黄土塬区旱作冬小麦土壤水分利用特征的稳定同位素分析

程立平, 齐 光, 李彦娇, 刘文兆

(1.平顶山学院, 河南 平顶山 467000;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

黄土塬区土壤供水占旱作冬小麦耗水量的一半左右，土壤水库调蓄功能可有效缓解降水不足和季节分布不均所导致的旱情，对冬小麦生长发育以及稳产高产具有重要的意义[1-2]。试验观测发现黄土区旱作冬小麦根系可深达3 m以下[3]，但是根系能否利用土壤水还与根系密度和活性相关[4]，因此冬小麦能否利用3 m深度土壤水仍缺乏直接证据。有关研究多将2 m或3 m以内土壤水分作为整体研究其与冬小麦耗水之间的关系[5-6]，较少关注冬小麦对不同土层土壤水分的利用特征，而同位素水分溯源技术则为定量研究植物对不同土层水分利用特征提供了可能[7]。植物根系从土壤中吸收水分和水分在植物体内运输到达叶片或幼嫩未栓化的枝条之前均不发生同位素分馏[8]，植物茎干水同位素组成是其所利用水源同位素组成的综合体现。要定量研究植物各水源的利用比例，可采用二源/三源线性混合模型[9]，但该模型不能用确定多于3个以上水源，IsoSource多源混合模型[10]则可用于估算多个水源对植物用水的贡献比例范围。随着同位素示踪技术的发展，已有学者开展了冬小麦水分溯源的试验研究。如有灌溉条件且地下水埋深较浅地区的冬小麦的水分利用规律[11-12]，地下水埋藏较深地区0～2 m深度内不同土层土壤水对冬小麦耗水的贡献[13]，以及田间土柱种植试验中发现冬小麦自抽穗—灌浆期起开始利用2～3 m土层土壤水[14]。但是鲜有研究关注黄土区旱作冬小麦对3 m深度土壤水分的利用问题，尤其是降水不足的条件下，因此本文首先利用遮雨棚遮雨模拟降雨量减少情景，其次对遮雨样地和自然样地3 m深度土壤水标记氘水(D2O)，通过测定不同日期冬小麦茎秆水δD值以确定冬小麦是否利用3 m深度土壤水分；并通过测定冬小麦不同生育期茎秆水、降水和0～4 m土壤剖面不同土层土壤水δ18O值，定量分析旱作冬小麦对不同土层土壤水分的利用特征及其对降雨减少的响应，为旱地农田水分研究和管理服务。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在中国科学院长武农业生态试验站(35°14′N，107°40′E)所在的长武黄土塬区进行，位于陕西省长武县，塬面平坦，海拔1 220 m。研究区属暖温带半湿润易旱大陆性季风气候，多年平均降水量580 mm，降水年际变化较大，年内分布不均，7—9月降水量占全年降水总量的55%以上。研究区黄土堆积深厚，土壤为黑垆土，田间持水量和凋萎湿度分别为22%(质量含水量，下同)和9%，容重为1.3 g/cm3，母质为中壤质马兰黄土，土质疏松，孔隙度在50%左右，通透性良好，利于水分入渗和植物根系生长。研究区地下水埋深40～80 m，不参与土壤—植物水分循环。

