适应性地转向深层土壤水分利用可以减轻阿拉善蒿（Artemisia ordosica）因采矿活动而导致的干旱胁迫

《Rhizosphere》：Adaptive shift to deep soil water use mitigates mining-induced drought stress in Artemisia ordosica

矿区地面沉降导致植物水分利用策略转变；稳定水同位素与氘标记法结合分析；浅层与深层土壤水分比例变化；贝叶斯混合模型验证；西北矿区生态修复。

　　

Xikai Wang|Yunlan He|Suping Peng|Lei Chen

中国矿业大学（北京）煤炭资源精细勘探与智能开发国家重点实验室，北京 100083，中国

摘要

在中国西部生态脆弱的地区，大规模的地下煤炭开采会导致地表沉降。这些扰动可能会改变植物的水分利用策略（WUS）。然而，具体的转变路径尚不明确。本研究以Artemisia ordosica Krasch（菊科）为研究对象，比较了其在沉降区和未受干扰区的水分利用策略。通过结合天然稳定同位素（δ²H 和 δ¹⁸O）和氘标记方法，我们建立了从土壤到木质部的水分来源追踪路径。应用贝叶斯混合模型（MixSIAR）来评估采矿沉降对植物水分利用策略的影响。研究结果表明：（1）采矿沉降显著改变了近地表的水循环，在沉降区的土壤和木质部水中，稳定同位素值均降低（P < 0.05）；（2）Artemisia ordosica在沉降区改变了其水分利用策略，从主要利用浅层土壤水（0–80 厘米）转变为越来越依赖深层土壤水（80–120 厘米）。浅层土壤水的吸收比例减少了约 10.7%，而深层土壤水的吸收比例增加了约 11.3%；（3）氘标记有效地在土壤剖面中创建了明显的同位素梯度，为识别植物水分来源提供了可靠的方法。本研究表明Artemisia ordosica通过主动调整其水分利用策略来适应采矿引起的环境变化。

引言

在全球推进能源转型的努力中，煤炭仍然是世界能源供应的基石，在许多地区继续发挥着关键和稳定的作用。2023 年，全球煤炭产量达到 87.4 亿吨，其中中国产量为 47.1 亿吨，占全球总量的一半以上（www.iea.org/）。中国西北部地区煤炭资源丰富，是重要的国家生产基地。然而，该地区大部分位于干旱和半干旱气候区，生态系统本身就很脆弱，面临持续的环境压力，如严重的水资源短缺、植被覆盖有限、土壤沙漠化和风蚀（Zhang et al., 2024）。在这种条件下，大规模的煤炭开采加剧了一系列地质和生态危害，包括土地退化（Pandey et al., 2022; Xiao et al., 2022）、地下水位下降（Feng et al., 2024）和地表沉降（Bo et al., 2024），共同威胁着区域生态平衡。因此，在确保能源安全和促进经济发展的同时，制定有效的生态系统恢复策略并推广环保采矿做法至关重要。

在水资源有限的环境中，生态恢复在很大程度上依赖于理解植物的水分利用策略（WUS），特别是水分吸收机制（Wang et al., 2018; Zhao et al., 2024a）。研究表明，干旱地区的植物采用各种生理和行为策略来应对水分胁迫。阐明这些机制为选择合适的物种和设计节水恢复框架提供了基础（Tao et al., 2021）。当前的研究揭示，植物在空间和时间尺度上表现出相当大的水分利用策略的可塑性。例如，在从半干旱黄土高原到热带森林和喀斯特地区的各种生态系统中，研究表明植被会根据林分发育、季节性降水模式和土壤水分可用性等环境因素动态调整其水分吸收深度（Tang et al., 2024; He et al., 2024; Cai et al., 2023）。一个一致的模式是：成熟或受水分胁迫的植物倾向于依赖更深、更稳定的水源。理解这些适应机制对于生态恢复至关重要，因为它直接指导了选择具有抗逆性的物种和优化种植设计，以提高水资源有限环境中的水分利用效率（Demir et al., 2024; Bassiouni et al., 2023）。

