元阳梯田水源区印度木荷水分来源分析

闵惠琳，宋维峰*，马建刚，王卓娟，吴锦奎

(1.西南林业大学 环境科学与工程学院，云南 昆明 650224；2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730000；3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000)

【研究意义】水分在植物的生长中起到重要的作用，在一定程度上，当环境水分状况发生变化时，植物对水分的吸收和利用模式将对生态系统的响应结果起决定性作用[1]，同时，当气候变化时，不同的水分利用来源不仅对不同的生活型植物影响生态水分平衡的程度，而且植被对水分利用的响应程度也起决定性作用。植物的潜在水源主要有降水、土壤水、河水及地下水等，降水又是土壤水、地下水等的源头。在降水过程中稳定同位素会产生季节性的差异，并且在水分运移和相态转化过程中会发生同位素的分馏，使得不同的潜在水源的稳定氢氧同位素特征存在差异[2]。有研究发现，在根系吸收水分到叶片蒸腾的过程中，叶片中的水分会产生同位素的富集[3]。除一小部分盐生植物之外，大多数植物在根系吸收水分的过程中氢氧同位素都不会发生分馏[4]。使用传统物理方法很难准确的确定植物水分来源[5]，而通过氢氧同位素可以判断植物的水分来源，因此稳定同位素技术被越来越多的研究者使用，通过对比植物体内水的δD、δ18O值和各个潜在水源的δD、δ18O值，就可以确定植物对这些水源的利用比例[6]。【前人研究进展】目前稳定同位素在植物水分来源方面的应用主要集中在干旱区，如邢星等[7]对诺木洪地区5种荒漠植物水分及不同水源的稳定同位素进行对比分析；周海等[8]应用氢氧同位素技术研究了准噶尔盆地白刺、红砂、多枝怪柳的水分来源；余绍文等[9]用δ18O同位素确定黑河中游戈壁地区荒漠植物的水分来源。但是对于元阳梯田特殊的亚热带山地气候湿润区的植物水分来源的研究很少。【本研究切入点】印度木荷是一种喜光、喜温暖湿润的植被，是元阳梯田水源区的优势树种之一，适应于热带和亚热带气候，对土壤适应性较强，其发达的根系对涵养水源和拦截泥沙起到关键性作用。文章以印度木荷为研究对象，运用氢氧稳定同位素技术对元阳梯田水源区印度木荷植物水与各潜在水源的稳定δD、δ18O进行对比分析。【拟解决的关键问题】对各个潜在水源的贡献率进行定量研究，为元阳梯田水源区水分利用及可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

元阳县地处云南省红河州的西南部，地理位置为东经102°27′～103°13′，北纬22°49′～23°19′，总面积2215.46 km2。元阳县地处元阳梯田的核心区，境内梯田面积为1.32×104hm2，海拔在700～1800 m。研究区位于全福庄小流域梯田核心区上方的水源林区，水源林面积77 hm2，海拔在1584～2030 m，属中低山丘陵地貌，气候属亚热带山地季风气候，相对湿度为85 %，常年浓雾笼罩[10]。多年平均降水量为1397.6 mm，降水主要集中在5-10月，占全年降雨量的78 % 。多年平均气温为20.5 ℃，极端最高气温为37.5 ℃，极端最低气温为0.6 ℃，年平均日照时数为1820.8 h，年蒸发量为1184.1 mm[11]。土壤以黄壤、黄棕壤为主，土壤剖面完整，土层厚度约100 cm左右[12]，植被种类丰富，森林茂密。

1.2 样地概况

试验样地设在全福庄小流域上方的水源林区设3个10 m×10 m的印度木荷样地，样地概况如表1所示。

1.3 样品采集与分析

于5-11月上午11:00 时在全福庄小流域上游水源林区固定的样地内采集植物、土壤、降水及地下水样品，以减少光照强度等对同位素分析的影响。选择生长状况良好的标准木为固定取样对象，采集直径约3 cm左右已栓化的、成熟的印度木荷枝条，迅速去除枝条外皮后放入50 mL的塑料离心管中，在距离植株 1 m 之外的位置，将0～100 cm的土壤以10 cm为单位分层取样并装入50 mL的塑料离心管中，在研究区内有常流水的泉水出露点进行地下水样品的采集，同时在每次降雨停止后收集天然降水，装入50 mL的塑料离心管中，所有样品均用Parafilm膜密封，防止水分蒸发，冷冻贮存。植物和土壤中的水分采用真空抽提装置来抽取[13]，使用液态同位素激光分析仪 DLT100(LGR公司，美国) 进行水样氢氧同位素值的测定。同位素的分析结果用分析水样与V-SMOW的千分差来表示，δD的精度为±1 ‰，δ18O的精度为±0.2 ‰。

