塔里木盆地塔克拉玛干沙漠达里雅布依绿洲胡杨（Populus euphratica）水分利用模式与蒸腾作用的季节变异

研究区域为中国克里雅河末端达里雅布依（Daliyabuyi）绿洲。干旱区植被生长的主要限制因子为水分亏缺，然而关于荒漠植被对水分条件变化的响应研究仍较有限。研究人员采用氢氧稳定同位素（stable hydrogen and oxygen isotope）技术结合MixSIAR模型及茎木质部液流（stem sap flow）测定方法，分析了不同水分条件下植被水分利用模式（water use pattern）与蒸腾作用（transpiration）的季节变异。结果表明：随着地下水埋深增加，胡杨（Populus euphratica，P. euphratica）树木的水分利用模式由浅层土壤水向深层水源偏移；与浅地下水埋深样地相比，深地下水埋深样地胡杨浅层土壤水利用比例降低16.66%，近含水层土壤水与地下水利用比例分别升高14.23%和13.07%；树龄对水分利用模式影响较弱。整个生长季胡杨蒸腾量5月至7月逐渐升高，8月至10月逐渐降低，大株与小株日均蒸腾量分别为87.43 L·d⁻¹和11.24 L·d⁻¹；随蒸腾增强，地下水利用比例显著上升，7月比5月地下水利用比例升高26.64%。此外，洪水补给使胡杨浅层土壤水利用比例提高12.05%，并增强蒸腾。本研究揭示了胡杨的水分利用适应性。

论文解读：塔里木盆地塔克拉玛干沙漠达里雅布依绿洲胡杨（Populus euphratica）水分利用模式与蒸腾作用的季节变异

该研究发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。干旱及半干旱生态系统占全球陆地生态系统的40%以上且因气候变暖和人类活动持续扩张，水分亏缺是植被生长的首要限制因子，影响生态系统稳定性与可持续性。明确植物水分利用模式（water use pattern，植物从不同土层及地下水吸收水分的比例分配）对理解植物—水分关系及制定水资源管理策略至关重要。稳定氢氧同位素（stable hydrogen and oxygen isotope）示踪法是判定植物水分来源的成熟手段。已有研究表明深根乔木主要吸收深层土壤水和地下水，浅根草本主要依赖浅层土壤水，吸水模式受物种需水量、根系分布及环境水分状况调控，且随季节旱雨季交替发生水源转换；植株年龄影响根系构型进而影响吸水深度，幼树根系浅以浅层水为主，成熟树根系深可触及地下水。但植物随生长季耗水量变化是否会引致吸水模式改变及如何改变尚不清楚。塔克拉玛干沙漠是世界第二大流动沙漠，达里雅布依（Daliyabuyi）绿洲是克里雅河（Keriya River）末端形成的原始天然绿洲，胡杨（Populus euphratica，P. euphratica）为建群种维持生态系统稳定，近年因气候变暖、人类干扰及上游2018年修建水库调控洪水量与时间，绿洲退化趋势明显，而该地区胡杨与水分关系认知仍较薄弱。为此，研究人员以达里雅布依绿洲胡杨为对象，考虑树木大小（胸径DBH）、地下水埋深及洪水补给，阐明其生长季水分利用模式与蒸腾特征、地下水埋深对模式及蒸腾的影响，以及洪水补给前后水分利用模式变化与蒸腾响应，揭示胡杨对干旱荒漠区水分条件的适应机制，为绿洲水资源管理与生态恢复提供依据。

研究人员于新疆于田县达里雅布依绿洲（38°16′–38°37′N，81°05′–81°46′E）自南向北选取地下水埋深分别为约3.34 m、4.22 m、4.86 m的三个胡杨纯林固定样地（各50×50 m），各样地选6株胡杨进行热扩散探针（thermal dissipation probe，TDP）茎流（sap flow）长期监测（共18株），并于2024年生长季（5–10月）每月采集植株木质部水样、分层土壤水样（每40 cm至地下水面）及地下水样，用低温真空蒸馏提取水后用激光稳定同位素分析仪（Los Gatos DLT‑100 LWIA）测定δ²H与δ¹⁸O，以MixSIAR模型（Markov Chain Monte Carlo长链运行）计算浅层土壤水（0–160 cm）、深层土壤水、近含水层土壤水及地下水四源贡献比例；潜在水源按无降雨晴天设定，判别值（discrimination value）δ²H与δ¹⁸O均设为0。另用热扩散探头测定树干边材（sapwood）液流密度，通过50株不同DBH胡杨的生长锥测定建立DBH与边材面积（As）经验公式As＝3050.87×[1－exp(－0.02×DBH)]^2.87（R²＝0.98），依此计算单株日蒸腾量T＝Js×As×24×60×60÷1000（L·d^‑1）；用便携式光合作用测定系统（LI‑6800）测定叶片瞬时水分利用效率（water use efficiency，WUE＝净光合速率A／蒸腾速率Tr）。数据统计用SPSS 21.0单因素方差分析与LSD检验，MixSIAR用R 4.1.2运行，作图用Origin 2021与Excel 2019。

