)[5],濕地植被與水分關(guān)系問題極為突出.因此,探究沿黃濕地水分補(bǔ)給來源與植物水分利用方式,是揭示水分條件變化下濕地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)機(jī)制的關(guān)鍵,對(duì)預(yù)測(cè)濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和開展?jié)竦厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)有重要的理論和實(shí)踐意義.

黃河流域濕地主要分布在黃河源區(qū)、中下游河岸帶及黃河三角洲地區(qū),國(guó)內(nèi)對(duì)黃河濕地的研究多集中在重點(diǎn)區(qū)域[6-7],中游濕地的研究和保護(hù)空缺最為嚴(yán)重[5,8].黃河中游是河流濕地的集中分布區(qū),經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致區(qū)域水資源對(duì)濕地的支撐壓力極大[5].大量研究通過濕地生態(tài)跟蹤調(diào)查和遙感影像反演,發(fā)現(xiàn)黃河上游上世紀(jì)90年代以來水量持續(xù)減少,導(dǎo)致濕地物種多樣性明顯降低,景觀結(jié)構(gòu)破碎化嚴(yán)重[10-11],花園口濕地植被蓋度下降近20%[12-13].以往研究側(cè)重濕地植被特征變化,對(duì)植被與水分之間的作用關(guān)系僅以定性認(rèn)識(shí)和統(tǒng)計(jì)分析為主.研究發(fā)現(xiàn)黃河中下游近50a洪峰流量和洪水頻率明顯減小,河流與濕地間橫向水文連通的中斷導(dǎo)致濕地補(bǔ)給水源下降[13],濕地面積的年際波動(dòng)與年降雨量和徑流量呈明顯正相關(guān)關(guān)系[14].這些研究說明降水與河流水文過程是黃河中游濕地植被演變的主要影響因素.但是河岸濕地水體相互轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜,植被與水分的關(guān)系始終難以量化.目前,并未有學(xué)者從植物水分利用的內(nèi)在角度對(duì)黃河中游濕地植被演替做深入的機(jī)理解釋,仍然缺乏對(duì)濕地不同優(yōu)勢(shì)植物水分利用方式的全面認(rèn)識(shí),尚不能為沿黃省區(qū)生態(tài)保護(hù)提供有力支撐.

自然界中植物所能利用的潛在水源多樣,受植被類型、根系分布、水分條件等因素影響,植物的水分利用方式具有極大的不確定性[15-16].氫、氧同位素是自然界一種天然示蹤劑,不同水源在水分運(yùn)移和相態(tài)轉(zhuǎn)化過程中會(huì)發(fā)生同位素分餾[17],因而,植物的潛在水源具有不同的氫氧同位素組成.植物根系在吸收水分的過程中一般不會(huì)發(fā)生同位素分餾,所以,借助不同水源和植物根莖水中同位素組成的差異判別植物的水分利用,已經(jīng)成為植物水分溯源的重要方法[18].過去此類研究多聚焦于干旱、半干旱地區(qū),重點(diǎn)探究植物如何應(yīng)對(duì)干旱脅迫,發(fā)現(xiàn)植物具有根據(jù)降水的季節(jié)變化調(diào)整吸水水源[16],以及淺根植物主要利用淺層水,中深根植物吸收深層土壤水和地下水的適應(yīng)機(jī)制[15,19].這種多變的水分利用方式對(duì)維持缺水條件下生態(tài)系統(tǒng)健康有重要作用.然而濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究則指出,植物的水分利用具有一定的穩(wěn)定性,相較于不穩(wěn)定的降水,植物優(yōu)先利用能夠穩(wěn)定獲得的水源[20-21].那么在多水源補(bǔ)給的條件下,濕地植物的水源利用是否還有主次之分？在濕地周期性干、濕交替過程中,植物采取怎樣的水分利用機(jī)制應(yīng)對(duì)水分的動(dòng)態(tài)變化？這些問題的研究有助于深入剖析濕地植物與水分的作用機(jī)制.