稳定同位素技术，特别是天然 δ²H 和 δ¹⁸O 同位素丰度的分析以及人工添加的氘标记，是生态水文学中追踪植物水分来源和量化根系吸收动态的基石方法（Sprenger et al., 2016）。虽然天然丰度方法是描述各种生态系统（从高山作物到人工林）中水分利用时空模式的常规且强大的工具（Wu et al., 2018; Tang et al., 2024），但它存在固有的局限性，包括由于土壤-植物连续体中的同位素均质化可能导致对某些水源的依赖被高估（Wang et al., 2023）。相比之下，深度特定的氘标记通过在目标土壤深度创建明显的同位素特征提供了一种可控的替代方法。这种方法在实验环境中精确量化根系深度和吸收剖面方面特别有价值，如在自然植被和受干扰环境中的植物研究中所展示的（Beyer et al., 2018; Yang et al., 2022）。鉴于其能够提供明确的深度分辨率，氘标记方法特别适合解决需要精确垂直区分水分吸收的具体研究问题，如本研究的核心问题。因此，本综述将主要关注阐明氘标记在确定根系水分利用策略中的应用原理。

先前的研究表明，植物的水分利用策略不仅因物种而异，还会受到环境波动的影响。然而，这些策略如何受到采矿引起的沉降的影响尚不清楚，因为沉降严重破坏了土壤结构和水文系统。在中国西北部的煤炭开采沉降区，显著改变的水文条件和地表结构给已经处于干旱胁迫下的植物生长和生存带来了额外的限制。植物在这种受干扰的环境中调整其水分利用策略的能力对于成功的生态重建和长期生态系统稳定性至关重要（Bi et al., 2022; Chen et al., 2022; Wei et al., 2024）。然而，很少有研究关注这些人为改变的干旱生态系统中的植物-水分关系（Chen et al., 2022; Wei et al., 2024），从而导致关于在自然和人为压力共同作用下的植物水分利用策略的知识空白。

为了解决这一空白，本研究在中国西北部的典型半干旱煤炭基地——山东矿区进行了研究，以本地物种Artemisia ordosica Krasch（菊科）为研究对象。通过整合天然稳定同位素剖面和深度控制的氘标记，并应用贝叶斯混合模型 MixSIAR，我们的目标是：（1）识别和比较沉降区和未受干扰区Artemisia ordosica的水分利用策略；（2）评估天然同位素剖面和人工氘标记在识别植物水分来源方面的一致性；（3）分析采矿沉降如何影响Artemisia ordosica的水分吸收深度和策略。研究结果预计将为退化干旱土地景观中的植物-水分相互作用提供新的见解，并为设计受采矿影响地区的水文信息恢复策略提供科学依据。

研究区域

研究区域

本研究在 Mu Us 沙地东部边界的一个地点（39°16′29″, 110°59′2.4″, 1100 米）进行，该地点位于乌兰慕伦河上游，标志着陕西省和内蒙古自治区的分界线（图 1a）。研究地点位于山东矿区 Shangwan 煤矿的 12401 面板上（图 1b）。该地区属于北温带半干旱大陆气候区。

降水和土壤水的天然同位素特征

研究区域的降水分布不均，主要集中在夏季和秋季（图 3a）。研究区域的降水同位素变化很大（图 5）。降水中的 δ²H 值范围为 -121.2‰ 至 17.7‰，加权平均值为 -60.5‰。降水中的 δ¹⁸O 值范围为 -17.2‰ 至 1.4‰，加权平均值为 -8.3‰。观察到降水中的 δ²H 和 δ¹⁸O 之间存在强烈的线性关系，导致以下局部

煤炭开采沉降对土壤和Artemisia ordosica木质部水稳定同位素差异的影响

Artemisia ordosica的木质部水稳定同位素组成在沉降区和未受干扰区之间存在显著差异。木质部水整合了吸收过程中土壤水的同位素特征。研究区域内，随着深度的增加，土壤水的稳定同位素呈下降趋势（图 6）。木质部水稳定同位素组成的变化可能反映了Artemisia ordosica水分利用策略的变化或同位素的变化

结论

本研究结合氘标记和天然同位素分析，阐明了山东矿区沉降区Artemisia ordosica的根系水分利用策略。主要发现如下：沉降后，Artemisia ordosica从浅层土壤（0–80 厘米）吸收的水分比例从 51.3% 显著下降到 45.8%，而其对深层土壤水（80–200 厘米）的依赖从 48.7% 增加到 54.2%。天然同位素数据进一步表明，采矿活动

作者贡献声明

Suping Peng：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、概念化。Yunlan He：撰写 – 审稿与编辑、方法论、正式分析。Lei Chen：撰写 – 审稿与编辑、方法论、正式分析。Xikai Wang：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论、正式分析、数据管理、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Yunlan He 报告称获得了国家自然科学基金的支持。如果有其他作者，他们声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了煤矿地下水库超限水位防治技术与设备研究（2024ZD1700102）、国家重点研发计划（2022YFF1303300）、国家自然科学基金（42272286）以及煤炭资源精细勘探与智能开发国家重点实验室开放基金（SKLCRSM24KFA12）的支持。