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干旱区地表水资源分布极端不均,绝大多数的地表水都集中在少数内陆河中,使内陆河沿岸成为绿洲的主要分布区,在内陆河沿岸,距河道越远,河水-地下水作用强度越弱,地下水埋藏越深,土壤水分含量减小,空气相对湿度降低,形成了一个天然的水分梯度带,即离河道距离越大,可利用水分越少。受这一水分梯度带的控制,垂直河道方向上常形成了河岸带生态系统、绿洲生态系统和荒漠生态系统的分带。
随干旱地区人口增加和社会经济发展,人类生活生产用水量急剧增长,引发了与生态用水之间的矛盾,造成了荒漠生态系统的扩张和河岸、绿洲生态系统的退化,严重制约着内陆干旱区经济的可持续发展。
为实现我国西北干旱区社会经济的可持续发展,必须对水资源进行合理的配置,其中的关键是生态用水配置方案的确定。植被是生态用水的对象,如何保证这些生态用水能被植物有效利用,取决于放水方式与植物的水分利用方式是否契合,只有准确辨识不同生态系统中的植被所需水分的来源(降雨、河水、地下水、土壤水等)、需水的时间分布特征以及同一生态系统中不同物种间水分利用和竞争关系,才能保证生态用水配置方案的科学有效。
在以上背景条件下,本论文以具有代表性的黑河中游临泽地区为研究区,选取水分梯度带上不同生境内优势种植物(红柳、花棒、梭梭、泡泡刺和红砂),利用稳定氢氧同位素示踪技术,判断植物根系主要吸水层位,结合土壤剖面含水量、土壤水势变化特征,分析不同深度土壤水分的来源,进而确定植物的水分来源,并进一步分析植物对不同水源的依赖性、水分梯度带上植物水分利用的差异以及植物对水分利用的季节性变化。主要研究结果如下:
1.植物可利用水源的D、18O同位素特征
(1)降雨
降雨的δD、δ18O值具有明显的季节性变化:其中,2008年雨季降雨的同位素组成大部分落在LMWL上,其δD-δ18O关系线与LMWL接近,略低于GMWL,其截距也与LMWL接近,表明其水汽应来源于海洋,属于季风性降雨;旱季降雨的同位素组成落在LMWL的偏左上方,其δD-δ18O关系线的斜率远远低于LMWL和GMWL,截距则远大于LMWL,除表明降雨过程中经历了蒸发富集效应外,还表明其水汽可能源于当地地表水与地下水的蒸发及植物叶片的蒸腾。在2009年的观测中也发现降雨同位素组成具有季节性变化,旱季时(6-7月)降雨的δD-δ18O关系线斜率远远低于LMWL和GMWL,也远低于雨季时(8-9月)的δD-δ18O关系线,说明旱季降雨经历了强烈的蒸发富集,并有蒸散发水的混入。
河岸、绿洲和戈壁三个观测点的降雨次数、总降雨量和降雨水的δD、δ18O平均值存在着显著的梯度变化:由河岸向绿洲再向戈壁逐渐递减。由于河岸带—绿洲—戈壁的梯度上对应着地表水蒸发量、地下水埋深和蒸发量及植物盖度和蒸腾量的递减,这也从侧面证明了地表水、地下水的蒸发和植物的蒸腾可能是研究区降雨的重要水汽来源。
此外,自河岸—绿洲—戈壁,夏季降雨的δD-δ18O关系线也存在着明显的梯度变化。其斜率和截距都逐渐增大。三个点的斜率都小当地大气降水线,表明三个点的降雨都经历过蒸发富集,斜率的逐渐增人则表明三者水汽来源的组成存在着一定的差异,截距增大则表明,从河岸至绿洲再到戈壁,降雨所经历的蒸发富集效应逐渐增强。
(2)河水
在观测期间,河水的D、18O同位素组成随季节发生变化。旱季,河水的δD、δ18O呈现增大趋势,一方面是因为河水属于开放性水体,经历了较强的蒸发作用,引起重同位素富集,另一方面是冈为有同位素组成偏正的降雨水补给或上游水库放水;进入雨季后,河水的δD、δ18O的变化与降雨水的δD、δ18O值早现正相关,表明河水主要是接受降雨的补给。
(3)地下水
河岸带观测点的地下水位受河水的涨落的影响较显著。地下水D、18O同位素组成随季节发生变化:旱季,河岸带地下水同位素组成较河水偏负,表明旱季期间的地下水可能是来源于前一年度的冬季雨雪水的入渗补给,或上游的冰川融水:进入雨季后,地下水D、18O同位素组成显著增大,与河水的D、18O同位素组成接近,又因为期间的降雨同位素组成偏正,且河岸带包气带较薄,因此河水和降雨的入渗补给导致地下水氢氧同位素组成增大。
2.植物水分利用模式
(1)植物根系吸水层位及其水分来源
