荒漠绿洲湿地水分来源及植物水分利用策略

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00157

摘要/Abstract

摘要：

水分是干旱区不同景观界面间的水分循环过程与水力联系的主体，维持着干旱区湿地生态系统的结构与功能。为量化水分来源及其对植物水分的贡献率，以河岸灌木湿地和草地盐沼湿地为研究对象，通过测定降水、径流、地下水、土壤水和植物水中δD、δ¹⁸O组成，利用多源线性混合模型分析水分来源对荒漠植物水分利用的贡献率。结果表明：（1）黑河流域荒漠绿洲湿地年均降水量104.6 mm，约占蒸散量（604.47 mm）的17.03%，具有明显的季节性分布特征。地下水位与土壤含水量的波动取决于河流距离，离河道较近的河岸灌木湿地地下水深度及土壤含水量随季节波动较小，而离河道较远的草地盐沼湿地则变化很大。（2）当地大气降水线δD=6.33δ¹⁸O+4.04 （R²=0.931），斜率和截距均略小于全球大气降水线则符合黑河流域湿地整体降水少而蒸散量大的特点。黑河径流δD和δ¹⁸O均值分别为-43.80‰±12.09‰和-8.65‰±23.33‰，地下水为-50.98‰±13.18‰和-9.74‰±25.49‰，土壤水为 -42.07‰±6.89‰和-7.22‰±2.49‰，植物水为-51.84‰±14.46‰和-8.50‰±24.13‰。（3）地表蒸发是荒漠绿洲湿地土壤氢、氧同位素富集的主要原因。地下水和河水分别是草地盐沼湿地与河岸灌木湿地的主要水分来源，贡献率分别约为61%和50%，表明湿地植物相比于干旱区脉冲式降水更依赖较为稳定的水源。（4）植物根系深度和毛细根分布是决定荒漠绿洲湿地植物水分利用策略的重要因素。

关键词: 荒漠绿洲湿地, 水分来源, 氢氧同位素, 贡献率, 水分利用策略

Abstract:

Water is the backbone of hydraulic connection and water cycle process between different landscape in arid area， which further maintains the structure and function of wetland ecosystem in arid area. In order to quantify water source and its contribution to plant water， this paper takes riparian shrub wetland and salt-marsh grassland wetland as research objects， by measuring the δD and δ¹⁸O composition of precipitation， runoff， groundwater， soil water and plant water， to analyze the contribution rate of water sources to water use of desert plants with the linear mixed model. The results showed that：（1） annual rainfall average 104.6 mm， accounting for about 17.03% of the evapotranspiration （604.47 mm） in desert oasis wetlands in which has obvious seasonal distribution characteristics. The fluctuation of groundwater and soil water content depends on the distance from the river. The depth of groundwater and soil water content of riparian shrub wetlands near the river vary little with the seasons， while vary greatly in salt marsh grass wetlands far away from the river channel. （2） The precipitation line of local atmospheric is δD=6.33δ¹⁸O+4.04 （R²=0.931）， and the slope and intercept are slightly smaller than the precipitation line of global atmospheric， which is consistent with the characteristics of less precipitation and large evapotranspiration in the wetlands of the Heihe River Basin. The mean values of δD and δ¹⁸O of Heihe River groundwater， runoff， soil waterand and plant water were -50.98‰±13.18‰ and -9.74‰±25.49‰， -43.80‰±12.09‰ and -8.65‰±23.33‰， -42.07‰±6.89‰ and -7.22‰±2.49‰， -51.84‰±14.46‰ and -8.50‰±24.13‰， respectively. （3） Surface evaporation is the main cause of soil hydrogen and oxygen isotope enrichment in desert oasis wetland. Runoff and groundwater were the main water sources of desert oasis wetlands，and the contribution rate of runoff to plant water use was about 50% in riparian shrub wetland， while the contribution rate of groundwater was about 61% in salt marsh grass wetland. However， precipitation infiltration contributed little to the water use of riparian shrub wetlands and salt marsh grass wetlands， with values of 4% and 13%， respectively. （4） Depth of root and distribution of capillary root were important determinants of plant water use strategy in desert oasis wetland.

