穩定同位素在干旱區水分傳輸過程的研究進展

趙春，張勇勇，趙文智，周海，賈昂元

1. 中國科學院西北生態環境資源研究院/中國生態系統研究網絡臨澤內陸河流域研究站/中國科學院內陸河流域生態水文重點實驗室，甘肅蘭州730000

2. 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049

0 前言

干旱區約占全球陸地面積 30%，是陸地生態系統的重要組成部分，對區域氣候變化和生態功能維持具有重要作用[1]。水分來源及輸入是干旱區生態系統維持的主要限制因素[2]，制約著干旱區生態系統景觀內部地下水-土壤-植物-大氣垂向水分循環過程，影響著在水平向不同景觀界面間的水力聯系。干旱區綠洲化進程加速和地表灌溉用水量增加，加劇了水資源緊張態勢和地下水枯竭風險[3]，威脅著社會經濟和生態環境可持續發展。因此，揭示不同景觀界面間地下水-土壤-植物-大氣水分傳輸與聯系過程是干旱區水資源管理迫切需要解決的科學問題。

生態系統的水分傳輸過程主要包括地表蒸散發過程、植物根系吸水過程及土壤水-地下水相互作用過程。野外定位監測與水量平衡估算是研究水分傳輸過程的主要方法，但該法難以捕捉并區分不同水分來源及去向。綠洲與外圍荒漠生態系統存在著復雜的水力聯系，且水分傳輸存在景觀異質性，氫氧穩定同位素的遷移“軌跡”記錄了地下水-土壤-植物-大氣水分循環過程信息，因此穩定同位素在干旱區生態水文學領域得到廣泛應用。從1953年Dansgaard研究大氣降水δ18O特征以來[4]，氫氧穩定同位素引入到生態系統水文循環研究中。干旱區水分輸入量(降水)少，輸出量(蒸散)大，受蒸發模式等條件的影響，大氣降水線方程的斜率小于非干旱區，遠離全球大氣降水線的斜率；且降水量少導致氫氧同位素值在土壤剖面上變化差異明顯[5]，植物通過深根系吸收深層土壤水及地下水，植物潛在水源的同位素組成差異大[6]，因此氫氧穩定同位素技術在分析干旱區水分傳輸與聯系過程中更具研究潛力。

本研究歸納總結了穩定同位素在干旱生態系統植物/土壤-大氣界面、植物根系-土壤界面、土壤-地下水界面水分傳輸的理論基礎與應用研究，即量化與拆分地表蒸散發、揭示植物根系吸水機制及土壤水-地下水相互作用方面的研究。以期明確干旱區生態系統水分轉換與聯系過程，揭示不同景觀格局水文連通性機制，維持干旱區生態系統的功能穩定與平衡。

1 穩定同位素量化植物/土壤-大氣界面水分轉換過程

地表蒸散發(ET)是穩定同位素量化植物-大氣界面水分轉換過程的關鍵所在，是干旱區生態系統水循環的重要過程，主要包括土壤蒸發(E)和植物蒸騰(T)兩部分。區分蒸散發組分有助于更好地理解生態系統的水汽交換過程[7-8]，穩定同位素是量化與拆分干旱區地表蒸散發組分的有力工具，且廣泛應用在草地[8-9]、森林[10-11]、農田[12-13]等生態系統。

1.1 理論基礎

利用氫氧穩定同位素區分蒸散發組分的理論基礎是: 由于平衡分餾和動力分餾作用，在土壤水分蒸發過程中，較輕的水分子(H216O)比較容易離開蒸發表面，而較重的水分子(H218O)在蒸發表面積聚，土壤蒸發水汽的重同位素組成相較于土壤水發生了貧化[14]；在植物蒸騰過程中，葉片水的重同位素富集，但當蒸騰作用強烈或者蒸騰處于同位素穩態時，植物蒸騰水汽的同位素近似于根系吸收的土壤水同位素組成，基于蒸發和蒸騰水汽同位素組成的顯著差異區分蒸散發組分。

