科尔沁沙地5种阔叶树叶片δ13C组成及水分利用效率变化

摘要采用稳定同位素技术对科尔沁沙地南缘5种阔叶树的叶片进行测定，结合降水量、地下水位、土壤含水率等因子，分析不同树种对土壤水分的利用效率及环境水分因子对树种的影响。结果表明：5种阔叶树主要利用100 cm以上的土壤水作为植物生存的水分来源，植被覆盖度增加不是地下水位下降的主要原因;五角枫（Acer elegantulum）、糖槭（Acer negundo）和家榆（Ulmus pumila）在旱季的水分利用效率均达到75%以上，比较适合科尔沁沙地南缘半干旱的气候条件。

关键词科尔沁沙地;阔叶树;稳定同位素;水分利用效率

中图分类号：S718.45文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.002

Carbon Isotope Composition and Water Use Efficiency of Leaf of Five Types Broadleaf  Tree in Horqin

Chi Linlin

（1. Zhanggutai Horqin Sandy Ecosystem National Positioning and Research Station， Fuxin 123000， Liaoning;2. Liaoning Research Institute of Sandy Land Control and Utilization， Fuxin 1230000， Liaoning 123000）

AbstractIn the present study， the effects of different tree species on the soil water use efficiency and the environment water factors  were analyzed by determining leaves of 5 types broadleaf tree in the southern edge of Horqin sandy land using stable isotope technology， combined with factors precipitation， groundwater level， soil water content. The results showed that the source of water for 5 broadleaf trees survival mainly was soil water above 100 cm， and the increased vegetation coverage was not the main reason for the decline of groundwater level. Water use efficiency in the dry season of Acer elegantulum ， Acer negundo ， Ulmus pumila all reached more than 75%， which were suitable for semiarid climatic conditions in the southern edge of Horqin sandy land.

Key wordsHorqin sandy land; broadleaf tree; stable isotope; water use efficiency

水分是限制沙地植物生長最主要的因素，探索沙地植物生长对水分的依赖程度，是评价植物对干旱环境响应的基础。叶片稳定碳同位素组成（δC）指示植物有机质形成期间的平均水分利用效率，反映植物在一段时间内对水分的利用及水分胁迫的适应状况，是目前植物叶片长期水分利用效率研究的最佳方法之一[1-3]。叶片尺度上的水分利用效率可以直接揭示植物内在水分利用机制，是近年来被众多学者采用最频繁的研究方法[4-6]。本研究以科尔沁沙地南缘5种常用造林阔叶树为研究对象，在相同的气候和立地条件下，在旱季和雨季，分别对不同树种叶片δC值、阶段水分利用效率及其与环境水分因子间的关系进行分析，揭示不同树种对土壤水分的利用策略及其应对干旱胁迫的自我保护机制，以期为科尔沁沙地植被恢复与重建树种的选择提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于科尔沁沙地南缘的辽宁省沙地治理与利用研究所万亩林工区（119°33′06″ E，42°40′37″ N）。该区域属于温带大陆性亚湿润气候区，具有春季干旱多风、雨热同期的特征。年均气温6.3 ℃，无霜期为150～160 d。土壤以风沙土为主，土壤颗粒均匀，有机质含量较低。研究区多年平均降水量480.0 mm，地下水位3.8 m左右[7]。

1.2试验材料

试验选取12年生左右的五角枫（Acer elegantulum）、糖槭（Acer negundo）、桑树（Morus alba）、家榆（Ulmus pumila）和小叶杨（Populus simonii）5种科尔沁沙地常用造林阔叶树种为研究对象，测定其生存环境的土壤含水量，通过降水、地下水位和不同深度土壤含水率与植物叶片δC值的关系来判定植物的水分来源及其水分利用效率。

1.3样品的采集与测定

叶片样品的采集：分2次进行（2019年6月21日，2019年8月25日），分别代表旱季和雨季。每个树种选取典型样株3株，每株取其向阳树冠中部当年生叶片若干，混合后装入自封袋带回实验室用蒸馏水冲洗、去叶柄后，放入105 ℃烘箱杀青20 min，调至70 ℃烘干24 h，粉碎，过100目筛，用质谱仪（DeIta plus XP，美国 Finnigan MAT公司）测定叶片样品的δC值，用国际通用标准公式[8]计算：

水分指标的测定：利用CAWS600-B型自动气象站监测试验地降水量，地下水采用Adcon smm地下水位监测仪测定，土壤含水率用便携式土壤水分测量仪（TRIME-Pico 64/32 TDR，IMKO，德国）测定。

1.4数据分析

应用Excel 2010和SPSS20.0对试验数据进行统计分析和作图。采用单因素方差分析和多重比较法分析不同季节、不同树种在不同土层深度条件下的叶片δC值和WUE的差异。

2结果与分析

2.15种阔叶树叶片δC值的季节变化规律

由表1可知，5种阔叶树种的叶片δC值在旱季分布在-28.9～-27.7之间，在雨季分布在-30.4～-29.8之间，5个树种的叶片δC值在旱季和雨季间均存在显著性差异，旱季均高于雨季，原因是，在干旱环境下，会激发植物的自我保护机制，通过降低气孔密度的方式，降低进入叶片的CO浓度，从而使叶片δC值升高。