Key words: desert oasis wetland, water sources, hydrogen and oxygen isotopes, contribution rate, water use strategy

中图分类号:

P344

赵颖, 刘冰, 赵文智, 温紫娟, 王宵. 荒漠绿洲湿地水分来源及植物水分利用策略[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 151-162.

Ying Zhao, Bing Liu, Wenzhi Zhao, Zijuan Wen, Xiao Wang. Water sources and strategies of plant water use in desert oasis wetland of China[J]. Journal of Desert Research, 2022, 42(4): 151-162.

图/表 9

图1 荒漠绿洲湿地研究区概况图

Fig.1 Location map of study area in desert oasis wetland

图2 河岸灌木湿地和草地盐沼湿地的蒸散发及2015、2016年降水量（A），地下水埋深（B）和土壤含水量（C和D分别代表灌木和草地生境在不同土壤深度下的土壤含水量）

Fig.2 Evapotranspiration and precipitation of shrub wetland and grassland in 2015 and 2016 （A）， groundwater depth （B）， C and D represent soil water content of shrub wetland and grassland

表1 降水、径流、地下水与土壤水稳定同位素特征

Table 1 Water isotope characteristics of precipitation， runoff， groundwater and soil

因子	δ¹⁸O/%			δD/%
因子	最小值	最大值	均值	最小值	最大值	均值
降水	-11.54	2.17	-3.52±4.14	-73.21	9.34	-18.21±26.92
径流	-9.98	-6.45	-8.65±23.33	-50.71	-32.00	-43.80±12.09
地下水	-10.78	-9.35	-9.74±25.49	-52.06	-49.44	-50.98±13.18
河岸灌木湿地土壤水	-9.22	-1.18	-7.22±2.49	-48.74	-28.11	-42.07±6.89
草地盐沼湿地土壤水	-11.38	-1.04	-9.00±3.30	-59.90	-23.81	-50.72±13.57
河岸灌木湿地植物水	-9.42	-7.41	-8.50±24.13	-53.72	-49.49	-51.84±14.46
草地盐沼湿地植物水	-10.61	-7.40	-9.24±27.13	-63.56	-55.41	-60.55±16.94

图3 全球大气降水线和当地大气降水线（A）、径流和地下水（B）、土壤水（C）和植物木质部水（D）与δD与δ18O的回归线性关系

Fig.3 Linear relationship between global and local precipitation lines （A）， runoff and groundwater （B）， soil water （C） and plant xylem water （D） and δD and δ18O

表2 降水、径流、地下水与土壤水稳定同位素拟合曲线

Table 2 Fitting curves of precipitation， runoff， groundwater and soil water isotopes

因子	拟合曲线	R²
降水	δD=6.33δ¹⁸O+4.04	0.93
径流	δD=5.44δ¹⁸O+3.23	0.91
地下水	δD=1.66δ¹⁸O-34.80	0.70
河岸灌木湿地土壤水	δD=2.64δ¹⁸O-23.02	0.90
草地盐沼湿地土壤水	δD=3.12δ¹⁸O-22.64	0.92
河岸灌木湿地植物水	δD=2.52δ¹⁸O-30.54	0.61
草地盐沼湿地植物水	δD=2.04δ¹⁸O-41.52	0.71

图4 草地盐沼湿地（A，C）和河岸灌木湿地（B，D）生境不同深度土壤水的δD（A，B）和δ18O（C，D）含量

Fig.4 δD （A，B） and δ18O （C，D） values of grassland wetland （A，C） and shrub wetland （B，D） at different depths

表3 河岸灌木湿地与草地盐沼湿地土壤水δD与植物水δD的 F 值统计分析

Table 3 Degrees of freedom and F-statistics of δD of soil water and plant water in shrub and grassland wetlands

