干旱綠洲區3種典型農田防護林的水分來源

王金強, 李俊峰, 王昭陽, 楊 廣, 何新林

(1.石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832000; 2.現代節水灌溉兵團重點試驗室, 新疆 石河子 832000)

水是干旱半干旱地區生態系統的主要限制性因素[1]，直接影響著植被的生長和分布狀況[2]。氫氧同位素被稱為水的“指紋”[3-4]，除了部分旱生和排鹽植物以外，大多數植物在根系吸收水分后向莖干傳輸的過程中木質部水分穩定氫氧同位素不會發生分餾[5]，因此可以定量揭示出植物的水分來源[6-7]。近年來，諸多國內外學者對植物的水分來源做了大量研究：White等[8]利用δD對北美喬松(Pinusstrobus)的研究得出夏季地下水越深，北美喬松對降水的利用率越高的結論；Romero等[9]對亞馬遜東部塔帕若斯河植物研究發現在干旱少雨季節，植物水分利用深度逐漸加深；趙良菊等[10]通過對對黑河下游河岸帶防護林的研究發現胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(Tamarixchinensis)主要利用地下水的結論；朱亞娟等[11]對烏蘭布和沙漠白刺(Nitrariatangutorum)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和梭梭(Haloxylonammondendron)的研究發現除白刺使用淺層土壤水外，其余4種植物水分利用機制隨著季節的變化也相應變化。另外還有其他學者對不同樹種[11-12]、不同林齡[13-16]、不同生境[17]和降水[18-19]等因素影響下防護林的水分利用機制做了大量研究。

農田防護林對干旱地區農田有著防風固沙、排鹽治堿等重要的防護作用[20]，也可改善田間土壤、調節農田溫度和田間濕度等[21]，可進一步提高農作物產量[22]，同時對提高農業經濟效益的人工林生態系統也有顯著影響[22]。多年以來，西北干旱地區通過種植防護林，逐漸形成了環繞綠洲的防護林體系，膜下滴灌等新型節水灌溉技術的大規模推廣與應用，提升農作物水分利用效率的同時，也可改善沙漠邊緣的生態環境。

新疆作為中國最大的高效節水區，胡楊、沙棗和榆樹等是當地的主要農田防護林樹種[23]。隨著當地膜下滴灌等新型節水灌溉技術的大規模應用推廣，原有的依靠渠灌、漫灌等地表水為主要水分來源的農田防護林的水分利用方式正發生變化[24]，地下水的過度開采導致地下水水位下降過快[25-26]，以深層土壤水為主要水分來源的農田防護林等植被的根系生長速度小于地下水的下降速度，這樣農田防護林既不能從表層獲取水分，又無法獲取地下水，導致此類農田防護林出現“頂梢枯死”的退化現象，嚴重影響農田防護林的防護效益。目前國內外對防護林水分來源的研究對象多為荒漠地區的防護林，但對于農田節水灌溉模式下農田防護林的水分利用來源研究較少。因此本文選取石河子大學現代節水灌溉兵團重點試驗站胡楊、沙棗和榆樹為代表的農田防護林為研究對象，擬研究其在農田灌水時期的水分利用機制，旨在為農田節水灌溉模式下農田防護林的需水機制提供科學依據，進一步為農田和農田防護林的優化灌溉提供參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

于2018年4—6月在現代節水灌溉兵團重點實驗室暨新疆石河子大學節水灌溉試驗站(85°59′E，44°19′N，海拔417 m)開展試驗。試驗站位于石河子市西郊石河子大學農試驗場二連，研究區降水量年際變化較大，多年平均降水量207 mm，年均最大降水量為291.6 mm(1987年)，年均最小降水量為107.0 mm(1967年)，平均蒸發量1 660 mm；季節分布特征方面，春季降水最多，其次是夏季，降水通常集中在4—8 月，這段時間降水占全年降水總量的47.5%左右，其中又以4 月、5 月降水最多。年均日照數為2 865 h，年均溫7.7 ℃，其中>10 ℃積溫為3 463.5 ℃，無霜期170 d。平均地面坡度為6‰，地下水埋深大于10 m，土壤質地主要以中壤土為主。

