黔西北石漠化桑园土壤水稳定同位素的时空变化特征

邢 丹，肖玖军，王晓红，张 芳，韩世玉*，罗朝斌，梁彦平

(1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省蚕业研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；4.贵州师范大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025)

黔西北石漠化桑园土壤水稳定同位素的时空变化特征

邢 丹1，2，肖玖军3，王晓红2，张 芳2，韩世玉2*，罗朝斌2，梁彦平4

(1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省蚕业研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；4.贵州师范大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025)

为揭示石漠化桑园土壤水分动力学机制及进一步研究桑树水分利用策略提供依据，采用稳定同位素技术研究黔西北石漠化桑园(贵州省毕节市七星关区清水铺镇大地村)0～50 cm剖面土壤水氢氧稳定同位素的时空变化特征。结果表明：黔西北石漠化桑园土壤水中氢氧同位素具有良好的线性关系：δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98。土壤水中氢氧稳定同位素组成具有明显的季节变化特征，表现为春季(δD和δ18O平均值分别为-33.9 ‰±18.5 ‰和-5.8 ‰±2.0 ‰)>夏季(分别为-41.4 ‰±8.8 ‰和-6.4 ‰±1.2 ‰)>秋季(分别为-87.0 ‰±6.8 ‰和-11.9 ‰±1.2 ‰)。在空间上样地间的土壤水δD和δ18O差异均不显著；土壤水氢氧同位素随土壤深度呈梯度分布，其中4月份土壤水δD和δ18O随剖面深度增加而递减，7月份递增，10月份呈降-升-降变化趋势。

石漠化桑园；土壤水；稳定同位素

我国西南喀斯特地区虽然地处亚热带季风性湿润气候区，但由于喀斯特充分发育，土层浅薄，土被不连续，地表保水能力差，加之降水时空分布不均，土壤水分亏缺仍然是该区植物生长发育的主要障碍因子[1]。为提高土壤水分利用效率，必须采取合理的水资源管理措施，因此需要充分了解土壤水分的动态变化规律。氢氧同位素(D和18O)是研究水体运移的理想示踪剂，土壤水中D和18O的时空变化不仅对分析土壤的补给水从地表向地下入渗的过程有示踪作用，而且对分析受蒸发作用土壤水或地下水向上运移的过程也具有良好的指示作用。ZIMMERMANN U等[2]较早应用氢氧同位素技术研究土壤水分运动机制及同位素剖面分布情况。随后大量土壤水同位素研究相继展开，并指出稳定同位素技术可为分析土壤水分运移提供更有效的信息[3-6]，因而在探索石漠化桑园土壤水分运动与循环方面具有较大优势。

土壤水中稳定同位素值受降水入渗、土壤蒸发、土壤水分运动、植被类型等多种因素影响，处于不断变化中[7]。田立德等[5]研究表明，表层土壤水中δ18O受降水的影响最为明显。程立平等[7]研究发现，土地利用、降水入渗和蒸发等条件明显影响土壤水同位素剖面分布。一般而言，降雨入渗补给是影响土壤水同位素组成的重要因素[8]，而影响降雨入渗的因素有降雨量、植被覆盖、土壤性质等[9-12]。植物的蒸腾作用、植被类型差异等对土壤水分稳定同位素组成产生影响[13-14]。西南喀斯特山区土壤水分具有明显的时空变异性和派生性，这些特性与该地区复杂多变的地形地貌、植被类型和多样的小生境等密切相关[15-16]。借助于稳定同位素示踪技术，一些学者研究分析了贵州中部、南部等自然生长的植被条件下土壤水分同位素组成、变化及土壤水运移规律[17-19]。

桑树(MorusalbaL.)是我国最常见的乡土树种，自古就有“东方自然神木”之称。桑树不仅在治病疗疾中用途广泛，还是优良的抗逆树，即抗旱、耐瘠、耐碱能力极强[20-21]。同时，桑树在绿化荒山、治理水土流失等生态治理方面作用显著[22-23]。已有零星报道桑树作为抗旱、耐瘠、喜钙的速生经济树种应用于石漠化地区脆弱生态系统的恢复[24]。但是，桑树受人类活动干扰强度大，目前缺乏对石漠化地区桑树生长条件下土壤水分运动过程的科学认识。为此，笔者以贵州省毕节市七星关区石漠化桑园为试验点，采集不同季节不同剖面土壤样品进行稳定同位素分析，研究土壤水稳定同位素组成及时空变化特征，以期发现土壤水运动规律，为揭示石漠化桑园土壤水分动力学机制及进一步研究该区桑树水分利用策略提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 桑树 种植桑树品种为农桑12号，属于鲁桑系列，由浙江省农业科学院蚕桑研究所选育。于2006年引进桑苗移栽，当地农民为了养蚕分别于立春前后和7月初左右对桑树进行春伐和夏伐，直至2013年开始停止对桑树伐枝，桑树处于自然生长状态。该桑树品种树形直立，树冠紧凑，发条数多，枝条粗长而直，无侧枝；叶长23.3 cm，叶幅22.7 cm，秋季每米条长产叶量比春季多[25]。

