基于氢氧稳定同位素识别干旱区棉花水分利用来源-李惠.pdf

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1、第42卷第5期2 0 1 7年5月地球科学 Earth Sciencehttp：wwwearth-sciencenetV0142 No5May 2 0 1 7doi：103799dqkx2017072基于氢氧稳定同位素识别干旱区棉花水分利用来源李 惠1，梁 杏1弘，刘延锋1，刘亚磊1，鲜 阳11中国地质大学环境学院，湖北武汉4300742中国地质大学盆地水文过程与湿地生态恢复学术创新基地，湖北武汉430074摘要：棉花是我国西北内陆干旱地区主要的农作物，研究干旱区棉花的水分利用来源对合理制定灌溉制度、实现农业节水灌溉和保证作物稳产高产具有重要意义在新疆生产建设兵团炮台土壤改良试验站，基于水文监

2、测和氢氧稳定同位素方法分析膜下滴灌棉田土壤水中氢氧同位素的动态变化特征，确定棉花不同生育期及灌溉后的水分利用来源，并应用多水源混合模型(IsoSource模型)定量计算了棉花对不同深度土壤水的利用率研究结果表明：棉花在蕾期、花期、铃期和吐絮期主要的水分利用来源及利用率分别为o30 cm(782)、3060 cm(319)、60110 cm(32)、110-220 cm(473)，整个生育期内水分利用来源存在由浅变深的规律膜下滴灌后，棉花调整其水分利用来源，显著增加了o30 cm浅层土壤水的利用率综合试验结果表明低额高频的灌溉制度可以提高棉花对灌溉水的利用率关键词：氢氧稳定同位素；水分利用；Is

3、oSource模型；棉花；干旱区；水文地质中图分类号：P64169 文章编号：1000-2383(2017)05一084310 收稿Et期：201701-05Application of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes for DeterminingWater Sources Used by Cotton in Xinj iang Arid RegionLi Huil，Liang Xin91弘，Liu Yanfen91，Liu Yaleil，Xian Yan911School of Environmenta!Studies，aina University

4、 of Geosciences，Wuhan 430074，ina2Laboratory of Basin Hydrology and Wetland Eco-Restoration，China University of Geosciences，Wuhan 430074，ChinaAbstract：Cotton is the main crop in arid areas of Northwest ChinaStudy on the water sources of crops is of great significanceto make proper irrigation schedule

5、s and realize agricultural water-saving irrigation in arid regionsIn this study，precipitation，irrigation water，soil water and cotton stem water were sampled for stable isotope analysis in the Paotai Soil Improvement TestStation in Xinjiang Production and Construction CorpsBased on the stable hydroge

6、n and oxygen isotopic tracing method andhydrological observations，the dynamic variation of stable isotope values in soil water under mulched drip irrigation was analyzed to determine the water sources of the cotton in different growth stages and the sources after irrigation pulseThe contributions of

7、 soil water at different depths to cotton water uptake were quantified by the IsoSource modelResults show that themain uptake depth of soil water in bud stage，blooming stage，boll stage and open boll stage are distributed in 0 to 30 em layer(782)，30 to 60 cm layer(319)，60 tO 110 cm layer(32)and 110 t

8、O 220 cm(473)，respectivelyThe main sources ofwater used by cotton gradually increase with the advance of growth stageCotton adjusts rapidly water sources after mulcheddrip irrigation，by significantly increasing the proportions of water use in 0 to 30 cm soilThe results also indicate that theproper i

9、rrigation schedule with low irrigation volume and high irrigation frequency can improve the utilization efficiency of irrigation water in arid regionsKey words：hydrogen and oxygen stable isotopes；water use；IsoSource model；cotton；arid region；hydrogeology基金项目：国家自然科学基金项目(NosU1403282，41572224)作者简介：李惠(19

10、92一)，女，硕士研究生，主要从事同位素水文学研究ORCID：0000000271359905E-mail：huili923cugeducn*通讯作者：梁杏，ORCID：000000019838-5161E-mail：xliangcugeducn引用格式：李惠，梁杏，刘延锋，等，2017。基于氢氧稳定同位素识别干旱区棉花水分利用来源。地球科学，42(5)：843-852万方数据844 地球科学http：nvwearth-sciencenet 第42卷在干旱半干旱地区，降雨量稀少，蒸发作用强烈，作物经常面临不同程度的土壤干旱(吉小敏等，2012)水分成为作物生长的主要限制性因素(Wuet a1，