表1 印度木荷样地概况

1.4 数据处理

由于印度木荷的潜在水源超过3个，则用IsoSource来计算各潜在水源对印度木荷的贡献率[14]，公式如下：

δD=x1δD1+x2δD2+x3δD3

(1)

δ18O=x1δ18O1+x2δ18O2+x3δ18O3

(2)

x1+x2+x3=100 %

(3)

其中,δD1、δD2、δD3为不同水源中的相应的氢稳定同位素值( ‰)；δ18O1、δ18O2、δ18O3为不同水源中的相应的氧稳定同位素值( ‰)；x1、x2、x3为不同水源对植物的相对贡献量(%)。

用SPSS17.0进行δD和δ18O的相关性分析和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 研究区降雨特征

降雨量的月际分布直接影响径流的年内分配和植物的生长发育，从图1可以看出，试验区年降雨量为1343 mm，研究期5-11月的降雨总量为1262 mm，占年降雨量的93.97 %，降雨主要集中在6-9月，占降雨总量的81.93 %。月降雨量呈现单峰型分布，峰值出现在7月，为306 mm，占总降雨量的24.25 %，最小值出现在5和10月，均为75 mm。

图1 试验区降雨量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of rainfall in the experimental area

2.2 土壤含水量特征

由图2可知，5月印度木荷土壤含水量随土壤深度的增加而增加，变化为7.7 %～26.5 %，整体上较小；7月由于降水强度较大，使得土壤含水量有明显的增加，变化为2.8 %～35.6 %；8月表层土壤水分相对比较富集，土壤含水量较之前有所增加，变化为3.5 %～37.8 %；11月土壤含水量整体上随土壤深度的增加而增加，变化为3.2 %～36.1 %。由于元阳地区降雨量大，土壤持水能力强，下渗快且流失慢，土壤含水量随土壤深度的增加有增加的趋势，并且在60 cm以下此趋势更加明显。

2.3 氢氧同位素的统计描述

统计分析印度木荷土壤水、地下水、茎干水和降水的氢氧同位素如表2，印度木荷林下土壤水的δD值在-172.73 ‰ ～-37.37 ‰，δ18O在-23.27 ‰ ～-5.43 ‰；地下水的δD值在-71.35 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-10.67 ‰～-7.09 ‰之；降水的δD值在-68.68 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-9.74 ‰ ～-7.09 ‰；印度木荷茎干水的δD值在-89.55 ‰～-50.15 ‰，δ18O值在-12.78 ‰～-5.29 ‰。对印度木荷土壤水、地下水、降水及茎干水的δD和δ18O分别进行SPSS相关性分析，得到的相关性系数分别为0.949**、0.942**、0.961**和0.987**，表示4种类型样品的δD和δ18O均极显著相关。由于δD和δ18O的相关性较强，分析印度木荷水分来源时只采用δD值进行分析。

2.4 印度木荷土壤水与降水、地下水δD间的关系

从图3可见，印度木荷土壤水与降水、地下水间的关系，降水的δD值在-97 ‰～-47 ‰变化，平均值为-70 ‰；地下水的δD值在-70.8 ‰～-53.5 ‰，平均值为-65.6 ‰，标准差为4.43。张应华等[15]研究发现地下水的δD同位素组成处于一个稳定的范围，不随季节变化的结论相似。从土层看，0～20 cm土层的土壤水氢同位素波动较大，随着土层的增加，土壤水氢同位素的波动逐渐减小，60 cm以下各层土壤水的氢同位素波动趋于一致。从时间看，各层土壤水氢同位素值都有较大波动。大部分降水的氢同位素值与土壤水大致处在同一范围，有交点或靠近，说明各土层的土壤水在不同程度上得到了降雨的补给。同时可以看出部分降水的氢同位素与地下水较为接近，说明降水对地下水也存在一定程度的补给。同时可以看出在5、11月，10～20 cm土层的土壤水氢同位素值与地下水的氢同位素值较为接近，说明在降水较少的情况下，地下水对土壤水有一定程度的补给。

图2 土壤含水量Fig.2 Soil moisture content

表2 氢氧同位素的统计描述分析

注：**在0.01 水平上显著相关。

Note：** meant significant difference at the 0.01 level.

