基于穩定同位素的石漠化地區桑樹根系水來源研究

邢 丹，肖玖軍，韓世玉，蓬桂華，付文婷，賈彥龍

基于穩定同位素的石漠化地區桑樹根系水來源研究

邢 丹1，肖玖軍2，韓世玉1，蓬桂華1，付文婷1，賈彥龍3※

（1. 貴州省農科院蠶業研究所，貴陽 550006；2. 貴州省山地資源研究所，貴陽 550001；3. 貴州理工學院，貴陽 550003）

土壤水分虧缺是阻礙石漠化地區植被恢復重建的主要生態因子之一。然而，桑樹（L.）用于石漠化治理已取得良好效果，但其水分利用策略尚不清楚。該文基于氫、氧穩定同位素技術研究石漠化地區桑樹根系在生長期內對不同深度土壤水分的利用程度，反映桑樹根系在不同季節的吸水能力變化，揭示桑樹生長期內水分利用策略。結果發現：桑樹生長前期（春季，4－6月）降水中氫氧穩定同位素豐度較為偏正，比生長后期（秋季，9－11月）降水富集氫氧穩定同位素。土壤水氫氧穩定同位素隨春季、秋季降雨的季節變化呈現下降趨勢，并且受降雨、蒸發等影響，表現出不同的剖面垂直變化規律。桑樹水與土壤水氫、氧穩定同位素變化相似，說明桑樹生長所需的水分主要靠土壤水分提供。通過直觀相關法和多元線性混合模型法判斷出桑樹在不同季節對土壤水分的吸收利用策略不同，其中春季先主要吸收10～30 cm土層水，隨著降雨增多開始主要吸收利用50～60 cm深層水；進入秋季降雨量較大時亦是主要吸收利用50～60 cm的深層水，而降雨減少時轉變為主要吸收利用0～10 cm的土壤水。研究可為桑樹在石漠化治理中的應用提供依據。

干旱；水分；同位素；氫；氧；季節變化

0 引 言

中國西南喀斯特地區雖然地處亞熱帶季風性濕潤氣候區，但由于喀斯特充分發育，土層淺薄，土被不連續，地表保水能力差，加之降水時空分布不均，屬季節性干旱地區，不同功能型植物對水分吸收利用存在差異[1-2]。聶云鵬等[3]發現落葉植物菜豆樹（），在降水豐沛的夏季主要吸收儲存在淺層裂隙中近期雨水，在旱季主要利用表層巖溶帶水；而常綠植物鵝掌柴（）無水分來源的變遷。McCole等[4]研究結果卻發現常綠植物杉木（）在雨季主要利用淺層土壤水，在旱季轉而利用地下水。一般而言，喀斯特地區淺根系植物主要吸收利用來自近期降水的淺層土壤水，而深根系植物常常同時吸收利用不同深度的水源[5-7]，如喀斯特坡地尾巨桉（）水分吸收利用在雨季上坡以淺層土壤水為主，雨季下坡對深層土壤水利用比例明顯增加，而旱季上坡主要利用較深層水分，旱季下坡依賴淺層土壤水[8]。

研究表明，植物根系在吸收土壤水分及沿導管向上運輸過程中不發生氫和氧穩定同位素分餾，通過分析比較植物莖木質部與植物利用的不同水源的同位素組成，結合同位素混合模型，可以確定不同水源對植物組織水分的相對貢獻率，或估算出植物對不同水源的相對使用量[9-12]。土壤水是植物根系水分吸收的主要來源，但水分虧缺限制植物生存和生態適應性[13]。桑樹（）作為生態治理的一種優良落葉樹種，根系發達，在石漠化生境條件下，尚不清楚桑樹對土壤水分吸收利用是否具有季節性差異，不清楚主要吸收淺層土壤水還是以深層土壤水為主。為此，本文以畢節市七星關區清水鋪鎮的桑園為研究對象，采集不同時期雨水、剖面土壤和桑樹木質化枝條樣品進行氫和氧穩定同位素分析，研究各水體中氫和氧同位素組成季節變化特征，探索雨水較少時期桑樹根系的吸水策略，為石漠化桑園可持續管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于畢節市七星關區清水鋪鎮（105°35′02′′E，27°41′19′′N），屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，夏無酷暑，冬無嚴寒，氣候溫和，年均氣溫14.4 ℃，雨量充沛，年均降雨量900 mm。2014年全年降雨量為1 098.3 mm（圖1），但降雨分布不均，主要集中于6－9月（595.5 mm）。研究區域的面積1 018.4 m2，海拔1 147 m，所種植的桑樹品種為浙江省農業科學院蠶桑研究所選育的農桑14號，屬于農桑系列。當地為響應國家退耕還林政策于2006年引進桑苗移栽于石漠化區域，分別于立春前后和7月初左右對桑樹進行春伐和夏伐，即桑樹年生長有2季，分別為4－6月和9－11月2個階段。該桑樹品種樹形直立稍開展，發條數多，枝條粗長而直，無側枝，在土壤水分含量適宜、高光照強度下蒸騰較大[14]。種植土壤為石灰性土，最高土壤厚度50～80 cm、容重1.23 g/cm3、總孔隙度53.36%、全氮2.32 g/kg、全磷0.34 g/kg、全鉀10.25 g/kg。

