基于同位素的神东矿区植物吸水深度及生态水位研究

赫云兰，杨英明，王玺凯，李可新，房鲁鹭，刘卓鸣

(1.中国矿业大学(北京) 煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室，北京 100083；2.国家能源集团 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011；3.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

神东矿区开采煤层埋深小、采高大，高强度的煤炭开采使覆岩的破坏和变形直接传导到地表，对近地表的水资源、土地资源和地表生态环境产生了不利影响[1-3]。其中地表地形的变化、采煤造成的地裂缝发育和隔水层变化会破坏潜水含水层的结构，使泉水消失、河流径流量减小、地下水埋深增大，甚至地下水环境发生变化，使依赖地下水生存和受地下水补给影响的地表植被发生退化甚至死亡[4-8]。矿区地下水大规模的下降将引发系统性的生态风险，在干旱半干旱的神东矿区，水资源成为制约植被生长的限制性因素，由于该区域降水季节变化大，持续稳定的地下水源成为许多植物的重要水分来源，因此研究该区域生态安全地下水位具有重要的意义[9，10]。

地下水生态水位是指既能满足地表陆生植物生长发育对地下水的需求，同时又避免造成土壤盐渍化和土地荒漠化的地下水动态区间[11]。就地处干旱半干旱区的神东矿区而言，地表多为稀疏荒漠植被，地表植被、土壤水和地下水位相互制约达到区域水资源变化的均衡，增强生态系统的稳定性[12，13]，但采煤造成的地下水位下降可能会对该区域生态系统的稳定性造成威胁。传统的对于地下水生态水位的研究方法多集中于数值模拟方法[14]、生态统计方法[15]和遥感方法[16]。大多数研究倾向于揭示植物生长状态与地下水水位之间的关系，但从植物的角度出发，植物根系对于多孔介质中水的吸收能力和水分利用策略也是地下水生态水文研究的一个重要组成部分。近年来兴起的水稳定同位素方法成为划分植物水分来源的有力工具[17]。土壤水稳定同位素广泛应用于各个学科，如水文学、生态学、土壤科学和生物地球化学等，但水稳定同位素作为一种示踪工具来描述水在不同的生态、水文和地质区划中的起源、流动路径、运输过程和停留时间的全部潜力尚未被开发。土壤水分是连接不同水体的纽带，利用水稳定同位素示踪技术研究干旱半干旱矿区土壤水分蒸发、运移对了解区域水文过程、促进干旱区环境修复、合理生态用水具有重要意义[18，19]。

对于干旱半干旱煤矿区而言，煤炭开采会诱发地裂缝、地下水位下降和地面沉降等环境问题，对地表生态产生一定的扰动。厘清植物水分利用的深度和策略是煤矿区生态修复与治理的一个关键因素。Zhao等通过分析黑河流域降水、土壤水和地下水中稳定氧同位素组成，识别和量化了植物的水分吸收，分析了不同气候条件下植物根吸水所需主要的水源[20]。本文以该区域分布最为广泛的沙蒿为研究对象[21]，通过人工投放同位素示踪剂(2H)的方法，根据标记沙蒿植株的茎叶同位素特征，分析该区域井工矿未采动区植物吸水深度[22]和用水策略[23]，从植物学角度探讨神东矿区的生态水位。为该研究区生态修复与治理提供了一定的科学依据。

1 研究区概况

神东矿区地理位置位于榆林市神木县以北，府谷市以西，伊克昭盟的伊金霍洛旗以及鄂尔多斯城的东南，其经纬度坐标为109°51′—110°46′E、38°52′—39°41′N之间，北有毛乌素沙地，南有黄土高原，不仅是两大高原的过渡地带，还是水力侵蚀区和风力侵蚀区的过渡带。

该矿区海拔1200 m左右，地表形态以风沙丘陵和黄土丘陵为主，地表土质类型主要为风沙土。地表植被类型乔木以小叶杨为主，灌木以沙蒿、沙柳、柠条为主，草本植物多为一年生，如硬质早熟禾、沙鞭、狗尾草等。气候属于北温带半干旱大陆气候，常年干旱少雨，多年平均降雨量436.7 mm，年蒸发量是降雨量的5～6倍。一年当中降水主要集中在6—8月，最低气温出现在12月和1月期间，如图1所示。研究区既是大型现代化煤炭基地，同时也是典型的生态脆弱区。

图1 研究区降水与温度情况Fig.1 Precipitation and temperature in the research area

2 研究方法

本次研究选择神东矿区井工矿未采动区为研究对象，地表土质类型主要为风沙土。土壤厚度不均，总体厚度在5～8 m。地表植被覆盖率不高，主要优势植物为沙蒿。2020年10月，采用人工投放一定丰度同位素水的方法，结合现场原位示踪试验探讨神东矿区井工矿未采动区植物吸水深度与生态水位。

