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GEOGRAPHICAL RESEARCH >

2015 , Vol. 34 >Issue 2: 285 - 292

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201502008

Orginal Article

Quantification analysis of water sources of desert plants in Qaidam Basin: A case study of Golmud plot

  • ZHU Jianjia , 1, 2, 3 ,
  • CHEN Hui , 1 ,
  • XING Xing 1 ,
  • CHEN Tongtong 1
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  • 1. College of Resources and Environment Sciences, Hebei Normal University, Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction, Shijiazhuang 050024, China
  • 2. Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2014-07-24

  Request revised date: 2014-11-05

  Online published: 2015-02-10

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《地理研究》编辑部
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Abstract

Arid and semiarid areas account for one-third of the total global land, and vegetation of arid and semiarid areas is crucial for relieving and improving ecological crisis. However, plant growth is often limited by available water supplies in these areas. Understanding water sources and water use patterns of desert plants contributes to provide theoretical basis for improving eco-environment of arid and semiarid areas. Plants with different life forms absorb water from different sources. When plant water sources were reduced, plant growth and distribution will be accordingly changed. Therefore, research of plant water sources will help us to figure out the spatio-temporal patterns and dynamics of plants under the background of global change. In this study, four kinds of dominant desert shrubs in Golmud plot: Calligonum mongolicum, Sympegma regelii, Ceratoides latens and Ephedra przewalskii were selected as study materials. The technique of stable hydrogen and oxygen isotopes (δD and δ18D) was applied to quantitatively analyze and investigate the water sources of the four typical kinds of desert plants. On the premise that precipitation, river water, groundwater and soil water were separate factors that cannot be mutely transformed, the IsoSource model was used to calculate probable contributions of potential water sources to total plant water uptake of each sampling time in growing seasons. Results showed that: (1) The typical desert plants in the Qaidam Basin could absorb all kinds of water (river water, groundwater, rainfall and soil water etc,), while the major water source was soil water. (2) The water use patterns were diverse for different desert plants: Ceratoides latens, Ephedra przewalskii and Calligonum mongolicum mainly absorbed deep soil water and groundwater, but Sympegma regelii used soil water as their main water source. (3) The water use pattern of plants varied with time. At the beginning of growth season, all kinds of plants in Golmud mainly absorbed seasonal runoff and groundwater; In the mid-to-late period of growth season, Sympegma regelii mainly absorbed shallow soil water, while the three other desert plants such as Ceratoides latens, Ephedra przewalskii and Calligonum mongolicum mainly made the deep soil water and groundwater as their main sources of water.

Key words： stable hydrogen and oxygen isotopes; plant water sources; Qaidam Basin

Cite this article

ZHU Jianjia , CHEN Hui , XING Xing , CHEN Tongtong . Quantification analysis of water sources of desert plants in Qaidam Basin: A case study of Golmud plot[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2015 , 34(2) : 285 -292 . DOI: 10.11821/dlyj201502008