圖1 研究區2014年降雨情況

1.2 樣品采集

2014年4月－11月根據桑樹生長特性，在夏伐前后對畢節市七星關區清水鋪鎮降雨、桑園土壤與植株進行調查取樣。

降雨的采集：2014年4月－11月，在桑園附近農戶家設置采樣點，遇降雨時采集2 mL雨水至密封管，共采集68份雨水樣品，并保存于?20 ℃冷凍室用于測試水中氫氧同位素組成。

土樣的采集：桑樹2個生長期內，按每10 cm 1層采集桑樹根系附近0～60 cm土層內土壤樣品，每層土壤取3個重復樣，共采集106份有效土壤樣品，并將其立即放入特制玻璃瓶并密封以防蒸發，4 ℃條件帶回實驗室后立即保存于?20 ℃冷凍室用于測試土壤水中氫氧同位素組成。

植物樣采集：以能夠提取0.1～0.3 mL水為宜，為避免葉片水分干擾，采集完全木質化、沒有葉片的桑樹枝條，并立即剝離韌皮部后放入特制玻璃瓶并密封，共采集36份桑枝樣品，4 ℃條件帶回實驗室后立即保存于?20 ℃冷凍室用于測試桑枝水中氫氧同位素組成。

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤水和植物水的萃取

土壤水和植物水的萃取采用真空冷凍蒸餾法[15]。先讓樣品在冰箱冷凍柜中?20 ℃時過夜完全結冰冷凍，然后取出將瓶體頸部以下在液氮中浸泡5 min完全冷凍后，保持液氮不拿走接入真空線刺穿抽真空，真空達到8 Pa時，換上?80 ℃酒精液氮，抽真空2 min，關閉相關真空活塞，在真空線的冷阱處套上裝有液氮的液氮杯，移去樣品處的酒精液氮，換上沸水系統加熱樣品，萃取過程持續5 h，此過程中適時給液氮杯添加液氮和給沸水系統添加熱水。萃取結束后，將冷阱處的水分轉移到玻璃管中，從真空線上卸下后用Parafilm膜封好，室溫融化后轉移到樣品瓶中密封，放在冰箱冷藏室中4 ℃保存。

1.3.2 水的氫同位素分析

采用印第安納鋅（Indiana Zinc）還原法[16]。將大約3L水樣品封入玻璃毛細管中，然后在真空線上破碎，將水純化后收集在外徑6 mm厚1 mm長200 mm預先裝入250 mg印第安納鋅的石英管中，抽好真空后用火焰槍熔封石英管。然后放在馬弗爐中在500 ℃加熱1 h，以使水和鋅反應生成氫氣，冷卻后在MAT253質譜儀上測定氫同位素比值。本分析工作中用到的所有石英管在使用前均在850 ℃時灼燒1 h，冷卻后備用。

1.3.3 水的氧同位素分析

采用CO2-H2O平衡交換法[17-18]。先將5.9 mL帶橡膠墊旋轉密封的安瓿瓶在真空線上抽好真空后導入約50 kPa純CO2氣體，記錄CO2氣體的實際壓力和溫度，并收集CO2氣體測定其氧同位素比值。將安瓿瓶從真空線卸下后，用1 mL注射器注入0.5 mL水樣品，立即放入水浴恒溫振蕩搖床中26 ℃時振蕩過夜，然后在真空線上純化收集CO2氣體，在MAT253上測定其氧同位素比值。利用CO2交換前后的氧同位素比值和CO2氣體的壓力、溫度、體積，水的質量和26 ℃ CO2-H2O之間氧同位素分餾系數[19]計算水的氧同位素比值。

1.3.4 質量控制

1）數據標準化：按照國際通用的數據標準化方法[20]對氫、氧同位素數據標準化，即所有數據均相對于國際標準物平均海洋水（Vienna standard mean ocean water，VSMOW）報道，并且所有數據要用國際標樣南極融冰水（standard light antarctic precipitation, SLAP）的氫同位素比值?428‰或氧同位素比值?55.5‰進行標準化。公式是：

δ樣品=

f

（δ樣品實測值–δVSMOW實測值） （2）

式中δSLAP和δVSMOW的比值就是國際原子能機構（international atomic energy agency，IAEA）推薦的參考值，其氫、氧同位素比值分別為?428‰和?55.5‰，或均為0。