1.2 试验设计

2015年9月下旬在长武站水肥耦合试验场选择2个小区(3 m×4 m)种植小麦进行试验(品种：长旱58)，小麦播种量150 kg/hm2，播前一次性深翻施氮肥(尿素，150 kg/hm2)和磷肥(五氧化二磷，90 kg/hm2)。2016年5月9日起至小麦收获(6月下旬)对2号小区进行人工遮雨处理，即雨前将遮雨棚推至小区上方遮雨，雨后推离，模拟降雨量减少情景；1号小区接收正常降雨。5月9日在1号样地(记为A样地)和2号样地(记为B样地)中心位置选择约1 m2样方，利用土钻于四角处钻至3 m深度，钻孔直径约5 cm，利用软管将D2O(99.8%)注入孔底进行标记，为尽量减小水分输入对土壤湿度的扰动又能标记成功，每个钻孔约注入12 ml氘水，然后分层回填。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤样品采集 于2016年5月9日(抽穗期)，5月19日(开花期)，5月29日(灌浆期)和6月10日(乳熟期)在氘水标记样方内使用土钻采集0—4 m剖面土壤样品，间隔20 cm。因标记样方面积小，为减少扰动，每次只取一个土壤剖面。土壤样品分为两份，一份装入铝盒利用烘干法(105℃，12 h)测定土壤含水量；另一份密封于高密度聚乙烯瓶中保存，实验室内利用低温真空抽提系统Li-2000抽提土壤水样，将抽提的水样密封于玻璃水样瓶中，编号、记录并冷藏待测。

1.3.2 小麦茎秆水样采集 为明确冬小麦是否利用以及何时利用3 m深度以下土壤水分，除在采集土壤样品日期，又分别于5月13日、5月24日和6月4日在D2O标记样方内采集冬小麦样品。采集方法为随机选择3株长势良好冬小麦连根拔起，采集近根部的茎秆，迅速剔除叶鞘部分，装入10 ml玻璃瓶内密封保存，每次采集3瓶作为重复，实验室内利用低温真空抽提系统Li-2000抽提小麦茎秆水样，将抽提的水样密封于玻璃水样瓶中，编号、记录并冷藏待测。

1.3.3 降水样品采集 利用人工雨量筒收集次降水水样，并记录降水量。

1.3.4 水样氢氧稳定同位素测定 小麦水样δD值测定：采用LGR IWA-45 EP液态水同位素分析仪测定抽提小麦水样的δD值，分析精度为±0.5‰。土壤、小麦和降水水样δ18O值测定：采用质谱仪Finnigan MAT253，TC/EA法测定水样内δ18O值，分析精度为±0.3‰。所有水样δ值测定结果用V-SMOW标准校正。

通过对比不同日期冬小麦茎秆水δD值变化可以确定冬小麦利用3 m深度土壤水分的时间；将冬小麦不同生育期茎秆水、降水和0—4 m土壤剖面不同土层土壤水δ18O值输入IsoSource模型，可定量分析冬小麦对不同土层土壤水分的利用特征。

1.3.5 土壤储水量计算 土壤储水量计算公式为：

式中:W为土壤储水量(mm)；θ为土壤质量含水量(g/g)；ρ为土壤容重(g/cm3)；h为土层厚度(cm)。

1.3.6 水量平衡方程 黄土塬区水量平衡计算公式一般被简化为：

ET=P-ΔW

式中:ET为蒸散量(mm)；ΔW为土壤储水量的变化量(mm)；P为降水量(mm)。

1.4 数据处理

利用IsoSource多源线性混合模型(V1.3.1)计算不同水源对冬小麦耗水的贡献比例，IsoSource模型参数中的来源增量(source increment)设置为2%，质量平衡公差(mass balance tolerance)为1%。

采用Excel 2007软件进行数据处理，利用Origin 2018制图，利用单因素方差分析比较不同时期土壤水同位素组成差异显著性。

2 结果与分析

2.1 土壤储水量变化

由于冬小麦的吸收利用，叠加土壤物理蒸发，至抽穗期两块样地0—50 cm土层土壤水分均已低至萎蔫系数(图1)。试验起始日，A样地和B样地0—4 m剖面平均土壤水分含量分别为15.7%和15.5%，土壤水分剖面分布近乎一致。但是随着冬小麦生育期推进，两块样地50 cm深度以下土壤水分剖面均向左移动，土壤含水率降低，试验终止时分别降低至15.1%和14.2%，出现明显差异。研究期内，虽然A样地蒸散量(91.5 mm)大于B样地蒸散量(78.9 mm)，但是由于A样地降水输入为50.8 mm，其土壤储水量仅减少了40.7 mm，较B样地减小量少38.2 mm。说明降水量减少条件下，冬小麦能够利用更多土壤储水满足生育耗水需求，缓解旱情。