2.5 印度木荷茎干水与各潜在水源δD的关系

通过对比植物茎干水以及不同深度土壤水的δD值和各水源的δD值，就可以确定植物对不同潜在水源的利用情况[16]。印度木荷与潜在水源氢氧同位素关系图4，5月土壤水的δD值变化为-107 ‰～-37 ‰，土壤水δD逐渐减小，发现印度木荷茎干水的δD值与土壤水δD值变化曲线在20～40 cm土层之间有一个交点，可知印度木荷利用的是20～40 cm的土壤水。同时40～60 cm土层附近的δD值与印度木荷茎干水δD值接近，印度木荷也会部分利用这一层的土壤水分。

7月受到前期连续降雨188 mm的影响，土壤含水量有明显的增加，土壤水的δD值变化范围为-91 ‰～-68 ‰。表层土壤水的氢同位素被稀释，δD值降低，随着土层加深，土壤水δD呈现递增趋势。由于80 cm附近土壤水δD值与印度木荷茎干水的δD值较为接近，印度木荷可能利用的是80 cm附近的、较深层的水分，而不是近期降水，同样地下水的δD值与印度木荷茎干水的δD值较为接近，印度木荷也会利用地下水。

图3 印度木荷土壤水与降水、地下水氢同位素间的关系Fig.3 The isotopic relationship among soil water, rain water and ground water

8月表层土壤水分相对比较富集，土壤水的δD值变化范围在-140 ‰～-77 ‰。对比发现印度木荷茎干水的δD值与土壤水δD值变化曲线在60～80cm土层有一个交点，可知印度木荷利用的是60～80 cm的土壤水。同时印度木荷茎干水的δD值与80cm处土壤水的δD值接近，80 cm处的土壤水分含量较高，为印度木荷的吸收利用提供了条件。

11月土壤水的δD值变化为-124 ‰～-70 ‰，20 cm附近土壤水的δD值相对较高，60～100 cm的土壤水的δD值随土壤深度的增加而降低。印度木荷茎干水与20 cm附近土壤水的δD值及地下水的δD值较接近，以此推断印度木荷在利用了20 cm附近的土壤水的同时也会利用地下水。

综上分析，印度木荷在利用20～40 cm和60～80 cm土壤水的同时，也利用地下水问题，还需要进一步证明。

2.6 不同水源对植物的贡献率

利用IsoSource模型得到各水源印度木荷的贡献率，表3显示。5月对印度木荷贡献率最大的是地下水，其平均贡献率为38.6 %，印度木荷主要利用了40～100 cm土壤水，其对印度木荷的贡献率平均值之和为60.4 %，0～40 cm表层土壤水贡献很小，说明深层土壤水和地下水是印度木荷水分的主要来源；7月对印度木荷贡献率最大的仍然是地下水，平均贡献率为51.7 %，40～100 cm土壤水对印度木荷贡献率的平均值之和为48.6 %，贡献率最小的仍是表层土壤水，说明在有较强降水补给土壤水的情况下，印度木荷利用了40～100 cm土壤水，也利用了地下水；8月60～80 cm的土壤水是印度木荷利用的主要水源，平均贡献率为39.2 %，其次为地下水，平均贡献率为32.1 %，当降雨时间长而量大，补给的土壤水分可以浸润印度木荷的粗根时，印度木荷的水分来源趋于多样化。虽然表层土壤含水量较高，但是印度木荷仍然对深层土壤水和地下水有很强的依赖；11月前期降雨较少，地下水对印度木荷的平均贡献率高达82.8 %，土壤水的贡献率很小，少雨季节，印度木荷主要利用的是地下水，对土壤水的利用较少。