2）平行樣測試：每隔若干樣品，對前面已經測過的樣品進行重復測試。

3）國際標準測試：IAEA推薦的國際標樣格陵蘭冰蓋降水（greenland ice sheet precipitation, GISP）的氫、氧同位素比值分別為?189.5‰±1.2‰，?24.8‰±0.09‰，分別進行了5次測試，其δD值分別為?188.4‰、?189.4‰、?188.6‰、?188.5‰、?189.7‰，平均值為?188.6‰±0.6‰。δ18O值分別為?24.73‰、?24.84‰、?24.82‰、?24.79‰、?24.78‰，平均值為?24.79‰±0.04‰。因此，準確度和精度均達到了國際標準。

4）測試精度：氫、氧同位素測試總精度分別好于2‰和0.1‰。

1.4 桑樹水源判斷方法

1.4.1 直觀相關法

將桑樹莖水與不同潛在水源的δD和δ18O進行直接對比，當其與某潛在水源δD和δ18O交叉或者相近時，則定性判斷出桑樹利用了該水源[21]。

1.4.2 多源線性混合模型法

根據同位素質量守恒原理，Phillips等[22]提出多源線性混合模型法確定植物對各潛在水源的利用比例，基于IsoSource軟件運行該模型。運行前設置2個參數，即對來源增量（source increment）和質量平衡公差（mass balance tolerance）分別賦值1 %和0.1 ‰；隨后將測定的各水分樣品δD和δ18O代入模型運行即可[23]，則定量判斷出桑樹對某層土壤水的利用率。

1.5 數據統計與分析

運用SPSS 23.0對試驗數據進行單因素統計分析，5%水平下最小顯著差異（least significance difference，LSD）多重比較檢驗δD和δ18O平均值之間的差異顯著。采用IsoSource軟件判斷桑樹水源，利用SigmaPlot 13.0作圖。

2 結果與分析

2.1 雨水、土壤水及桑樹水δD、δ18O的變化特征

圖2所示，研究區4－11月降水中δD值介于?161.2‰～34.9‰之間，平均值為?25.9‰，δ18O值介于?21.08‰～6.33‰之間，平均值為?4.82‰。其中，桑樹生長前期（春季，4－6月）降水中δD、δ18O變化范圍分別為?36.4‰～34.9‰和?6.2‰～6.33‰，平均值分別為?0.24‰和?1.68‰；生長后期（秋季，9－11月）降水中δD、δ18O變化范圍分別為（?97.5‰～?7.4‰和?13.41‰～3.14‰，平均值分別為?60.0‰和?8.17‰。

圖2 研究區雨水、土壤水和桑樹水氫氧同位素豐度的變化特征

土壤水及桑樹水δD、δ18O表現出一定的季節變化特征。春季，土壤水中δD、δ18O變化范圍分別為?65.2‰～?5.9‰和?9.29‰～?1.25‰，平均值分別為?29.4‰和?4.77‰；桑樹水δD、δ18O變化范圍分別為?54.2‰～?20.0‰和?6.86‰～?3.92‰，平均值分別為?33.2‰和?5.39‰。秋季，土壤水中δD、δ18O變化范圍分別為?88.9‰～?39.3‰和?11.3‰～?5.43‰，平均值分別為?70.1‰和?9.27‰；桑樹水δD、δ18O變化范圍分別為?62.8‰～?50.9‰和?9.02‰～?6.99 ‰，平均值分別為?55.7‰和?7.92‰。同時，季節變化上，土壤水與桑樹水δD、δ18O基本位于雨水δD、δ18O下方，而且桑樹水δD、δ18O融于土壤水在δD、δ18O中間。從這些δD、δ18O組成初步看出，桑樹水與土壤水同位素豐度相近，推斷桑樹主要利用土壤水。

2.2 雨水、土壤水及桑樹水δD、δ18O的關系變化

圖3所示，基于研究區雨水中δD和δ18O數據資料，建立了該區雨水線方程，發現δD和δ18O均存在顯著的線性關系，4－11月2=0.97（<0.01），其中春季2=0.90，（<0.01），秋季2=0.98（<0.01）。春季，土壤水δD和δ18O間線性關系顯著2=0.91（<0.01）。秋季，土壤及桑樹莖水δD和δ18O間線性關系較春季弱（2=0.35和0.36）。

2.3 不同季節土壤水δD、δ18O垂直分布特征

圖4所示，春季和秋季土壤水δD和δ18O表現出明顯的季節變化差異，而同季節中不同月份表現出相似的變化趨勢。春季，土壤水δD和δ18O隨土壤剖面深度增加呈現持續遞減趨勢。其中，4月δD值由0～10 cm的?20.1‰減少至50～60 cm的?56.35‰，δ18O值由?3.67‰減少至?8.36‰；5月δD值由?12.5‰減少至的?54.1‰，δ18O值由?2.15‰減少至?6.95‰；6月δD值由?17.4‰減少至?42.8‰，δ18O值由?3.21‰減少至?6.35‰。利用LSD方法對同一月份不同土層δD和δ18O值進行顯著分析，結果表明：4月，0～30 cm土壤水δD和δ18O差異均不顯著（>0.05），>30～60 cm δD和δ18O之間不顯著（>0.05），但δD和δ18O分別與0～30 cm的土壤水δD和δ18O差異顯著（<0.05）；5月，0～30 cm土壤水δD和δ18O差異均不顯著（>0.05），但>30～60 cm之間差異顯著（<0.05），且與0～30 cm間差異顯著（<0.05）；6月，0～40 cm之間土壤水δD和δ18O差異不顯著（>0.05），但>40～60 cm之間差異顯著且顯著低于0～40 cm（<0.05）。