1 引言

全球干旱半干旱区域面积约占陆地总面积的三分之一,近百年来,气候变暖使得中纬度地区的干旱半干旱区范围不断扩大[1,2]。水分是干旱区植物生长的限制因子,在全球变暖的大背景下,要预测未来气候变化情景下植被格局的变化趋势,首先便要明晰干旱区植物的水分来源和水分利用方式。研究水分来源的传统方法为全根系挖掘法,根据植物根系的分布特征粗略判断植物吸水深度[3]。通过植物光合速率、蒸腾速率、植物水势等植物体水分指标特征的变化,以及植物叶片气孔导度或植物水势的季节性变化,一定程度上也可以判断植物的水分来源[4,5]。此外,土壤含水量、土壤水势、土壤盐度等对确定植物水分来源也起着重要的辅助作用。但以上方法研究植物水分来源只是停留在定性阶段,并且存在一些缺陷和不足。例如利用根系分布判断水源需要不同季节分别挖掘,可行性较差,尤其是在生态系统较脆弱的干旱区,根系挖掘对环境破坏严重;植物水势等水分指标更多关注的是植物生长的生理过程,同样不能定量分析植物的水分来源。随着稳定同位素技术在生态学上的广泛应用,研究发现水分被根吸收至植物茎的过程中不发生同位素分馏[6];此外,植物所能利用的水分主要来自降水、土壤水、径流和地下水等,这些水“库”受多种因素影响,具有不同的氢氧同位素特征[7]。上述分析表明,利用稳定氢氧同位素方法研究植物水分来源具有很大优势。通过测定植物水和各潜在水源的氢氧同位素值,借助同位素模型,可以计算出植物对各水源的利用比例,使植物水分来源的定量研究成为可能。
稳定同位素技术在确定荒漠、河岸、海岸等不同生态系统以及草本、灌木、乔木等不同生活型的植物水分来源中有着广泛的应用[8]。国内外关于植物水分来源的研究多集中在干旱半干旱区和季节性干旱区,研究内容涉及不同生活型和不同种类植物水分来源、不同降水梯度下植物水分来源的差异、以及植物水分利用随季节的变化等。主要结论包括：在相同的环境条件下,植物水分来源因种类不同而有所差异,不同生活型的植物之间差异更明显。一般认为草本植物主要利用浅层土壤水,而灌木以深层土壤水和地下水为主[9-12];油蒿（Artemisia ordosica）和白刺（Nitraria tangutorum）两种荒漠灌木在降水量较高的地区主要利用浅层土壤水,在降水量相对较低的地区主要利用深层土壤水和地下水[13];乌兰布和沙漠灌木在不同季节利用不同深度的土壤水分[14]。Duan等应用稳定氢氧同位素方法定量分析了青藏高原不同生态系统中植物的水分来源,在柴达木盆地只选择了一种灌木——白刺[15]。除此之外,对于柴达木盆地植物水分来源的研究少见报道。
柴达木盆地位于青藏高原东北部荒漠区,生态系统十分脆弱,对气候和环境变化反应十分敏感[16]。植物水分来源的研究,是预测未来气候情景下柴达木盆地植被格局的基础。本文致力于柴达木盆地优势荒漠植物水分来源定量研究,选取4种典型的地带性荒漠灌木：沙拐枣（Calligonum mongolicum）、合头草（Sympegma regelii）、驼绒藜（Ceratoides latens）和麻黄（Ephedra przewalskii）,测定植物水及其潜在水源（降水、地下水、河水、土壤水）的δD和δ18O,目的是对比同一生境下不同种类植物水分来源的特征,以及根据不同季节植物水及各潜在水源氢氧同位素值的变化,揭示植物水分来源的时间变化规律,以期增进对荒漠植物水分利用策略的认识,为干旱半干旱区生态修复与植被建设提供科学依据。

2 样区选择与研究方法

2.1 样区选择

柴达木盆地东西长约800 km,南北宽约300 km,海拔2600~3100 m,气候干燥,降水稀少,是整个青藏高原上最干旱的地区之一[17,18]。由于降水量自东向西递减,柴达木盆地植被分布存在明显的东西分异,以东部脱土山（香日德农场西侧）—德令哈西侧怀头他拉连线为界,东部属高原温带半干旱荒漠草原,西部为高原温带干旱荒漠。其中西部干旱荒漠区是柴达木盆地的主体,为干旱荒漠灰棕漠土地带,植被主要由超旱生灌木、小半灌木组成[19]。
研究样区设在格尔木市郊,在植被分布调查的基础上,选择物种组成和植被覆盖相对均一且受人类干扰小的区域设立100 m × 100 m的样方（图1）。格尔木市位于柴达木盆地南缘,南邻昆仑山,平均海拔2800 m,属高原大陆性气候,降水稀少且集中在夏季。近50年（1961-2010年）平均气温为5.2℃,年均降水量为43.3 mm,蒸发量高达3000 mm以上。2010年格尔木平均气温为6.8℃,年降水量高达90.8 mm,高于多年平均值。研究样区土壤为灰棕漠土,表层沙化。优势植物为沙拐枣、合头草、驼绒藜和麻黄等荒漠灌丛,植株高度50 cm左右,总盖度约为17%。
Fig. 1 Study area and location of sampling sites in the Qaidam Basin