图4 不同时间土壤水、地下水及印度木荷茎干水氢同位素Fig.4 The isotopic of soil water, grand water and water ofSchima khasianain the different stage

综上分析， 7-8月降雨充足时，地下水与深层土壤水对印度木荷的贡献占主导地位，总的平均贡献率地下水为41.9 %，40～100 cm土壤水为19.12 %。在雨季有较强降水补给的情况下印度木荷对地下水仍有较强的依赖。5和11月前期降雨较少的情况下，地下水对印度木荷的平均贡献率高达60.7 %，土壤水的贡献较小，说明少雨季节，印度木荷主要利用的是地下水，对土壤水的利用较少。

3 讨 论

研究区土壤含水量在0～100 cm，都有随土壤深度的增加而增加的趋势，此趋势在60 cm深度以下更加明显。与邓文平等[5]研究北京山区林地土壤含水量，得到的土壤含水量从表层到深层逐渐减少的结论不同，与余绍文等[9]研究黑河流域戈壁滩土壤含水量随土层深度的变化特征所得出的结论也不同，是因为云南属于湿润区，降雨量大并且土壤持水能力强，下渗快且流失慢，致使土壤含水量随土壤深度的增加而增加。这与马菁等[17]研究元阳梯田林地土壤含水量随土层深度的变化特征所得出的结论是一致的。印度木荷对土壤水和地下水均有不同比例的利用，5和11月前期降雨较少，地下水对印度木荷的平均贡献率高达60.7 %，土壤水的贡献较小，说明少雨季节，印度木荷主要利用的是地下水，对土壤水的利用较少，这与王卓娟等[18]研究元阳梯田优势乔木旱冬瓜得出的结论一致。李鹏菊等[19]研究在干季植物通过自身发达的根系吸收深层土壤水和地下水，给植物提供稳定而持久的水分供应。7和8月降雨充足时，地下水与深层土壤水对印度木荷的贡献占主导地位，总的平均贡献率地下水为41.9 %，40～100 cm土壤水为19.12 %。说明印度木荷对地下水有较强的依赖性，在雨季有较强降水补给的情况下，在利用深层土壤水的同时，地下水仍是印度木荷的主要水分来源，为印度木荷提供较为稳定的长期水分供应，这与Paula C等[20]研究表明落叶植物几乎只使用比较可靠的深层土壤水或者地下水的结论相似。

表3 印度木荷对各水源的利用率

4 结 论

(1)通过对印度木荷土壤水、地下水、茎干水和降水的氢氧同位素进行统计分析得到，印度木荷林下土壤水的δD值在-172.73 ‰ ～-37.37 ‰，δ18O在-23.27 ‰ ～-5.43 ‰；地下水的δD值在-71.35 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-10.67 ‰～-7.09 ‰；降水的δD值在-68.68 ‰ ～-53.46 ‰，δ18O在-9.74 ‰ ～-7.09 ‰；印度木荷茎干水的δD值在-89.55 ‰～-50.15 ‰，δ18O值在-12.78 ‰～-5.29 ‰。土壤水、地下水、降水及茎干水的δD和δ18O的相关性系数分别为0.949**、0.942**、0.961**和0.987**，表明4种类型样品的δD和δ18O均呈现极显著相关关系。

(2)利用直接相关法对印度木荷的水分来源进行分析得到：5月印度木荷可能利用40～60 cm附近的土壤水；7月80 cm附近的土壤水可能为印度木荷的主要利用水源；8月60～80 cm的土壤水可能为印度木荷的主要水源；11月印度木荷可能利用的是20 cm附近的土壤水和地下水。

(3)利用IsoSource模型得到各水源对印度木荷的贡献率为：5月贡献率最高的是地下水和40～100 cm土壤水，平均贡献率分别为38.6 %和60.4 %；7月贡献率最高的仍然是地下水和40～100 cm土壤水，平均贡献率分别为51.7 %和48.6 %；8月贡献率最高的是60～80 cm的土壤水和地下水，平均贡献率为39.2 %和32.1 %；11月前期降雨较少，地下水对印度木荷的平均贡献率高达82.8 %，土壤水的贡献率很小。