秋季，土壤水δD和δ18O隨土壤剖面深度增加呈現降-升的變化趨勢。其中，9月0～20 cm土壤水δD和δ18O呈下降趨勢，隨后>20～60 cm呈遞增趨勢，并且50～60 cm土層數值（δD和δ18O分別為?61.8‰和?8.38‰）略高于0～10 cm（?72.3‰和?8.86‰）；10月δD和δ18O變化拐點位于20～30 cm土層，但50～60 cm土層數值（δD和δ18O分別為?65.7‰和?9.09‰）仍低于0～10 cm（?59.3‰和?7.54‰）；11月時，土壤水δD和δ18O在30～40 cm土層位置略有拐點（δD和δ18O分別為?75.0‰和?10.3‰），但整體呈現降低趨勢，δD值由0～10 cm的?43.8‰減少至>50～60 cm的?74.9‰，δ18O值由?6.86‰減少至?10.2‰。利用LSD對同一月份不同土層層δD和δ18O值比較，結果表明拐點上下差異顯著（<0.05）。

圖3 研究區雨水、土壤水和桑樹莖水δD、δ18O關系變化

圖4 桑樹各生長期不同剖面深度土壤水與莖稈水δD及δ18O

2.4 桑樹的水分吸收來源及其貢獻率

利用直觀相關法對不同月份桑樹莖水δD、δ18O與土壤水源δD、δ18O進行對比，若與桑樹莖水值接近或相交即為桑樹吸水來源區域。圖4所示，不同月份桑樹莖水δD、δ18O與土壤水δD、δ18O均有交叉，初步判斷不同季節桑樹水分來源明顯不同。春季，桑樹根系吸水的區域為20 cm以下的土壤水；秋季，桑樹吸水區域為20 cm以上，即表層土壤水，其中9月50～60 cm區域亦為其吸水區。同時發現，利用直觀相關法進行分析時精確性欠佳，尚需借助定量計算法進一步明確主要吸水來源及其貢獻率。

圖5為利用多元線性混合模型（借助IsoSource軟件）計算桑樹吸水來源及貢獻率的結果。在應用模型軟件定量計算過程中以δ18O值的分析結果為主。由圖看出，桑樹生長前期時，4月0～10、>10～20、>20～30、>30～40、>40～50和>50～60 cm的土壤水對桑樹吸水的貢獻率分別為3.1%、32.5%、36.6%、4.1%、1.6%和22.1%；5月，相應的不同土層水貢獻率分別為7.9%、8.3%、10.9%、14.4%、26.6%和31.8%；6月，不同土層水貢獻率分別為24%、4.5%、1.9%、1.6%、2.1%和66%。表明桑樹在春季先吸收利用10～30 cm中層水（利用率達69.1%），隨后開始主要吸收利用50～60 cm深層水（5月和6月利用率分別達31.8%和66%）。桑樹生長后期，對土壤水分的吸收利用發生相反變化。9月，0～10 cm土壤水對桑樹根系吸水的貢獻率為11%，而>50～60 cm土壤水的貢獻率達70.2%；10月和11月，0～10 cm土壤水貢獻最大，貢獻率分別為94.3%和71.9%。由此看出，秋季時，桑樹先主要吸收利用50～60 cm的深層水，隨后主要吸收利用0～10 cm的土壤水。

圖5 不同深度土壤水對桑樹根系水分利用的貢獻率

3 討 論

研究區降水δD、δ18O變化范圍（圖2）與全球雨水中δD（?300‰～131‰）、δ18O（?54‰～31‰）變化范圍[24]，和中國雨水δD（190‰～20‰）、δ18O（?24‰～2.0‰）變化范圍[25]相比，其落在全球雨水變化δD、δ18O變化范圍中，并與中國雨水δD、δ18O變化范圍較為接近。然而，研究區雨水中δD、δ18O平均值比全球雨水δD（?22‰）、δ18O（?4‰）平均值偏小，比中國雨水δD（?50‰）、δ18O（?8‰）平均值偏大，說明降水氣團在到達研究區之前已經歷一定程度的貧化、富集過程。進一步分析發現（圖3），與全球降水線（δD=8 δ18O +10）和中國雨水線（δD=7.48 δ18O+1.01）相比，研究區雨水線的斜率相對有大、有小，但截距相對均較大，這可能是受水蒸氣壓力、降雨量、地理緯度、氣候環境等影響，降水過程存在一定程度二次蒸發的結果[26-27]。在本研究中，土壤水δD、δ18O隨季節變化呈現下降趨勢（圖2），同時受降雨、蒸發等影響[28]，土壤水δD、δ18O表現出不同的垂直變化（圖4），這為進一步探索桑樹根系吸水奠定基礎。