1.2 蒸散發量化與拆分的計算方法

利用氫氧穩定同位素進行蒸散發分割的關鍵所在是準確量化蒸發、蒸騰和蒸散發的同位素組成[7]，但受假設條件、外界環境變化及儀器測量精度等因素的影響，蒸散發組分量化仍存在一定的不確定性[15]。目前估算這三個組分的方法主要如下:

(1)土壤蒸發: Craig-Gordon模型是估算土壤蒸發水汽同位素組成(δE)最普遍的方法[16]。公式如下:

其中，δs是蒸發面土壤水的同位素組成，δv是近地面大氣水汽的同位素組成，h是近地面大氣相對濕度，α+(＞1)是與表層土壤溫度相關的平衡分餾系數[17]，εeq=(1-1/α+)×103(‰)是平衡分餾效應，εk是動力分餾系數?；贑raig-Gordon模型估算的土壤蒸發δ18O值與實測結果有較好一致性，Craig-Gordon模型在計算土壤蒸發同位素組成上具有普適性[18]。

(2)植物蒸騰: 基于“同位素穩定態”假設，植物蒸騰水汽的同位素組成近似于根系吸收的土壤水的同位素組成，因此通過測量植物莖部未分餾的水同位素值來代替蒸騰水汽的同位素值[19-20]。受環境快速變化的影響或在水汽通量很小的情況下，同位素穩態假設很難滿足[21-22]，中午蒸騰速率高易滿足同位素穩態假設[23]。葉室法在同位素穩態和非穩態條件下都適用，該法基于葉室中水汽和同位素質量平衡原理，能快速捕捉分鐘尺度上蒸騰水汽的同位素組成變化[24]，同時也可估算蒸發和蒸散發的同位素組成。但當蒸發較小時，該法對蒸發水汽同位素組成的估算不準確[25]。此外，受葉面積指數小和多風天氣的影響，葉室法可能造成對土壤蒸發的高估[26]。

(3)蒸散發: Keeling Plot方法是估算蒸散水汽同位素組成應用最廣泛的方法，該法描述了大氣水汽的穩定同位素比與其濃度倒數之間的線性關系，該直線在縱軸的截距表示蒸散水汽的同位素組成(δET)[27-28]。公式如下:

其中，δV、CV分別是生態系統邊界層水汽的同位素值和水汽濃度，δa、Ca分別是背景大氣水汽的同位素值和水汽濃度。該法的應用需滿足以下假設: 1)只存在兩種大氣水汽: 生態系統蒸散水汽和背景大氣水汽；2)在觀測過程中，蒸散水汽和背景大氣水汽的同位素比保持穩定；3)生態系統蒸散水汽的損失有且僅有與自由大氣混合一個損失途徑。

此外，通量梯度法也是估算蒸散水汽同位素組成的重要方法[29]，水汽通量由兩個高度間的水汽濃度梯度和渦流擴散系數求得，該法具有時間分辨率高的優點，可揭示蒸散水汽同位素組成的動態變化特征[30-31]。

1.3 應用研究

利用穩定同位素技術對干旱區綠洲生態系統的蒸散發分割開展了相關研究。在南加州高溫旱地農業觀測蒸散發同位素組成，研究表明約有 46%的灌溉水用以植物蒸騰，有 54%通過土壤蒸發形式損失，農作物對灌溉水的利用效率僅為總水量的 28%—39%，極端高溫干旱的自然條件導致了灌溉水的非生產性消耗[32]?；讦?H在摩洛哥開展冬小麥蒸散分割研究，灌溉前后的蒸騰量所占比例分別為 80%和 69%，植物蒸騰是蒸散發的主要組成部分[33]。在黑河流域綠洲農田開展了蒸散發動態變化研究，在日尺度上，13:00—15:00蒸騰滿足同位素穩態，且由通量梯度法估算的δET達到日最大值，蒸騰對蒸散發的相對貢獻范圍為 71%—96%；在季節尺度上，受葉面積指數和氣溫的影響，農田5—8月的蒸騰速率高于9月，δET值呈現出“高-低”的季節變化特征[30-31]。目前對干旱區綠洲生態系統蒸散發的分割及動態變化做了相關基礎研究，但由于蒸騰水汽的同位素組成一般基于“同位素穩定態”假設估算，對于中午之外時段的蒸騰水汽仍然缺乏準確估算，故在獲取蒸騰水汽同位素組成的動態變化上仍需突破；此外，目前缺乏驗證蒸散發分割的共識性衡量標準。隨著大量野外試驗的開展、數據的積累以及不同方法的對比，有望使蒸散發分割方法的驗證成為可能。植物蒸騰是干旱區綠洲蒸散發的主要組成部分且干旱區水分耗散量大，對干旱區綠洲生態系統蒸散發分割的研究有助于理解農田水汽交換機制以及減少植被奢侈性耗水，提高干旱區綠洲農田水分生產力。