基于此背景,為全面認(rèn)識(shí)黃河流域濕地植物的水分利用機(jī)理,深入剖析黃河中游濕地植被演化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,本文選擇黃河中游汾河入黃河口濕地為研究區(qū),應(yīng)用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù),分析濕地大氣降水、地下水、河水、土壤水以及不同優(yōu)勢(shì)植物氫氧同位素特征,研究河口濕地系統(tǒng)水分補(bǔ)給途徑,定量闡明不同優(yōu)勢(shì)植物的水分利用模式,揭示植物對(duì)水分條件變化的適應(yīng)策略.研究結(jié)果可為河口區(qū)濕地生物多樣性保護(hù)和生態(tài)建設(shè)中物種選擇提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河是山西第一大河流,黃河第二大支流,干流自北向南流經(jīng)山西省6市29縣,最終從西南部運(yùn)城市萬(wàn)榮縣廟前村匯入黃河(圖1).研究區(qū)選定于萬(wàn)榮縣境內(nèi)的汾河入黃口河段及其沿岸濕地,地理坐標(biāo)為35.35154°N,110.47413°E,是自明清以來黃河泛濫、東倒奪汾和汾河入黃口不斷遷移形成的沖淤河漫灘濕地[10].濕地地勢(shì)起伏較小,東西寬1.4～2.5km,南北長(zhǎng)近2km,土壤為粉砂壤土,屬于半濕潤(rùn)暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫14℃,7月最熱,月平均氣溫27℃,1月最冷,月平均氣溫-2℃[16].多年平均降雨量515mm,主要集中在夏季7～9月,占全年降雨量的51%,11月～次年3月降雨量較小,年平均潛在蒸散量為1240mm.

圖1 黃河流域以及研究區(qū)位置示意

研究區(qū)的選擇綜合考慮了濕地類型、水文特征、植被類型和保護(hù)狀況等多個(gè)方面,具有很好的典型性、代表性.受水資源匱乏的限制,黃河中游濕地通常僅發(fā)育于流量較大的干支流河段[4],汾河入黃濕地分布于黃河出禹門口以后與汾河交匯的河段,是受兩河水情共同影響的交匯區(qū),水資源豐富,也是黃河中游發(fā)育面積較大的內(nèi)陸河口濕地[11],主要由近岸灘地、低洼沼澤和高位河漫灘組成.研究區(qū)的地表水主要為汾河和黃河,汾河下游多年平均流量24m3/s,徑流年內(nèi)分配不均,10月～次年5月流量較小,整體變化較為平緩,6月以后流量不斷增加,至7～8月達(dá)到最大[22].黃河龍門段全年平均流量約800m3/s,峰值出現(xiàn)在8月[4].受兩河水情季節(jié)變化的影響,濕地呈現(xiàn)明顯干濕交替,非汛期灘地裸露,地下水埋深約60～130cm,植被生長(zhǎng)茂盛,汛期河流水位上漲,低灘地經(jīng)歷不同程度淹水,積水深度20～50cm,部分地帶地下水出露地表.根據(jù)作者野外踏勘和前人植被區(qū)系調(diào)查[11],研究區(qū)發(fā)育的典型濕地植被主要有蘆葦()、水莎草()、小香蒲()、假葦拂子茅()和灌木檉柳(),它們分屬于挺水植被、沼生草本、潮潤(rùn)土草本、陸生性草本以及木本群落,正是黃河中游現(xiàn)存的5種天然濕地植被類型中的代表性植物群叢[11].其中蘆葦、小香蒲和3a生檉柳分布于汾河近岸的低灘地,水莎草分布于離岸較遠(yuǎn)的洼地,地下水埋深較淺,汛期地面積水約20cm,假葦拂子茅分布在遠(yuǎn)離河岸的河漫灘地帶,植物生長(zhǎng)與分布情況見表1.此外,研究區(qū)分布于汾河西岸,離居民點(diǎn)較遠(yuǎn),周圍無(wú)工業(yè)設(shè)施和農(nóng)業(yè)活動(dòng),屬于2001年成立的山西省運(yùn)城市沿黃河濕地自然保護(hù)區(qū),能夠作為黃河中游內(nèi)陸河口濕地生態(tài)水文過程研究的代表性區(qū)域.

表1 不同植被類型植物生長(zhǎng)特征與土壤屬性

注:-表示因淹水未獲得采集數(shù)據(jù).

