不同土壤水分條件下土壤水與植物莖木質部水的同位素偏差研究

　　【摘要】

　　土壤含水量的時空異質性影響著土壤水和植物莖木質部水的同位素組成。然而，土壤水分條件對廣泛報道的土壤水-植物莖木質部水同位素偏差的影響尚缺乏系統(tǒng)地評估。為此，本研究連續(xù)兩年在兩個土壤水分條件不同的樣地測定了檸條莖木質部水和土壤水的δ₂H和δ₁₈O值（利用全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)LI-2100，北京理加聯(lián)合科技有限公司）提取土壤和植物莖木質部中的水分，然后進行同位素測量）。結果表明，在較濕潤的樣地1，莖木質部水與土壤水在兩年中都表現(xiàn)出明顯的同位素偏差（兩者的重疊率<20%），土壤水-莖木質部水lc-excess差值（Δlc-excess）平均值為10.7‰，莖水SW-excess的平均值為?9.1‰。但在干旱年，莖木質部水與土壤束縛水高度匹配。在土壤含水量相對較低的樣地2，莖木質部水與土壤水在濕潤年發(fā)生同位素偏移，兩者的重疊率為20%，Δlc-excess和SW-excess平均值分別為13.7‰和?11.8‰。有趣的是，在干旱年份，莖木質部水與土壤水同位素的重疊率達到97%。樣地2土壤含水量與Δlc-excess值呈正相關，與SW-excess值呈負相關。本研究表明土壤束縛水與檸條莖木質部水同位素之間較高的匹配度，支持了“兩個水世界”假說。土壤水-植物莖木質部水同位素偏差極有可能與土壤含水量驅動的土壤水同位素異質性密切相關。該研究結果闡明了不同水分條件下植物莖木質部水和土壤水同位素信號的變化，有助于更好地理解植物在異質土壤中如何吸收水分。

　　【研究區(qū)域】

　　該試驗是在中國黃土高原北部六道溝小流域 (38°46′-38°51′N，110°21′-110°23′E)進行。

　　【研究方法】

　　(1) 土壤束縛水同位素的計算

　　本研究中，將張力計在?60 kPa壓力下收集到的水分視為土壤移動水，而壓力值大于?60 kPa時收集到的水分則視為土壤束縛水。在土壤水分特征曲線上，土壤水吸力為60 kPa時對應的土壤含水量被認為是土壤束縛水的最大含水量。土壤水的質量含水量可以通過野外試驗測定。土壤水含水量與土壤束縛水最大含水量的差值為土壤移動水的含水量。最后，根據(jù)實測的土壤水與土壤移動水的同位素值，可以計算出土壤束縛水的同位素值。

　　式中，δLMW 、δBW、δMW分別為土壤束縛水、土壤水和土壤移動水的同位素值，θ_LMW、θ_BW、θ_MW分別為土壤束縛水、土壤水和土壤移動水的土壤含水量。

　　(2) lc-excess值計算

　　按照Landwehr and Coplen（2006）的方法，計算了土壤水和植物莖木質部水的lc-excess值，并利用兩者的差值（Δlc-excess）評估同位素偏差。Δlc-excess值越大，表明植物莖木質部水與土壤水同位素偏差越大。

　　式中，下標“s”代表樣本，a和b分別是區(qū)域降水線LMWL的斜率和截距。

　　(3) SW-excess 值的計算

　　按照Barbeta et al.（2019）的方法，計算了檸條莖木質部水的SW-excess值，用以評估檸條莖木質部水與土壤水同位素之間的偏離程度。若SW-excess為負值，則在δ₂H-δ₁₈O雙同位素圖中莖木質部水位于土壤水的下方。SW-excess值越負，表明檸條莖木質部水與土壤水同位素偏差越大。

　　式中，下標“s”代表檸條莖木質部樣本，abw和bsw分別是2018-2019年每個月份土壤水線的斜率和截距。

　　(4) 重疊面積法評估植物-土壤水同位素偏差

　　利用R軟件中的SIBER（Stable Isotope Bayesian Ellipses）模型計算了植物莖木質部水和土壤水的重疊面積，最后給出兩者的重疊面積與莖木質部水面積的比值（%）。較高的比值意味著植物莖木質部水與土壤水同位素重合度高。

　　【結果】

圖1 研究期間植物水和土壤水δ₁₈O和δ₂H值的標準橢圓（95% 置信區(qū)間）。

圖2 樣地1-2土壤水-莖木質部水分lc-excess差值（Δlc-excess）及莖水SW-excess值。

圖3 不同吸力下土壤水分類型示意圖及樣地1-2水分特征曲線。

圖4 植物水和不同移動性的土壤水δ₁₈O和δ₂H值的標準橢圓（95% 置信區(qū)間）。

圖5 土壤含水量與（a）Δlc-excess和（b）SW-excess的關系。

　　【結論】

　　植物莖木質部水-土壤水同位素偏差是一個復雜的問題，涉及水分提取方法、植物生理和土壤水分動態(tài)等多個方面。前人的研究已經(jīng)為植物莖水同位素異質性、水分提取方法和同位素分餾如何影響同位素偏差提供了令人信服的證據(jù)，但這些影響因素均不能為本研究結果提供合理的解釋。本研究在兩個土壤水分條件不同的采樣點，連續(xù)兩年對灌木種檸條莖木質部水和土壤水進行取樣。結果發(fā)現(xiàn)濕潤樣地（樣地1）在豐水年或干旱年以及干旱樣地（樣地2）在豐水年均發(fā)生了莖水-土壤水同位素偏差，而樣地2在干旱年份，檸條莖木質部水與土壤水在δ₂H-δ₁₈O雙同位素空間上高度重合。此外，樣地1莖木質部水與土壤束縛水同位素趨于一致，進一步支持“兩個水世界”假說。樣地2土壤含水量與Δlc-excess呈正相關，與SW-excess呈負相關。這些研究結果表明，土壤水-植物莖木質部水同位素偏差極有可能與土壤含水量驅動的土壤水同位素異質性密切相關。該研究也提出了一些需要解決的問題。該試驗是在自然條件下進行的，目前的數(shù)據(jù)限制了我們進一步明晰水分提取技術和植物莖水同位素異質性是否會對同位素偏差產(chǎn)生影響。盡管這些解釋并不能完全適用于本研究，但仍然不能排除這些因素對本研究的潛在影響，有必要在未來研究中全面地加以考慮。無論如何，我們的研究有助于更深入地了解植物在不同水分條件下如何利用水分，并有助于預測它們對水文氣候變化的響應。

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