但在干旱區荒漠生態系統，由于水分輸出量遠大于降水量，基于穩定同位素技術估算荒漠生態系統蒸散發組分難度大且存在較大的不確定性，故關于荒漠植被蒸散發分割的相關研究少。利用Lysimeter、樹干液流技術、氣孔計法、熱技術法等方法在荒漠開展了不同研究尺度的蒸騰、蒸散發觀測研究[34-39]，遙感技術與地面觀測相結合進行多尺度蒸散發模擬是目前荒漠生態系統研究趨勢[40]。

2 穩定同位素揭示植物根系-土壤界面水力聯系與根系吸水過程

穩定同位素在研究植物根系-土壤界面水力聯系的關鍵科學問題是植物根系吸水過程，其理論基礎是:當植物有多個水分來源時，根系吸收的水分為不同來源水分的混合物[41]，但氫氧同位素在根系吸水的過程中不發生分餾[42-43]，即植物木質部水分與吸水源的同位素組成相同，通過比對植物木質部與不同潛在水源的氫氧同位素組成即可確定根系吸水來源。

2.1 植物根系吸水深度估算

植物根系的吸水深度采用直接對比法估算[44]，將木質部水同位素值與對應土壤剖面同位素值進行比較，二者同位素曲線的交匯處為根系的主要吸水深度。利用直接對比法得出不同作物根系吸水的變化特點，如玉米的根系吸水深度隨生育期呈現出由淺變深再變淺的特點[45]，但具體吸水層次因作物生長環境等因素差異有所區別[46-47]。基于植物只利用某一深度土壤水分的假設，直接對比法能判斷出植物根系的主要吸水深度，但該方法忽略了根系吸水來源往往是不同深度土壤水分的混合物。

2.2 植物根系吸水模型

植物根系吸水的穩定同位素模型主要包括雙源及三源線性混合模型、IsoSource混合模型和貝葉斯混合模型(MixSIR，SIAR，MixSIAR)。雙源及三源線性混合模型適用于植物水分來源不超過三種的情形。利用穩定同位素標記研究了植物對土壤水和地下水的吸收利用[48-49]，根據植物潛在利用水源數量，將二源及三源混合模型結合起來分析根系吸水機制[50]。

Phillips等于2003年提出IsoSource混合模型[51]，該模型以同位素質量守恒為基礎，可以量化多種潛在水源對植物根系吸水的貢獻率，彌補了雙源及三源線性混合模型在植物水分來源數量限制上的不足。基于IsoSource模型，對研究區土壤剖面做分層處理，將同位素值相近的土層合并，得出在不同生育期作物的主要吸水層及相應的貢獻率，此外，模型中還考慮了作物根長密度和根細胞活性對根系吸水的影響[52]，綜合考慮作物根系吸水多方面因素，提高了研究結果可靠性。但IsoSource模型未充分考慮潛在水源不確定性的影響。