1.2 樣品采集

為探究植物水分利用來源干濕季節(jié)變化,本研究結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、水文條件和植物生長(zhǎng)過程,于2019年旱季5月和雨季9月進(jìn)行樣品采集.采樣在晴朗天氣環(huán)境進(jìn)行,旱季采樣前半月內(nèi)無(wú)降水,河流處于低水位期,雨季采樣選擇在8月集中降雨期后,采樣日為中雨后2d(17.5mm),河流處于汛期高水位,兩個(gè)時(shí)段能夠反映典型干旱、濕潤(rùn)環(huán)境.為避免強(qiáng)蒸發(fā)影響,采樣時(shí)間均在上午7:00～9:00,選擇分布典型、生長(zhǎng)狀況良好的優(yōu)勢(shì)種蘆葦、小香蒲、水莎草、假葦拂子茅和檉柳樣地采集樣品,每種植物設(shè)2個(gè)重復(fù).草本采集地面以下根基徑,檉柳采集已栓化的枝條,去除外皮和韌皮部.將植株剪成3～4cm小段,裝于8mL螺紋玻璃瓶中密封保存,共收集植物樣品18組(9月因積水,莎草群落未采集樣品).在植被采樣點(diǎn)附近挖掘土壤剖面采集土樣,野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)植物最大根系深度分別為40～80cm和65～85cm(表1),雨季蘆葦部分根系處于地下水位之下,故結(jié)合根系范圍和地下水位,最大采樣深度設(shè)為80cm,采樣間隔20cm.采集的土樣一份裝入8mL螺紋玻璃瓶中用于同位素檢測(cè),一份裝入鋁盒中進(jìn)行土壤含水量測(cè)定.河水取自汾河萬(wàn)榮段上、中、下游的中心河床處,采樣前先用原水充分潤(rùn)洗采樣瓶,再收集水面0.5m以下深處水樣.地下水樣品于濕地不同植被群落內(nèi)采集,通過挖掘法直至地下水出露,最大挖掘深度130cm,收集無(wú)泥沙的水樣.降雨樣品依托萬(wàn)榮氣象局在2019年4～10月收集,基本覆蓋了當(dāng)?shù)氐挠杏陼r(shí)段,主要收集大于5mm的次降水,共收集降雨樣品21個(gè).所有水樣采集后迅速裝于20mL塑料瓶中,共收集水樣33個(gè).將樣品置于冰箱內(nèi),迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室并冷藏保存.

1.3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析

樣品水分提取和測(cè)試在清華大學(xué)研究生院穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室完成,利用LI-2100全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)提取出土壤和植物樣品中的水分,每個(gè)樣品均保證充分抽提.抽提完的水樣與其他液態(tài)水樣用同位素比率質(zhì)譜儀(MAT253,USA)測(cè)定18O 和D 的含量,18O 和D的測(cè)試精度分別為±0.5‰和±2‰.測(cè)定結(jié)果以V-SMOW(維也納標(biāo)準(zhǔn)海洋水)為標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示:

(‰)=(sam/sta- 1)× 1000(1)

式中:sam代表樣品中D/H或8O/16O的比值;sta為V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中D/H或8O/16O的比值.

此外,用稱重法稱取鋁盒土樣的鮮重和烘干后恒重,計(jì)算不同深度土壤含水量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用兩種方法識(shí)別植物水源,首先利用直接對(duì)比法,比較植物莖水同位素與各潛在水源(不同深度土壤水、河水、地下水同位素),判別植物種潛在水源和主要吸水深度.然后利用IsoSource混合模型計(jì)算不同水源的貢獻(xiàn)比例[23].模型里植物莖水同位素被看作是混合值,輸入數(shù)據(jù)為各潛在水源氫氧同位素平均值,模型增幅設(shè)為1%,容差設(shè)為0.2%,計(jì)算時(shí)將所有可能的水源貢獻(xiàn)率組合全部列出,與植物莖水同位素比較,如果差值小于容差,則認(rèn)為是一組可行解[23].具體計(jì)算方法如下:

s=11+ f2+… + fδ(2)

s=11+22+… + fλ(3)

1+2+3=1(4)

式中:s、s分別為植物莖水18O和D值;1、2、δ分別第1、2和第種潛在水源18O值;12、λ分別為第1、2和第種潛在水源D值;l、2、f分別為不同水源對(duì)植物用水的貢獻(xiàn)比例.

本研究中不同深度土壤水是植物的潛在水源,為了更直觀了解植物的水分利用,根據(jù)不同深度土壤的含水量和同位素組成差異,將土壤水分重新劃分為兩層,依據(jù)為:(1)淺層土壤水(0～20cm),土壤含水量較低,且同位素顯著富集;(2)深層土壤水(20～ 80cm),土壤含水量和土壤水同位素組成隨土層深度增加不存在顯著差異.合并以后的土壤水同位素值利用土壤含水量加權(quán)平均法計(jì)算[8].采用SPSS 13.0 單因素方差分析和LSD多重比較,分析比較不同季節(jié)、不同植被群落的土壤含水量和土壤水同位素差異,并在0.05水平上檢驗(yàn)其顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量與土壤含水量變化特征

研究區(qū)1980～2019年多年平均降雨量為515mm, 2019年降雨總量為583mm,屬于多雨年份(設(shè)計(jì)頻率=29%).降雨量年內(nèi)分布不均,旱季3～5月降雨量86mm,占全年降雨量的15%,雨季7～9月降雨量313mm,占全年降雨量的54%,從全年降雨分布格局來看,呈現(xiàn)出明顯干旱和濕潤(rùn)的交替(圖2).濕地不同深度土壤水分變化范圍為13%～38%,隨土層深度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),旱季和雨季各層土壤含水量均沒有明顯差異(=36,>0.05,圖3),說明濕地土壤水分受降雨季節(jié)變化的影響較小.比較不同植被群落的土壤含水量發(fā)現(xiàn),近岸帶蘆葦、檉柳和小香蒲群落土壤平均含水量最高,為28%～32%,離岸較遠(yuǎn)的水莎草、假葦拂子茅群落土壤含水量為21%～24%,極顯著低于近岸帶植被群落(<0.01,圖3),不同植被群落土壤水分的差異可能受補(bǔ)給水源的影響.

