地下水埋深梯度下不同龄级胡杨的水分利用策略

《Frontiers in Plant Science》：Water use strategies of Populus euphratica across age classes along groundwater depth gradients in the lower Tarim River

　　

在荒漠河岸林中，不同龄级树木的水源利用与内在水分利用效率（iWUE）如何随地下水条件变化而关联尚不清楚。研究人员结合木质部水和潜在水源的氢氧稳定同位素、贝叶斯混合模型以及叶片δ13C推导的iWUE，评估了塔里木河下游幼龄、中龄和成熟胡杨（Populus euphratica）在生态输水期（EWC）与非生态输水期的水分利用策略。在五个监测断面，EWC期间的平均地下水埋深显著低于非EWC期间，分别为4.7 m和4.9 m。在库纳西提（DW）和英苏（F）断面，MixSIAR后验均值显示，EWC期间地下水贡献率为16.0–23.1%，河水贡献率为14.4–17.6%，单个40 cm土壤层贡献率为6.6–19.0%。非EWC期间，单个土壤层的后验均值贡献率为10.9–20.3%，其中深层土壤层贡献相对更大。水源贡献与iWUE之间的关联在EWC期间因龄级而异，但在非EWC期间不显著。在整个采样期内，幼龄、中龄和成熟树的平均iWUE分别为58.29、53.08和51.37 μmol mol?1。iWUE与地下水埋深的关系也随采样期变化，无一致方向性模式。基于浅层和深层土壤水贡献沿地下水埋深梯度的变化，研究人员初步确定了4.5–6.0 m作为与胡杨水源利用转变相关的地下水埋深范围。这些结果表明，胡杨的水源利用和iWUE随水文条件和树龄而变化，为评估其响应EWC及荒漠河岸林地下水变化的响应提供了实证依据。

研究背景与科学问题

在全球气候变化加剧干旱和水资源短缺的背景下，干旱半干旱区植被如何调整水分利用策略以应对地下水动态变化，已成为生态水文学的关键问题。根系吸水与内在水分利用效率（iWUE）是植物响应水分有效性变化的敏感指标。塔里木河流域是典型的极端干旱内陆河流域，年降水量不足50 mm，潜在蒸发量达2000–3000 mm。在该长期水分限制的生态系统中，地下水埋深是塑造河岸植被分布与演替的关键水文因子。胡杨（Populus euphratica）作为塔里木河下游荒漠河岸林的建群树种，其生长与生存高度依赖地下水可利用性。然而，现有研究多将胡杨的水源利用、液流与水分利用效率分开考察，未能厘清地下水分获取与叶片水平iWUE之间的关联，尤其在不同树龄和生态输水（EWC）条件下这种关系仍不明确。为此，研究人员提出两个假设：（1）水源分配对地下水埋深和EWC状态的响应因龄级而异，EWC期间更多利用河水，而非EWC期间成熟树比幼树更依赖深层水源；（2）水源分配与iWUE的关系随树龄和EWC状态变化。

研究方法概述

研究人员于2023年9月、2024年7月和10月、2025年5月和8月在塔里木河下游五个断面（DW、F、G、LH、I）进行野外采样，覆盖多个生长季及水文变异期。选取胸径（DBH）≤10 cm（幼龄）、1020 cm（成熟）三个龄级的胡杨植株。在DW和F断面建立六个20 m×20 m样方用于稳定同位素水源划分，共采集48株树的木质部和潜在水源（土壤水、地下水、河水）样品。采用低温真空抽提系统提取水分，使用液态水同位素分析仪测定δ²H和δ¹⁸O值，精度分别为±0.5‰和±0.15‰。通过元素分析仪和同位素质谱仪测定叶片δ¹³C值，精度±0.2‰。运用MixSIAR贝叶斯混合模型估算各水源对木质部水的比例贡献，采用Farquhar模型从叶片δ¹³C推导iWUE。同时，在DW断面布设自动气象站和HOBO水位记录仪连续监测环境因子和地下水埋深，并安装热耗散系统（FLGS-TDP）记录不同龄级胡杨的液流。