图1 研究区及采样点在柴达木盆地中的位置

2.2 样品采集

以往研究在1年内大多只进行1~2次采样,很少进行多次连续采样,因此实验结果不能很好地反映真实情况,也不能进行植物水分来源季节变化的研究。为克服这些不足,增加采样次数,在2010年6-9月（植物生长季）,每月15日和30日（第一次采样时间为6月20日,7月9日增加采样一次）同时采集植物茎、分层土壤、地表径流、地下水等样品,降水样品在降雨或降雪过程中采集。
植物茎的采集方法为：选择生长较一致的三株同种植物,每株采集三段4~5 cm长的非绿色枝条,采集的植物种类有：沙拐枣、合头草、驼绒藜和麻黄;分层土壤采用挖取土壤剖面的方法,分别取0~10 cm、10~30 cm、30~50 cm、50~70 cm及70~90 cm等5个不同深度的土壤样品;河水取自样地附近的季节性径流,取样时先搅动表层水,以保证不同水层河水的均匀一致;地下水取自附近井水,根据青海省环境地质勘查局提供的资料,样地附近地下水位约为5 m;降水采用气象站的标准雨量筒,共收集到降水13次。
所有采集的样品均立即装在4 ml玻璃样品瓶中,并用Parafilm封口膜密封,以防止水分发生分馏。植物茎和土壤样品冷冻保存,水样冷藏保存。所有样品取3个平行样。

2.3 同位素值的测定

植物茎和土壤水分采用低温真空蒸馏法提取,提取出的水分与河水、地下水、降水等样品用Picarro L2130-i液态水同位素分析仪进行δD和δ18O的测定。δD的误差为0.100‰,δ18O的误差为0.025‰。Picarro L2130-i液态水同位素分析仪采用稳定同位素红外光谱技术,由于水分抽提过程中容易混入与水分子具有相似光谱吸收峰的甲醇和乙醇等有机物,会引起光谱污染,造成结果的偏差,Picarro ChemCorrect水同位素分析仪数据校验软件能够有效检验出有机物污染。共检验出轻度污染样品15个,重度污染样品46个。无有机污染样品的测定结果用IAEA提供的三个梯度的国际标准样品进行校正;轻度污染样品和重度污染样品在中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心使用稳定同位素质谱仪（MAT-253）重新测定,δD的误差小于1‰,δ18O的误差小于0.1‰,稳定同位素含量为与标准平均海洋水（V-SMOW）的千分比。

2.4 数据分析处理

分层土壤水、河水、地下水、降水等不同潜在水源对植物的贡献率采用多元线性混合模型（IsoSource）计算。该模型通过设置很小的增量（1%或2%）,将所有可能的贡献率组合全部列出,然后与混合水的同位素值进行对比,如果差值小于容差,则认为是可行解[20]。将增量设为1%,容差设为0.01。多元线性混合模型的计算方法如下：
δ M = f A δ A + f B δ B + … + f N δ N （1）
1 = f A + f B + … + f N （2）
式中： δ M 为植物茎抽提水的氢（氧）同位素值, δ N 是第N种水源的氢（氧）同位素值; f N 是第N种水源在植物茎水分中所占的百分比。
格尔木样地所有样品氢同位素值的变化范围为-125.42‰~21.06‰,氧同位素值的范围为-16.23‰~4.06‰。氧同位素值的变化范围相对较小,而且样品测定时氢同位素的实验误差比氧同位素大10倍。因此认为氧同位素较稳定,单独利用δ18O的值来计算不同水源对植物的贡献率会更准确。
降水的同位素值采用加权平均法,将取样前15天的降水作为可能水源,每次降水量作为权重,计算出降水的加权平均值。用一元方差分析中Duncan's multiple range test方法对数据进行多重比较,在0.05水平上检验不同种类植物之间氢氧同位素值差异的显著性,在SPSS 17.0软件中实现。

3 结果分析

3.1 植物水及各水源氢氧同位素组成特征

格尔木样地全部样品δD平均值为-68.30‰±1.85‰（Mean+S.E.,下同）,δ18O平均值为-6.10‰±0.34‰。根据降水样品δD与δ18O建立6-9月大气降水线：δD=7.840δ18O-4.566（R2=0.918,P<0.001）。河水和地下水氢氧同位素值分布在靠近6-9月大气降水线左上方的位置;植物水和土壤水氢氧同位素值大多分布在6-9月大气降水线的右下方,和降水相比明显富集重同位素组分（图2）。
Fig. 2 δD-δ18O plots of precipitation, soil water, river water, groundwater and plant xylem water

图2 植物水及各水源δD和δ18O的关系

植物茎抽提水δ18O的平均值为-6.21‰±0.35‰。驼绒藜（-7.14‰±0.77‰）、沙拐枣（-6.68‰±0.62‰）和麻黄（-6.45‰±0.39‰）的δ18O之间无显著差异,均显著低于合头草的δ18O（-4.57‰±0.69‰）。