圖2 研究區(qū)降雨與氣溫季節(jié)變化

a、b代表各組數(shù)據(jù)有顯著差異

2.2 濕地不同水源同位素組成特征

研究區(qū)降雨同位素組成的波動(dòng)較大,月降雨量加權(quán)平均18O、D變化范圍分別為-1.9‰～-13.0‰和-1.6‰～-88.6‰.本文對(duì)該區(qū)歷次降雨中18O、D組成進(jìn)行線性回歸,得出當(dāng)?shù)卮髿庥晁€(LMWL)方程D=7.73×18O+11.73(=21,2=0.94)(圖4),該LMWL的斜率相對(duì)于全球大氣雨水線(δD=8×18O+ 10)較小,表明研究區(qū)降雨受蒸發(fā)分餾的影響.濕地地下水18O、D值變化范圍分別為-9.0‰～-10.6‰和-68.9‰～-78.2‰,不存在顯著季節(jié)差異(=3,>0.05,表2),說明汾河濕地地下水較為穩(wěn)定.地下水18O-D關(guān)系點(diǎn)集中分布于當(dāng)?shù)卮髿庥晁€的右下側(cè)區(qū)域,地下水同位素比大部分降雨樣品明顯貧化,可知地下水受當(dāng)?shù)亟涤耆霛B的補(bǔ)給有限,可能僅存在于雨季集中降雨期間,因?yàn)樵撈陂g雨水經(jīng)多次冷凝后重同位素明顯貧化.河水18O、D變化范圍分別為-7.4‰～-9.5‰和-54.0‰～ -67.3‰,受蒸發(fā)分餾影響,重同位素比地下水略富集.

圖4 研究區(qū)不同水源和植物水δ18O-δD關(guān)系

土壤水18O、D值分別介于-15.8‰～-2.8‰和-86.3‰～-27.3‰之間,土壤水蒸發(fā)線方程為D= 5.90×18O-13.44(=74,2=0.89),位于當(dāng)?shù)卮髿庥晁€下方,說明土壤水接受降雨補(bǔ)給并經(jīng)歷了蒸發(fā)分餾作用的影響,重同位素有所富集.此外,土壤水剖面18O和D變化均不存在顯著季節(jié)差異(18O:=0.11,D:=0.96,表2),表現(xiàn)出隨土層深度減小而增大的變化規(guī)律,由此體現(xiàn)了土壤蒸發(fā)強(qiáng)度由表層至深層逐漸減小.0～20cm表層土壤水18O、D值最高,比同期降雨同位素略富集,說明土壤表層接受降水入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)影響.然而20～80cm各層土壤水同位素不存在顯著差異(>0.05,表2),且明顯貧化于降雨同位素,與汾河水、地下水同位素接近(圖4),這表明相較于當(dāng)?shù)亟涤暄a(bǔ)給,濕地深層土壤水與地下水、河水之間的水力聯(lián)系更為緊密.

表2 干濕季節(jié)各潛在水源氫氧同位素組成

注: a、b不同字母代表存在顯著性差異.

2.3 濕地植物莖水同位素特征與潛在水源分析

汾河濕地5種優(yōu)勢(shì)植物莖水18O和D的變化范圍分別為-14.8‰～-4.0‰和-84.4‰～-31.1‰,平均值為-8.0‰和-61.3‰,植物莖水同位素全部分布于土壤水同位素范圍內(nèi),部分植物水18O-D關(guān)系點(diǎn)與地下水和河水同位素關(guān)系點(diǎn)的位置接近(圖4).由此推斷,研究區(qū)植物生長(zhǎng)的潛在水源為淺層、深層土壤水、地下水和河水.

利用直觀對(duì)比法判斷不同植物種吸水深度和主要水源的季節(jié)變化.旱季,不同優(yōu)勢(shì)種18O、D排序?yàn)?假葦拂子茅(-4.4‰,-35.2‰)>小香蒲(-7.3‰, -52.7‰)>蘆葦(-8.6‰,-66.7‰)>檉柳(-9.1‰, -63.5‰)>水莎草(-11.3‰,-72.4‰)(圖5),說明不同植物種的水分利用來源不同,物種存在水分利用的生態(tài)位分離,有利于種群共存.假葦拂子茅莖水18O、D與0～20cm土壤水同位素非常接近,說明主要利用受降雨補(bǔ)給的淺層土壤水.小香蒲莖水同位素與0～40cm土壤水同位素剖面有交點(diǎn),且與40～ 60cm土壤水同位素接近,可以推斷其對(duì)不同深度土壤水均有吸收.蘆葦、水莎草和檉柳的莖水同位素除了與土壤水同位素剖面有交點(diǎn),還與地下水、河水同位素接近,說明3種深根系植物對(duì)土壤水、河水和地下水均有不同程度的利用,主要水源與兩種小型草本假葦拂子茅和小香蒲有較大不同.