1.1.2 试验地概况 试验在贵州省毕节市七星关区清水铺镇大地村的石漠化桑园进行，土壤为石灰性土。试验区域属亚热带季风气候区，夏无酷暑，冬无严寒，气候温和，年均气温14.4 ℃，雨量充沛，年均降雨量900 mm。2015年全年降雨量1126 mm，其中春季3-5月的降雨量为397 mm(4月为89.4 mm)、夏季6-8月降雨量为408.2 mm(7月为117.4 mm)、秋季9-11月降雨量为244.1 mm(10月为3.5 mm)。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤采集 在桑园选择3个样地土壤为研究对象(表1)，分别于2015年的4月16日、7月20日和10月16日采用土钻法钻取不同深度土壤样品，取样深度0～50 cm，间隔10 cm采集一个混合样品。为避免蒸发引起的同位素分馏，现场采集样品后迅速装入8 mL同位素玻璃瓶并密封，放入低温采样箱带回实验室冷冻保存。土壤水分提取与氢氧同位素测定均在清华大学地球系统科学研究中心稳定同位素实验室完成。

1.2.2 土壤水分提取 采用真空蒸馏技术[26]提取土壤水分，与共沸蒸馏方法相比，该方法虽耗时，但所提取出水分更能真实地反映样品中氢氧同位素组成[27]。在抽提过程中需确保整个装置为真空状态且不漏气，并且以样品不再产生水汽表明已充分抽提出水分。

1.2.3 土壤水δD 和δ18O测定 对所抽提的土壤水用MAT 253 同位素比率质谱仪-Flash 2000 HT 元素分析仪(美国Thermo Fisher Scientific 公司生产)测定δD 和δ18O含量，测定精度分别小于1 ‰和小于0.02 ‰。测定结果以SMOW(标准平均海洋水)为标准的千分差表示。

表1 桑树生长的样地环境特征

δ=(Rsam/Rref-1)×1000 ‰

式中，δ为样品中稳定性氢或氧同位素组成，Rsam和Rref分别表示样品和标准物中稳定性氢或氧同位素的比率，即重同位素与轻同位素丰度之比。

1.3 数据处理

采用软件Microsoft Excel 2010和Spss 18对试验数据进行统计分析，利用SigmaPlot 10.0和Microsoft Excel 2010制图。

2 结果与分析

2.1 石漠化桑园土壤水稳定同位素总体特征

研究区土壤水δD为-101.4 ‰～-14.3 ‰，变幅达87.1 ‰，平均为-52.8 ‰±26.5 ‰，说明0～50 cm土层土壤水δD值不稳定。δ18O为―15.0 ‰～-3.4 ‰，变幅为11.6 ‰，平均为-7.9 ‰±3.1 ‰，变异范围较小，说明0～50 cm土层土壤水δ18O较稳定。土壤水中氢氧稳定同位素δD和δ18O的线性关系较好(图1)，δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98，达到极显著水平(P<0.01)，表明石漠化桑园土壤水氢氧同位素具有极好的相关性。但其斜率、截距均大于全球大气降水线(δD=8δ18O+10)[28]和我国西南地区大气降水线(δD=7.96δ18O+9.52)[29]，表明土壤水的蒸发分馏较降水的分馏效应弱。研究区土壤水同位素在大气降水线附近，与刘伟等[17]对贵州荔波喀斯特与非喀斯特地区土壤水稳定同位素的研究结果类似，一方面表明研究区在降水补给土壤水分过程中，蒸发作用使土壤水中的氢和氧同位素富集；另一方面表明土壤水中氢和氧同位素除受降水影响外，还受其他水体如地下水或泉水等影响。

图1 石漠化桑园土壤水、西南地区及全球大气降水线Fig.1 Soil water of stony desertification mulberry field and atmospheric precipitation line of Southwestern Guizhou and the world