3.1. Meteorology, groundwater depth, and soil moisture conditions（气象、地下水埋深及土壤水分状况）

2024年研究区日均温先升后降，年均14.67 ℃，7月最高30.96 ℃；年降水量仅36.51 mm，集中于9月。三样地地下水埋深波动不同：浅埋深样地（近河漫滩）受洪水补给波动大，中埋深样地（距河道较远近沙丘）较稳，深埋深样地（邻河道）因洪水漫溢波动最大；按1–6月平均埋深划分为浅（3.34 m）、中（4.22 m）、深（4.86 m）埋深样地。土壤含水量随深度增加总体升高，浅埋深样地表层与深层均值最高（6.32%、10.57%），深埋深样地最低（1.60%、4.19%），近含水层土壤水三样地相近（均值18.52%）。

3.2. Stable isotopes in soil water and xylem water（土壤水与木质部水的稳定同位素组成）

土壤水线（SWL）δ²H/δ¹⁸O斜率均低于全球大气水线（GMWL）。生长季土壤水δ¹⁸O与δ²H变化较一致（R²≥0.60），木质部水δ¹⁸O与δ²H变化有差异——δ²H先降后升，δ¹⁸O先快降后缓降，归因于吸收过程中δ²H分馏（fractionation），故计算采用δ¹⁸O。植物木质部水δ¹⁸O范围‑3.19‰～7.71‰，大树略低于小树。土壤水δ¹⁸O随深度增加先锐减后渐稳，浅层变幅大（三样地‑5.94‰～‑6.16‰），深层及近含水层较稳（分别‑5.21‰～‑7.87‰）。

3.3. Seasonal plasticity of water uptake of different sized P. euphratica trees（不同大小胡杨树木吸水季节可塑性）

MixSIAR结果显示胡杨吸水具明显季节变异。浅、中埋深样地5、6、9、10月浅层、深层、近含水层土壤水及地下水利用比相近（各约20%～30%），7、8月浅层水利用比明显下降，其余水源利用比上升。深埋深样地整个5–7月浅层水利用比最低（＜10%），近含水层土壤水与地下水利用比最高（均＞30%）；8–9月洪水无法采样，10月洪后浅层水利用仍最低，地下水利用仍最大。随埋深增大胡杨吸水向深层偏移。大小树间：小树浅层水利用比略高于大树（高5.25%），大树深层土壤水、近含水层土壤水及地下水利用比略高于小树（分别高0.43%、1.97%、2.67%），整体树龄影响弱。

3.4. Seasonal transpiration of different sized P. euphratica trees（不同大小胡杨树木的季节性蒸腾）

蒸腾量4（或5）月至7月递增，8月至10（或11）月递减，7月达峰。随地下水埋深加大蒸腾渐降；洪水补给后（8–10月）深埋深样地（被洪水覆盖）蒸腾略高于中埋深样地。大树生长季平均日蒸腾87.43 L·d^‑1，小树11.24 L·d^‑1，差异显著。

3.5. Seasonal variation in WUE in P. euphratica leaves（胡杨叶片WUE的季节变异）

WUE生长季先降后微升，5月最高（均值1.58 g·kg^‑1），7月最低（均值1.06 g·kg^‑1）；深埋深样地胡杨WUE始终较高（均值1.39 g·kg^‑1），浅埋深样地较低（均值1.10 g·kg^‑1）。

讨论部分总结：

土壤与木质部同位素值变化反映水文过程，研究区降水少蒸发强致表层土壤水δ¹⁸O偏重，随深度增加渐降并趋稳，与古尔班通古特沙漠研究一致；木质部同位素季节变异源于吸水水源同位素组成的季节差异及胡杨（耐盐旱植物）吸水时δ²H分馏。胡杨水分利用模式季节变异成因包括：浅埋深处浅层土水含量较高取水耗能低；7月冠层最大蒸腾最强需更多水故转取更稳深的地下水；胡杨具二歧根系（dichotomous root system），成树根深但干旱区胡杨幼树垂直根亦能较快发育达地下水面，加之本研究所选"小树"胸径偏大（边材需满足探针长度），故大小树吸水模式差异有限。蒸腾随埋深加大而降低系缺水时气孔调节防木质部空穴化（cavitation/xylem dysfunction）；洪水补给后土水与地下水位上升蒸腾增强；大树蒸腾高于小树缘于叶生物量与胸高断面积大。WUE与蒸腾呈反比，生长季初分配水供展叶故WUE高，7月耗水以蒸腾为主WUE低；深埋深处差水条件下胡杨采取保守水分利用策略提升WUE以维持生长，且利用深层水源者通常WUE更高。研究揭示了胡杨通过改变水源、降低蒸腾及提高WUE适应水分波动，对上游调水背景下绿洲可持续管理具指导意义；局限含洪水影响范围未全面评估、树龄效应中生理与水限制各自权重待析，未来需长期监测。

结论（翻译）：

研究人员通过分析胡杨生长季水分利用模式与蒸腾耗水，揭示了中国西北干旱荒漠区胡杨的水分利用机制。胡杨水分利用模式具季节变异：蒸腾最强的7、8月主要水源由浅层土壤水转向深层含水层及地下水。此转换受地下水埋深显著影响——与浅埋深样地比，深埋深样地胡杨浅层土壤水利用比由约20%降至＜10%，深层土壤水与地下水利用比升至＞30%。本研究树龄对胡杨水分利用模式影响较小，因所选小树样本胸径偏大（具可抵地下水面的发达垂直根系）。胡杨水分利用特征与蒸腾密切相关，高蒸腾期树木增强深层水吸收以满足需求；水分亏缺时胡杨采取保守水分利用策略通过提高WUE维持生长。未来需长期监测进一步阐明植物—水分复杂关系及对地下水波动的响应，这对缺水干旱荒漠区的水资源管理与可持续林地经营尤为关键。