雨季灌木檉柳莖水18O、D值最大(-7.0‰、-56.0‰),明顯富集于蘆葦(-8.4‰、-64.4‰)、小香蒲(-8.8‰、-71.0‰)和假葦拂子茅(-8.5‰、-72.8‰) (圖6),說明檉柳與草本植物的利用水源有較大差異.檉柳莖水同位素與土壤水同位素剖面的交點(diǎn)為20～40cm,且與降雨同位素(-7.1‰、-47.3‰)非常接近,推斷檉柳在雨季主要吸收來自降雨補(bǔ)給的淺層土壤水,與旱季的水分利用方式明顯不同.蘆葦、小香蒲和假葦拂子茅三者的莖水同位素接近,與土壤水同位素剖面的交點(diǎn)在40cm及以下土層,且莖水的18O介于地下水、河水同位素之間,說明雨季三種草本植物的水源相似,均為深層土壤水、地下水和河水.

圖6 雨季汾河濕地植物莖水與不同水源同位素關(guān)系

2.4 濕地植物水分利用來源解析

不同植物種水源利用來源的季節(jié)變化不同(圖7).近岸帶蘆葦?shù)乃掷媚Ｊ讲淮嬖诩竟?jié)變化,旱季和雨季蘆葦均很少利用淺層土壤水(14%±7%),對(duì)河水的利用比例最高(32%±20%),其次為深層土壤水(30%±20%)和地下水(24%±17%).灌木檉柳旱季對(duì)4種水源的利用大體相當(dāng)(23%～28%),雨季對(duì)深層水源的利用明顯減少,主要利用淺層土壤水,利用比例為(68%±5%),吸水模式表現(xiàn)出較強(qiáng)的可塑性.小香蒲的主要水源存在季節(jié)變化,旱季主要利用淺層土壤水,利用比例為(47%±8%),其次為深層土壤水(25%±18%),很少利用地下水和河水.隨著雨季水位的上升,小香蒲對(duì)淺層土壤水的利用減少(10%±5%),更加依賴穩(wěn)定的深層水源,對(duì)深層土壤水、地下水和河水的利用比例分別為(33%±20%)、(33%±20%)、(24%±15%).假葦拂子茅的水分利用模式與小香蒲有一定的相似性,旱季高度依賴淺層土壤水(95%±1%),雨季轉(zhuǎn)向深層水源,主要利用深層土壤水和地下水,對(duì)兩者的利用比例合計(jì)(65%±19%),對(duì)河水的利用比例也增加至(28%±19%).同樣離岸較遠(yuǎn)的水莎草旱季也極少利用淺層土壤水和河水,主要利用深層土壤水(43%±23%)和地下水(46%±23%).上述結(jié)果可以看出,地下水和深層土壤水是優(yōu)勢(shì)種生長(zhǎng)的重要水源,河水在旱季僅是近岸帶蘆葦和檉柳種群(<100m)的重要水源,在雨季則影響到高位河漫灘處分布的假葦拂子茅種群(450m).