2.2 土壤水稳定同位素的季节变化特征

从图2看出，4月份土壤水δD=9.00δ18O+18.68，R2=0.94，δD、δ18O变化范围分别为-70.2 ‰～-14.3 ‰和-9.4 ‰～-3.4 ‰，平均为-33.9 ‰±18.5 ‰和-5.8 ‰±2.0 ‰；7月份土壤水δD=6.86δ18O+2.87，R2=0.90，δD、δ18O变化范围分别为-55.0 ‰～-26.3 ‰和-8.3 ‰～-4.5 ‰，平均为-41.4 ‰±8.8 ‰和-6.4 ‰±1.2 ‰；10月份土壤水δD=5.45δ18O-21.90，R2=0.94，δD、δ18O变化范围分别为-101.4 ‰～-80.4 ‰和-15.0 ‰～-10.8 ‰，平均为-87.0 ‰±6.8 ‰和-11.9 ‰±1.2 ‰。对比不同时间δD和δ18O关系发现，斜率和截距依次降低，4月份土壤水的同位素值最大、7月份次之、10月份最小，土壤水的氢氧同位素富集程度减弱。原因可能是4月份桑树属于初长期，土壤表层裸露，土壤蒸发强烈，到10月份时虽然降雨少但枯落物较多将地表基本覆盖，土壤蒸发弱造成。经方差分析，不同月份土壤水中δD和δ18O表现出明显的季节效应，即春季偏重、夏季次之、秋季最轻。

2.3 土壤水稳定同位素的空间变化特征

喀斯特石漠化地区具有丰富多样的小生境，其小气候特征、土壤性质等存在较大差异，导致各小生境土壤水分δD和δ18O存在显著差异[19]。从表2可知，不同生境样地的δD平均值分别为-49.6 ‰±27.6 ‰、-50.0 ‰±26.4 ‰和-58.3 ‰±26.5 ‰，变幅分别为73.1 ‰、80.8 ‰和85.3 ‰；δ18O平均值分别为-7.6 ‰±3.2 ‰、-7.8 ‰±2.9 ‰和-8.3 ‰±3.4 ‰，变幅分别为8.7 ‰、9.5 ‰和11.3 ‰。经方差分析，各样地间土壤水δD和δ18O差异均不显著(P>0.05)，这与小生境上的植株有关[34]，因为各样地的桑树品种、种植时间、大小相同，因而桑树对其土壤水分蒸发影响程度类似，从而样地间土壤水分δD和δ18O值差异不显著；但与所研究的自然环境下生长的植株不同[19，35]，

图2 石漠化桑园不同季节土壤水稳定同位素的季节变化Fig.2 Seasonal variation of soil water of stony desertification mulberry field in different seasons

表2 石漠化桑园土壤水稳定同位素值的统计特征

表3 石漠化桑园土壤不同剖面土壤水δD和δ18O的组成

由于同一月份样地间土壤水同位素组成差异不显著，采用同一层面土壤水中δD和δ18O的算术平均值作为当月不同深度的δD和δ18O。从表3和图3可知，土壤水δD和δ18O的变化趋势一致，即4月份随剖面深度增加呈持续递减趋势，其中土壤水δD值由0～10 cm的-18.3 ‰减少至40～50 cm的-44.5 ‰，δ18O值由-3.8 ‰减少至-7.2 ‰。7月份呈递增趋势，δD值增加17.2 ‰，δ18O值增加1.8 ‰，说明降水入渗推动了土壤水的向下移动。10月份呈降-升-降趋势，整体呈降低趋势，δD值从0～10 cm到10～20 cm减少5.3 ‰，10～20 cm到20～30 cm上升4.8 ‰，20～30cm到40～50cm减少17.0 ‰；同样地，δ18O值从0～10 cm到10～20 cm降低0.9 ‰，10～20 cm到20～30 cm上升0.8 ‰，20～30 cm到40～50 cm减少3.6 ‰。10月份土壤水δD和δ18O的剖面变化规律表明，0～20 cm土壤水受降雨影响较大，随土层深度增加，30 cm以下受降雨影响减弱，氢和氧同位素主要受土壤水初始同位素影响，与靳宇蓉等[38]采用室内试验模拟黄土高原黄绵土中土壤水氢氧同位素变化特征的结果相似。

图3 石漠化桑园土壤水的δD和δ18O垂直变化特征Fig.3 Vertical variation characteristics of δD and δ18O in soil water of stony desertification mulberry field