研究结果

3.1 地下水埋深、植物含水量与土壤含水量的变化：EWC普遍抬升了地下水水位并增加了胡杨生境的土壤含水量（SWC）。39个监测点数据显示，EWC期间平均地下水埋深为4.65±0.96 m，非EWC期间为4.92±0.76 m，两者差异显著（配对t检验，P=0.001）。叶片含水量始终高于枝条含水量，成熟树在多数时期叶片含水量最高。

3.2 胡杨水源利用的季节与龄级变异：MixSIAR后验均值显示，DW断面EWC期间地下水贡献率16.6–23.1%，单个土壤层贡献率6.6–19.0%，Plot 1河水贡献率14.4–16.9%；非EWC期间地下水贡献率15.9–19.9%，土壤层贡献率10.9–20.3%，其中160–200 cm土层贡献增大。F断面EWC期间地下水贡献率16.0–18.4%，河水贡献率14.9–17.6%，土壤层贡献率11.2–16.4%；非EWC期间地下水贡献率15.5–18.4%，土壤层贡献率12.6–19.6%。整体上，水源分配在水文期和地下水埋深梯度间存在变异，而龄级间差异一致性较弱且后验可信区间宽泛重叠。

3.3 iWUE随地下水埋深的变化：幼龄、中龄和成熟树的平均iWUE分别为58.29、53.08和51.37 μmol mol^?1。龄级（P=0.007）和采样期（P<0.001）均与iWUE显著相关，采样期效应量更大（偏η²分别为0.163和0.049）。加入地下水埋深×采样期交互项后模型拟合显著改善（P=0.004，R²增至0.350），表明iWUE与地下水埋深的关系因采样期而异，但无一致的龄级依赖性模式。

3.4 iWUE与水源利用及生态生理变量的关联：EWC期间（2023年9月），中龄树iWUE与较稳定水源贡献呈负相关（r=?0.71，P<0.05），与较动态水源贡献呈正相关（r=0.73，P<0.05）；成熟树iWUE与较稳定水源贡献呈正相关（r=0.85，P<0.05）。非EWC期间（2024年7月），所有相关性均不显著（P>0.05）。地下水埋深在2023年9月与iWUE正相关（r=0.71，P<0.05），在2024年10月负相关（r=?0.39，P<0.05），其他时期不显著。Δ¹⁸O、叶片氮含量、碳含量、含水量及土壤EC等变量与iWUE均无持续显著关联。

讨论与结论

研究表明，胡杨的水源利用在EWC与非EWC期间存在差异：EWC期间河水参与补给，非EWC期间深层土壤水贡献更大。浅层和深层土壤水贡献与地下水埋深呈显著二次曲线关系，拟合最大值分别出现在约4.42 m和5.96 m，据此初步确定4.5–6.0 m为与胡杨水源利用转变相关的地下水埋深范围，该区间与以往报道的光合速率、气孔导度、年轮生长及植被多样性等阈值部分重叠，但反映的是水源吸收层面的转变。iWUE方面，幼树均值最高，采样期效应大于龄级效应，且iWUE与地下水埋深的关系呈现采样期依赖性，表明水分有效性的变化并不必然产生统一方向性的iWUE响应。水源贡献与iWUE的关联仅在EWC期间的特定龄级中显著，说明地下水分获取与叶片水平碳-水权衡并非简单对应关系。研究结论如下：塔里木河下游EWC期间平均地下水埋深（4.65 m）显著低于非EWC期间（4.92 m）；MixSIAR估计显示EWC期间地下水贡献16.0–23.1%、河水贡献14.4–17.6%、土壤层贡献6.6–19.0%，非EWC期间土壤层贡献10.9–20.3%且深层占比更高；幼龄、中龄和成熟树平均iWUE分别为58.29、53.08和51.37 μmol mol^?1，采样期解释的变异大于龄级，且iWUE与地下水埋深的关系因采样期而异；基于浅层和深层土壤水贡献沿地下水埋深梯度的变化，初步识别4.5–6.0 m为胡杨水源利用转变的相关地下水埋深范围，但该估计受限于仅在DW和F断面进行水源划分且土壤水采样深度仅为2 m，需更广泛的空间重复、更深包气带采样和更长时序观测加以验证。