桑樹是多年生高耗水型木本植物，年需水量為7 000～12 000 m3/hm2（700～1 200 mm），在生長季節對水分需求隨季節發生變化[29-30]。但本研究區年降水量900 mm，基本滿足桑樹的需水量。同時，桑樹莖水δD、δ18O值隨季節變化（圖2），表明桑樹根系吸水在不同季節隨降雨供應而發生變化，而根系吸水與降雨之間是否存在顯性相關或具有何種根系吸水模型尚需進一步探索。植物吸收的水分主要來自降水或地下水等“初始”水源轉化而來的土壤水[31-32]。容麗等[13]研究發現，喀斯特地區植物水分的主要來源于土壤水。在本研究結果中，桑樹水δD、δ18O與土壤水δD、δ18O組成變化相似，從而說明桑樹也主要吸收利用土壤水，與張建華等[29]在川南山區非喀斯特地區的結果相似，即桑樹生長所需的水分靠土壤水庫容提供。通過直觀相關法初步判斷出在春季，桑樹根系吸水的區域為20 cm以下的土壤水；秋季，桑樹吸水區域為20 cm以上，即表層土壤水，但9月份對50～60 cm土層水有需求。利用多元線性混合模型定量判斷出桑樹在不同季節對土壤水分的吸收利用策略（圖5），研究表明春季3－4月份主要吸收10～30 cm土層水，5月與6月時主要吸收利用50～60 cm深層水，而進入秋季生長期9月份主要吸收利用50～60 cm的深層水，隨后10－11月份主要吸收利用0～10 cm的土壤水。這與植物的二態根系及降雨等有一定的關系。

植物的二態根系系統會使其在雨季和旱季利用不同深度層次的土壤水分[33-34]。McCole等[4]研究發現常綠植物杉木在雨季主要利用淺層土壤水，在旱季轉而利用地下水。而容麗等[13]研究指出，貴州喀斯特地區植物生長旺季（8月），土壤下層水的貢獻較大，而雨水減少的10月，灌木林主要利用土壤表層水。本研究中，2014年全年降雨量為1 098.3 mm，但降水分配不均（圖1），其中6月和9月降雨較多，分別為117.6和138.2 mm，水分供應充足并向下層土壤入滲，因而桑樹主要吸收利用深層土壤水。在降雨較少的月份（如降雨不足80 mm的10月和11月），桑樹主要利用表層土壤水，這可能與其根系形態、表層土壤水分有效性高有關[3,35]。一方面，桑樹根系發達可伸展到深層土壤，可能通過水力提升作用將水分提升并分配到表層土壤和根系周圍，從而供表層土壤中根系吸收利用。另一方面，即使雨水少，但表層有桑樹落葉和一些雜草可攔截雨水并下滲于表層，而又難以滲入下層，從而雨水聚集于表層并使桑樹萌發出新的根系，加上桑樹根系與土壤中某些真菌共生，在共生菌的促進作用下，導致桑樹水分吸收利用以表層水為主。有趣的是，Schwinning[36]研究發現菌根真菌能為植物根系吸收水分提供通道，增強植物適應巖溶干旱環境脅迫能力。而桑樹是典型的叢枝菌根植物，對AM真菌依賴性較高[37-38]。本研究推測干旱時，桑樹可能依靠AM真菌而主要吸收表層土壤水。在后期研究工作中，通過觀測分析不同剖面AM真菌多樣性發現10月AM真菌的分子種較多[39]，但尚需通過對桑樹接種AM真菌探索其是否顯著促進桑樹水分吸收利用而驗證此推測。

4 結 論

桑樹生長過程，雨水中δD、δ18O在春季富集而秋季貧化，土壤水δD、δ18O隨降雨的季節變化呈現下降趨勢，并且受降雨、蒸發等影響表現出不同的剖面垂直變化。通過直觀相關法和多元線性混合模型法判斷出桑樹在春季雨水少時主要吸收10～30 cm土層水，隨降雨增多改為吸收利用50～60 cm深層水；進入秋季降雨量較大時亦是主要吸收利用50～60 cm的深層水，而降雨減少時轉變為主要吸收利用0～10 cm的土壤水。

[1] 王世杰，容麗，杜雪蓮，等. 基于穩定同位素的喀斯特植物水分利用策略[J]. 礦物巖石地球化學通報，2008，27(Z1)：513－514.

Wang Shijie, Rong Li, Du Xuelian, et al. Plant water use strategy in rocky desertification area using deuterium and oxygen-18 isotopes[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2008, 27(Z1): 513－514. (in Chinese with English abstract)

[2] 陳洪松，王克林. 西南喀斯特山區土壤水分研究[J]. 農業現代化研究，2008，29(6)：734－738.

