摘要：了解再生物種的水分利用特征對(duì)于理解土壤與植物之間的相互作用機(jī)制以及指導(dǎo)水資源受限生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)恢復(fù)策略具有深遠(yuǎn)的意義。盡管植樹(shù)造林是改善退化生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的重要途徑，但對(duì)不同人工林類(lèi)型中優(yōu)勢(shì)種的水分利用特征的了解甚少。作者調(diào)查了黃土高原三種代表性人工林（三種落葉樹(shù)種刺槐、山杏和臭椿組成的混合人工林，純刺槐人工林，純山杏人工林）的植物水分利用特征。作者測(cè)量了每種人工林中優(yōu)勢(shì)種葉片的δ13C以及木質(zhì)部和土壤（400 cm）水分的δ2H和δ18O。結(jié)果表明，混合人工林中三個(gè)主要樹(shù)種在水源貢獻(xiàn)比例上表現(xiàn)出顯著的差異（P＜0.05），表明植物具有水源隔離作用。與純山杏人工林相比，混合人工林中的山杏利用更大比例的淺層土壤水，相應(yīng)地減少了對(duì)深層土壤水的消耗。然而，在不同人工林中，刺槐水分吸收比例未表現(xiàn)出顯著差異?；旌先斯ち种兄参锶~片的δ13C顯著高于純?nèi)斯ち值?。不同人工林中，刺槐葉片的δ13C與SWC呈正相關(guān)關(guān)系，而山杏中未觀(guān)察到這種關(guān)系。結(jié)果表明人工林類(lèi)型會(huì)影響植物水分利用特征，具有對(duì)人工林類(lèi)型的物種特異性響應(yīng)，以及種間競(jìng)爭(zhēng)和種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)之間不同的水源競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。
研究區(qū)域
該研究是在陜西省羊圈溝流域進(jìn)行的（36°42′45″ N，109°31′45″）。該流域是黃土高原中部的黃土丘陵溝壑區(qū)。
樣品采集
作者于2016年植物生長(zhǎng)季節(jié)5-9月采集了植物葉片樣品用于δ13C的測(cè)定，采集木質(zhì)部樣品用于δ2H和δ18O的測(cè)定，采集了0-400 cm的土壤樣品共630個(gè)，用于土壤含水量和土壤水δ2H和δ18O的測(cè)定，同時(shí)收集了46個(gè)降雨樣品。利用LI-2100全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)抽提植物木質(zhì)部和土壤水分，利用LGR的液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定土壤和降雨樣品的δ2H和δ18O。黃土高原植物根系無(wú)法到達(dá)地下水深度，且該研究區(qū)域無(wú)灌溉，所以植物的主要水源是土壤水。
結(jié)果
1.土壤和木質(zhì)部水的同位素組成
圖2顯示了不同人工林土壤水δ2H和δ18O隨土壤深度和季節(jié)的變化?；旌先斯ち种?，土壤水δ18O平均值為-8.88±1.75‰，δ2H平均值為-67.14±11.86‰。純刺槐林土壤水δ2H和δ18O平均值分別為-64.06±25.12‰和-8.71±3.53‰。純山杏林土壤水δ2H和δ18O平均值分別為-67.78±12.57‰和?-8.66±2.13‰。土壤水同位素沿土壤剖面表現(xiàn)出明顯的變化。淺層土壤水同位素富集且隨季節(jié)變化更大。隨深度變化深層土壤水同位素貧化且隨季節(jié)變化小。每種人工林土壤水同位素組成在不同季節(jié)和土壤不同深度之間顯著不同（P＜0.001）。然而，不同人工林土壤水同位素組成無(wú)顯著差異（δ2H，P=0.052；δ18O，P=0.61）。
木質(zhì)部水同位素組成隨季節(jié)和物種變化?；旌先斯ち种?，刺槐木質(zhì)部水δ18O平均值為-8.41±0.72‰，δ2H平均值為-67.57±4.37‰，山杏木質(zhì)部水δ18O平均值為-7.21±1.42‰，δ2H平均值為-59.68±7.42‰，臭椿木質(zhì)部水δ18O平均值為-7.72±0.89‰，δ2H平均值為-64.53±4.56‰。純刺槐林木質(zhì)部水δ18O變化范圍為-9.35~-5.98‰，δ2H變化范圍為-75.36~-55.68‰。純山杏林木質(zhì)部水δ18O平均值為-7.20±1.33‰，δ2H平均值為-61.49±6.25‰?；旌先斯ち种胁煌锓N木質(zhì)部水同位素顯著不同（P＜0.001）。此外，木質(zhì)部水δ2H和δ18O隨季節(jié)變化表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.001）。大多數(shù)土壤水同位素位于地區(qū)大氣降水線(xiàn)（LMVL）右側(cè)，木質(zhì)部水的δ2H和δ18O位于土壤水同位素范圍內(nèi)（圖3），這表明植物主要從不同土壤層獲取水分。