圖7 研究區(qū)優(yōu)勢(shì)植物種對(duì)不同水源的利用比例

3 討論

3.1 濕地水分補(bǔ)排關(guān)系分析

水源補(bǔ)給與轉(zhuǎn)化是決定濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育與演變的關(guān)鍵,汾河河口濕地水分補(bǔ)排過程受地形和河流水文過程的共同影響.黃河出龍門后,河床由峽谷驟然展寬,泥沙大量淤積,導(dǎo)致黃河河床天然高于汾河[11].本研究發(fā)現(xiàn),旱季和雨季汾河濕地地下水同位素(-10.1‰～-9.5‰、-74.1‰～-71.6‰)差異不大,相比于大氣降水(-7.1‰～-6.3‰、-47.3‰～-38.8‰)和汾河同位素(-9.2‰～-8.1‰、-63.3‰～-59.9‰)均要明顯貧化.一般認(rèn)為,初始水源同位素相對(duì)較負(fù),沿著水分補(bǔ)給路徑,受蒸發(fā)分餾影響,同位素逐漸富集[24].據(jù)此判斷,當(dāng)?shù)卮髿饨邓畬?duì)濕地地下水的補(bǔ)給較弱,其它具有同位素貧化特征的外源水可能是濕地的主要補(bǔ)給水源.本文前期調(diào)查顯示,黃河水18O值(-9.7‰～-10.0‰)與濕地地下水同位素非常接近,2019～2020年黃河龍門站水位(377～379m)始終高于汾河河津站水位(369～372m),兩河之間存在明顯水力梯度.結(jié)合地形和水文過程,說明旱季和雨季黃河水均穩(wěn)定側(cè)滲補(bǔ)給汾河濕地地下水.有學(xué)者分析了近30a黃河中下游濕地面積與年降水量的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)雖然年降水量的增加對(duì)濕地面積的增加有一定促進(jìn)作用,但是兩者之間的正相關(guān)關(guān)系并不顯著[14],說明降水對(duì)黃河河岸濕地演變的影響有限.綜上可知,黃河水資源的支撐是沿黃濕地發(fā)育的決定因素,上世紀(jì)黃河頻繁斷流和水利工程建設(shè)導(dǎo)致黃河水量降低[4,13],大幅減少了地表水對(duì)沿岸濕地的補(bǔ)給強(qiáng)度,導(dǎo)致中下游河岸帶濕地退化.

土壤水同位素受降水入滲、地表蒸發(fā)、地下水和河水補(bǔ)給的影響,在垂直方向上表現(xiàn)出不同的變化特征[25].研究區(qū)表層的土壤水同位素最富集,與降水同位素較接近,深層土壤水相差較小卻明顯貧化,接近地下水和河水同位素(表2).這說明汾河濕地淺層土壤水主要受降水補(bǔ)給,深層土壤水主要受毛細(xì)地下水和河水側(cè)滲補(bǔ)給,并在蒸發(fā)作用下,水分不斷向上傳輸補(bǔ)給淺層.這與學(xué)者對(duì)黃河內(nèi)蒙段河岸帶土壤水同位素的研究一致,他們發(fā)現(xiàn)由于河水對(duì)土壤水存在側(cè)向補(bǔ)給,近岸河漫灘土壤水同位素從淺層到深層變化不大,與河水同位素接近[25].研究區(qū)土壤水分的垂向運(yùn)移過程與不同深度土壤含水量的變化規(guī)律可以相互佐證,本研究濕地土壤含水量隨著土層深度的增加呈增大趨勢(shì)(圖3),通常來說土壤含水量與土水勢(shì)呈正相關(guān),在土水勢(shì)的作用下,土壤水分由高含水量區(qū)向低含水量區(qū)傳輸[16].

3.2 植物水分利用來源

植物水分利用來源受植物類型、根系分布、水分條件等多種因素的影響,這也導(dǎo)致不同物種的水分利用情況存在差別進(jìn)而可以共存[15-16].本研究發(fā)現(xiàn),旱季汾河濕地植物呈現(xiàn)出水分利用的生態(tài)位分離,假葦拂子茅和小香蒲主要利用淺層土壤水,蘆葦和水莎草則將深層土壤水和地下水作為主要水源,而檉柳同時(shí)利用多種水源.這可能是因?yàn)樯L(zhǎng)初期小型草本根系深度淺(40～45cm),只能吸收淺層水,而中深根植(60～80cm)可以獲取深層水分.這與于曉雯等的研究一致,她們利用同位素端元混合模型評(píng)估了黃河上游河岸植物的水源利用,發(fā)現(xiàn)在水分不足時(shí),草本植物傾向于利用淺中層土壤水,而灌木和高大草本由于具有二態(tài)根系主要利用深層土壤水[25].物種間水分利用來源不同的現(xiàn)象稱為水分利用的生態(tài)位分離[26],這種分離減弱了物種對(duì)有限水分的競(jìng)爭(zhēng),是植物共存的重要機(jī)制[25,27].然而,隨著雨季水位上漲,汾河濕地草本植物水源趨同,都主要利用深層土壤水、地下水和河水.本文野外植物根系挖掘也發(fā)現(xiàn),雨季5種植物的根系主要分布在65～85cm土壤范圍,能夠獲取到深層水源.Zhao等[28]比較了以往植物莖水同位素的文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)植物具有優(yōu)先利用穩(wěn)定且連續(xù)水源的特性.馬輝英等[15]分析了艾比湖濕地植物和潛在水源的同位素,發(fā)現(xiàn)地下水持續(xù)向上補(bǔ)給土壤水,深根植物體內(nèi)地下水的貢獻(xiàn)比例最高.這說明濕地植物的水分需求高,在多水源供給充足的情況下,深根草本更傾向于利用穩(wěn)定的深層水源.