Chen Hongsong, Wang Kelin. Soil water research in karst mountain areas of Southwest China[J]. Research of Agricultural Modernization, 2008, 29(6): 734－738. (in Chinese with English abstract)

[3] 聶云鵬，陳洪松，王克林. 石灰巖地區連片出露石叢生境植物水分來源的季節性差異[J]. 植物生態學報，2011，35(10)：1029－1037.

Nie Yunpeng, Chen Hongsong, Wang Kelin. Seasonal variation of water sources for plants growing on continuous rock outcrops in limestone area of Southwest China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(10): 1029－1037. （in Chinese with English abstract）

[4] McCole A A, Stern L A. Seasonal water use patterns of Juniperus ashei on the Edwards Plateau, Texas, based on stable isotopes in water[J]. Journal of Hydrology, 2007, 342(3/4): 238－248.

[5] Williams P W. The role of the epikarst in karst and cave hydrogeology: A review[J]. International Journal of Speleology, 2008, 37(1): 1－10.

[6] Schwinning S. The water relations of two evergreen tree species in a karst savanna[J]. Oecologia, 2008, 158(3): 373－383.

[7] 陳洪松，聶云鵬，王克林. 巖溶山區水分時空異質性及植物適應機理研究進展[J]. 生態學報，2013，33(2)：317－326.

Chen Hongsong, Nie Yunpeng, Wang Kelin. Spatio-temporal heterogeneity of water and plant adaptation mechanisms in karst regions: a review[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(2): 317－326. (in Chinese with English abstract)

[8] 丁亞麗，陳洪松，聶云鵬，等. 基于穩定同位素的喀斯特坡地尾巨桉水分利用特征[J]. 應用生態學報，2016，27(9)：2729－2736. Ding Yali, Chen Hongsong, Nie Yunpeng, et al. Water use strategy of×on karst hillslope based on isotope analysis[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(9): 2729－2736. (in Chinese with English abstract)

[9] Yakir D, da S L Sternberg L. The use of stable isotopes to study ecosystem gas exchange[J]. Oecologia, 2000, 123(3): 297－311.

[10] Dawson T E, Mambelli S, Plamboeck A H, et al. Stable isotopes in plant ecology[J]. Annual Review of Ecology and Systematics, 2002, 33(1): 507－559.

[11] Ewe S M L, da S L Sternberg L, Childers D L. Seasonal plant water uptake patterns in the saline southeast Everglades ecotone[J]. Oecologia, 2007, 152(4): 607－616.

[12] Greaver T L, Sternberg L S L. Decreased precipitation exacerbates the effects of sea level on coastal dune ecosystems in open ocean islands[J]. Global Change Biology, 2010, 16(6): 1860－1869.

[13] 容麗，王世杰，俞國松，等. 荔波喀斯特森林4種木本植物水分來源的穩定同位素分析[J]. 林業科學，2012，48(7)：14－22.

Rong Li, Wang Shijie, Yu Guosong, et al. Stable isotope analysis of water sources of four woody species in the Libo karst forest[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(7): 14－22. (in Chinese with English abstract)

[14] 陳志成，王志偉，王榮榮，等. 桑樹葉片光合生理性狀對土壤水分含量和光照強度的響應[J]. 蠶業科學，2012，38(3)：375－380.

Chen Zhicheng, Wang Zhiwei, Wang Rongrong, et al. Responses of photosynthetic physiological characteristics of mulberry leaf to soil moisture and light intensity[J]. Science of Sericulture, 2012, 38(3): 375－380. (in Chinese with English abstract)

[15] Sternberg L D S L, Deniro M J, Sloan M E, et al. Compensation point and isotopic characteristics of C3/C4 intermediates and hybrids in Panicum[J]. Plant Physiology, 1986, 80(1): 242－245.

[16] Coleman M L, Shepherd T J, Durham J J, et al. Reduction of water with zinc for hydrogen isotope analysis[J]. Analytical Chemistry, 1982, 54(6): 993－995.

[17] Epstein S, Mayeda T. Variation of O18 content of waters from natural sources[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 1953, 4(5): 213－224.

[18] Socki R A, Karlsson H R, Gibson E K. Extraction technique for the determination of oxygen-18 in water using preevacuated glass vials[J]. Analytical Chemistry, 1992, 64(7): 829－831.

[19] Bottinga Y. Calculation of fractionation factors for carbon and oxygen isotopic exchange in the system calcite-carbon dioxide-water[J]. The Journal of Physical Chemistry, 1968, 72(3): 800－808.

[20] Coplen T B. New guidelines for reporting stable hydrogen, carbon, and oxygen isotope-ratio data[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1996, 60: 3359－3360.

[21] 王鵬，宋獻方，袁瑞強，等. 基于氫氧穩定同位素的華北農田夏玉米耗水規律研究[J]. 自然資源學報，2013(3)：481－491.

