梭梭(Haloxylon ammodendron)是我国沙漠化防治工程选用的主要树种之一。人工梭梭林具有多项生态功能，如有效降低风速、阻截流沙和降低气温等(贾志清等, 2008)。自20世纪70年代起，人们在甘肃省的民勤绿洲外围栽植了大面积的梭梭防风固沙林，总面积达3.5万hm² (唐小平等, 2001)。然而，由于地下水位持续下降、栽植密度大和鼠害等原因(王继和等, 2003)，梭梭林大面积退化，退化总面积达2.7万hm² (常兆丰, 2008)。前人研究过甘肃临泽20年生人工梭梭林的土壤水分空间异质性(何智斌等, 2004)、库布齐沙漠幼龄(2~4年生)人工梭梭林的土壤水分动态(格日乐等, 2006)、民勤绿洲边缘不同退化程度(马全林等, 2007)以及不同林龄(朱雅娟等, 2011)梭梭林的土壤含水量、古尔班通古特沙漠南缘沙土和黏土生境中梭梭的光合作用与蒸腾作用对降雨变化的响应与形态调节(邹婷等, 2011)、乌兰布和沙漠东北缘梭梭在不同季节利用的主要水源(朱雅娟等, 2010)，但是对不同林龄梭梭林利用的主要水分来源研究还未见报道。

巴丹吉林沙漠东南缘甘肃省民勤县沙井子地区的人工梭梭林在栽植初期生长良好，5年生人工梭梭林开始发生退化，光合枝的颜色变黄，10年生以上的人工梭梭林枯枝明显增加。本研究利用稳定氧同位素技术，比较梭梭枝条木质部水分与其可能利用的各种潜在水源(包括土壤各层水分、地下水和雨水)水分的稳定氧同位素比率，确定不同林龄的梭梭主要利用的水分来源，并结合土壤含水量和植株形态特征，从水分利用角度分析人工梭梭林的退化原因。

研究区位于甘肃民勤荒漠生态系统定位观测研究站(以下简称民勤站)附近的荒漠或者绿洲和荒漠交错带的梭梭林，系巴丹吉林沙漠东南缘(102° 59′ 05″E，38° 34′ 28″N), 海拔1 378 m。为温带大陆性干旱气候，多年平均气温7.68 ℃；当地的多年平均降水量仅116.2 mm，多集中在夏末和秋初(7—9月)；而多年平均蒸发量高达2 649.8 mm。

选择5个不同林龄的人工梭梭林：2，5和10年生梭梭林位于民勤县薛百乡宋和林场的沙漠中，距离民勤站12 km；20年生梭梭林位于民昌公路(民勤县—金昌市)以西15 km处的沙漠中，距离民勤站9 km；30年生梭梭林位于民勤站以北1 km处的的绿洲与沙漠交错带。不同林龄梭梭林的基本情况见表 1。梭梭人工林均栽植在高大的沙丘上，沙丘高5~15 m，土壤为半固定风沙土。沙丘间的低地分布着不连续的黏土层。梭梭造林时灌溉1次，灌溉量为每棵12.5 L (唐小平等, 2001)，以后依靠天然降雨生存。

表 1 梭梭林概况 Tab.1 Survey of Haloxylon ammodendron plantations

表 1 梭梭林概况 Tab.1 Survey of Haloxylon ammodendron plantations

试验之前，2009年8月在民勤站采集自然降雨的雨水，每次降雨的雨水采集3瓶(8 mL)水样。2009年9月中旬(15，16日)，分别在不同林龄的梭梭林附近采集3口井的井水(代替地下水) (2，5和10年生人工梭梭林附近5 km处宋和村砖厂水井的水位为20.30 m，20年生人工梭梭林附近2 km处沙井子林场灌溉井的水位为22.34 m，30年生人工梭梭林附近1 km处民勤治沙站16号灌溉井的水位为22.18 m)。每口井采集3瓶(8 mL)水样。采集到的水样立即用封口膜密封在8 mL的玻璃样品瓶(德国CNW Technologies GmbH公司)中，放在17 L卫生冷藏箱(北京华夏通商科技发展有限公司)中带回实验室，在4 ℃的冰箱中保存。同时，在每个林龄的梭梭林内挖掘4个土壤剖面，分别用沙土钻(美国AMS公司)采集20，30，50，100，150和200 cm土深处土样。各层的部分土壤立即用封口膜密封在8 mL的玻璃样品瓶中冷藏；部分土壤分别用铝盒带回，用电子天平(0.01 g)测量土壤湿质量，在105 ℃的烘箱中干燥24 h后，测量土壤干质量，计算各层的土壤含水量(%)。在每个植株阳面的中部用枝剪采集1段5 cm长的枝条，除去树皮和韧皮部，保留木质部，立即用封口膜(Parafilm^®，美国Pechiney Plastic Packaging公司)密封在8 mL的透明玻璃样品瓶中冷藏。样品瓶中的土壤和枝条木质部用17 L卫生冷藏箱带回实验室，在-18 ℃冰箱中保存。