植物根系分布深度并不一定是植物水分吸收的活躍區(qū),根系吸水活性會(huì)隨著外界條件的刺激而發(fā)生變化[16,29].研究區(qū)蘆葦和檉柳的根系分布深度相近,兩者的水分利用方式卻明顯不同.這與水分條件和根系結(jié)構(gòu)有關(guān),蘆葦根系具有強(qiáng)大的通氣組織,始終能保持較高的吸水活性,在不同季節(jié)均集中利用河水、深層土壤水和地下水.比較而言,檉柳的水分利用方式更加靈活,它們?cè)诤导静扇【獾奈呗?最大限度的保持全部根系的活力,充分獲取水源,在雨季地下水淺埋時(shí),又增大淺根系統(tǒng)的吸水活性,以減少缺氧脅迫的限制.周海等分析了干旱荒漠植物和各水源的氫氧同位素,發(fā)現(xiàn)成年檉柳的莖水同位素及其水分來源沒有季節(jié)波動(dòng),檉柳主要利用深層土壤水和地下水維持生存[29].朱林等[30]利用IsoSource估算了地下水淺埋區(qū)的植物水分利用率,發(fā)現(xiàn)3a生檉柳主要利用淺層土壤水,特別是強(qiáng)降水時(shí)段,利用率更高[31].這些研究說明,檉柳的水分來源存在區(qū)域差異,這與它們所處的生境水分條件密切相關(guān),在極端干旱條件下充分調(diào)動(dòng)深根吸水,在水分充足時(shí)又能激發(fā)淺根系統(tǒng)的強(qiáng)吸水活性,檉柳可以通過環(huán)境刺激不斷調(diào)節(jié)自身的水分利用方式,向著最有利的方向發(fā)展.

此外,河岸帶濕地作為地表水-地下水交互作用區(qū)[32],濕地植物對(duì)河水的利用還受離岸距離和水文條件季節(jié)變化影響.本研究發(fā)現(xiàn),旱季僅近岸分布(<100m)的蘆葦、檉柳對(duì)汾河水的利用比例較高,遠(yuǎn)離河岸(150～450m)的小香蒲、水莎草、假葦拂子茅很少利用河水,而雨季它們對(duì)河水的利用比例均明顯增加(圖7).這說明旱季汾河對(duì)濕地的水源補(bǔ)給主要集中在離岸100m范圍內(nèi),洪水期河水與濕地含水層的連通性增強(qiáng),補(bǔ)給強(qiáng)度加大,最大補(bǔ)給范圍可擴(kuò)展至離岸450m.這與徐華山等[32]在孟津濕地研究結(jié)果類似,他們通過野外水位觀測(cè),發(fā)現(xiàn)河岸濕地地下水位受河水位影響顯著,隨著離岸距離增加,地下水位波動(dòng)幅度減小.因此,維持汛期的水量和洪水脈沖頻率對(duì)黃河沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育面積和植物生長(zhǎng)有重要作用.

3.3 植物水分利用的生態(tài)意義

水文過程是影響濕地系統(tǒng)發(fā)育和植被演替的決定性因子[4],本研究發(fā)現(xiàn)黃河水是汾河河口濕地地下水的主要補(bǔ)給水源.因此,河口區(qū)自然濕地生態(tài)建設(shè)必須高度重視黃河徑流的保護(hù),流域水庫(kù)“蓄豐”同時(shí)應(yīng)適當(dāng)保證洪水脈沖的作用頻率,擴(kuò)大地表水對(duì)河口濕地的補(bǔ)水范圍,這對(duì)維持濕地面積極為重要.有研究表明,氣候變化會(huì)導(dǎo)致未來黃土高原呈暖干趨勢(shì),河川徑流量降低[33].這無(wú)疑將削弱黃河與濕地系統(tǒng)間水力作用的強(qiáng)度和范圍,導(dǎo)致濕地補(bǔ)給水量減少,生境變干,濕地面積可能萎縮.灌木檉柳可以利用多種水源,水分利用方式靈活,干旱環(huán)境下具有更強(qiáng)的生存競(jìng)爭(zhēng)力,可能形成優(yōu)勢(shì)灌木群落.蘆葦高度依賴深層土壤水和地下水,水分利用方式較單一,特別是生長(zhǎng)旺季草本植物間水源趨同,種間水分競(jìng)爭(zhēng)可能造成蘆葦種群面積萎縮,優(yōu)勢(shì)種地位降低.因此,沿黃濕地修復(fù)和植被重建,建議考慮將蘆葦種植于近岸帶,使其充分發(fā)揮集中利用穩(wěn)定水源的優(yōu)勢(shì)成長(zhǎng)為建群種.

4 結(jié)論

4.1 汾河河口濕地的地下水受當(dāng)?shù)卮髿饨邓难a(bǔ)給有限,主要來自黃河水補(bǔ)給;濕地淺層土壤水(0～ 20cm)主要受大氣降水補(bǔ)給,深層土壤水(20～80cm)主要接受地下水、汾河水滲透補(bǔ)給.