11、2013)，作物通过改变自身生理特征来迅速更替利用不同的水源(曾巧和马剑英，2013)作物的水分利用模式是土壤一植物一大气连续体(soil plantatmosphere continuum，SPAC)水分相互作用中一个重要的组成部分，反映了作物对潜在水源的利用能力以及对土壤水分变化的响应棉花是我国西北内陆干旱地区主要的农作物，研究干旱区棉花的水分利用来源对合理的制定灌溉制度、实现农业节水灌溉和保证作物稳产高产具有重要意义传统方法是通过挖掘植物根系确定其空间分布特征来分析植物水源，既耗时又具有破坏性(张丛志等，2012)，而且很难确定植物水分来源(Williamsand Ehleringer，

12、2000)运用氢氧稳定同位素示踪是研究自然生态系统中植物水分利用来源的有效方法(Wang et a1，2010；杨克红等，2016)Zimmermannet a1(1968)发现植物根系吸水过程中稳定氢氧同位素不发生分馏，植物木质部水中的同位素组成可看作是各种来源水分中同位素值的混合(Ehleringerand Dawson，1992)因此，学者通过对比植物木质部中水与各潜在水源的同位素组成可以推断植物的水分利用来源(Dawson et a1，2002；Wu et a1，2016)基于同位素质量守恒原理，Phillips和Gregg(2003)提出了多水源混合模型(IsoSource模型)用于

13、确定植物对各潜在水源的利用率近年来，稳定氢氧同位素技术已经广泛应用于示踪树木和草原生态系统中植物的水分来源(Schwendenmann et口Z，2014)，并逐渐应用于农田作物中(Zhang et a1，201la，2011b：Guo et口Z，2016)本次研究于新疆生产建设兵团第八师炮台镇土壤改良试验站膜下滴灌棉田中，通过监测降雨、灌溉水、不同深度土壤水以及棉花茎秆水中氢氧稳定同位素组成，利用同位素多水源混合模型(IsoSource模型)探究棉花在不同生育期及灌溉后的水分利用来源，定量确定棉花对不同深度土壤水的利用率，从而为制定合理的棉花灌溉制度提供科学依据1材料与方法11研究区概况棉花

14、试验田设在新疆生产建设兵团第八师炮台镇土壤改良试验站内(85。32 7 3211”E，44。4771555”N，后文简称“试验站”)试验站地处玛纳斯河中下游(图1)，是典型的内陆性荒漠气候，日照时间长，年平均气温为82，年平均降水量为1643 mm，且主要集中在69月，年平均蒸发量为2 0362 mm(朱红艳，2014)试验站地下水位埋深在346367 m内波动土壤质地依据实测土壤颗粒组成，采用国际制分类标准，基本理化性质如表1所示土壤质地层次性较明显，分为砂质壤土、壤质砂土、粉砂质黏土和粉砂质黏壤土4种，主要为砂质壤土和粉砂质黏土12样品采集笔者于2016年79月棉花生育期内在试验站棉花试验

15、田对降雨、灌溉水、不同深度土壤水和棉花茎秆水进行监测和采样(1)植物样品采集：选择长势良好的棉花植株，剪取新鲜的植物茎秆(直径0608 cm；长度35 cm)，除去外皮和韧皮后迅速装入8 mL玻璃瓶中，并用Parafilm封口膜密封，放入携带的冷藏装置中，带回实验室后冷冻保存(一10)考虑到样品的空间差异性，每次取样时选取同一样地距离相近、长势相同的4株植物作重复处理植物样品采集时间为蕾期(7月11日)、开花期(7月25日)、结铃期(8月9日)、吐絮期(8月29 E1)以及两次灌溉(7月18日、8月11日)前和灌溉后第1、2、3、5、7 d，共采样12次采样时间设在蒸散发作用较为微弱的8：00

16、 am(2)土壤样品采集：植物样品采集的同时，在剪图1研究区地理位置Fig1 Location of the stud、r are万方数据第5期 李惠等：基于氢氧稳定同位素识别干旱区棉花水分利用来源 845表1试验田土壤的理化性质Table 1 SoiL properties in the experimental area取的植物茎秆下用手动采样钻取04220 cm深度的土壤样品，同时用便携式土壤水分仪(MP406)测试每层土壤的体积含水量取样深度为5 cm、lO cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 Clll_、1

