基于氢氧稳定同位素的矮砧苹果树根系吸水深度研究

郭 飞，高 磊，马娟娟

(1.中国水权交易所，北京 100053；2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

矮砧苹果树具有果品质量高且节约种植成本的优点，已成为世界现代果业栽培的新方向[1]。截至2013年，我国矮砧苹果树的栽培面积已达果树总栽培面积的12%[2]。矮砧苹果树耗水量较大[3]，根系为其主要的吸水部位，而苹果树的根系生长随着生育期的变化而变化[4]，因此得出矮砧苹果树根系吸水深度范围，对于促进苹果树生长以及产量和品质的提高具有重要意义。传统研究中常用土钻取土的方法来研究苹果树的吸水规律[5]。但相关研究表明，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，可将氢氧稳定同位素技术应用于植物根系吸水的研究，为精确分析植物对不同深度土层水分利用情况提供依据，但相关研究多集中在大田作物以及森林灌木上[7-9]，对矮砧苹果树的研究较少。

在利用氢氧稳定同位素研究植物根系吸水深度的模型中，IsoSource多元线性模型被认为是应用最广泛且最有效的模型[10～11]。因此本研究基于氢氧稳定同位素技术，通过低温真空抽提系统来提取不同深度土层的土壤水和植物茎干水，并利用IsoSource多元线性模型来分析不同深度土壤水在果树不同生育期的水分贡献率，得出矮砧苹果树根系吸水深度的变化规律，为制定合理的矮砧苹果树节水灌溉策略提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省农科院果树研究所矮砧苹果园(37°23′N，112°32′E，平均海拔781.9 m)，该地区属于暖温带大陆性气候，区域内年均降雨量为459.6 mm，年均气温为9.8 ℃，无霜期为175 d。试验果园的土质为粉砂壤土，土壤容重为1.47 g/cm3，土壤田间体积持水率为30%。

1.2 试验设计

研究对象为7年生矮砧富士苹果树，选取挂果正常、长势良好、无病虫害的果树进行研究，果树三段砧木以海棠砧木为底，中间砧为SH系，上部嫁接体为红富士长富二号。苹果树的株距为2 m，行距为4 m，采用南北方向种植。在苹果树萌芽花期(4月14日)、新梢旺长期(5月26日、6月13日)和果实膨大期(8月13日)进行田间畦灌，单次灌水量为540 L/株。

1.3 测定项目及方法

试验从2015年4月至2015年10月，在矮砧苹果树的萌芽花期、新梢旺长期与果实膨大期采集土壤与茎干样品，每个处理重复3次。

在距离树干50 cm处采集土壤样品，以20 cm的间隔利用土钻(直径5cm)进行采集，分为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140和140～160 cm共8层。为确保土壤剖面水分入渗和分馏过程的充分完成，在各生育期降雨或灌溉4 d后采集土壤样品，使用离心管保存采集的土壤样品，并用封口膜将管口密封，低温保存。选取健康的未栓化茎干作为枝条样品，为防止样品产生同位素分馏，快速将枝条去皮后放入离心管中，封口膜密封管口后低温保存。同时，在果树生育期内，定期收集雨水和灌溉水。雨水采用自制的收集装置收集，为防止分馏，在瓶口放置乒乓球。灌溉水在每次灌溉时用离心管收集。

采用低温真空抽提的方法来提取土壤样品和植物茎干样品的水样[11]，该方法利用真空蒸馏与液氮冷凝的原理收集水样，此过程不发生同位素分馏，抽提时间一般约为1.5～2 h。不同水样中的δD和δ18O利用isotope ratio infrared spectroscopy(IRIS)测量(PicarroL2130～i)，并利用micro-pyrolysis模块和ChemCorret Post-processing来去除样品中有机物的污染。氢氧同位素测量结果经过国际标样(SLAP2、VSOMW2、GISP)校准后精度分别为±1‰和±0.1‰。

1.4 数据处理及分析

采用Excel，Origin绘制图表与分析。

2 结果与分析

2.1 苹果树不同水源的氢氧稳定同位素分析

试验地矮砧苹果树的水分来源包括土壤水、灌溉水与降水。本试验在矮砧苹果树的不同生育期内，定期分析3种水分样品氢氧稳定同位素值。图1为3种水分样品的氢氧稳定同位素值图。

图1 水分样品δ18O与δDFig.1 δ18O and δD of water samples

由图1可得出，3种水分样品的δ18O与δD呈良好的线性正相关关系，且通过分析3种水分样品的氢氧稳定同位素散点分布情况可得出，降雨与灌溉水的散点范围包含了土壤水散点，这是因为土壤水是雨水和灌溉水蒸发、入渗以及混合的最终产物。图1中的黑色实线为全球大气降水线(Global Meteoric Water Line，GMWL)，虚线为试验地的当地降水线LMWL(Local Meteoric Water Line)。GMWL线于1961年由Craig发现并命名[12]，表达式为δD=8×δ18O+10。而试验地的LMWL为:δD=7.31×δ18O-5.59(R2=0.97)。LMWL比GMWL的斜率与截距值小，其原因是试验地湿度变化与大气雨水二次蒸发[13]。此外，土壤水与灌溉水的氢氧稳定同位素拟合线分别为：δD=6.09×δ18O-18.28 (R2=0.98)、δD=2.36×δ18O-54.21(R2=0.94)。两条斜线的斜率与截距差别是由蒸发中同位素分馏引起的。

