基于氫氧穩(wěn)定同位素的矮砧蘋果樹根系吸水深度研究

郭 飛，高 磊，馬娟娟

(1.中國(guó)水權(quán)交易所，北京 100053；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

矮砧蘋果樹具有果品質(zhì)量高且節(jié)約種植成本的優(yōu)點(diǎn)，已成為世界現(xiàn)代果業(yè)栽培的新方向[1]。截至2013年，我國(guó)矮砧蘋果樹的栽培面積已達(dá)果樹總栽培面積的12%[2]。矮砧蘋果樹耗水量較大[3]，根系為其主要的吸水部位，而蘋果樹的根系生長(zhǎng)隨著生育期的變化而變化[4]，因此得出矮砧蘋果樹根系吸水深度范圍，對(duì)于促進(jìn)蘋果樹生長(zhǎng)以及產(chǎn)量和品質(zhì)的提高具有重要意義。傳統(tǒng)研究中常用土鉆取土的方法來(lái)研究蘋果樹的吸水規(guī)律[5]。但相關(guān)研究表明，根系分布的多少并不能完全等同于根系吸水的能力[6]。目前，可將氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)應(yīng)用于植物根系吸水的研究，為精確分析植物對(duì)不同深度土層水分利用情況提供依據(jù)，但相關(guān)研究多集中在大田作物以及森林灌木上[7-9]，對(duì)矮砧蘋果樹的研究較少。

在利用氫氧穩(wěn)定同位素研究植物根系吸水深度的模型中，IsoSource多元線性模型被認(rèn)為是應(yīng)用最廣泛且最有效的模型[10～11]。因此本研究基于氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)，通過(guò)低溫真空抽提系統(tǒng)來(lái)提取不同深度土層的土壤水和植物莖干水，并利用IsoSource多元線性模型來(lái)分析不同深度土壤水在果樹不同生育期的水分貢獻(xiàn)率，得出矮砧蘋果樹根系吸水深度的變化規(guī)律，為制定合理的矮砧蘋果樹節(jié)水灌溉策略提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省農(nóng)科院果樹研究所矮砧蘋果園(37°23′N，112°32′E，平均海拔781.9 m)，該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性氣候，區(qū)域內(nèi)年均降雨量為459.6 mm，年均氣溫為9.8 ℃，無(wú)霜期為175 d。試驗(yàn)果園的土質(zhì)為粉砂壤土，土壤容重為1.47 g/cm3，土壤田間體積持水率為30%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為7年生矮砧富士蘋果樹，選取掛果正常、長(zhǎng)勢(shì)良好、無(wú)病蟲害的果樹進(jìn)行研究，果樹三段砧木以海棠砧木為底，中間砧為SH系，上部嫁接體為紅富士長(zhǎng)富二號(hào)。蘋果樹的株距為2 m，行距為4 m，采用南北方向種植。在蘋果樹萌芽花期(4月14日)、新梢旺長(zhǎng)期(5月26日、6月13日)和果實(shí)膨大期(8月13日)進(jìn)行田間畦灌，單次灌水量為540 L/株。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)從2015年4月至2015年10月，在矮砧蘋果樹的萌芽花期、新梢旺長(zhǎng)期與果實(shí)膨大期采集土壤與莖干樣品，每個(gè)處理重復(fù)3次。

在距離樹干50 cm處采集土壤樣品，以20 cm的間隔利用土鉆(直徑5cm)進(jìn)行采集，分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140和140～160 cm共8層。為確保土壤剖面水分入滲和分餾過(guò)程的充分完成，在各生育期降雨或灌溉4 d后采集土壤樣品，使用離心管保存采集的土壤樣品，并用封口膜將管口密封，低溫保存。選取健康的未栓化莖干作為枝條樣品，為防止樣品產(chǎn)生同位素分餾，快速將枝條去皮后放入離心管中，封口膜密封管口后低溫保存。同時(shí)，在果樹生育期內(nèi)，定期收集雨水和灌溉水。雨水采用自制的收集裝置收集，為防止分餾，在瓶口放置乒乓球。灌溉水在每次灌溉時(shí)用離心管收集。

采用低溫真空抽提的方法來(lái)提取土壤樣品和植物莖干樣品的水樣[11]，該方法利用真空蒸餾與液氮冷凝的原理收集水樣，此過(guò)程不發(fā)生同位素分餾，抽提時(shí)間一般約為1.5～2 h。不同水樣中的δD和δ18O利用isotope ratio infrared spectroscopy(IRIS)測(cè)量(PicarroL2130～i)，并利用micro-pyrolysis模塊和ChemCorret Post-processing來(lái)去除樣品中有機(jī)物的污染。氫氧同位素測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)國(guó)際標(biāo)樣(SLAP2、VSOMW2、GISP)校準(zhǔn)后精度分別為±1‰和±0.1‰。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel，Origin繪制圖表與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果樹不同水源的氫氧穩(wěn)定同位素分析