因子	自由度	土壤水δD		植物水δD
因子	自由度	河岸灌木湿地	草地盐沼湿地	河岸灌木湿地	草地盐沼湿地
降水	1.2	0.72	1.08	0.50	0.64
地下水	1,2	3.20	6.25^***	2.26	7.18^***
土壤水	5,10	9.19^***	7.91^***	8.62^***	8.05^***
降水×地下水	2,5	2.21	4.21^*	2.05	3.56
降水×土壤水	5,10	2.56	4.56^*	2.53	4.32^*
地下水×土壤水	5,10	8.64^***	9.21^***	7.68^***	8.53^***
降水×地下水×土壤水	5,10	4.21	5.62^**	3.57	4.85^**

图5 河岸灌木湿地与盐沼草地湿地各潜在水源对植物水分利用的贡献率

Fig.5 Contribution rate of water resources of shrub wetland and grassland wetland

图6 河岸灌木湿地优势种柽柳（A）和草地盐沼湿地优势种沙枣（B）根系生物量分布图

Fig.6 Root biomass of dominant species at different depths in shrub wetland （A） and grassland wetland （B）

参考文献 42

1	章光新，武瑶，吴燕锋，等.湿地生态水文学研究综述［J］.水科学进展，2018，29（5）：737-749.
2	梅荣.干旱区绿洲湿地生态系统研究的意义和重点［J］.内蒙古科技与经济，2007，139（9）：115-116.
3	刘冰，常学向，李守波.荒漠区土壤水分对降水脉动响应［J］.中国沙漠，2011，31（3）：716-723.
4	Liu B， Zhao W Z， Wen Z J，et al.Response of water and energy exchange to the environmental variable in a desert-oasis wetland of Northwest China［J］.Hydrological Processes，2014，28（25）：6098-6112.
5	Liu B， Zhao W Z， Wen Z J，et al.Hydrochemical characteristics jointly determine the transport and cycling of soil carbon，nitrogen，and phosphorus in an arid Chinese wetland［J］.Journal of Geophysical Research： Biogeosciences，2020，125（7）：1-21.
6	张飞.气候和人类活动影响的湿地植被高光谱研究现状与展望［J］.新疆大学学报（自然科学版），2019，36（1）：25-33，48.
7	许秀丽，李云良，谭志强，等.鄱阳湖湿地典型中生植物水分利用来源的同位素示踪［J］.湖泊科学，2020，32（6）：1749-1760.
8	Patrick Z E， David G W.Hydrogen isotope fractionation during water uptake by woody xerophytes［J］.Plant and Soil，2007，291（1/2）：93-107.
9	李宁，周海，任珩，等.不同地下水位处梭梭（Haloxylon ammodendron）水分来源特征［J］.中国沙漠，2021，41（4）：79-86.
10	周海.河西走廊绿洲边缘典型荒漠灌木根系分布特征及其水分利用策略［D］.北京：中国科学院大学，2016.
11	徐庆，刘世荣，安树青，等.川西亚高山暗针叶林降水分配过程中氧稳定同位素特征［J］.植物生态学报，2006（1）：83-89.
12	赵国琴，李小雁，吴华武，等.青海湖流域具鳞水柏枝植物水分利用氢同位素示踪研究［J］.植物生态学报，2013，37（12）：1091-1100.
13	赵良菊，肖洪浪，程国栋，等.黑河下游河岸林植物水分来源初步研究［J］.地球学报，2008，29（6）：709-718.
14	庄艳丽，赵文智.临泽荒漠绿洲湿地植物生态系列及其物种多样性研究［J］.湿地科学，2014，12（4）：477-484.
15	张锋，李自珍，惠苍.中国湿地物种多样性与生境面积关系及其生态学机理的模拟研究［J］.西北植物学报，2004（3）：392-396.
16	李小燕.黑河流域湿地典型植物群落的物种多样性［J］.草业科学，2012，29（9）：1335-1339.
17	Donald L P， Jillian W G.Source partitioning using stable isotopes： coping with too many sources［J］.Oecologia，2003，136（2）：261-269.
18	Li D F， Gao G Y， Lü Y H，et al.Multi-scale variability of soil carbon and nitrogen in the middle reaches of the Heihe River basin， northwestern China［J］.Catena，2016，137：328-339.