貝葉斯混合模型(MixSIR，SIAR，MixSIAR)在結合潛在水源和同位素特征不確定性方面具有統計學的優勢[53-54]。利用MixSIAR模型，通過比較作物莖部水與土壤水中的δ2H和δ18O值，確定作物根系的主要吸水層及貢獻率[55]，量化作物對不同深度土壤水分的利用率[47]，揭示了作物根系吸水規律。通過對比IsoSource、SIAR、MixSIR和MixSIAR四種模型研究植物的水分利用，在 IsoSource模型中，基于氫氧兩種同位素值以及單一的氫(氧)同位素值估算根系吸水，得出植物主要吸收0-120 cm土層的水分，即僅考慮δ18O或δ2H對研究根系吸水模式沒有明顯影響；相對于MixSIR模型，SIAR和MixSIAR模型能較好的對木本植物的水分來源做出區分[56]，為干旱區選擇適宜的穩定同位素模型研究植物根系吸水機制提供了重要參考價值。

2.3 應用研究

綠洲生態系統蒸發強烈、降水量少，水分是主要限制性因素，作物生長需水主要依靠農田灌溉。利用穩定同位素技術對不同灌溉方式下的作物水分利用效率進行研究，結果表明: 基于MixSIR貝葉斯模型，結合玉米莖部水、土壤水、灌溉水中的δ18O值，指出黑河中游綠洲農田玉米優先獲取 0—10 cm 土層的水分，但在漫灌方式下，0—10 cm 土層僅儲存(24.7 ± 5.5)%的灌溉水，絕大部分灌溉水都入滲至 10 cm以下土層[57]，即灌溉深度與作物水分吸收深度不匹配，漫灌方式下作物的灌水利用率低。而相較于漫灌，膜下滴灌和控制性交替隔溝灌溉能有效減少水分深層滲漏進而提高作物灌水利用效率?；贗soSource模型分析得出膜下滴灌后棉花的根系吸水層做出調整，顯著增加了對0—30 cm土層的水分利用率[58]。在控制性交替隔溝灌溉下，通過IsoSource模型量化了不同生育期玉米對溝、壟不同位置的根系吸水率，揭示了交替隔溝灌溉的節水機理[59]，為制定合理的節水灌溉制度和作物根系用水策略提供了重要的理論依據。

在荒漠生態系統，穩定同位素在確定荒漠植物水分來源及水分利用策略方面廣泛應用?；哪参锏乃謥碓词苌?、物種、植株年齡、地下水位和降水等因素的影響。在敦煌盆地，以利用淺層土壤水(0—20 cm)為主的鹽爪爪和吸收深層水源的駱駝刺、檉柳等植物共存；而戈壁和外圍沙地的荒漠植物對深層土壤水(＞200 cm)和地下水的依賴性更強[60]。在柴達木盆地，基于 IsoSource模型分析白刺莖部水、地下水和不同深度土壤水的氫氧同位素值，得出白刺主要利用 50—100 cm的深層土壤水分及地下水[61]。在河西走廊荒漠綠洲邊緣，梭梭的吸水層隨植株年齡的增加趨于深層土壤水和地下水，沙拐棗對深層土壤水和地下水的貢獻率可達 80%以上，礫質生境下的泡泡刺對降水的利用率大于沙質生境下的泡泡刺[62]。在黑河下游，胡楊、檉柳等以利用地下水為主，而苦豆子、苦苣菜等草本植物主要利用地表水[63]。通過分析胡楊木質部水、土壤水、地下水的δ18O值，指出不同生境下胡楊的用水策略不同但均依賴利用地下水，且胡楊的主要吸水源隨地下水埋深的增加而趨于深層土壤水和地下水[64]。不同林齡胡楊的水分來源不同，幼齡木的吸水層較淺，而成熟木和過熟木以利用地下水為主[65-66]。目前對荒漠植物水分來源及水分利用策略的研究局限在植物個體尺度，未來應加強在群落尺度方面的研究。此外，穩定同位素模型的適用性是否會隨生境、物種等條件的變化存在差異仍需進一步驗證。總體來看，荒漠生態系統淺層土壤含水量低，植物主要依賴深層土壤水和地下水，且主要吸水深度隨植株年齡的增加而增加，同一生境下不同植物的主要水分來源在空間上存在差異進而可以共存。分析荒漠植物的水分利用來源，可更好揭示荒漠植被在干旱脅迫環境下的水分利用策略且有助于營造與區域水分條件相適應的植被環境，對干旱區物種選擇和荒漠植被群落建設具有指導意義。