2.2水分利用效率的种间差异

由图1可知，5种阔叶树种的水分利用效率均表现出与叶片δC值相同的季节变化趋势。5种阔叶树种的水分利用效率在旱季的变化范围是67.562%～81.341%，雨季的变化范围是50.976%～57.301%。从水分利用效率变化趋势和平均值可以看出，在旱季，家榆的水分利用效率显著高于其他4种阔叶树，其次为五角枫和糖槭，桑树和小叶杨的水分利用效率相对较低;在雨季，家榆的水分利用效率反而最低，与其他4种阔叶树的水分利用效率差异显著，五角枫、糖槭、桑树和小叶杨的水分利用效率均高于家榆，且彼此间差异不显著，出现这种情况的原因可能是家榆的耐旱性较强，只有在水分胁迫条件下，才会诱发家榆体内的保护机制，提高其自身的水分利用效率。

2.3树种的水分利用效率与环境水分因子的相关性

由表2可知，五角枫、糖槭、家榆、桑树和小叶杨水分利用效率与降水量均呈显著负相关，与地下水位的相关性均不显著。5种阔叶树种的主要根系多分布在1.0 m以内的土层中，家榆的根系分布较深，大部分根系分布在20～200 cm的范围内，但当地地下水位在3.5 m以下，5种阔叶树种与地下水位的相关系数均较低，也说明旱季和雨季，5种阔叶树种基本以降水作为生存的主要水分来源，即使植物有少量的根系可以达到这个深度，对地下水的利用也极其有限。五角枫与各土层的土壤含水率相关性均不显著，糖槭和小叶杨的水分利用效率只与0～100 cm土层的土壤含水率相关性显著，家榆与0～150 cm土层内的土壤含水率均有较高的相关系数，桑树的水分利用效率与0～50 cm土层的土壤含水率相关性显著，与50 cm土层以下的土壤含水率虽有一定的相关性，但并不显著，这说明五角枫、糖槭和小叶杨的根系主要分布在100 cm以内，桑树的根系可延伸至150 cm深度，家榆的根系生长量最大，可达200 cm处，但随着土壤深度的增加，5种阔叶树种水分利用效率与土壤含水率的相关系数均有降低趋势，至150～200 cm深度时，水分利用效率与土壤含水率的相关性均不显著，也验证了5种阔叶树种基本以降水作为生存的主要水分来源的结论。

3讨论与结论

近年來，随着生态环境关注度越来越高，很多学者开始质疑科尔沁沙地的植被覆盖度增加是否是导致当地地下水位下降的主要原因。根据对当地不同深度土壤水分含量的长期监测，以及土壤水分含量与几种常见阔叶造林树种水分利用效率的相关性分析得知：本研究中5种常见阔叶树种的根系主要分布在0～100 cm的土层中，150～200 cm深度土层中根系已经大大减少。研究区地下水位长年保持在3.5 m以下，而研究区地下水沿毛管上升高度在1.1 m左右，5种阔叶树种根系利用的主要土壤水并不在地下水的分布范围内。相关学者在不同区域的研究结果也显示，本研究中的造林树种，垂直根系分布多在100 cm以内，一般不超过200 cm，主要通过水平根的扩展获取土壤水。张光灿等[9]研究认为，5年生的桑树的根系虽可达到80 cm，但以0～40 cm土层内的百分比含量最大;刘鑫等[10]研究认为，小叶杨在30～40 cm土层根系密度较大，40 cm以下根系密度大幅度减少;李红丽等[11]认为，榆树根系主要分布在200 cm以内的土层内。

5种阔叶树种的水分利用效率与降水量极显著负相关，与地下水位相关性不显著，5种阔叶树种在旱季和雨季均利用降水作为植株生存的水分来源，且主要利用0～100 cm范围的土壤水。

参考文献：

[1] 曹生奎，冯起，司建华，等.不同立地条件下胡杨叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化[J].冰川冻土，2012，34（1）：155-160

[2] 黄甫昭，李冬兴，王斌，等. 喀斯特季节性雨林植物叶片碳同位素组成及水分利用效率[J]. 应用生态学报，2019，30（6）：1833-1839

[3] 宋立宁，朱教君，李明财，等. 不同降水条件下科尔沁沙地南缘疏林草地樟子松针叶δC和叶性状特征[J].应用生态学报，2012，23（6）：1435-1440

[4] 朱林，高雪，张会丽，等.苜蓿叶片碳同位素分辨率与水分利用效率的关系[J].中国草地学报，2018，40（1）：17-23

[5] 刘莹，李鹏，沈冰，等.采用稳定碳同位素法分析白羊草在不同干旱胁迫下的水分利用效率[J].生态学报，2017，37（9）：3055-3064

[6] 杨国敏，王爱，王力.六道沟流域2种典型灌木不同季节水分来源及利用效率.[J].西北植物学报，2018，38（1）：140-149

[7] 迟琳琳，韩辉，党宏忠，等. 彰武松树干液流特征及其与环境因子间的关系[J].干旱区资源与环境，2020，34（1）：186-191

[8] CHEN J，CHANG S X，ANYIA A O.The physiology and stability of leaf carbon isotope discrimination as a measure of water-use efficiency in barley on the Canadian prairies[J].Journal of Agronomy and Crop Science，2011，197（1）：1-11

[9] 张光灿，杨吉华，赵新明，等.桑树根系分布及水土保持特性的研究[J].蚕业科学，1997（1）：59-60

[10] 刘鑫，满秀玲.毛乌素沙地梁地上小叶杨根系分布特征[J].中国水土保持科学，2008，6（4）：48-53

[11] 李红丽，董智，王林和，等.浑善达克沙地榆树根系分布特征及生物量研究[J].干旱区资源与环境，2002，16（4）：99-105