19	孟阳阳，刘冰，刘婵.荒漠绿洲湿地土壤水热盐动态过程及其影响机制［J］.中国沙漠，2019，39（1）：149-160.
20	Zhao L J， Xiao H L， Zhou M X，et al.Factors controlling spatial and seasonal distributions of precipitation δ ¹⁸O in China［J］.Hydrological Processes，2012，26（1）：143-152.
21	孟玉川，刘国东.长江流域降水稳定同位素的云下二次蒸发效应［J］.水科学进展，2010，21（3）：327-334.
22	李海涛.白皮沙拐枣（Calligonum leucocladum）根系与环境关系的初步研究［J］.新疆农业大学学报，1996，19（1）：56-61，72-72.
23	陈亚宁，李卫红，陈亚鹏，等.新疆塔里木河下游断流河道输水与生态恢复［J］.生态学报，2007（2）：538-545.
24	王希义，徐海量，潘存德，等.塔里木河下游优势草本植物与地下水埋深的关系［J］.中国沙漠，2016，36（1）：216-224.
25	罗维成，曾凡江，刘波，等.疏叶骆驼刺母株与子株间的水分整合［J］.植物生态学报，2013，37（2）：164-172.
26	周海，郑新军，唐立松，等.准噶尔盆地东南缘多枝柽柳、白刺和红砂水分来源的异同［J］.植物生态学报，2013，37（7）：665-673.
27	马迎宾，张蓓蓓，徐庆，等.绍兴淡水湿地人工林优势树种水分利用策略［J］.林业科学，2019，55（12）：140-150.
28	巩国丽，陈辉，段德玉.利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较［J］.生态学报，2011，31（24）：7533-7541.
29	Ohte N， Koba K， Yoshikawa K，et al.Water utilization of natural and planted trees in the semiarid desert of Inner Mongolia，China［J］.Ecological Applications，2003，13（2）：337-351.
30	Saha A K， Sternberg L D S O， Ross M S，et al.Water source utilization and foliar nutrient status differs between upland and flooded plant communities in wetland tree islands［J］.Wetlands Ecology & Management，2010，18（3）：343-355.
31	赵文智，吉喜斌，刘鹄.蒸散发观测研究进展及绿洲蒸散研究展望［J］.干旱区研究，2011，28（3）：463-470.
32	林光辉.稳定同位素生态学［M］.北京：高等教育出版社，2013：18-19.
33	朱建佳，陈辉，邢星，等.柴达木盆地荒漠植物水分来源定量研究：以格尔木样区为例［J］.地理研究，2015，34（2）：285-292.
34	褚建民.干旱区植物的水分选择性利用研究［D］.北京：中国林业科学研究院，2007.
35	刘树宝，陈亚宁，李卫红，等.黑河下游不同林龄胡杨水分来源的D、δ ¹⁸O同位素示踪［J］.干旱区地理，2014，37（5）：988-995.
36	孟阳阳，刘冰，刘婵.水盐梯度下湿地柽柳（Tamarix ramosissima）光合响应特征和水分利用效率［J］.中国沙漠，2018，38（3）：568-577.
37	李亚飞，于静洁，陆凯，等.额济纳三角洲胡杨和多枝柽柳水分来源解析［J］.植物生态学报，2017，41（5）：519-528.
38	林欢，许秀丽，张奇.鄱阳湖典型洲滩湿地水分补排关系［J］.湖泊科学，2017，29（1）：160-175.
39	尹力，赵良菊，阮云峰，等.黑河下游典型生态系统水分补给源及优势植物水分来源研究［J］.冰川冻土，2012，34（6）：1478-1486.
40	Zhang X， Xiao Y， Wan H，et al.Using stable hydrogen and oxygen isotopes to study water movement in soil-plant-atmosphere continuum at Poyang Lake wetland，China［J］.Wetlands Ecology and Management，2017，25（2）：1-14.
41	段德玉，欧阳华.稳定氢氧同位素在定量区分植物水分利用来源中的应用［J］.生态环境，2007（2）：655-660.
42	余绍文，孙自永，周爱国，等.用D、δ ¹⁸O同位素确定黑河中游戈壁地区植物水分来源［J］.中国沙漠，2012，32（3）：717-723.