17、80 cm、210 cm，每层4个重复采集的样品迅速装入玻璃瓶内，用Parafilm封口膜密封，放人携带的冷藏装置中带回实验室冷冻保存(一10)(3)降雨、灌溉水样品采样：试验期间收集降水样品和灌溉水样品，灌溉水取自试验站地下水抽水井中每次取3个重复样所有水样迅速装入50 mL聚乙烯采样瓶中，密封后放人携带的冷藏装置中，带回实验室冷藏(2)保存日降雨量数据来源于当地气象观测站地下水位埋深数据来源于距试验样地最近的观测井中，由Sonlist多参数仪自动监测13样品测定试验样品于中国科学院阜康荒漠生态研究站进行测试，采用低温真空抽提法提取棉花茎秆和土壤中的水分用液态水同位素分析仪(DLT-100，

18、LOSGatos Research，简写为LGR)测试所提取水中的D、180同位素比率仪器测试精度18 o16 0优于01，DH优于033X一sam彳ple-90 cm，整个生育期内吸水深度逐渐增加在新疆干旱地区，棉花的水分利用深度在整个生育期内也存在由浅至深的变化，符合棉花根系生长的一般规律膜下滴灌技术在新疆棉花主产区广泛施行，灌溉水作为主要的水分输入来源，对棉花所直接利用的土壤水有很大影响土壤含水量的变化在一定程度上反映了植物的生长和需水状态根系吸水和蒸发作用是影响土壤含水量变化的因素之一(孙宁霞，2015)有研究表明，灌溉水输入后，浅层土壤含水量增加，促进了植物表层根系的活性，使其迅速的

19、转变水分利用深度，对浅层土壤水的利用率随之升高(Duan et a1，2008；王艳莉等，2016)经历j1574 mm和j 2246 mm的两次灌水后，030 cm深度的土壤体积含水量变化最大棉花对0-30 cm土壤水的利用率与含水量呈明显的线性关系(图8)，表明灌溉后棉花对浅层土壤水的利用率会随着土壤含水量的增加而增大。土壤水分分布与IsoSource模型所计算的棉花水分利用深度变化相一致因此，根据棉花不同生育期的水分利用深度选择适宜的灌溉量，低额高频的灌溉制度可以使植物高效的利用有限的灌溉水，将水资源更加合理地用于农、I匕生产图8灌溉后O30 cm土壤水利用率与体积含水量的关系Fig8

20、Relationship between O-30 cnl soil water contribution tO cotton and soil water content4结论(1)研究区大气降水的dD、艿180值变化幅度较大，大气降水线斜率和截距均小于全球大气降水线；土壤水受蒸发作用影响，其dD、d180值分布于当地大气降水线的右侧，土壤水蒸发线斜率及截距均小于当地大气降水线灌溉水艿D、艿”0同位素组成研究期内基本稳定，较大气降水同位素组成明显贫化(2)棉花根系吸水的潜在来源为不同深度的土壤水根据土壤水中艿D、艿18 O值在垂向上的显著差异，通过最小显著差数法(LSD法)将0220 cm土

21、壤水划分为3层：浅层(030 cm)、中层(30110 cm)和深层(110220 cm)同时基于棉花根系分布和土壤质地差异的考虑，将中层土壤水分为3060 CIll和60110 cm两层(3)棉花水分利用深度的变化：蕾期主要利用O30 cm(782)浅层土壤水，对3060 cm，60110 cm和110220 ClTl土壤水的利用率仅为79、75和6。4花期主要利用3060 cm(319)土壤水，对030 cm土壤水的利用率急剧下降为242，60110 crn和110-一220 cm土壤水的利用率增加为239和20结铃期棉花的主要水分利用深度延伸至60110 cm，利用率为320吐絮期棉花主

22、要利用1104220 cm(473)深层土壤水，对60110 cm土壤水的利用率可达346，而对OH30 cm和3060 cm土壤水的利用率分别为22和158在整个生育期内棉花的水分利用深度存在由浅变深的规律(4)灌水量分别为j1574 mm和J 224。6 mm的两次灌溉后只引起了030 em深度范围内土壤水的显著响应灌溉后棉花对浅层土壤水的利用率分别增加到801和471，但都未增加对大于30 cm土壤水的利用膜下滴灌后棉花能调整其水分利用深度，显著增加对浅层土壤水的利用，因此，根据棉花在不同生育期的水分利用深度选择适宜的灌溉量，低额高频的灌溉制度可以提高棉花对灌溉水的利用率Referenc

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24、teoric WatersScience，133(3465)：17021703doi：101126science13334651702Dawson，TE，Mambelli，S，Plamboeck，久H，et a1，2002Stable Isotopes in Plant EcologyAnnual Review ofEcology and Systematics，33(1)：507559doi：101146annurev。ecolsys。33020602095451Duan，DY，Ouyang，H，Song，MH，et a1，2008WaterSources of Dominant Speci

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