黄土高原地区光热资源丰富、昼夜温差大, 是世界上最大的苹果(Malus pumila)连片栽植区, 目前仅陕西省苹果栽植面积已超过73.3万hm², 产量超过1 100万t。该区地下水位埋藏较深, 无法对苹果园土壤水分形成有效补给, 灌溉条件差, 使得降雨成为果树最主要的水分来源。然而, 北部的黄土丘陵区处于半干旱气候区, 降雨量少且季节分布不均, 干旱成为制约黄土高原苹果产业可持续发展的主要限制因子(Liu et al., 2014)。研究表明, 黄土高原正向暖干化趋势发展(张宝庆等, 2012), 未来干旱程度可能进一步加剧, 因此探明不同树龄苹果树土壤水分利用来源的季节变化规律对该区苹果园的可持续发展具有重要意义。

稳定同位素技术具有灵敏性好、准确度高、破坏性低等优点被广泛应用于农业、生态学等领域研究中(巩国丽等, 2011; 赵西宁等, 2018), 成为一种先进的植物水源分析方法。水分从根部吸收到向茎部的运输过程中不会发生同位素分馏作用(盐生和旱生植物除外)(Dawson et al., 1991; Dawson et al., 2002)。因此, 通过比较植物茎干分与各潜在水源的同位素组成可推测其主要水分来源(吕婷等, 2017; 朱亚娟等, 2017; 张欢等, 2018), 再结合模型可进一步量化植物对各水分来源的利用比例(刘自强等, 2016; 2017; Wu et al., 2018)。但是随着深度增加, 蒸发作用影响逐渐减弱, 深层土壤水中的同位素值变化较小(程立平等, 2012), 利用天然同位素难以准确判断深层土壤水对植物生长的贡献情况, 而人工同位素标记技术通过增加深层土壤中的同位素丰度为植物吸收利用深层水分提供直接证据(Beyer et al., 2016)。

黄土丘陵区苹果盛果期可以从10龄持续到25龄左右, 剖面土壤水分随树龄增加而逐年降低(Wang et al., 2012), 最终导致果树水分利用来源发生变化。本研究将天然氢稳定同位素和氘同位素人工标记技术相结合, 研究盛果期不同树龄苹果树土壤水分利用来源的季节变化, 探讨其水分利用策略, 为黄土丘陵区盛果期苹果园田间水分管理提供参考。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于延安市宝塔区河庄坪镇万庄村(36°11′—37°09′N, 109°21′—110°03′E)。该区为典型的黄土丘陵沟壑区, 属半干旱区, 有显著的暖温带大陆性季风气候, 多年平均降水量为536.9 mm, 时空分布不均, 70%以上集中在6—9月份。试验地光热资源丰富, 光照时间长, 光能有效辐射大, 多年平均日照时数2 418 h。土壤质地为黄绵土, 土质疏松, 入渗能力强; 土层深厚, 地下水位低, 无法被果树吸收利用。

2016年研究区5—10月总降水量421.6 mm, 主要集中在6—9月, 接近多年平均水平。其中, 5月、7月和9月降雨量分别为42.5、138.1和74.1 mm。

1.2 试验材料和试验设计

在研究区选取具有代表性的10、15、22龄的3个苹果园, 供试树种均为红富士苹果。3个果园为同一农户, 果树生长健壮, 树势整齐, 生产管理措施基本一致, 树形为自由纺锤形, 株行距为4 m×5 m。在3个果园中随机选取8株冠幅、胸径、树高相近的苹果树, 试验果树基本情况如表 1所示。

1.3 试验方法 1.3.1 样品采集

1) 天然同位素样品的采集  按苹果生育期进行采样, 分别于2016年5月21日(开花坐果期)、7月26日(果实膨大期)、9月25日(着色成熟期)采样。采用土钻法在距离树干50 cm处取土壤样品, 取样深度为3 m(分0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~120、120~160、160~200、200~240、240~280和280~300 cm共11层), 每层取3个重复。所采集土壤样品分为2部分, 一部分装入塑料瓶, 用封口膜双层密封, 低温冷冻保存(-20 ℃); 一部分装入铝盒, 利用烘干法测其含水量。在苹果树向阳一侧选取叶片较多的栓化枝条3段, 取其木质部, 分别装入3个15 mL玻璃瓶中, 用封口膜双层密封, 低温冷冻保存(-20 ℃)。