2.土壤水可利用性和植物水源分配
不同人工林的SWC表現(xiàn)出明顯的季節(jié)和垂直變化（圖4）。研究期混合人工林的平均SWC是7.01±1.70%，純刺槐林為6.68±1.46%，純山杏林為7.13±2.19%。研究期混合人工林淺層土壤含水量最高，而純刺槐林深層土壤含水量最低。淺層土壤水隨季節(jié)波動(dòng)較大，而深層土壤水隨季節(jié)變化較小。不同人工林淺層和中層土壤含水量無(wú)顯著差異，而深層土壤水分差異顯著（P＜0.001）。此外，3個(gè)人工林土壤含水量在不同季節(jié)之間差異顯著（P＜0.01）。總而言之，不同人工林之間土壤水分存在顯著差異（P＜0.05）。
生長(zhǎng)季植物主要吸收淺層和中層土壤水（圖5）。混合人工林中刺槐74.86%的水分以及臭椿75.62%的水分均來(lái)源于淺層和中層土壤水。而山杏吸收最大比例的淺層土壤水（60.96%）。在整個(gè)生長(zhǎng)季，中層和深層土壤水對(duì)純刺槐林的貢獻(xiàn)比例分別為32.88%和27.14%。淺層和中層土壤水對(duì)純山杏林的貢獻(xiàn)比例分別為43.58%和32.12%。混合人工林中，不同月份之間3個(gè)物種水分吸收比例具有顯著差異（P＜0.05）。混合人工林和純刺槐林中刺槐從不同土壤層吸收的水分比例無(wú)顯著差異。然而，混合人工林和純山杏林中山杏對(duì)淺層土壤水分利用比例存在顯著差異（P＜0.05），對(duì)中層和深層土壤水分的利用無(wú)顯著差異。此外，不同季節(jié)之間淺層、中層和深層土壤水對(duì)混合人工林中臭椿以及純山杏林的貢獻(xiàn)比例無(wú)顯著差異。
3.植物葉片的δ13C值
圖6顯示了采樣期間植物葉片的δ13C值隨季節(jié)和植物物種的變化。混合人工林中刺槐，山杏和臭椿植物葉片δ13C平均值分別為-26.77±0.58‰，-26.28±0.54‰和-26.64±0.75‰。純山杏林植物葉片δ13C值低于混合人工林。采樣期間純刺槐林植物葉片δ13C值最低（-28.00±0.80‰）。總而言之，不同季節(jié)，不同物種之間植物葉片δ13C值具有顯著差異（P＜0.05）?；旌先斯ち种?，山杏植物葉片δ13C值顯著不同于刺槐和臭椿，且表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化。此外，混合人工林和純刺槐林中的刺槐植物葉片δ13C值表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.001）。混合人工林和純山杏林中的山杏植物葉片δ13C值也表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.001）。
4.植物葉片δ13C值與土壤含水量之間的關(guān)系
如圖7所示，混合人工林中刺槐植物葉片δ13C值與土壤含水量的關(guān)系與純刺槐林不一致。盡管混合人工林和純刺槐林中刺槐植物葉片的δ13C值與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系，但與純刺槐林相比，混合人工林中的關(guān)系較弱（混合人工林：R2=0.25，P=0.06，純刺槐林：R2=0.53，P=0.002）。然而，混合人工林和純山杏林中山杏植物葉片的δ13C值與土壤含水量無(wú)顯著相關(guān)性。
結(jié)論
本研究利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究了半干旱黃土高原不同人工林植物的水分利用特征。結(jié)果表明3種共存樹(shù)種對(duì)不同土層的利用比例具有顯著差異（P＜0.05），表明這些物種具有水文生態(tài)位隔離。土壤水對(duì)不同人工林中刺槐的貢獻(xiàn)無(wú)顯著差異。然而，淺層土壤水對(duì)不同人工林中山杏的貢獻(xiàn)具有顯著差異，中層和深層土壤水對(duì)其貢獻(xiàn)無(wú)顯著差異?；旌先斯ち种兄参锶~片δ13C值顯著高于純?nèi)斯ち郑@表明混合人工林中葉片水平的WUEi明顯提高。此外，與純山杏林相比，混合人工林中山杏利用更大比例的淺層土壤水，相應(yīng)地，深層土壤水消耗較少。這些結(jié)果表明人工林類(lèi)型會(huì)影響植物水分來(lái)源分配，且存在對(duì)人工林類(lèi)型的物種特異性響應(yīng)。該研究為干旱和半干旱生態(tài)系統(tǒng)植樹(shù)造林和生態(tài)管理提供了重要的基線(xiàn)信息和見(jiàn)解。
黃土高原不同人工林中常見(jiàn)樹(shù)種的水分利用特征.pdf