图1 土壤水分剖面动态变化

2.2 不同水样δ18 O变化

研究期内降水δ18O最小值为-8.26‰，最大值为-2.96‰，平均值为-5.39‰(图2)，与研究区多年降水δ18O平均值-10.38‰[15]相比明显富集，原因在于长武黄土塬区降水同位素组成具有冬春富集、夏秋贫化的年内变化特征。

图2 研究时段内降水量及降水δ18 O值

受蒸发效应影响，浅层土壤水分重同位素富集[16]。A样地土壤水δ18O值在20 cm处最大，20—280 cm深度范围内随深度增加而减小，280 cm以下随深度增加而逐渐增加，4个采样日土壤水δ18O平均值分别为-12.17‰，-12.03‰，-12.49‰和-12.45‰，方差分析表明其无显著差异(图3A)。B样地土壤水δ18O值同样在20 cm处最大，20—120 cm深度范围内随深度增加而减小，120 cm以下基本保持稳定，4个采样日土壤水δ18O平均值分别为-10.11‰、-10.04‰，-10.31‰和-9.98‰，无显著差别(图3B)。

5月9日、5月19日、5月29日和6月10日，A样地冬小麦茎秆水δ18O值分别为(-9.16±0.57‰)，(-9.82±0.39‰)，(-10.37±0.35)‰和(-10.02±0.51)‰，平均值为(-9.84±0.58)‰(图3A)；B样地冬小麦茎秆水δ18O值分别为(-8.99±0.13)‰，(-10.59±0.23)‰，(-10.60±0.39)‰和(-10.30±0.29)‰，平均值为(-10.10±0.72)‰(图3B)。植物根系吸收水分过程不发生同位素分馏现象，因此植物水的同位素组成是其所利用水源同位素组成的综合反应。虽然A样地土壤水同位素组成较B样地偏负，但是由于A样地冬小麦能够利用同位素组成偏正的降水，其茎秆水同位素组成却偏正一些。

图3 土壤水及冬小麦茎秆水δ18 O值

2.3 冬小麦对3 m深度土壤水的利用

尽管液态水同位素仪LGR在测定植物水δD值时存在甲醇或乙醇类有机污染[17]，但是其测试结果仍然可以为冬小麦是否利用了标记在3 m深度处的氘水提供有效信息。表1给出了不同日期两块样地冬小麦茎秆水的氢同位素组成变化。可以发现截至5月19日无论是A样地还是B样地，冬小麦茎秆水δD值均没有富集；但是从5月24日起至6月10日，两块样地冬小麦茎秆水δD值发生了明显富集，表明冬小麦已经开始利用标记在3 m深度处的氘水。因为冬小麦为随机采样，因此距离钻孔较近的小麦茎秆水δD值大，距离较远的冬小麦茎秆水δD值小。进一步对比两块样地冬小麦茎秆水δD值发现，B样地较A样地富集程度高，表明虽然两块样地冬小麦几乎在同一时间开始利用3 m深度土壤水分，但是在降水量减少条件下冬小麦能够吸收利用更多的深层土壤水分来满足耗水需要。