3.2 不同种类植物水分来源

应用稳定氢氧同位素技术进行水分来源研究,前提条件是不同水源之间同位素值的差异大于实验误差[21]。格尔木样地植物可利用的水源有季节性径流（河水）、地下水、降水和土壤水,各水源相互之间的氢氧同位素差值均大于实验误差,而且假设降水、河水、地下水和土壤水是相对独立的水源,因此可以进一步定量分析植物对各水源的利用情况。
格尔木样地的四种植物水分来源不完全相同,驼绒藜、麻黄和沙拐枣主要利用地下水、河水、土壤水;合头草的主要水源是土壤水和河水;降水对四种植物的贡献率平均约为10%。驼绒藜吸收土壤水的深度集中在50~70 cm处,合头草集中在0~30 cm处,沙拐枣和麻黄对各层土壤水的利用比例大致相同（表1）。
Tab. 1 Percentage of plant water derived from potential water sources in the growing season

表1 不同取样日期各潜在水源对植物的平均贡献率

取样
日期		 植物
种类		 各潜在水分来源对植物的平均贡献率（%）
河水 地下水 降水 0~10 cm土壤水 10~30 cm土壤水 30~50 cm土壤水 50~70 cm土壤水 70~90 cm土壤水
2010/06/20 驼绒藜 90.3 6.8 - 1.3 0.6 0.2 0.3 0.5
合头草 27.4 25.4 - 15.5 10.2 5.4 6.6 9.5
麻黄 23.8 23.0 - 16.8 11.6 6.3 7.6 10.8
沙拐枣 48.6 29.0 - 8.0 4.8 2.3 2.9 4.4
2010/06/30 驼绒藜 20.4 69.0 - 3.1 4.3 3.3 - -
合头草 32.0 48.5 - 5.7 7.8 6.0 - -
麻黄 26.7 25.2 - 14.5 18.6 15.1 - -
沙拐枣 6.7 90.5 - 0.8 1.2 0.8 - -
2010/07/09 驼绒藜 28.0 27.4 3.3 9.0 17.5 5.2 4.0 5.6
合头草 5.4 5.5 23.2 9.1 6.6 15.6 20.5 14.1
麻黄 16.2 16.2 7.4 14.2 16.2 10.3 8.6 10.9
沙拐枣 11.6 11.6 10.7 14.3 12.9 13.3 11.9 13.7
2010/07/15 驼绒藜 - 23.5 - 11.9 11.9 16.8 16.1 19.8
合头草 - 0.5 - 48.7 43.0 2.8 3.1 1.9
麻黄 - 70.6 - 4.5 4.5 6.5 6.2 7.7
沙拐枣 - 49.3 - 7.8 7.9 11.1 10.7 13.2
2010/07/30 驼绒藜 - 7.5 6.8 27.7 18.1 13.9 11.7 14.3
合头草 - 0 0 98.4 0.4 0.4 0.4 0.4
麻黄 - 6.6 6.0 35.6 16.2 12.4 10.5 12.7
沙拐枣 - 2.6 2.4 72.6 7.2 5.1 4.5 5.6
2010/08/15 驼绒藜 - 14.3 16.3 9.1 17.1 15.9 13.7 13.5
合头草 - 7.6 14.0 20.4 11.7 9.0 18.5 18.9
麻黄 - 26.6 11.9 5.3 15.4 23.2 8.9 8.7
沙拐枣 - 7.4 13.7 21.4 11.4 8.8 18.4 18.9
2010/08/30 驼绒藜 - 28.6 16.7 18.3 7.3 13.0 7.5 8.7
合头草 - 0.2 0.6 0.6 76.7 0.9 17.8 3.1
麻黄 - 7.6 12.5 11.8 17.6 14.7 17.8 18.1
沙拐枣 - 10.1 14.9 14.4 14.1 16.4 14.4 15.7
2010/09/15 驼绒藜 - 0 - 0.1 0.8 0.8 93.7 4.6
合头草 - 5.6 - 5.8 16.6 17.4 28.0 26.7
麻黄 - 4.2 - 4.3 13.5 14.3 34.0 29.7
沙拐枣 - 18.3 - 18.6 17.6 17.4 13.6 14.4
2010/09/30 驼绒藜 - 15.6 12.8 16.4 9.2 13.8 16.2 16.1
合头草 - 10.6 8.0 11.8 23.1 20.0 15.2 11.3
麻黄 - 14.0 11.0 15.1 11.9 16.2 17.1 14.7
沙拐枣 - 12.1 9.2 13.3 16.9 19.0 16.7 12.8