[1]	李宁, 周海, 任珩, 种培芳, 陈国鹏. 不同地下水位处梭梭（*Haloxylon ammodendron*）水分来源特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 79-86.
[2]	孟阳阳, 刘冰, 刘婵. 荒漠绿洲湿地土壤水热盐动态过程及其影响机制[J]. 中国沙漠, 2019, 39(1): 149-160.
[3]	傅思华, 胡顺军, 李浩, 王泽锋. 古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落优势植物水分来源[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 1024-1032.
[4]	孟阳阳, 刘冰, 刘婵. 水盐梯度下湿地柽柳(Tamarix ramosissima)光合响应特征和水分利用效率[J]. 中国沙漠, 2018, 38(3): 568-577.
[5]	王玉阳, 陈亚鹏, 李卫红, 王日照, 周莹莹, 张建鹏. 塔里木河下游典型荒漠河岸植物水分来源[J]. 中国沙漠, 2017, 37(6): 1150-1157.
[6]	冯芳, 冯起, 刘贤德, 刘蔚, 金爽. 祁连山排露沟流域降水δ¹⁸O和δD特征及水汽来源[J]. 中国沙漠, 2017, 37(5): 997-1005.
[7]	朱雅娟, 赵雪彬, 刘艳书, 李蕴, 范文秀. 青海共和盆地沙柳(Salix psammophila)和乌柳(Salix cheilophila)的水分利用过程[J]. 中国沙漠, 2017, 37(2): 281-287.
[8]	周天河, 赵成义, 吴桂林, 蒋少伟, 俞永祥, 王丹丹. 塔里木河上游胡杨（Populus euphratica、柽柳（Tamarix ramosissima）水分来源的稳定同位素示踪[J]. 中国沙漠, 2017, 37(1): 124-131.
[9]	姚俊强, 刘志辉, 郭小云, 王月健, 郑江华, 房世峰. 呼图壁河流域水体氢氧稳定同位素特征及转化关系[J]. 中国沙漠, 2016, 36(5): 1443-1450.
[10]	余绍文, 孙自永, 周爱国, 张溪, 段丽军, 许书刚. 用D、18O同位素确定黑河中游戈壁地区植物水分来源[J]. 中国沙漠, 2012, 32(3): 717-723.
[11]	张华安;王乃昂*;李卓仑;董春雨;陆莹;李贵鹏. 巴丹吉林沙漠东南部湖泊和地下水的氢氧同位素特征[J]. 中国沙漠, 2011, 31(6): 1623-1629.
[12]	谢霞;王宏卫;;塔西甫拉提·特依拜;*. 基于RS和GIS的艾比湖区域景观格局动态变化研究[J]. 中国沙漠, 2010, 30(5): 1166-1173.
[13]	李振山;贺丽敏;王涛. 现代草地沙漠化中自然因素贡献率的确定方法[J]. 中国沙漠, 2006, 26(5): 687-692.
[14]	张春来, 董光荣, 邹学勇, 程宏, 杨硕. 青海贵南草原沙漠化影响因子的贡献率[J]. 中国沙漠, 2005, 25(4): 511-518.