3 讨 论

土壤水是土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)系统中连接大气水和植物水的纽带，土壤水在垂直运动过程中水分发生蒸发分馏，氢氧稳定同位素组成发生改变，因而研究土壤水δD和δ18O的剖面动态变化规律，对理解SPAC系统的水分运移规律、降水入渗补给、土壤水蒸发和植物根系吸水等方面有重要作用。土壤水δD、δ18O随土壤剖面的垂直变化一方面体现出降水入渗补给和土面蒸发对土壤水分的影响，另一方面为探索植物根系吸水奠定基础[36-37]。对黔西北石漠化桑园土壤水分进行氢氧稳定同位素分析，采样期内土壤水中氢氧同位素具有良好的线性关系，δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98，土壤水中δD和δ18O的数学平均值为-52.8 ‰和-7.9 ‰。在空间上，3个样地间的土壤水δD和δ18O差异均不显著；土壤水氢氧同位素随土壤深度呈梯度分布，同时具有明显的季节变化特征，表现为春季>夏季>秋季。这种季节变化主要由于当地大气降水、大气温度及桑树生长的季节变化引起。一般而言，土壤水氢氧存在季节变化并呈下降趋势[9]，但具体由什么影响因素，不同学者结论的不同。有研究表明，δ18O和降水量存在明显的负相关关系[30-31]，土壤水中氧同位素值亦与降雨有关[32]，δ18O除受降水量影响外还受根区水量交换作用及表面蒸发作用的共同影响[28]。因而，后续还需深入研究不同影响因素对桑园土壤水δD和δ18O变化的影响。

4 结 论

黔西北石漠化桑园土壤水中氢氧同位素具有良好的线性关系：δD=8.39δ18O+13.76，R2=0.98。土壤水中氢氧稳定同位素组成具有明显的季节变化特征，表现为春季(δD和δ18O平均值分别为-33.9 ‰±18.5 ‰和-5.8 ‰±2.0 ‰)>夏季(分别为-41.4 ‰±8.8 ‰和-6.4 ‰±1.2 ‰)>秋季(分别为-87.0 ‰±6.8 ‰和-11.9 ‰±1.2 ‰)。在空间上样地间的土壤水δD和δ18O差异均不显著；土壤水氢氧同位素随土壤深度呈梯度分布，其中4月份土壤水δD和δ18O随剖面深度增加而递减，7月份递增，10月份呈降-升-降的变化趋势。

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(责任编辑 冯 卫)

SpatialandTemporalVariationCharacteristicsofStableIsotopesinSoilWaterofStonyDesertificationMulberryFieldinNorthwesternGuizhou

XING Dan1,2, XIAO Jiu-jun3, WANG Xiao-hong2, ZHANG Fang2, HAN Shi-yu2*, LUO Chao-bin2, LIANG Yan-ping4

(1.College of Forestry, Guizhou University, Guizhou Guiyang 550025,China; 2.Guizhou Sericultural Institute, Guizhou Guiyang 550006,China; 3.Guizhou Institute of Mountainous Resources, Guizhou Guiyang 550001,China; 4.College of Life Sciences, Guizhou Normal University, Guizhou Guiyang 550025, China)

The spatial and temporal variation characteristics of hydrogen and oxygen stable isotope in soil water of mulberry field at 0-50 cm soil depth in stony desertification area was analyzed to reveal the soil water dynamics mechanism of mulberry fields in stony desertification area and provide the basis for formulating water utilization strategy of mulberry field. Results: There is a good linear relation between hydrogen and oxygen isotope in soil water of mulberry field (δD=8.39, δ18O=13.76 andR2=0.98). The hydrogen and oxygen stable isotope composition is of obvious seasonal variation characteristics. The average δD and δ18O value in soil water of mulberry field is -33.9 ‰±18.5 ‰ and -5.8 ‰±2.0 ‰ in Spring > -41.4 ‰±8.8 ‰ and -6.4 ‰±1.2 ‰ in Summer > -87.0 ‰±6.8 ‰ and -11.9 ‰±1.2 ‰ in Autumn. There is no obvious difference in δD and δ18O content in soil water among different sample plots. The hydrogen and oxygen stable isotope in soil water presents a gradient distribution with increase of soil depth. The δD and δ18O value in soil water decreases with increase of soil depth in April, increases with increase of soil depth in July and presents a declining-rising-declining trend in October.

Stony desertification mulberry field; Soil water; Stable isotope

1001-4829(2017)3-0639-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.028

S124;S152

A

2016-11-24

国家自然科学基金项目“石漠化地区桑树丛枝菌根真菌对宿主根系吸水的促进作用”(31460225)；贵州省科技计划项目“辣椒、蚕桑种质资源开发利用研究创新能力建设”[黔科合院所创新(2012)4003]；农业部专项资金项目“现代农业产业技术体系建设”(CARS-22-SYZ26)

邢 丹(1983-)，女，副研究员，博士，从事土壤与植物生态学研究，E-mail:2004xingdan@163.com，*为通讯作者：韩世玉(1965-)，男，高级农艺师，从事辣椒与桑树的育种及栽培研究，E-mail：gzhansy@sohu.com。