注：贡献率中“-”表示该日期无此水源（如前15天无降水或河水断流等）。

一般认为,不同种类植物水分来源的差异与植物根系分布特征有关,浅根植物主要利用表层土壤水,深根植物主要利用深层土壤水和地下水[22,23]。合头草主根相对较浅,侧根发达;沙拐枣垂直根和水平根都很发达;驼绒藜和麻黄主根粗壮,侧根发育相对较差[24]。褚建民也得出沙拐枣是深根植物,能够直接利用浅层地下水的结论[25]。本研究得出的结果与根系分布特征基本相符,但不完全一致。深根植物驼绒藜、麻黄和沙拐枣主要利用深层土壤水和地下水,但在生长季初期（6月）以河水和地下水为主要水源;浅根植物合头草以土壤水为优势水源。

3.3 植物水分来源随时间的变化

同一种植物在不同的生长阶段水分利用状况不同。在柴达木盆地,植物的水分利用表现出不同程度的时间变化。6月份植物主要利用河水和地下水,麻黄和合头草还利用少量土壤水。7月份,径流水量减少,15日径流消失,植物对河水的利用比例减小。7月9日和15日,驼绒藜、麻黄和沙拐枣主要利用地下水和较深层土壤水,合头草利用土壤水;7月30日四种植物都以0~10 cm土壤水为主要水源。8月份,植物的主要水源是土壤水和降水,驼绒藜、麻黄和沙拐枣还利用少量地下水。9月15日,50~70 cm土壤水是驼绒藜、合头草和麻黄最主要的水源,沙拐枣利用地下水和各层土壤水;9月30日合头草主要利用10~50 cm土壤水,其他三种植物同时利用地下水、土壤水和少量降水（表1）。
研究样区的河水由于是季节性径流,不是柴达木盆地植物生长的稳定水源,但在生长季初期对植物生长有较高的贡献率（约35%）,说明柴达木盆地植物除了利用较稳定的土壤水、地下水之外,也会利用季节性径流等不太稳定的水源。驼绒藜、麻黄和沙拐枣在7-9月以深层土壤水为主要水源,一般认为深层土壤水为冬春季降水补给,浅层土壤水为当季降水补给[26,27]。5月下旬至6月前半月,格尔木地区总降水量为41.1 mm,约占全年总降水量的45%。这些降水渗入到土壤中,是植物水分的重要来源。

4 结论与讨论

干旱区植物利用水分的方式有两种：一是利用深根吸收地下水或深层土壤水,二是利用发达的浅层水平根系吸收各层土壤水[28]。此外,还有的植物具有二态性根系,能够更灵活地适应干旱区环境[21]。本研究所选为荒漠地区典型的地带性植物,为旱生、超旱生灌木,在长期干旱环境下,形成了独特的水分利用方式。研究表明,柴达木盆地荒漠植物能够灵活利用包括河水、地下水、降水和土壤水等各种水源,最主要的水源是土壤水。同时还证实了不同种类植物之间水分利用来源存在差异,以及植物利用水分随时间的变化规律。主要结论如下：
（1）格尔木地区的6-9月大气降水线为：δD=7.840δ18O-4.566（R2=0.918,P<0.001）。河水和地下水的氢氧同位素值相对较小,分布在6-9月大气降水线上或靠近大气降水线的左上方;植物水和土壤水明显富集重同位素,大多分布在6-9月大气降水线的右下方。
（2）不同种类植物水分利用方式存在差异：驼绒藜、麻黄和沙拐枣主要利用深层土壤水和地下水,合头草以土壤水为优势水源。
（3）柴达木盆地荒漠植物水分利用随时间变化的规律为：生长季初期（6月份）,河水和地下水对植物的贡献率最高;生长季中后期（7-9月）,合头草主要利用浅层土壤水,其他三种灌木以较深层土壤水和地下水为优势水源。
本研究只考虑了2010年植物生长季的情况,而2010年又是降水相对较多的年份（相当于多年平均值的2倍）。降水量不同直接影响地下水埋深和土壤含水量高低,进而影响植物对水分的利用情况。因此,在不同降水条件的年份,该区域植物水分来源必然会发生相应的变化。对此如何进行定量研究,就需要积累多年的观测数据来进行对比分析,也是下一步工作的重点。在今后的研究中,除了稳定氢氧同位素技术,还应该结合土壤水势、植物叶片水势、蒸腾速率等多种指标综合分析,相互印证,提高结论的可信度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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