試驗(yàn)地矮砧蘋果樹的水分來(lái)源包括土壤水、灌溉水與降水。本試驗(yàn)在矮砧蘋果樹的不同生育期內(nèi)，定期分析3種水分樣品氫氧穩(wěn)定同位素值。圖1為3種水分樣品的氫氧穩(wěn)定同位素值圖。

圖1 水分樣品δ18O與δDFig.1 δ18O and δD of water samples

由圖1可得出，3種水分樣品的δ18O與δD呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系，且通過(guò)分析3種水分樣品的氫氧穩(wěn)定同位素散點(diǎn)分布情況可得出，降雨與灌溉水的散點(diǎn)范圍包含了土壤水散點(diǎn)，這是因?yàn)橥寥浪怯晁凸喔人舭l(fā)、入滲以及混合的最終產(chǎn)物。圖1中的黑色實(shí)線為全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line，GMWL)，虛線為試驗(yàn)地的當(dāng)?shù)亟邓€LMWL(Local Meteoric Water Line)。GMWL線于1961年由Craig發(fā)現(xiàn)并命名[12]，表達(dá)式為δD=8×δ18O+10。而試驗(yàn)地的LMWL為:δD=7.31×δ18O-5.59(R2=0.97)。LMWL比GMWL的斜率與截距值小，其原因是試驗(yàn)地濕度變化與大氣雨水二次蒸發(fā)[13]。此外，土壤水與灌溉水的氫氧穩(wěn)定同位素?cái)M合線分別為：δD=6.09×δ18O-18.28 (R2=0.98)、δD=2.36×δ18O-54.21(R2=0.94)。兩條斜線的斜率與截距差別是由蒸發(fā)中同位素分餾引起的。

本次研究中，果樹的最初水分來(lái)源于降水與灌溉水(試驗(yàn)地地下水埋深較大，已忽略其對(duì)果樹根系吸水的影響)，而降水與灌溉水在被果樹根系吸收之前需要經(jīng)過(guò)入滲等復(fù)雜過(guò)程，最終以土壤水的形式被果樹根系吸收利用，即矮砧蘋果樹莖干水的氫氧穩(wěn)定同位素值是在雨水與灌溉水發(fā)生同位素分餾作用后的同位素混合值。因此，研究將不同深度的土壤水作為果樹根系的吸水水源，避免了直接將雨水與灌溉水作為潛在水源進(jìn)行水分貢獻(xiàn)率分析而導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)的較大誤差[14]。研究中，在各生育期降雨或灌溉4 d后采集土壤樣品，這樣確保了降雨與灌溉水經(jīng)過(guò)充分的混合入滲，確保了基于穩(wěn)定同位素質(zhì)量守恒的水源分析方法的準(zhǔn)確性。因此，本研究將不同深度的土壤水作為蘋果樹的潛在水源，基于氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)研究果樹水源(不同深度土壤水)的水分貢獻(xiàn)率，進(jìn)而得出矮砧蘋果樹根系的主要吸水深度。

2.2 利用IsoSource多元線性模型分析矮砧蘋果樹吸水深度

基于穩(wěn)定同位素存在的質(zhì)量守恒原理，利用多元線性模型可分析植物根系對(duì)不同水源的吸收利用情況。當(dāng)所分析的水源數(shù)目超過(guò)3個(gè)時(shí)，可以利用IsoSources來(lái)獲得不同水源的貢獻(xiàn)率情況[10]。IsoSources中的參數(shù)Increment表示每個(gè)水源水分貢獻(xiàn)率的增幅，即水分貢獻(xiàn)率以Increment值作為步長(zhǎng)進(jìn)行從0到100%的遞增，研究中設(shè)置為1%或者2%。研究中將各個(gè)水源的水分貢獻(xiàn)率與對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定同位素值相乘，累計(jì)求和，作為一組水源的線性混合值。IsoSources中的參數(shù)Tolerance設(shè)置為0.01，其含義為計(jì)算得出的線性混合值與測(cè)定的果樹植物莖干同位素值的誤差最大值為0.01，即誤差在0.01內(nèi)的貢獻(xiàn)率組合為一組可行解。進(jìn)一步將所有可行解制作水分貢獻(xiàn)率直方圖，可得出各個(gè)水源的水分貢獻(xiàn)率范圍與均值。考慮到一些特殊植物在根系吸水過(guò)程中，氫穩(wěn)定同位素易發(fā)生分餾作用[15]，為使分析結(jié)果更為精確，本試驗(yàn)單獨(dú)將氧穩(wěn)定同位素帶入IsoSource軟件分析矮砧蘋果樹的吸水深度。