土壤和梭梭枝条木质部中的水分通过真空提取。在中国林业科学研究院的稳定同位素比率质谱实验室用Finnigan MAT Delta V advantage质谱仪测量雨水、井水、土壤和枝条木质部水分的稳定氧同位素比率(δ¹⁸O值)。δ¹⁸O=[(R_sam-R_std)/R_std]×1 000‰，R_sam为样品的重轻同位素丰度之比(¹⁸O/¹⁶O)，R_std是国际标准物质(标准平均海水，standard mean ocean water, SMOW)的重轻同位素丰度之比(¹⁸O/¹⁶O) (孙双峰等, 2005)。

在数据分析之前对梭梭的株高、冠幅直径和基部直径进行Ln转换，使之符合方差齐性检验。利用美国环境保护署Donald Phillips开发的Iso-Source 1.3.1软件(下载自http://www.epa.gov/wed/pages/models/stableIsotopes/isosource/isosource.htm)分析梭梭利用不同来源水分的比例。利用SPSS17.0，通过单因素方差分析法(one-way ANOVA)分析林龄对梭梭林的株高、冠幅直径和基部直径的影响是否显著，分析各层土壤水分、井水和梭梭木质部水分之间的δ¹⁸O的差异是否显著，分析梭梭对不同来源水分的利用比例的差异是否显著(P < 0.05)。如果显著，再通过Tukey's检验比较它们之间的差异性。

图 1表明：各林龄梭梭林中的土壤含水量随着土壤深度的变化趋势类似，即表层土壤含水量高于深层。在各林龄的梭梭林中，土壤深度对土壤含水量的影响均达到显著水平(P < 0.05)；2，5和10年生梭梭林中20和30 cm处土壤含水量显著高于50，100，150和200 cm处(P < 0.05)；20年生梭梭林中20，30和50 cm处土壤含水量显著高于100，150和200 cm处(P < 0.05)；30年生梭梭林中20 cm处土壤含水量显著高于100，150和200 cm处(P < 0.05)，30 cm处土壤含水量显著高于150和200 cm处(P < 0.05)。

图 1 2009年9月梭梭林土壤含水量 Fig.1 Soil water content of Haloxylon ammodendron plantation in September, 2009

不同林龄梭梭林中20和30 cm深处土壤水分的δ¹⁸O值与9月5日降雨(7.9 mm)的雨水δ¹⁸O值(5.13‰±0.01‰)比率接近(表 2)，表明雨水补充了表层土壤水分。比较梭梭的枝条木质部水分与土壤各层水分和井水(地下水)的δ¹⁸O值，结果表明：2年生梭梭木质部水分的δ¹⁸O值(2.85‰±0.55‰)与各层土壤水分的δ¹⁸O值接近(P > 0.05)，而与井水的δ¹⁸O值(7.84‰±0.10‰)差异显著(P < 0.05)；5和10年生梭梭木质部水分的δ¹⁸O值(5.00‰±0.22‰, 4.66‰±0.61‰)与20，30，100，150和200 cm处土壤水分以及井水(7.84‰±0.10‰)的δ¹⁸O值接近(P > 0.05)；20年生梭梭木质部水分的δ¹⁸O值(6.60‰±0.61‰)与20，30，150和200 cm处土壤水分以及井水(8.78‰±0.11‰)的δ¹⁸O值接近(P > 0.05)。30年生梭梭木质部水分的δ¹⁸O值(3.98‰±0.15‰)与20，30，100，150和200 cm处土壤水分的δ¹⁸O值接近(P > 0.05)，与井水的δ¹⁸O值(8.84‰±0.10‰)差异显著(P < 0.05) (表 2)。

表 2 2009年9月梭梭林土壤水分稳定氧同位素值比率 Tab.2 The δ¹⁸O value of soil water in Haloxylon ammodendron plantation in September, 2009

表 2 2009年9月梭梭林土壤水分稳定氧同位素值比率 Tab.2 The δ18O value of soil water in Haloxylon ammodendron plantation in September, 2009