3 穩定同位素研究土壤水-地下水相互作用

地下水補給是外界水源對地下水系統的補充過程[67]，補給類型包括: (1)直接補給是在超過蒸散發和補充土壤水分虧缺下，水分通過包氣帶入滲補給地下水；(2)非直接補給是通過地表水的河床滲漏補給地下水；(3)局部補給指水平、近地表水分聚集補給地下水，該補給類型沒有明確的水流補給通道[68]。在干旱區，不同因素主要影響地下水補給過程、速率和機制等方面[69-72]。穩定同位素技術是研究干旱區地下水補給的重要方法，且δ18O在研究降水入滲深度和補給機制上更為靈敏[73]，這也印證了穩定同位素在干旱區土壤水-地下水相互作用研究中的適用性。

3.1 示蹤地下水補給來源

利用同位素示蹤原理，通過對比地下水與潛在水源的同位素組成可示蹤干旱區地下水補給來源。庫姆塔格沙漠的地下水與周邊疏勒河、黨河流域地表水的同位素組成差異較大，故其主要補給源為流域之外的徑流補給[74]。在鄂爾多斯盆地，通過分析其地下水和當地降水的氫氧同位素組成，發現該地區地下水的主要補給來源并不是當地降水，而是氫氧同位素值較低的其他地區的降水[75]。根據氫氧等同位素示蹤干旱區綠洲生態系統的地下水補給來源，由于降水少，故降水對地下水的補給極為有限，灌溉水和河水滲漏補給是干旱區綠洲地下水的主要補給來源[76-77]。巴丹吉林沙漠因高大沙山和湖泊分布備受關注，關于其沙漠地下水和湖泊水來源，目前尚未有統一的觀點，主要有以下 4種認識: 利用同位素示蹤分析巴丹吉林地下水的主要補給源為青藏高原河流和湖泊的滲漏水等外源水[78-79]；在考慮蒸發對水同位素特征影響的情況下，巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水主要源于當地的現代大氣降水[80]；巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水受雅布賴山地下水等補給[81]；根據巴丹吉林沙漠地下水同位素特征并結合古水文環境等條件推斷巴丹吉林沙漠地下水受晚更新世至全新世早期周邊山區的降水徑流及祁連山河流的古水補給[82]。在澳大利亞中部沙漠，通過對比分析地下水與雨水、洪水兩種潛在補給水源的氫氧同位素組成，表明地下水主要受降水補給，而非來自泛洪區的洪水滲透補給[83]。干旱區地下水受降水補給有限且外源水對地下水的補給作用更明顯，對干旱區地下水補給源的研究有助于揭示地下水的水化學特征和環境演變規律。

3.2 確定地下水補給形式

利用穩定同位素技術，通過分析土壤水穩定同位素值的剖面變化可推斷干旱區地下水補給形式及時空上的動態變化過程。降水入滲補給主要以活塞流和優先流兩種形式，水分通常以自上而下的活塞形式穩定推進入滲補給地下水，此外憑借垂直裂縫、大孔隙等通道，降水能以優先流的形式較迅速的補給深層土壤水和地下水[84-85]。相較于活塞流，優先流補給形式的發生能顯著增加土壤水分入滲能力和入滲量，形成深層滲漏補充地下水[86]。通過對比土壤剖面氫氧同位素組成的動態變化值，降水以活塞流和優先流的形式入滲補給地下水，同時優先流形式的補給作用有時占據主導地位，且優先流的補給形式在空間上并不普遍，與土地利用方式和降水強度有關[87-88]。受水分來源的影響，地下水補給主要集中在雨季，具有季節性的動態變化特征[89]。此外，地下水補給作用還具有空間變化特征，在新疆艾比湖盆地，降水、地表水和地下水的相互補給作用隨著流域位置的不同而變化[90]。