圖2 矮砧蘋果樹不同生育期分貢獻(xiàn)率直方圖Fig.2 Histogram of water contribution in different growth stages of dwarfing apple

圖2為矮砧蘋果樹不同生育期內(nèi)，不同深度的土壤水的貢獻(xiàn)率情況。在圖2中，橫縱坐標(biāo)分別代表不同深度的土壤水的水分貢獻(xiàn)率情況與不同貢獻(xiàn)率出現(xiàn)的頻率大小。以圖2(a)為例，在該時(shí)期，對(duì)于0～20 cm土層，0.3～0.6的土壤水分貢獻(xiàn)率出現(xiàn)的頻率最大，而對(duì)于20～40 cm等深度的土壤，當(dāng)水分貢獻(xiàn)率為0～0.05時(shí)出現(xiàn)的頻率最大。由此得出，在萌芽花期，0～20 cm土層是該時(shí)期矮砧蘋果樹的主要吸水區(qū)域。表1進(jìn)一步分析對(duì)比了不同深度土壤水的平均水分貢獻(xiàn)率值。

由表1和圖2可得出，在萌芽花期，7年生矮砧蘋果樹的主要吸水深度為0～20 cm的土壤水，平均水分貢獻(xiàn)率為59.5%。這可能是由于萌芽花期屬于蘋果樹生長(zhǎng)前期，蘋果樹在該時(shí)期的耗水量相對(duì)較少，且吸水根系多集中在表層、深層根系發(fā)育并不完全導(dǎo)致[4]。與萌芽花期不同，不同深度土壤水的水分貢獻(xiàn)率在新梢旺長(zhǎng)期6月有所變化，雖然0～20 cm(42.9%)仍為蘋果根系的主要吸水深度，但20～40 cm深度的土壤水貢獻(xiàn)率有所增加，為11.1%。而在新梢旺長(zhǎng)期7月，蘋果樹根系吸水的深度不單集中在表層，其對(duì)深層土壤水的利用明顯增加，各深層土壤水的水分貢獻(xiàn)率都較高；在該生育期，根系主要對(duì)20～40 cm深度的土壤水利用最高，為29.1%，0～20 cm與40～60 cm深度的土壤水次之，分別為24.3%和12.5%。而在果實(shí)膨大期8月，20～40 cm深度的土壤水對(duì)蘋果樹的貢獻(xiàn)率達(dá)到最大，為37.1%，其次為0～20 cm(23.6%)，而40～60 cm深度的土壤水貢獻(xiàn)率為11.6%，與上一時(shí)期的貢獻(xiàn)率差異較小。在果實(shí)膨大期9月，果樹的主要吸水深度仍以20～40 cm為主，但其水分貢獻(xiàn)率較上一時(shí)期有所減少，為27.3%，而0～20 cm深度的土壤水貢獻(xiàn)率增大到26.3%，較8月份增幅為12%，40～60 cm深度的土壤水貢獻(xiàn)率為13.8%。

表1 矮砧蘋果樹生育期內(nèi)不同深度土壤水的水分貢獻(xiàn)率平均值Tab.1 Average water contribution of soil water in different depths in growth stages of dwarfing apple

3 結(jié) 論

根據(jù)上述研究分析，主要得出以下兩點(diǎn)結(jié)論。

(1)利用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)研究矮砧蘋果樹根系吸水深度時(shí)，將不同深度的土壤水作為潛在水源可得出更準(zhǔn)確的根系吸水深度分析結(jié)果。

(2)矮砧蘋果樹的吸水深度隨生育期變化而變化，但基本集中在0～40 cm范圍的土壤深度。在萌芽花期，蘋果樹主要利用0～20 cm(59.5%)處的土壤水；在新梢旺長(zhǎng)期6月，其主要吸水深度為0～20 cm(42.9%)和20～40 cm(11.1%)；新梢旺長(zhǎng)期7月根系的主要吸水深度為0～20 cm(24.3%)和20～40 cm(29.1%)；果實(shí)膨大期8月為0～20 cm(23.6%)、20～40 cm(37.1%)和40～60 cm(11.6%)；果實(shí)膨大期9月為0～20 cm(26.3%)、20～40 cm(27.3%)和40～60 cm(13.8%)。