基于根系水稳定同位素探究旱柳枝条水与土壤水之间的同位素失配现象
【摘要】
越来越多的野外研究发现了植物茎干水与其潜在水源之间的同位素失配现象。然而，同位素偏移的形成原因尚不清楚，并且不确定它们是发生在根系吸水过程还是在从根部到枝干的水分传输过程。因此，该研究以旱柳（Salix matsudanaKoidz）为研究对象，通过约每三天一次的采样频率测定了土壤−根系−树木枝条连续体中各组分（如总体土壤水、移动水、地下水、根系水和树木枝条水）的稳定同位素值（δ2H和δ18O），结果表明：（1）移动水和总体土壤水的同位素值有明显的分离，但随着土层深度的增加，两者之间同位素值的差异逐渐减小；（2）根系水接近于束缚水的同位素值，但不同于总体土壤水的同位素值。总体土壤水与根系水之间的δ2H和δ18O 的最大差值分别为−8.6‰ 和−1.8‰；（3）树木枝条水仅与 100-160 cm深度的根系水同位素值相似，并且在试验期间保持稳定，表明旱柳始终利用稳定的深层水源。总体上，旱柳枝条水与其潜在水源之间的同位素失配反映了根系水和总体土壤水之间的同位素偏移，这与土壤水的异质性密切相关。该研究揭示了不同移动性的土壤水、根系水和树木枝条水同位素值之间的关系，有助于加深对根系水分吸收和运输过程的理解。
【研究区域】
该试验是在中国黄土高原北部六道沟小流域 (38°46′-38°51′N, 110°21′-110°23′E)进行。
图1：(a) 样本树木旱柳（Salix matsudana Koidz）；(b) 张力计，用以提取移动水（白色塑料管）；(c) 旱柳根系挖掘和测量示意图和 (d) 土壤剖面。
【同位素样品收集与测定】
该研究收集了20、30、50、100和150 cm 的总体土壤水（bulk soil water）样品以及张力计法获得的相同深度的移动水（mobile water）样品、地下水样品和旱柳树木的枝条样品（trunk water）。并通过土壤剖面的方法收集了20、40、60、80、100、120、140和160 cm 深度的根系样品（root water）（直径 > 2 mm）以及相同深度根系周围的总体土壤水样品。利用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司）提取土壤、树木枝条和根系中的水分，然后测定所有样品的氢氧同位素值（δ2H 和 δ18O）。此外，根据测定的总体土壤水和移动水的同位素值计算了土壤中相应深度的束缚水同位素值（less mobile water）。
【结果】
图2：土壤水、树木枝条水和根系水的δ2H 和 δ18O关系图。(a) 所有样品；(b) 不同深度的移动水（mobile water, MW）和地下水（groundwater, GW）；(c) 总体土壤水（bulk soil water, BW）；(d) 束缚水（less mobile water, LMW）；（e）根系水（root water, RW）和（f）枝条水（trunk water, TW）。区域降水线，LMWL, δ2H=5.91+7.67 δ18O。
图3：试验期间（8月3日-9月15日）降水、质量含水量（GWC）以及地下水（GW）、枝条水（TW）、移动水（MW）、总体土壤水（BW）和束缚水（LMW）在不同深度的lc-excess值的动态变化。
图4：（a, c）不同深度和（b, d）水平距离的根系水（root water）和总体土壤水 (bulk soil water) 的稳定同位素值（δ2H和δ18O）。
【结论】
在试验期间（8月3日-9月15日），旱柳树木枝条水和总体土壤水之间存在同位素偏移。我们通过测定各种移动性的土壤水、根系水和枝条水的稳定同位素值，分析了同位素失配的发生部位及原因。在土壤中，总体土壤水的 lc-excess 值通常低于移动水。随着土层深度的增加，两者之间同位素值的差异逐渐减小。在根-土界面，由于根系结构的复杂性和土壤水分的异质性，根系水的同位素值与同一深度的总体土壤水的同位素值并不完全匹配。总体土壤水与根系水之间的δ2H和δ18O 的最大差值分别为−8.6‰ 和−1.8‰。总体而言，束缚水的δ2H和δ18O值与根系水和枝条木质部水重叠，并且枝条木质部水主要与100-160 cm深度的根系水重叠。这些结果表明，土壤水的异质性引起了根系水和总体土壤水之间的同位素偏移，进而导致了总体土壤水和树木枝条水之间的同位素失配。该研究所提供的总体土壤水、移动水、束缚水、根系水和树木枝条水的稳定同位素数据对于分析根区水分的空间异质性和阐明植物使用的水源具有重要价值。
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