通过对比植物茎干水和不同深度士壤水的δD、δ18O值,结合土壤剖面含水量和水势变化特征,发现:在河岸带,2008年早季,红柳主要是利用20-30cm深度范围的十壤水,这部分水分来源于近期降雨入渗补给;雨季,红柳主要是利用85cm左右深度范围内的土壤水。这部分水分来源于潜水毛细上升或蒸发补给;2009年旱季,红柳主要是利用75cm左右深度范围内的土壤水,这部分水分来源于潜水的补给;雨季,红柳主要是利用70-80cm深度范围的土壤水,这部分水分来源于潜水的补给。
在绿洲观测点,2008年旱季,沙丘顶部红柳、花棒主要是利用185cm左右深部范围的土壤水,梭梭则利用更深层的土壤水(＞185cm),这部分水分来源于潜水补给:沙丘底部红柳主要是利用深部十壤水(＞185cm),这部分水分主要来源于潜水补给,花棒主要是利用110-185cm深度范围土壤水,这部分水分主要来源于潜水,或混有前期较大的降雨水;2009年旱季,沙丘底部红柳、花棒主要是利用120-150cm深度范围的土壤水,这个范围内水分主要由潜水补给;雨季,这两种植物主要是利用80-175cm深度范围内的土壤水,这个范围内上层水分主要由前期降雨叠加补给,下层主要接受潜水补给。
在戈壁观测点,2008年旱季,泡泡刺和红砂都是利用较深层的土壤水(远大于185cm),这部分水分主要是由潜水蒸发补给:2009年旱季,泡泡刺和红砂主要是利用深部土壤水(＞175cm),这部分水分主要来源于潜水蒸发补给;红砂还利用到了5-10cm深度范围的浅层土壤水,这部分水分可能来源于土壤吸附水补给;雨季,泡泡刺主要利用150-175cm深度范围内的土壤水,这部分水分主要来源于潜水蒸发,红砂主要利用浅层40cm左右深度范围的土壤水,这部分水分来源于近期的降雨水入渗补给。
(2)植物对不同水源的依赖性
河岸带优势种植物红柳的茎干水与河水、地下水同位素组成存在较大差异,表明红柳并不是直接吸收利用河水和地下水。由于河岸带包气带厚度较薄,土壤中水分含量较高,河岸带优势种植物红柳以吸收某一深度范围的土壤水为主,其吸水层位受地下水位的影响:地下水位高,红柳根系吸收利用较浅深度的土壤水,地下水位低,红柳吸收利用较深部的土壤水,表明红柳较依赖于河水。
绿洲观测点的红柳、花棒和梭梭,以及戈壁观测点的泡泡刺、红砂,主要是依赖深部由地下水毛细上升或蒸发补给的土壤水。表明这些耐旱或超耐旱的多年生灌木或小乔木,为维持自身的跨季节生长和多年生存,在地下水这种稳定水源可以获取的情况下,这些植物会优先选择利用地下水,而非极不稳定、偶尔才会发生的高强度降雨。
当气候条件适宜土壤吸附水(凝结水的一种常见形式)发生时,戈壁上的红砂可以利用凝结水补给的浅层土壤水,以应对干旱气候。
(3)空间上植物水分利用的差异
河岸带红柳因靠近黑河,土壤中的水分含量充足,长势较好,无水分胁迫影响;而生长于绿洲内的红柳,其吸水层位与花棒、梭梭相近,都是以吸收深层土壤水为主,存在水分竞争。
相对于生长在绿洲内沙丘顶部的花棒,沙丘底部花棒的吸水层位较浅,这与沙丘底部潜水埋深较顶部浅,能获得潜水补给的层位也较顶部浅有关。
戈壁地区因潜水埋深超过10米,红柳、花棒和梭梭无法生存。而泡泡刺和红砂因具备发达的根系、高度发育的贮水组织、较小的蒸腾量等超耐旱生理特征,成为戈壁地区的优势种。在无降雨入渗影响下,泡泡刺和红砂的吸水层位远大于其他三种植物。
(4)植物水分利用的季节性变化
降雨的季节性变化,直接影响植物水分代谢的各环节,导致优势种植物的水分利用方式也随之发生变化。通过对比同种植物、不同季节的水分利用情况,发现:
在旱季,生长于绿洲内的红柳、花棒和梭梭主要是利用深层土壤水(≥185cm),进入雨季后,因不同植物根系分布的不相同,这三种植物的吸水层位均有不同程度的提升,其中,水平根系发达的花棒吸水层位变化最大(上升至110-130cm范围),梭梭的变化次之(上升至160cm左右),红柳的吸水层位变化最小(上升至175cm左右)。
生长于戈壁的泡泡刺和红砂,在旱季是主要利用深层土壤水(＞185cm)。泡泡刺吸水层位大于红砂,而红砂还可以利用到凝结水补给的浅层土壤水。进入雨季后,泡泡刺的吸水层位上升至150-175cm,红砂则以吸收利用40cm左右深度的土壤水。植物吸水层位的大幅变化,表明了这两种超早生植物对降雨时间的响应较敏感。