基于根系水穩定同位素探究旱柳枝條水與土壤水之間的同位素失配現象

【摘要】

越來越多的野外研究發現了植物莖干水與其潛在水源之間的同位素失配現象。然而，同位素偏移的形成原因尚不清楚，并且不確定它們是發生在根系吸水過程還是在從根部到枝干的水分傳輸過程。因此，該研究以旱柳（Salix matsudana Koidz）為研究對象，通過約每三天一次的采樣頻率測定了土壤−根系−樹木枝條連續體中各組分（如總體土壤水、移動水、地下水、根系水和樹木枝條水）的穩定同位素值（δ²H和δ¹⁸O），結果表明：（1）移動水和總體土壤水的同位素值有明顯的分離，但隨著土層深度的增加，兩者之間同位素值的差異逐漸減小；（2）根系水接近于束縛水的同位素值，但不同于總體土壤水的同位素值。總體土壤水與根系水之間的δ²H和δ¹⁸O 的最大差值分別為−8.6‰ 和−1.8‰；（3）樹木枝條水僅與 100-160 cm深度的根系水同位素值相似，并且在試驗期間保持穩定，表明旱柳始終利用穩定的深層水源。總體上，旱柳枝條水與其潛在水源之間的同位素失配反映了根系水和總體土壤水之間的同位素偏移，這與土壤水的異質性密切相關。該研究揭示了不同移動性的土壤水、根系水和樹木枝條水同位素值之間的關系，有助于加深對根系水分吸收和運輸過程的理解。

【研究區域】

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。

圖1 ：(a) 樣本樹木旱柳（Salix matsudana Koidz）；(b) 張力計，用以提取移動水（白色塑料管）；(c) 旱柳根系挖掘和測量示意圖和 (d) 土壤剖面。

【同位素樣品收集與測定】

該研究收集了20、30、50、100和150 cm 的總體土壤水（bulk soil water）樣品以及張力計法獲得的相同深度的移動水（mobile water）樣品、地下水樣品和旱柳樹木的枝條樣品（trunk water）。并通過土壤剖面的方法收集了20、40、60、80、100、120、140和160 cm 深度的根系樣品（root water）（直徑 > 2 mm）以及相同深度根系周圍的總體土壤水樣品。利用LI-2100全自動真空冷凝抽提系統（北京理加聯合科技有限公司）提取土壤、樹木枝條和根系中的水分，然后測定所有樣品的氫氧同位素值（δ²H 和 δ¹⁸O）。此外，根據測定的總體土壤水和移動水的同位素值計算了土壤中相應深度的束縛水同位素值（less mobile water）。

【結果】

圖2：土壤水、樹木枝條水和根系水的δ ²H 和 δ¹⁸O關系圖。(a) 所有樣品；(b) 不同深度的移動水（mobila water, MW）和地下水（groundwater, GW）；(c) 總體土壤水（bulk soil water, BW）；(d) 束縛水（less mobila water, LMW）；（e）根系水（root water, RW）和（f）枝條水（trunk water, TW）。區域降水線，LMWL, δ²H=5.91+7.67 δ¹⁸O。

圖3：試驗期間（8月3日-9月15日）降水、質量含水量（GWC）以及地下水（GW）、枝條水（TW）、移動水（MW）、總體土壤水（BW）和束縛水（LMW）在不同深度的lc-excess值的動態變化。

圖4：（a, c）不同深度和（b, d）水平距離的根系水（root water）和總體土壤水 (bulk soil water) 的穩定同位素值（δ²H和δ¹⁸O）。

【結論】

在試驗期間（8月3日-9月15日），旱柳樹木枝條水和總體土壤水之間存在同位素偏移。我們通過測定各種移動性的土壤水、根系水和枝條水的穩定同位素值，分析了同位素失配的發生部位及原因。在土壤中，總體土壤水的 lc-excess 值通常低于移動水。隨著土層深度的增加，兩者之間同位素值的差異逐漸減小。在根-土界面，由于根系結構的復雜性和土壤水分的異質性，根系水的同位素值與同一深度的總體土壤水的同位素值并不*匹配。總體土壤水與根系水之間的δ²H和δ¹⁸O 的最大差值分別為−8.6‰ 和−1.8‰。總體而言，束縛水的δ²H和δ¹⁸O值與根系水和枝條木質部水重疊，并且枝條木質部水主要與100-160 cm深度的根系水重疊。這些結果表明，土壤水的異質性引起了根系水和總體土壤水之間的同位素偏移，進而導致了總體土壤水和樹木枝條水之間的同位素失配。該研究所提供的總體土壤水、移動水、束縛水、根系水和樹木枝條水的穩定同位素數據對于分析根區水分的空間異質性和闡明植物使用的水源具有重要價值。