土壤水与植物茎木质部水的同位素偏差研究

不同土壤水分条件下土壤水与植物茎木质部水的同位素偏差研究

　　【摘要】

　　土壤含水量的时空异质性影响着土壤水和植物茎木质部水的同位素组成。然而，土壤水分条件对广泛报道的土壤水-植物茎木质部水同位素偏差的影响尚缺乏系统地评估。为此，本研究连续两年在两个土壤水分条件不同的样地测定了柠条茎木质部水和土壤水的δ₂H和δ₁₈O值（利用全自动真空冷凝抽提系统LI-2100，北京理加联合科技有限公司）提取土壤和植物茎木质部中的水分，然后进行同位素测量）。结果表明，在较湿润的样地1，茎木质部水与土壤水在两年中都表现出明显的同位素偏差（两者的重叠率<20%），土壤水-茎木质部水lc-excess差值（Δlc-excess）平均值为10.7‰，茎水SW-excess的平均值为−9.1‰。但在干旱年，茎木质部水与土壤束缚水高度匹配。在土壤含水量相对较低的样地2，茎木质部水与土壤水在湿润年发生同位素偏移，两者的重叠率为20%，Δlc-excess和SW-excess平均值分别为13.7‰和−11.8‰。有趣的是，在干旱年份，茎木质部水与土壤水同位素的重叠率达到97%。样地2土壤含水量与Δlc-excess值呈正相关，与SW-excess值呈负相关。本研究表明土壤束缚水与柠条茎木质部水同位素之间较高的匹配度，支持了“两个水世界”假说。土壤水-植物茎木质部水同位素偏差极有可能与土壤含水量驱动的土壤水同位素异质性密切相关。该研究结果阐明了不同水分条件下植物茎木质部水和土壤水同位素信号的变化，有助于更好地理解植物在异质土壤中如何吸收水分。

　　【研究区域】

　　该试验是在中国黄土高原北部六道沟小流域 (38°46′-38°51′N，110°21′-110°23′E)进行。

　　【研究方法】

　　(1) 土壤束缚水同位素的计算

　　本研究中，将张力计在−60 kPa压力下收集到的水分视为土壤移动水，而压力值大于−60 kPa时收集到的水分则视为土壤束缚水。在土壤水分特征曲线上，土壤水吸力为60 kPa时对应的土壤含水量被认为是土壤束缚水的最大含水量。土壤水的质量含水量可以通过野外试验测定。土壤水含水量与土壤束缚水最大含水量的差值为土壤移动水的含水量。最后，根据实测的土壤水与土壤移动水的同位素值，可以计算出土壤束缚水的同位素值。

　　式中，δLMW 、δBW、δMW分别为土壤束缚水、土壤水和土壤移动水的同位素值，θ_LMW、θ_BW、θ_MW分别为土壤束缚水、土壤水和土壤移动水的土壤含水量。

　　(2) lc-excess值计算

　　按照Landwehr and Coplen（2006）的方法，计算了土壤水和植物茎木质部水的lc-excess值，并利用两者的差值（Δlc-excess）评估同位素偏差。Δlc-excess值越大，表明植物茎木质部水与土壤水同位素偏差越大。

　　式中，下标“s”代表样本，a和b分别是区域降水线LMWL的斜率和截距。

　　(3) SW-excess 值的计算

　　按照Barbeta et al.（2019）的方法，计算了柠条茎木质部水的SW-excess值，用以评估柠条茎木质部水与土壤水同位素之间的偏离程度。若SW-excess为负值，则在δ₂H-δ₁₈O双同位素图中茎木质部水位于土壤水的下方。SW-excess值越负，表明柠条茎木质部水与土壤水同位素偏差越大。

　　式中，下标“s”代表柠条茎木质部样本，abw和bsw分别是2018-2019年每个月份土壤水线的斜率和截距。

　　(4) 重叠面积法评估植物-土壤水同位素偏差

　　利用R软件中的SIBER（Stable Isotope Bayesian Ellipses）模型计算了植物茎木质部水和土壤水的重叠面积，最后给出两者的重叠面积与茎木质部水面积的比值（%）。较高的比值意味着植物茎木质部水与土壤水同位素重合度高。

　　【结果】

图1 研究期间植物水和土壤水δ₁₈O和δ₂H值的标准椭圆（95% 置信区间）。

图2 样地1-2土壤水-茎木质部水分lc-excess差值（Δlc-excess）及茎水SW-excess值。

图3 不同吸力下土壤水分类型示意图及样地1-2水分特征曲线。

图4 植物水和不同移动性的土壤水δ₁₈O和δ₂H值的标准椭圆（95% 置信区间）。

图5 土壤含水量与（a）Δlc-excess和（b）SW-excess的关系。

　　【结论】

　　植物茎木质部水-土壤水同位素偏差是一个复杂的问题，涉及水分提取方法、植物生理和土壤水分动态等多个方面。前人的研究已经为植物茎水同位素异质性、水分提取方法和同位素分馏如何影响同位素偏差提供了令人信服的证据，但这些影响因素均不能为本研究结果提供合理的解释。本研究在两个土壤水分条件不同的采样点，连续两年对灌木种柠条茎木质部水和土壤水进行取样。结果发现湿润样地（样地1）在丰水年或干旱年以及干旱样地（样地2）在丰水年均发生了茎水-土壤水同位素偏差，而样地2在干旱年份，柠条茎木质部水与土壤水在δ₂H-δ₁₈O双同位素空间上高度重合。此外，样地1茎木质部水与土壤束缚水同位素趋于一致，进一步支持“两个水世界”假说。样地2土壤含水量与Δlc-excess呈正相关，与SW-excess呈负相关。这些研究结果表明，土壤水-植物茎木质部水同位素偏差极有可能与土壤含水量驱动的土壤水同位素异质性密切相关。该研究也提出了一些需要解决的问题。该试验是在自然条件下进行的，目前的数据限制了我们进一步明晰水分提取技术和植物茎水同位素异质性是否会对同位素偏差产生影响。尽管这些解释并不能完全适用于本研究，但仍然不能排除这些因素对本研究的潜在影响，有必要在未来研究中全面地加以考虑。无论如何，我们的研究有助于更深入地了解植物在不同水分条件下如何利用水分，并有助于预测它们对水文气候变化的响应。

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