2) 人工标记同位素样品的采集  标记试验的前1天, 采用土钻法在树下钻取4 m深的孔洞。采用4 m长PVC管作为标记液引流管, 将引流管插入孔洞, 上方高出孔洞15 cm防止表层土落入洞内污染标记液, 下方保留15 cm空隙用于接纳标记液。将事先配好的150 mL氘同位素标记液(δD≈20 000‰)倒入孔洞, 取出PVC管, 密封洞口。

5月19日进行第1次标记试验, 分别于5月21日、5月23日、5月26日、7月18日采集标记苹果树木质部样品; 7月26日进行第2次标记试验, 完成后于7月28日、8月2日、8月25日、9月25日采集木质部样。每个样品取3个重复。

1.3.2 水分抽提和同位素分析

土壤和植物样水分抽提采用低温真空抽提法(Li-2000, 土壤-植物水分真空抽提系统)进行抽提, 加热温度设定为95 ℃, 土壤样和植物样分别抽提105和140 min。提取的水分装入玻璃瓶, 用封口膜双层密封, 低温(4 ℃)保存。植物水和土壤水同位素分析分别在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室和兰州大学西部环境教育部重点实验室进行, δD的测量精度为±0.1‰, δ¹⁸O的测量精度为±0.025‰。

1.4 数据分析

利用基于质量平衡的贝叶斯模型(MixSIR 1.0.4)计算分析植物对不同水源的利用比例, 该模型集合了多种不确定来源(同位素特征的变异性、同位素分馏等), 使模型估计结果更科学准确(Moore et al., 2008)。为了方便模型计算, 将剖面土壤水划分为浅层(0~40 cm)、中层(40~160 cm)和深层(160~300 cm)3个潜在水分来源, 代入贝叶斯模型来计算植物对3个潜在水源的利用比例。

采用Excel 2010和SPSS 22.0对数据进行整理分析, 利用Origin 2016作图。

2 结果与分析 2.1 土壤含水量和土壤水δD特征

土壤水分的时间和空间异质性不仅与降水入渗和地表蒸发有关, 还与植物根系吸水密切相关(王军等, 2002)。3个树龄苹果园土壤水分随时间和深度变化明显(图 1A、1B、1C)。3个树龄在5月21日和9月25日土壤水分均表现出垂直变化, 波动较小; 受降水入渗及地表强烈蒸发的共同影响, 7月26日3个树龄苹果树土壤水分均表现为浅层低, 中层高, 深层低的分布特征。受降水同位素值和蒸发富集的双重影响(图 1D、1E、1F), 3个树龄苹果树浅层(0~40 cm)土壤水δD值高度变化, 尤其在比较干旱的5月21日, δD值分别高达-17.47‰、-17.59‰、-20.27‰; 不同生育期之间差异显著, 均表现为开花坐果期>着色成熟期>果实膨大期; 40 cm土层以下, 3个树龄苹果树土壤水δD值呈现相似的变化趋势, 随采样深度的增加逐渐降低, 最终分别保持在-67.85‰~-67.59‰、-71.32‰~ -67.36‰、-72.30‰~-69.43‰范围内, 生育期之间无显著差异。

2.2 苹果树木质部氢同位素与土壤水分来源

对比分析苹果树木质部水与各潜在水分来源δD值(表 2), 可以发现3个树龄苹果树生育期内木质部水δD值波动明显, 表明生育期内3个树龄苹果树的主要水分来源不断变化。生育期内苹果树木质部δD值在浅层(0~40 cm)、中层(40~160 cm)、深层(160~300 cm)3个土层之间变化, 表明果树根系可以从3个土层吸收利用土壤水分, 不同生育期利用比例有所不同。木质部水δD值随采样时间而变化, 3个树龄苹果树木质部水δD值均呈现先减后增的特点。