Iso-Source软件分析结果表明，随林龄增加(从2到20年)梭梭利用深层土壤水分和地下水(井水)的比例逐渐增加。由表 3可知：2年生梭梭依次主要利用100，20，30，50和200 cm土壤水分；5年生梭梭依次主要利用地下水以及200，150，100和30 cm土壤水分；10年生梭梭依次主要利用地下水以及200，150，30和20 cm土壤水分；20年生梭梭依次主要利用地下水以及200和150 cm土壤水分；30年生梭梭依次主要利用50，100，150，200，30和20 cm土壤水分。

表 3 2009年9月不同林龄梭梭利用各水源的比例(平均值±标准误)^① Tab.3 Water use ratio (mean±SD) of different water source in Haloxylon ammodendron plantation of various ages in September, 2009

表 3 2009年9月不同林龄梭梭利用各水源的比例(平均值±标准误)① Tab.3 Water use ratio (mean±SD) of different water source in Haloxylon ammodendron plantation of various ages in September, 2009

秋季不同林龄人工梭梭林内的土壤含水量变化趋势一致，即浅层20和30 cm处土壤含水量达到5%左右，显著高于深层(150和200 cm)土壤含水量(1%~2%)。梭梭林中土壤浅层水分主要来源于夏季末期和秋季初期的自然降雨。5年生梭梭林100，150和200 cm处含水量低于2年生梭梭林，这可能是梭梭生长后植株的冠幅、高度和基部直径增加，对土壤水分的消耗增多导致的。梭梭幼苗地下部分的最大生长速率早于地上部分(Wei et al., 2007)，这表明梭梭用优先生长根系来适应干旱环境。

随着林龄增加，秋季梭梭对浅层土壤水分的利用比例逐渐降低，而对地下水的利用比例则逐渐增加。例如，2，5，10和20年这4个林龄梭梭对20，30，50，100，150和200 cm土壤的总利用比例分别为0.903，0.696，0.583和0.447，而对地下水的利用比例分别为0.097，0.304，0.417和0.553。综合氧稳定同位素比率和Iso-Source的分析结果，得到各林龄梭梭主要利用的水源如下：2年生梭梭依次主要利用100，20，30，50和200 cm土壤水分；5年生梭梭依次主要利用地下水以及200，150，100和30 cm土壤水分；10年生梭梭依次主要利用地下水以及200，150，30和20 cm土壤水分；20年生梭梭依次主要利用地下水以及200和150 cm土壤水分；30年生梭梭依次主要利用50，100，150，200，30和20 cm土壤水分。这与梭梭林随着林龄增加，其根系逐渐向土壤深层生长有关，因为梭梭为直根系。对其他地区不同林龄梭梭的研究得出了类似的结果。在乌兰布和沙漠东北缘，梭梭在秋末主要利用土壤较深层60~120 cm的土壤水分，到次年夏初则可能利用120 cm以下更深层的土壤水分(朱雅娟等, 2010)。2年生梭梭以20~60 cm根系数量最多，而根系生物量集中分布在0~40 cm (黄勇等, 2009)。自然群落中成熟的梭梭为深根系灌木，其水平根系主要分布在50~100 cm土层(常学向等, 2007)，垂直根系可深达5 m (贾志清等, 2004)。在吉兰泰地区，40年生梭梭的高度为3.7 m，根系长达13.5 m，水平根系集中分布在1 m以内，深度达到5.5 m(当地的地下水位为6 m) (盛晋华等, 2004)。然而，与20年生梭梭林不同的是，秋季30年生梭梭主要吸收20~200 cm处土壤水分，对地下水的利用比例很低，而对20~100 cm土壤水分的利用比例则增加。这需要继续研究30年生梭梭的根系分布，特别是细根的分布特征，来解释该现象。本研究结果表明，秋季2年生梭梭主要利用土壤水分，5年生梭梭开始利用地下水，10和20年生梭梭主要利用地下水。

由于民勤绿洲边缘的地下水水位已降低到20 m以下，梭梭对地下水的利用非常困难。尽管利用稳定氧同位素技术的研究结果表明5，10和20年生梭梭能够利用地下水，但是梭梭对地下水的吸收量可能不足以维持人工林的耗水需求。在巴丹吉林沙漠东南缘，随着林龄增加，梭梭对降雨补充的土壤浅层水分的利用能力降低，而对土壤深层水分与地下水的利用又不足以维持其正常生长需要，这可能是人工梭梭林发生大面积退化的一个原因。另外，本研究由于受采样条件的限制，未能采集到2 m以下的土壤样品，梭梭是否吸收地下水还需要研究2 m以下土壤，特别是沙丘下方黏土层土壤水分的稳定氧同位素比率才能确定。今后应根据环境能够提供的可利用水总量及梭梭天然林耗水特征，确定人工梭梭林的合理密度，以维持人工梭梭林的稳定性。