Wang Peng, Song Xianfang, Yuan Ruiqiang, et al. Study on water consumption law of summer corn in North China using deuterium and oxygen-18 isotopes[J]. Journal of Natural Resources, 2013(3): 481－491. (in Chinese with English abstract)

[22] Phillips D L, Gregg J W. Source partitioning using stable isotopes: Coping with too many sources[J]. Oecologia, 2003, 136: 261－269.

[23] 聶云鵬，陳洪松，王克林. 土層淺薄地區植物水分來源研究方法[J]. 應用生態學報，2010，21(9)：2427－2433.

Nie Yunpeng, Chen Hongsong, Wang Kelin. Methods for determining plant water source in thin soil region: A review[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(9): 2427－2433. (in Chinese with English abstract)

[24] Craig H. Isotopic variations in meteoric waters[J]. Science, 1961, 133(3465): 1702－1703.

[25] 鄭淑蕙，侯發高，倪葆齡. 我國大氣降水的氫氧穩定同位素研究[J]. 科學通報，1983，28(13)：801.

Zheng Shuhui, Hou Fagao, Ni Baoling. Study on deuterium and oxygen-18 isotopes of precipitation in China[J]. Chinese Science Bulletin, 1983, 28(13): 801. (in Chinese with English abstract)

[26] 胡可，陳洪，聶云鵬，等. 桂西北喀斯特峰叢洼地降水氫氧穩定同位素的季節變化特征[J]. 農業工程學報，2013，29(5)：53－62.

Hu Ke, Chen Hong, Nie Yunpeng, et al. Characteristics of seasonal variation of deuterium and oxygen-18 isotope composition of precipitation in karst peak-cluster depression area, northwest Guangxi of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(5): 53－62. (in Chinese with English abstract)

[27] 李維杰，王建力，王家錄. 西南地區不同地形降水穩定同位素特征及其水汽來源[J]. 長江流域資源與環境，2018，27(5)：1132－1142.

Li Weijie, Wang Jianli, Wang Jialu. Characteristics of the stable isotopes in precipitation and the source of water vapor in different terrain in the southwest region[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2018, 27(5): 1132－1142. (in Chinese with English abstract)

[28] Xu Q, Liu S, Wan X, et al. Effects of rainfall on soil moisture and water movement in a subalpine dark coniferous forest in southwestern China[J]. Hydrological Processes, 2012, 26(25): 3800－3809.

[29] 張建華，羅春燕，龐良玉，等. 川南山區雨養桑園水分供需狀況分析[J]. 蠶業科學，2012，38(6)：988－993.

Zhang Jianhua, Luo Chunyan, Pang Liangyu, et al. An analysis on water supply and demand of rainfed mulberry filed in Southern Mountain Areas of Sichuan Province[J]. Science of Sericulture, 2012, 38(6): 988－993. (in Chinese with English abstract)

[30] 鄭松州. 科爾沁沙地幾種經濟植物耗水特征及其栽植技術研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2013.

Zheng Songzhou. The Studies on Water Consumption Characteristics and Cultivation Techniques of Several Economic Plants in Horqin Sandy Land[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[31] Asbjornsen H, Mora G, Helmers M J. Variation in water uptake dynamics among contrasting agricultural and native plant communities in the Midwestern US[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2007, 121(4): 343－356.

[32] Ma Y, Song X. Using stable isotopes to determine seasonal variations in water uptake of summer maize under different fertilization treatments[J]. Science of the Total Environment, 2016, 550: 471－483.

[33] Dawson T E, Pate J S. Seasonal water uptake and movement in root systems of Australian phraeatophytic plants of dimorphic root morphology: A stable isotope investigation[J]. Oecologia, 1996, 107(1): 13－20.

[34] Williams D G, Ehleringer J R. Intra‐and interspecific variation for summer precipitation use in pinyon–juniper woodlands[J]. Ecological Monographs, 2000, 70(4): 517－537.

[35] 李暉，周宏飛. 穩定性同位素在干旱區生態水文過程中的應用特征及機理研究[J]. 干旱區地理，2006，29(6)：810－816.

Li Hui, Zhou Hongfei. Application characteristic sand mechanis of stable isotope techniques in the study of eco-hydrological progresses in arid regions[J]. Arid Land Geography, 2006, 29(6): 810－816. (in Chinese with English abstract)

[36] Schwinning S. The ecohydrology of roots in rocks[J]. Ecohydrogy, 2010, 3(2): 238－245.

[37] Kim J C, Choi Y H, Moon J Y, et al. Growth stimulation of mulberry trees in unsterilized soil under field conditions with VA mycorrhizal inoculation[J]. Korean Journal of Sericultural Science (Korea R), 1984, 26(2): 7－10.

[38] Shi S M, Chen K, Gao Y, et al. Arbuscular mycorrhizal fungus species dependency governs better plant physiological characteristics and leaf quality of mulberry (L.) seedlings[J]. Frontiers in Microbiology, 2016, 7: 1030.