4.2 河水對(duì)濕地植物的水源貢獻(xiàn)與離岸距離和水文條件有關(guān),旱季汾河對(duì)濕地的水源補(bǔ)給集中在近岸帶(<100m),雨季的補(bǔ)給范圍擴(kuò)大到高位河漫灘(約450m).

4.3 小香蒲和假葦拂子茅的水分利用存在季節(jié)變化,旱季主要利用淺層土壤水,雨季利用深層土壤水和地下水(>60%).蘆葦不同季節(jié)都主要利用河水、深層土壤水和地下水,很少利用淺層土壤水.灌木檉柳在旱季均衡利用各種水源,雨季則主要吸收淺層土壤水.

4.4 在未來黃河流域暖干化趨勢(shì)下,檉柳靈活的水分利用方式使其具有較強(qiáng)的水分競(jìng)爭(zhēng)能力,可能形成優(yōu)勢(shì)灌木群落,而草本植物表現(xiàn)出水分利用的生態(tài)位重疊,蘆葦種群可能面臨更嚴(yán)重的水源競(jìng)爭(zhēng).

河岸帶濕地降水、河水與地下水動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化復(fù)雜,本研究?jī)H分析了典型干旱、濕潤(rùn)時(shí)期的植物水分利用,受采樣次數(shù)限制,尚不能全面揭示植物水分來源的完整季節(jié)變化,研究結(jié)果有一定的不確定性.未來工作將通過時(shí)空加密觀測(cè),結(jié)合水化學(xué)和水文觀測(cè)等手段,全面揭示汾河濕地系統(tǒng)的水分傳輸規(guī)律及其對(duì)典型植物水分利用的影響機(jī)理.

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Stable isotopes research on water sources of dominant plants in a river wetland at the middle reaches of the Yellow River.

XU Xiu-li1,2, LI Yun-liang3*, GUO Qiang2

(1.School of Geography, Jiangsu Second Normal University, Nanjing 210013, China；2.College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；3.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)., 2023,43(11)：6079～6089

Plantwater source along the Yellow River is considered to be a foundation to reveal mechanisms of regional wetland evolution, due to the national strategy of ecological protection and high quality development of the Yellow River basin. This study investigated the characteristics of hydrogen and oxygen isotopes of rainfall, river water, groundwater, soil water and the xylem water for five dominant plants in the typical dry and rainy seasons during 2019, taking the Fen River estuary wetland as an example. The replenishment water sources of the Fen River wetland were explored using the relationship of18O andD. The proportions of water uptake by different plants were further quantified using a direct inference method and the IsoSource mixing model. Results show that the isotope values of the wetland groundwater were much lower than those of rainfall and the Fen River. Wetland groundwater was rarely replenished by the local rainfall and mainly supplied by the Yellow River water. The shallow soil water at 0～20cm depth was mainly supplied by rainfall, while the deep soil water at 20～80cm depth was recharged by upward fluxes of groundwater and Fen River water. The proportions of plant water source were different among species. In the dry season, herbaceous plants showed niche separation of water use. Theandmainly used shallow soil water, while themainly used deep soil water and groundwater (89%±23%). Themainly used the Fen River water, groundwater and deep soil water (86%±19%). However, all of the three herbaceous plants used deep soil water, groundwater and river water in the rainy season, demonstrating a niche overlap of the plant water use. Additionally, water sources ofexhibited a seasonal shift, characterizing by multiple sources in the dry season and shallow soil water (68%±5%) in the rainy season. Under future warm and dry climate conditions,is likely to exhibit distinctly survive advantages because of the strong plasticity of water use, while the herbaceous plants may be influenced by intense water competition. The findings of this study could provide significant scientific references for the wetland ecosystem construction in the Yellow River basin, contributing to an improved understanding of the wetland evolution mechanism.

middle reaches of the Yellow River；plant water source；water recharge；hydrogen and oxygen isotope；estuary wetland

X173

A

1000-6923(2023)11-6079-11

許秀麗(1987-),山西忻州,副教授,博士,主要研究濕地水文過程及生態(tài)效應(yīng).發(fā)表論文10余篇.xlxu1987@163.com.

許秀麗,李云良,郭 強(qiáng).黃河中游濕地優(yōu)勢(shì)植物水分利用的同位素研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):6079-6089.

Xu X L, Li Y L, Guo Q.Stable isotopes research on water sources of dominant plants in a river wetland at the middle reaches of the Yellow River [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):6079-6089.

2023-03-30

江蘇第二師范學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(928201/030);中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(Y9CJH01001);山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(201801D221052)

* 責(zé)任作者, 研究員, yunliangli@niglas.ac.cn