1.2 試驗方法

試驗站農作物以棉花為主，農田防護林為胡楊，沙棗和榆樹的混種林，本次試驗選取樣地一為胡楊，樣地二為沙棗和榆樹的混種林；由于氫同位素比氧同位素更容易受外界因素的影響，因此以氧同位素為主來研究農田節水灌溉模式下農田防護林的水分利用機制。

(1) 采樣時間。2018年4月23日、5月23日和6月21日。由于棉花于4月26日播種，因此于4月23日采集樣品用以確定農田防護林在農田節水灌溉之前的水分利用來源；其余樣品在農田的灌溉期內采集農田防護林(胡楊、沙棗和榆樹)的土壤和木質部樣品。

(2) 土壤樣品的采集。鉆取深度為300 cm，其中0—100 cm深度間每10 cm為一層，100—200 cm深度間每20 cm為一層和200—300 cm深度間每50 cm為一層，每個深度采集兩個平行樣品，對土樣進行密封并裝入隨身攜帶的冰盒，帶回實驗室-20 ℃冷藏，直至開始測定樣品中的同位素。

(3) 植物莖木質部的采集。分別選取3棵具有代表性的胡楊、沙棗和榆樹，分別采集3～4根長3～5 cm，直徑3～5 mm的木栓化莖干，并立即去除外皮和韌皮部，密封并裝入隨身攜帶的冰盒，帶回實驗室-20 ℃冷藏，用于植物水的δ18O測定。

(4) 地下水的采集。灌溉水源為地下水，因此采集灌溉水作為地下水測定δ18O。

(5) 數據的測定。土壤含水量，土壤水、降水、植物木質部水分以及地下水的δ18O值于石河子大學現代節水灌溉兵團重點實驗室測定，其中土壤水抽提為LI-2 000低溫真空抽提系統，土壤含水量采用烘干法測定，各樣品δ18O采用LGR水同位素分析儀(IWA-45 EP，美國)測定，輸出的δ18O是以相對于標準平均海洋水(V-SMOW)的千分率(‰)形式，表示為：

(1)

式中：Rsample——待測樣品中δ18O；Rstandard——標準平均海洋水。

不同日期土壤含水量及土壤水δ18O的差異用SPSS 19.0統計軟件進行分析，使用Origin 2018繪圖。

1.3 數據處理

1.3.1 直接判斷法 除了部分旱生和排鹽植物外，絕大多數植物根部吸收水分后由木質部向莖干部分運輸的過程中不會發生氧同位素的分餾現象，因此可利用直接判斷法將植物木質部水分的δ18O與各潛在水分來源相互比較，當植物木質部水分δ18O值與各潛在來源水分的δ18O值相接近或者相同時，則判定該水源為植物的主要水分來源。

1.3.2 IsoSource模型 利用多元線性混合模型(IsoSource)確定植物的水分來源的貢獻率和貢獻范圍，將不同防護林的木質部水分、灌溉水(地下水)、不同層位的土壤水的δ18O分別輸入至IsoSource軟件，Increment(增量)設為1%，Tolerance(容差)設為0.01。由于測定了17個土壤層位用以分析農田防護林的水分來源，但該模型只能計算最多10個水分來源，因此根據土壤水的δ18O特征，將0—300 cm的土壤劃分為0—10，10—20，20—50，50—80，80—120，120—160，160—200 cm和200—300 cm共8個土壤層位；δ18O取平均值，8個土壤層位含水量同時結合地下水共9個水分來源來計算。