2.4 冬小麦土壤水分利用规律

黄土塬区地下水埋藏极深，因而旱作冬小麦生长发育仅能依赖降水和土壤水。研究时段属于旱季、降水较少，5月1日至6月10日共记录到13个降水日，但是降水量大于5 mm的有效降水仅6次(图2)，最大日降水量仅为13.6 mm，很难入渗至20 cm深度土层。本试验中土壤水分测定从20 cm开始，所以图1中表现出两块样地0.5 m以上土层含水率与萎蔫系数持平，几乎没有变化，意味该层土壤水分已不能为冬小麦所吸收利用。对于B样地，冬小麦只能利用0.5 m深度以下土壤水分。对于A样地，降水转化的土壤水集中在0—20 cm深度范围以内，研究表明冬小麦能够优先利用降水转化而来的土壤水，然后才利用土壤前期储水[18]，同时冬小麦根系密度在此范围以内最大，所以该地块冬小麦能够直接利用降水转化而来的土壤水。由冬小麦茎秆水样δD值变化可知，两块样地冬小麦在5月24日起已经利用3 m深度土壤水分。因此，本文根据土壤水同位素剖面分布特征，在抽穗期和开花期将50—300 cm土层分为3组，分别是50—100 cm，100—200 cm和200—300 cm；在灌浆期和乳熟期将50—400 cm土层分为4组，分别是50—100 cm，100—200 cm，200—300 cm和300—400 cm。研究表明干旱地区植物体内在降水之后的7日内仍保存有大量的降水[19]，因此本文分别利用5月8日、5月13日、5月27日和6月9日降水代替0—50 cm土层土壤水，来计算不同生育期A样地冬小麦对0—50 cm土层土壤水(降水)的利用比例，四日降水量分别为7.7 mm，13.6 mm，5.5 mm和6.4 mm，降水δ18O值分别为-6.03‰，-4.72‰，-6.57‰和-5.67‰。最后将冬小麦不同生育期茎秆水以及各组土壤水δ18O值分别输入IsoSource模型，计算旱作冬小麦对各层土壤水分的利用比例。

表1 冬小麦茎秆水样δD值 ‰

IsoSource模型最终结果不是唯一解，而是依据计算过程中各水源相对贡献率的频率确定可行的概率分布组合[10]，即冬小麦对各水源利用比例的分布范围，具有一定的不确定性，可利用各潜在水源相对贡献率的频率加权平均值作为唯一解的体现(图4)。抽穗期，0—50 cm土壤水(降水)，50—100 cm，100—200 cm，200—300 cm土壤水对A样地冬小麦耗水的贡献率分别是36.7%，29.9%，20.6%和12.8%，对B样地冬小麦耗水的贡献率分别为33.4%，27.9%，20.4%和18.3%。可以发现，虽然两块样地同一土层土壤水对冬小麦耗水贡献率有所差异，但是冬小麦对各层土壤水分的利用状况表现出了相同的规律，即冬小麦对不同土层土壤水分的利用强度随土层深度的增加而减小。

图4 不同生育期各层土壤水对冬小麦耗水的贡献率

A样地冬小麦开花期、灌浆期和乳熟期的土壤水分利用规律与抽穗期一致，利用强度随深度增加而减小，但是各层水分对冬小麦耗水的贡献率在不同生育期不同。图4A可知0—50 cm土壤水(降水)对开花期、灌浆期和乳熟期冬小麦耗水的贡献率分别为28.0%，28.3%和32.6%，50—100 cm土壤水的贡献率分别为32.3%，25.7%和24.7%，100—200 cm土壤水的贡献率分别为22.3%，16.9%和15.7%，200—300 cm土壤水的贡献率分别为17.4%，12.5%和11.4%。冬小麦自开花—灌浆期间开始利用3 m深度土壤水分，300—400 cm土层土壤水对灌浆期—乳熟期冬小麦耗水的贡献率为15.6%～16.6%。

雨量减少条件下，冬小麦需要利用更多的深层土壤储水来满足生育耗水的需要。由于0—50 cm土层土壤含水率与萎蔫系数持平且没有降水输入，B样地深层土壤水分对冬小麦耗水的贡献率相较A样地大幅增加。50—100 cm土壤水对开花期、灌浆期和乳熟期冬小麦耗水的贡献率分别为31.7%，21.1%和20.6%，100—200 cm土壤水的贡献率分别为34.2%，32.9%和31.5%，200—300 cm土壤水贡献率分别为34.1%，24.5%和24%。300—400 cm土层土壤水在灌浆期—乳熟期间的平均贡献率为22.7%。冬小麦对深层土壤水分利用强度的增加，导致深层土壤储水消耗增加。计算得知，A样地200—400 cm土层土壤储水量减少18.7 mm，B样地则减少了27.4 mm。