利用MixSIR模型计算3个土层土壤水潜在水源对苹果树木质部水的贡献度。从MixSIR分析结果(图 2)可以看出:10龄苹果树根系吸水模式具有较强的可塑性, 生育期内主要水分来源为5月21日的中层(40~160 cm)、深层(160~300 cm)土壤水(利用比例高达88.9%), 7月26日的转为深层土壤水(66.3%), 至9月25日水分来源以浅层(0~40 cm)土壤水为主(57.9%)。15龄苹果树在5月21日、7月26日主要水分来源均以中层土壤水为主(74.2%、70.2%); 而在9月25日则主要吸收利用浅层土壤水(59.3%)。22龄苹果树整个生育期均主要吸收利用浅、中层土壤水(利用比例分别为74.34%、86.07%、87.77%), 深层土壤水利用比例逐渐降低。

2.3 标记苹果树木质部水氘同位素

标记苹果树木质部水氘同位素浓度变化过程, 可以反映出苹果树对标记土层土壤水的利用情况。由表 3可知, 5月21日22龄标记苹果树木质部样品中δD值显著升高, 表明该时期苹果树可以立即使用4 m土层土壤水。之后苹果树进一步吸收该土层土壤水, δD值于5月26日达到峰值(-45.2‰)。相比之下, 5月21日和5月23日10龄、15龄标记苹果树木质部样品中均未发现人工标记物存在, 而5月26日木质部δD值显著增加, 表明苹果树吸收利用了该土层土壤水。7月26日3个树龄苹果树木质部δD值均恢复到背景值, 与未标记苹果树δD值无显著差异(P>0.05)。土壤中水分运移可能导致标记土层δD值降低, 因此7月26日对标记苹果树进行二次标记。标记完成后1周, 3个树龄标记苹果树δD值均无显著变化, 最终在9月25日再次发现人工标记物存在, 3个树龄标记苹果树木质部δD值均显著高于未标记苹果树(P<0.05)。

3 讨论

土壤水分是黄土丘陵区苹果树生长所需水分的最主要来源, 受降水入渗和地表蒸发的影响, 剖面土壤水δD值存在较为明显的梯度, 因此可以通过各土层土壤水稳定同位素信息来反映木质部水稳定同位素组成。3个树龄苹果树木质部δD值存在明显的季节波动, 表明生育期内苹果树从不同深度土层吸收水分, 其主要水分来源不断变化。

10龄苹果树开花坐果期水分来源以中、深层(40~300 cm)土壤水为主, 这可能是因为研究区春季降水较少, 蒸发强烈, 浅层土壤水有效性降低, 果树只能从中、深层获取水分; 果实膨大期10龄苹果树显著增加了深层(160~300 cm)土壤水分利用比例。尽管由于降雨7月26日研究区浅层(0~40 cm)、中层土壤含水量显著增加, 植物并没有改变其主要水源, 这是由于在经历了长期的干旱环境后, 表层根系可能会发生不可逆栓塞甚至死亡而失去吸水能力, 而深层根系可以立即吸收传导水分(Grossiord et al., 2017)。此外, 孙守家等(2011)对太行山南麓山区栓皮栎(Quercus variabils)根系研究发现, 当降水达到一定阈值时, 表层根系开始形成并吸收土壤水分。着色成熟期10龄苹果树主要水分来源由深变浅, 显著增加了浅层土壤水(0~40 cm)的利用比例, 可能有2个原因:一是降水入渗增加了浅层土壤水的有效性(孙守家等, 2014); 二是土壤水分恢复促进根系的形成, 果树吸水能力增强。在开花坐果期和果实膨大期, 15龄苹果树主要依赖中层(40~160 cm)土壤水, 而着色成熟期转而吸收利用浅层(0~40 cm)土壤水, 这可能与其根系分布及果树生理特性有关, 而根系的分布直接影响植物的吸水过程(Lin et al., 1996)。已有研究表明, 盛果期苹果树超过90%根系集中分布在0~2.0 m土层(孟秦倩等, 2012)。22龄苹果树整个生育期内均主要吸收利用浅、中层(0~160 cm)土壤水, 且深层(160~300 cm)土壤水贡献比例逐渐降低。Wang等(2012)研究发现, 苹果园土壤水分随树龄增加而逐年降低; 本研究中22年苹果园深层土壤含水量极低, 接近凋萎湿度, 难以被果树吸收利用。不同树龄苹果树生育期内主要水分来源不同, 证明其根系吸水模式可塑性较强, 表明苹果树具有较强的水分适应能力。