1.3.3 吸水深度模型 吸水深度模型以同位素質量守恒為前提，假設植物在任何時間都可以吸收50 cm的土壤水且在不同深度植物吸收的水分服從正態分布(公式2)，結合Matlab軟件，分別將不同土壤層位和植物木質部水分δ18O輸入模型，植物吸收土壤水的標準方差設為8.33 cm，模型則計算從1 cm處開始的每cm處的土壤水，直至土層深度300 cm處。

(2)

式中：ni——植物根在土層深度Y處所吸收的水分的比例，ni的總和為1；μ——植物根在土壤中所吸收水分的平均深度，50 cm的土壤σ標準偏差值8.33 cm。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量

分析圖1可得出，樣地一中胡楊土壤含水量從4—6月份林地土壤表層含水量呈下降趨勢，林地土壤含水量在90—180 cm處到達谷值，該范圍內土壤為沙土；其中4月份土壤含水量最低；5—6月份土壤含水量有所增加。樣地二為沙棗和榆樹樣地的土壤含水量，其表層土壤含水量(0—60 cm)4—6月依次降低；60—160 cm深度土壤含水量較高且比較穩定；160—300 cm深度土壤含水量小幅度下降。

2.2 直接判斷法

兩個樣地不同取樣時間土壤水氧同位素，胡楊、沙棗和榆樹的木質部水氧同位素特征見圖2。

分析圖2可知，兩個樣地不同時間和不同深度土壤的氧同位素特征差異顯著(p<0.05)，但呈規律性變化；4—6月由于地表蒸發較深層強烈，因此越接近地表，氧同位素值越偏正；其中4月表層土壤水氧同位素值較5月和6月偏負；隨著土層深度的增加，氧同位素值逐漸偏負，70—300 cm深度土壤氧同位素都穩定在某個范圍之內，差異不顯著；不同時間各農田防護林的水分來源見表1。

圖1 干旱綠州區胡楊林和沙棗與榆樹混種林土壤含水量變化

圖2 干旱綠州區不同時間胡楊林和沙棗與榆樹混種林土壤水和各植物木質部水δ18O值比較

表1 直接判斷法得到的干旱綠州區水分不同來源深度cm

根據直接判斷法可以判斷出胡楊在4—6月份主要利用0—40 cm的淺層土壤水，沙棗和榆樹在4月利用淺層、中間層和深層土壤水；5—6月沙棗和榆樹都轉而利用0—50 cm的淺層土壤水；但是直接判斷法無法判斷出各水源對植物的貢獻率。

2.3 IsoSource 多元線性混合模型

將不同時間的各潛在水分來源與不同樹種的木質部水分氧同位素值輸入IsoSource軟件計算，計算結果得出：4月胡楊主要利用水分來源為10—20 cm的淺層土壤水，其貢獻率達到了83.3%；沙棗主要利用80—120 cm和120—160 cm的深層土壤水，其貢獻率分別為50.6%和16.9%；榆樹對0—50 cm的土壤水利用率較少，而對50—300 cm以及地下水的水分利用較為均勻，每層的貢獻率大約在10%左右，累計達到82.5%，進一步說明榆樹主要利用深層土壤水。5月胡楊主要利用淺層0—30 cm的土壤水，貢獻率為57.1%，較4月有所下降；沙棗和榆樹轉而利用表層0—10 cm的土壤水，其貢獻率分別為50.8%和52.7%。6月胡楊利用0—20 cm淺層土壤水和地下水，貢獻率分別為38.7%和10.5%；沙棗有76.9%的水分來源于10—20 cm的淺層土壤；榆樹主要水分來源中有49.1%來自于0—80 cm，另有12.3%來自于地下水。利用IsoSource模型可以計算出植物主要水分來源及其貢獻率，但是具體深度無法計算得出。