示踪试验开始之前，采集试验点两个500 cm深度的土壤剖面分析土壤含水率和氢氧稳定同位素特征。具体实验方法如图2所示，首先在现场钻取不同深度的钻孔，钻孔深度选择30，50，70，100，150，200，300，500 cm，将2H同位素示踪剂投放到钻孔底部。研究区植物2H天然同位素本底值在0.015%左右，为了使示踪效果明显，人工配比的同位素水的丰度设定15%，是天然值的1000倍左右。投放同位素水后，连续7天采集不同深度钻孔周边沙蒿茎叶，冷藏保存并送至实验室提取、测试同位素值，判断植物吸水最大深度，采用MixSIAR同位素混合模型计算分析土壤水稳定同位素，划分植物吸收不同深度段土壤水分的比例。

图2 现场原位示踪实验Fig.2 On site in-situ tracing experimental diagram

3 研究结果与讨论

3.1 土壤剖面含水率

不同地区、不同气候、不同土壤结构其在垂向上土壤含水率都不同，土壤含水率对于地表生态环境与植物的生长至关重要。研究区土壤剖面上含水率如图3所示，雨季过后，地表到60 cm深度含水率上升并保持较高水平，60～160 cm深度段土壤含水率快速下降到2%左右，160～340 cm深度段土壤含水率缓慢上升达到3%，340～500 cm深度段土壤含水率快速波动上升到5%左右。

图3 土壤剖面含水率Fig.3 Soil moisture profile

3.2 植物吸水极限深度

利用植物茎叶2H同位素特征，判断植物根系吸水的最大深度，植物吸收到同位素水，茎叶的同位素值会较本底值大。本次现场原位示踪实验选取了不同深度投放同位素水，并在地表连续7天采集钻孔周边沙蒿的茎叶进行测试，其中为确保沙蒿根系相当，选择高度相近的沙蒿采集样品，如图4所示。

图4 研究区植物茎叶δ2H同位素特征Fig.4 δ2H isotope characteristics in plant stems and leaves in the research area

实验结果显示，同位素水投放不同深度情况下沙蒿连续7天采集的样品δ2H同位素丰度不同，这与同位素水投放深度和植物根系吸水利用率有关。

从图4中可以看出，近地表30 cm到200 cm植物茎叶的同位素值基本均高于本底值。而投放在300 cm深度时，沙蒿δ2H同位素只有第2天高于本底值。投放500 cm深度下，植物已吸收不到高丰度的同位素水。在300 cm深度条件下，第1天沙蒿δ2H同位素低于本底值，第2天高于于本底值，后续采样均低于本底值。由于人工投放同位素水时，钻孔底部会形成局部过饱和的状态，同位素水会同时向下和向上产生一定的运移。在300 cm投放同位素水时，从土壤剖面上同位素富集特征看，分别向上和向下运移了50 cm左右，所以判断植物沙蒿吸水的极限深度为2.5～3 m，如图5所示。

图5 300 cm深度土壤水δ2H和δ18O同位素特征Fig.5 δ2H and δ18O isotope characteristics in the soil water at a depth of 300 cm

3.3 土壤剖面水分利用

植物根系对土壤水分利用率在垂向上具有差异，这与植物类型、根系对不同深度土壤水分吸收效率、季节有关。利用天然δ2H和δ18O同位素示踪可以对植物吸水来源和土壤剖面利用深度进行判断，太湖流域河岸植物银杏主要利用0～60 cm深度的土壤水和降水，而桑树则主要利用120～150 cm的土壤水和地下水[24]。MixSIAR同位素混合模型可以量化不同深度土壤水分对植物吸收水分的贡献，这对于分析植物主要利用那个剖面深度的水分提供了有效的方法和手段。

本研究通过人工投放高丰度的δ2H同位素示踪剂，提高了示踪效果。植物样品采集于2020年10月，利用MixSIAR同位素混合模型分析了研究区沙蒿对不同深度土壤水的利用率。将240 cm深度的土壤剖面划分了12个层段，经模型计算得出12个层段土壤水对沙蒿吸水的贡献率相差不大，如图6所示，其中，60～80 cm，80～100 cm和100～120 cm深度段相对水分贡献率较低，其他层段贡献率都接近9%。由图6可以看出：60～120 cm深度段土壤含水率快速下降，此时正值雨季过后，推测雨季的降水湿润锋刚入渗到该深度段，之前该深度段为水分比较匮乏的区域，沙蒿在此段的水分吸收比例较低；沙蒿水分吸收虽然受到突然含水率高低的影响，但各深度段的水分吸收比例差别不大，显示出其广泛而较均匀的水分吸收策略。

图6 不同深度土壤水分利用情况Fig.6 Soil moisture utilized by plants at different depths

4 结 语

氢氧同位素本身作为水的一部分，在研究水循环方面是理想的示踪剂。采用该方法在神东矿区未采动区域开展了现场原位示踪实验研究，获得了较好的示踪效果。根据优势植物沙蒿和土壤水δ2H同位素特征，研究区沙蒿根系最大吸水深度在2.5～3 m左右。雨季过后研究区域土壤含水率浅处和深处高，中间低。10月份沙蒿对土壤剖面水分利用率受到土壤含水率高低的影响但总体表现相差不多，60～120 cm层段利用率相对较低，其他层段利用率接近9%，显示出其较均匀的水分吸收策略。本研究揭示了神东矿区沙蒿的根系吸水深度和水分吸收策略，从植物的角度测量出该区域地下水补充植物水分的生态水位下限为2.5～3 m。