深层土壤水同位素整体呈现近似垂直分布(图 1), 利用天然同位素难以准确识别植物对于深层土壤水分的利用情况, 而人工同位素示踪技术可以为植物吸收利用深层土壤水提供直接证据。氘化水与水极其相似, 与¹⁸O水相比, 其自然丰度小, 价格更为经济; 而相对氚化水, 氘化水的优势在于性质稳定且无辐射, 被广泛应用于生态水文学研究中(Beyer et al., 2016)。本试验中, 5月26日和9月25日标记苹果树木质部样品中δD值均显著高于未标记植株, 明确含有人工标记物。可能的原因有2种: 1)氘化水倒入的土层(即4 m土层)后被根系吸收并向上运输至木质部。山地苹果树土壤水分的最大利用深度可达5.17 m(孟秦倩等, 2012), 深层根系吸水效率很高(Canadell et al., 1996)。2)苹果树具有功能性二态根系, 将含有标记液的深层土壤水提升到上层进行重新分配, 被上层根系吸收。标记植株木质部样品中氘同位素的显著增加, 表明果树可以通过吸收利用更深层土壤水分以缓解水分胁迫。

土壤水分是制约黄土高原苹果产业可持续发展的最主要限制因子。朱德兰等(2004)研究发现, 田间持水量的60%~80%为苹果树的最适宜土壤含水量。因此, 只有当果园土壤含水量处于田间持水量的60%(即10.11%)以上时, 才能满足果树的正常生长需求。本研究中, 10龄和15龄苹果树只有开花坐果期土壤含水量低于10.11%, 存在水分亏缺, 而22龄苹果1 m以下土层土壤含水量在整个生育期内均处于亏缺状态, 会影响果实的产量和质量。因此, 有必要采取科学合理的水分管理措施进行田间水分管理。例如, 10龄苹果树开花坐果期对中、深层(40~300 cm)土壤水利用比例高达88.9%, 可以对其进行适当的补充灌溉, 缓解水分亏缺; 15龄苹果树在开花坐果期和果实膨大期主要吸收利用中层(40~160 cm)土壤水, 利用比例均高于70%, 可以引入雨水集聚入渗技术, 拦蓄集聚雨水, 提高中层土壤含水量(Song et al., 2017); 也可引入树枝和秸秆覆盖等技术, 提高土壤保蓄水能力(张义等, 2011; 李虹辰等, 2014)。22龄苹果树整个生育期内水分主要来源于浅层(0~40 cm)和中层(40~160 cm), 可以采用更新修剪方法, 减少树体蒸腾耗水, 提高土壤水分(李明霞等, 2012); 还可采用更替等措施, 减少果园水分消耗, 缓解土壤干燥化, 促进深层水分恢复。目前, 在生产实践中常采用减少自身奢侈性耗水的修剪措施和减少非生产性耗水的覆盖和耕作措施(李陆生等, 2016)。如何科学有效地组合各种技术措施来保证黄土高原苹果园的持续健康发展, 还有待进一步研究。另外, 果树冠层结构不均匀将导致穿透降雨在冠层下方分布不均匀, 可能引起土壤中水同位素在水平方向存在异质性; 同时, 由于果树根系在水平方向上呈显著非均匀分布(李陆生等, 2015), 果树在水平方向上的用水来源也存在明显差异。

4 结论

本研究通过氢稳定同位素及其示踪技术, 结合MixSIR模型来探讨黄土丘陵区不同树龄苹果树水分来源, 揭示其在不同土壤水分条件下的水分利用策略。3个树龄苹果树生育期内水分利用来源不同, 根系吸水功能可塑性较强; 随着树龄增加, 苹果树水分来源逐渐变浅, 用水策略趋于保守。此外, 3个树龄标记苹果树木质部氘同位素的显著增加, 表明果树可以通过利用更深层土壤水分缓解水分胁迫。

不同树龄苹果树通过不断调整其水分利用策略来适应黄土丘陵区恶劣的生态环境。研究黄土丘陵区盛果期苹果树土壤水分利用来源的季节性变化, 可以针对不同树龄苹果园科学合理地增加水分管理措施, 有效降低果树非生产性耗水及自身奢侈型耗水, 实现黄土丘陵区苹果园的持续健康发展。