本次研究中，果树的最初水分来源于降水与灌溉水(试验地地下水埋深较大，已忽略其对果树根系吸水的影响)，而降水与灌溉水在被果树根系吸收之前需要经过入渗等复杂过程，最终以土壤水的形式被果树根系吸收利用，即矮砧苹果树茎干水的氢氧稳定同位素值是在雨水与灌溉水发生同位素分馏作用后的同位素混合值。因此，研究将不同深度的土壤水作为果树根系的吸水水源，避免了直接将雨水与灌溉水作为潜在水源进行水分贡献率分析而导致分析结果出现的较大误差[14]。研究中，在各生育期降雨或灌溉4 d后采集土壤样品，这样确保了降雨与灌溉水经过充分的混合入渗，确保了基于稳定同位素质量守恒的水源分析方法的准确性。因此，本研究将不同深度的土壤水作为苹果树的潜在水源，基于氢氧稳定同位素技术研究果树水源(不同深度土壤水)的水分贡献率，进而得出矮砧苹果树根系的主要吸水深度。

2.2 利用IsoSource多元线性模型分析矮砧苹果树吸水深度

基于稳定同位素存在的质量守恒原理，利用多元线性模型可分析植物根系对不同水源的吸收利用情况。当所分析的水源数目超过3个时，可以利用IsoSources来获得不同水源的贡献率情况[10]。IsoSources中的参数Increment表示每个水源水分贡献率的增幅，即水分贡献率以Increment值作为步长进行从0到100%的递增，研究中设置为1%或者2%。研究中将各个水源的水分贡献率与对应的稳定同位素值相乘，累计求和，作为一组水源的线性混合值。IsoSources中的参数Tolerance设置为0.01，其含义为计算得出的线性混合值与测定的果树植物茎干同位素值的误差最大值为0.01，即误差在0.01内的贡献率组合为一组可行解。进一步将所有可行解制作水分贡献率直方图，可得出各个水源的水分贡献率范围与均值。考虑到一些特殊植物在根系吸水过程中，氢稳定同位素易发生分馏作用[15]，为使分析结果更为精确，本试验单独将氧稳定同位素带入IsoSource软件分析矮砧苹果树的吸水深度。

图2 矮砧苹果树不同生育期分贡献率直方图Fig.2 Histogram of water contribution in different growth stages of dwarfing apple

图2为矮砧苹果树不同生育期内，不同深度的土壤水的贡献率情况。在图2中，横纵坐标分别代表不同深度的土壤水的水分贡献率情况与不同贡献率出现的频率大小。以图2(a)为例，在该时期，对于0～20 cm土层，0.3～0.6的土壤水分贡献率出现的频率最大，而对于20～40 cm等深度的土壤，当水分贡献率为0～0.05时出现的频率最大。由此得出，在萌芽花期，0～20 cm土层是该时期矮砧苹果树的主要吸水区域。表1进一步分析对比了不同深度土壤水的平均水分贡献率值。

由表1和图2可得出，在萌芽花期，7年生矮砧苹果树的主要吸水深度为0～20 cm的土壤水，平均水分贡献率为59.5%。这可能是由于萌芽花期属于苹果树生长前期，苹果树在该时期的耗水量相对较少，且吸水根系多集中在表层、深层根系发育并不完全导致[4]。与萌芽花期不同，不同深度土壤水的水分贡献率在新梢旺长期6月有所变化，虽然0～20 cm(42.9%)仍为苹果根系的主要吸水深度，但20～40 cm深度的土壤水贡献率有所增加，为11.1%。而在新梢旺长期7月，苹果树根系吸水的深度不单集中在表层，其对深层土壤水的利用明显增加，各深层土壤水的水分贡献率都较高；在该生育期，根系主要对20～40 cm深度的土壤水利用最高，为29.1%，0～20 cm与40～60 cm深度的土壤水次之，分别为24.3%和12.5%。而在果实膨大期8月，20～40 cm深度的土壤水对苹果树的贡献率达到最大，为37.1%，其次为0～20 cm(23.6%)，而40～60 cm深度的土壤水贡献率为11.6%，与上一时期的贡献率差异较小。在果实膨大期9月，果树的主要吸水深度仍以20～40 cm为主，但其水分贡献率较上一时期有所减少，为27.3%，而0～20 cm深度的土壤水贡献率增大到26.3%，较8月份增幅为12%，40～60 cm深度的土壤水贡献率为13.8%。

表1 矮砧苹果树生育期内不同深度土壤水的水分贡献率平均值Tab.1 Average water contribution of soil water in different depths in growth stages of dwarfing apple

3 结 论

根据上述研究分析，主要得出以下两点结论。

(1)利用氢氧稳定同位素技术研究矮砧苹果树根系吸水深度时，将不同深度的土壤水作为潜在水源可得出更准确的根系吸水深度分析结果。

(2)矮砧苹果树的吸水深度随生育期变化而变化，但基本集中在0～40 cm范围的土壤深度。在萌芽花期，苹果树主要利用0～20 cm(59.5%)处的土壤水；在新梢旺长期6月，其主要吸水深度为0～20 cm(42.9%)和20～40 cm(11.1%)；新梢旺长期7月根系的主要吸水深度为0～20 cm(24.3%)和20～40 cm(29.1%)；果实膨大期8月为0～20 cm(23.6%)、20～40 cm(37.1%)和40～60 cm(11.6%)；果实膨大期9月为0～20 cm(26.3%)、20～40 cm(27.3%)和40～60 cm(13.8%)。