3 讨 论

相较于地下水浅埋地区及灌区冬小麦可利用的众多水源(降水、土壤水、灌溉水和地下水)[11-12]，黄土塬区旱作冬小麦能够利用的水源只有降水和土壤水。降水对抽穗期、开花期、灌浆期和乳熟期冬小麦耗水的贡献率分别为36.7%，28.0%，28.3%和32.6%(图4A)，受降水时间以及降水量的显著影响[19]。随着生育期的延伸和根系下扎，冬小麦根系吸水峰不断向深层土壤移动[20-21]。在地下水埋深较浅的封丘地下冬小麦从孕穗期开始利用埋深在3 m以下的地下水[12]，而在干旱半干旱的山西省南部地区，旱作冬小麦则自抽穗期起开始利用2～3 m土层土壤水[14]。相关试验观测发现，长武塬区冬小麦越冬前根系可扎至60 cm深度，返青期已生长至250～280 cm深度，至收获前依然继续向下延伸[3]。本研究氘水标记试验表明长武塬区旱作冬小麦在开花—灌浆期间开始利用300 cm深度土壤水分，且该时间点未受降雨量减少的影响。说明，该区旱作冬小麦根系在开花—灌浆期已生长至300 cm深度以下，且抽穗期以后的降水量减少不会对作物根系下延生长造成影响。

冬小麦对土壤水分的利用状况取决于土层中根系分布量、根系吸水速率及土壤含水量，但是与土壤水分状况相比，根系在作物吸水过程中起着控制作用，尤其在土壤干旱条件下作用更大[20]，冬小麦根系在土壤剖面上的分布呈指数递减[21]，因此冬小麦对浅层土壤水分利用强度大于深层土壤水分，但是传统方法仅是定性描述。本文利用IsoSource得出不同土层土壤水分对冬小麦耗水的贡献率随深度增加而减小(图4A)，从定量角度表明冬小麦对各层土壤水分利用强度具有随深度增加而减小的趋势。深根习性的植物能够吸收更深层水分以避免干旱影响[8,22]，而深层土壤水分利用能力使植物克服水分限制并在无雨期生长成为可能[23]。由于没有降水可供利用，具有深根习性的旱作冬小麦调整了土壤水分利用策略，提升了对深层土壤水分的利用强度，从而导致深层土壤水对冬小麦耗水贡献率的增加(图4B)。传统的水量平衡法也观测到了类似的结果，枯水年旱作冬小麦孕穗—抽穗到成熟期，300 cm以下土层水分消耗率为15.4%，远高于平水年的3.9%和丰水年的5.2%[24]。可见，黄土塬区深层土壤储水对于缓解降水不足，保障冬小麦水分供给具有重要意义。

4 结 论

氘水标记表明，旱作冬小麦自开花—灌浆期开始利用3 m深度土壤水分，且该时间不受降水量减少的影响。冬小麦对各层土壤水分的利用强度具有随深度增加而减小的趋势，0—50 cm土壤水(降水)，50—100 cm土壤水、100—200 cm土壤水、200—300 cm土壤水对抽穗期、开花期、灌浆期、乳熟期冬小麦耗水的平均贡献率分别为31.4%，28.2%，18.9%，13.5%；300—400 cm土壤水对灌浆期—乳熟期冬小麦耗水的平均贡献率为16.1%。冬小麦可通过调整土壤水分利用策略，提升对深层土壤水分的利用强度来响应生育期降水量的减少。降水量减少情况下，50—100 cm土壤水、100—200 cm土壤水、200—300 cm土壤水对开花期、灌浆期、乳熟期冬小麦耗水的平均贡献率分别为25.3%，29.8%，25.2%；300—400 cm土壤水对灌浆期—乳熟期冬小麦耗水的平均贡献率为22.7%。

深层土壤储水能有效缓解降水不足的影响，对旱作冬小麦稳产具有重要意义。因此，生产实践中应通过夏闲期蓄水保墒措施，减少土壤蒸发、增加雨水入渗量和入渗深度，促使深层土壤水分恢复，来保证土壤水库调蓄功能的持续发挥。