[39] Xing Dan, Wang Zhenhong, Xiao Jiujun, et al. The composition and diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in karst soils and roots collected from mulberry of different ages[J]. Ciência Rural, 2018, 48(10): 1－14.

Water absorption source analysis of mulberry roots based on stable isotopes in rocky desertification area

Xing Dan1, Xiao Jiujun2, Han Shiyu1, Peng Guihua1, Fu Wenting1, Jia Yanlong3※

(1.,,550006,; 2.,,550001,; 3.,550003,)

Soil water deficit is the main obstacle factor of plant reconstruction in rocky desertification area of Southwest China. Mycorrhizal mulberry (L.) can cope with the main ecological barriers during the seasonal drought in the rocky desertification area. However, it is unclear the water resource of mulberry. In this study, we studied the water use strategy of mulberry root in different seasons by hydrogen and oxygen stable isotope technique. The mulberry was grown in typical rocky desertification area in Qingshuipu town, Qixingguan district, Bijie city (105°35′02′′E, 27°41′19′′N) in Guizhou Province. The precipitation was mainly concentrated in June-September. The mulberry was not irrigated. The annual growth of mulberry was in 2 seasons: from April to June and from September to November. The samples of rainfall water, soil and plant branch were collected from April to November of 2014. Soil was sampled at 0-60 cm depth with 10 cm as a sampling layer. The abundance of deuterium and oxygen stable isotope were measured. The correction analysis method was used to preliminarily evaluate water sources of mulberry. The contribution rate of water at each soil layer was also calculated. The results showed that in rainfall water, the abundance of deuterium from April to November averaged -25.9‰ and the oxygen stable isotope abundance averaged -4.82‰. In spring from April to June, the abundance of deuterium and oxygen stable isotope in rainfall water averaged -0.24‰ and -1.68‰, respectively. In autumn from September to November, the abundance of deuterium and oxygen stable isotope in rainfall water averaged -60.0‰ and -8.17‰, respectively. In spring, the abundance of deuterium and oxygen stable isotope in soil water averaged -29.4‰ and -4.77‰, respectively while the abundance of deuterium and oxygen stable isotope in xylem water averaged -33.2‰ and -5.39‰, respectively. In autumn, the abundance of deuterium and oxygen stable isotope in soil water averaged -70.1‰ and -9.27‰, respectively while the abundance of deuterium and oxygen stable isotope in xylem water averaged -55.7‰ and -7.92‰, respectively. The abundance of both stable isotopes in soil water and xylem water were below that in the rainfall water and that of xylem water were between soil water and rainfall water. It indicated that the mulberry mainly used soil water. Both isotopes in rainwater were more enriched in the early stage of mulberry growth (spring, from April to June) than in the late growth stages (autumn, from September to November). With the seasonal variation of rainfall, the both isotopes of soil water showed a downward trend. According to rainfall water equations, the mulberry absorbed mainly soil water. Both isotopes had clear seasonal trend. In spring, the isotopes in soil water decreased with the increase of soil depth. In autumn, isotopes in soil water decreased then increased with soil depth. Based on the correlation method, the mulberry absorbed water from different soil depth. In spring, it absorbed water from soil below 20 cm while it absorbed water from soil 0-20 cm. In September, it also absorbed water from 50-60 cm soil layer. Based on results from the IsoSource software, in spring, mulberry mainly used soil water from soil layers of 10-30 to 50-60 cm. In autumn, it mainly used soil water from soil layers of 50-60 to 0-10 cm. In spring, the contribution rate was 69.1% by 10-30 cm in soil, 31.8% and 66% by 50-60 cm layer in May and June, 70.2% by 50-60 cm in September and 94.3% and 71.9% by 0-10 cm in October and November, respectively. The study will be helpful to mulberry manage and application in rocky desertification area.

drought; water content; isotopes; deuterium; oxygen; seasonal change

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.011

S273; S888

A

1002-6819(2019)-15-0077-08

2018-12-15

2019-07-10

國家自然科學基金項目（31460225）；貴州省林業廳項目（黔林科合[2017]）

邢 丹，博士，副研究員，主要從事石漠化生態治理與穩定同位素生態應用研究。Email：2004xingdan@163.com

賈彥龍，博士，副研究員，主要從事退化生態系統治理研究。Email：jia-yanlong@163.com

邢 丹，肖玖軍，韓世玉，蓬桂華，付文婷，賈彥龍. 基于穩定同位素的石漠化地區桑樹根系水來源研究[J]. 農業工程學報，2019，35(15)：77－84. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.011 http://www.tcsae.org

Xing Dan, Xiao Jiujun, Han Shiyu, Peng Guihua, Fu Wenting, Jia Yanlong. Water absorption source analysis of mulberry roots based on stable isotopes in rocky desertification area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 77－84. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.011 http://www.tcsae.org