3.3 估算土壤水對地下水的補給量

利用穩定同位素技術可以量化土壤水對地下水的入滲補給量。自20世紀60年代，Zimmermann等將δ2H 引入到土壤水分運移的研究中[14]，且隨著土壤水提取和分析技術的進步，穩定同位素在定量研究地下水補給方面得以普適性應用。其量化原理為:根據土壤垂直剖面的δ18O、δ2H峰值隨時間的推移，并結合土壤含水量推求該時間段內土壤水對地下水的入滲補給量。應用同位素峰值位移法的前提假設為: (1)包氣帶土壤水補給來源的同位素組成不同；(2)地下水的水平流動滯緩，保持土壤垂直剖面同位素峰值的穩定；(3)采樣深度選為植物根部以下從而避免入滲水源的δ18O、δ2H受蒸發分餾效應的影響[91]。基于同位素峰值位移法估算了非洲加納、納米比亞的地下水入滲補給量，并結合模型模擬的方法進一步驗證了同位素峰值位移法的可靠性[92-93]。雖然同位素峰值位移法的研究思路已經在量化干旱區地下水補給問題上取得了一系列成果，但氫氧穩定同位素的示蹤能力會隨著水分入滲深度的加深而被削弱，故在包氣帶深厚且地下水埋深較深的區域，穩定同位素技術在定量分析包氣帶水分入滲和歷史補給速率上仍存在挑戰。干旱區蒸發強烈，同位素受蒸發分餾的影響致使量化結果存在不確定性[94]；且優先流補給形式的發生也會對量化結果造成影響，應考慮地下水入滲補給形式并結合模型模擬等方法加強對土壤水入滲補給地下水的量化研究。地下水補給決定著地下水的數量和質量，量化地下水補給對干旱區地下水資源的可持續利用至關重要[95-96]。

4 結論與展望

本文歸納了穩定同位素在干旱區生態系統植物/土壤-大氣界面、植物根系-土壤界面、土壤-地下水界面水分轉換與水力聯系方面的理論基礎與應用研究。分析穩定同位素蒸散發組分的量化原理，總結了其在干旱區生態系統中的應用；揭示植物根系-土壤界面水力聯系與根系吸水過程，估算了根系吸水深度，評價了穩定同位素根系吸水模型及在荒漠綠洲生態系統中的應用；針對干旱區土壤水-地下水相互作用，示蹤了干旱區地下水的補給來源，確定了干旱區地下水的補給形式及補給量。鑒于目前研究現狀，穩定同位素在干旱區水分傳輸與水力聯系方面的研究應加強如下方面:

1)加強對干旱區非穩態條件的蒸散發同位素量化研究。干旱區蒸散發組分區分的難點是準確量化蒸發與蒸騰的同位素組分，尤其是在非穩態的情形下。由于受干旱區生態環境快速變化和水汽通量小等因素影響，同位素穩態假設通常僅在中午短時間(小時)尺度上滿足，導致難以捕捉蒸騰水汽同位素組成的動態變化特征，因此對非穩態時段蒸散發量化研究是未來干旱區生態系統的重要方向。

2) 優化不同生境植物根系吸水的同位素模型。植物根系吸水模型隨生境、物種等因素的變化存在差異，穩定同位素混合模型在準確量化植物對不同潛在水源的利用比例上存在不確定性。未來研究中需通過模型對比確定不同生境最優同位素模型，揭示作物耗水規律和水分利用策略，優化綠洲農田灌溉制度。

3)基于區域地下水-土壤-植被長時間序列同位素觀測，闡明干旱區不同景觀界面間的水力聯系機制。不同景觀界面間的水力聯系是干旱區生態系統水分傳輸的關鍵科學問題。受蒸發強烈、地下水天然補給少等因素的限制，穩定同位素技術在不同景觀界面間的水文連通性研究仍存在不足，今后應重視基于區域地下水-土壤-植被長時間序列同位素野外觀測試驗，揭示干旱區不同景觀界面間的水力連通機制。