2.4 吸水深度模型

將不同時間、不同樹種的農田防護林土壤樣品和木質部樣品的氧同位素值輸入吸水深度模型計算，計算結果如表2所示。

表2 不同時間胡楊、沙棗和榆樹的平均吸水深度(δ18 O) cm

根據表2可得出，胡楊在4—6月主要利用淺層土壤水；沙棗和榆樹在4月主要利用118 cm和95 cm的中間層位土壤水，5—6月由于農田開始灌溉，淺層土壤來水量增加，但地下水下降，且隨著農田防護林的生長以及氣溫的上升，沙棗和榆樹轉而使用淺層土壤水，這與IsoSource模型計算出的結果相一致。

3 討 論

4月表層土壤含水量最高，5月和6月表層土壤含水量較4月份降低，這是由于4月氣溫較低且存在凍土，表層土壤蒸發較少，冬季融雪可補給一部分水分，因此淺層土壤水有一定的儲存量，本文研究結果表明：胡楊主要利用淺層土壤水，沙棗和榆樹除了利用淺層土壤水外，還較多的利用更為穩定的深層土壤水和地下水。在5月份，隨著氣溫回升和農田開始灌溉等因素影響下，表層土壤含水量較4月份增加，研究發現胡楊仍主要使用淺層土壤水，沙棗和榆樹由原來的利用深層土壤水和地下水轉而利用淺層土壤水。在6月份，農田防護林的生長旺盛，胡楊、沙棗和榆樹主要利用淺層土壤水，但胡楊和榆樹對地下水的利用增多，同時6月份氣溫較4—5月高，農田防護林蒸散量和土壤蒸發量較大，使得植物耗水量增加，表層土壤含水量降低，進一步導致植株吸收地下水。

本試驗中利用3種方法計算出試驗期間不同樹種農田防護林的水分來源結果一致。直接判斷法較為直觀，但主觀影響較大，且無法判斷出各來源水分的貢獻率；鄧文平等[27]通過對栓皮櫟(Quercusvariabilis)旱季水分來源研究得出，直接判斷法能夠解釋大約70%的水分來源，IsoSource能較直接判斷法更精確地判斷出各水分來源及貢獻率，基于Matlab軟件的吸水深度模型則可以將植物吸收的水分具體到某一數值，但是無法計算出地下水的貢獻率；鞏國麗等[28]通過對白刺水分利用來源的研究得出：可利用IsoSource多元線性混合模型計算出各水源對植物的貢獻率，進一步利用吸水深度模型計算出植物吸收水分的平均深度。

劉樹寶等[15]在黑河下游不同林齡的胡楊吸水深度研究發現：隨著樹齡的增加，胡楊所吸收的深度加深；周天河等[29]對塔里木河上游胡楊的水分來源研究發現：靠近河岸地帶的胡楊主要利用0—100 cm的淺層土壤水，同時河水對該深度土壤水分有補充作用，這與本文對農田灌溉期間農田防護林的研究結果相一致；褚建民[30]對沙棗的研究發現沙棗主要利用深層土壤水，本文研究得出在農田灌水前沙棗使用深層土壤水，農田灌水期使用淺層土壤水的結論；對于榆樹水分來源的研究較少，本文通過試驗研究進一步得出榆樹在農田灌水前使用深層土壤水和農田灌溉期間轉而使用淺層土壤水的結論。

4 結 論

(1) 4—6月表層土壤水含水量由于蒸發作用呈下降趨勢，其同位素值較大，隨著土層深度的增加土壤中同位素值呈下降趨勢；

(2) 胡楊在農田灌溉前后主要利用0—40 cm的淺層土壤水，6月又增加對地下水的利用；沙棗和榆樹在4月份農田灌水前使用深層土壤水和地下水，但5—6月農田灌水期轉變為利用淺層土壤水。

試驗區為典型的干旱半干旱地區，胡楊、沙棗和榆樹在農田灌溉期內主要利用淺層土壤水，會與農作物之間產生竟水現象，且胡楊、沙棗和榆樹之間互相有競爭現象，因此選擇農田防護林樹種時，在保證防護林防護效益的同時應選擇搭配以深層土壤水或地下水為主要水分來源的種類，從而更加高效的發揮農田防護林的防護作用。