Application of Hydrogen and Oxygen Isotopes to Study the Source of Water and Competition in Shelter-Forest-Crop Systems in the Xinjiang Oasis

Abstract

新疆干旱区水资源缺乏，风沙侵蚀严重，农田防护林作为绿洲生态保护屏障，防风固沙，在该区生态系统中扮演着重要角色。 然而，传统上，间套种植的人工林对农田作物存在水分养分的竞争，导致农作物产量下降。因此由人为因素导致大量防护林衰退、 死亡。本研究通过运用氧同位素焦点法与 SIAR 模型，结合人工添加氘同位素，量化本区间套作的防护林与人工经济林根系分布和主要用水范围， 分析潜在竞争区域及防护林对农作物水分负面影响程度。研究结果对新疆绿洲地区防护林的合理管护与绿洲生态平衡有重要意义。策勒绿洲大水漫灌的杨树-玉米-核桃树体系中，研究发现：玉米在拔节期与吐丝期主要吸收浅层土壤水分（0-40 cm） , 贡献率分别为 60%、 58%；核桃树水分主要来源于玉米根部之下土壤中， 7 月和 8 月根系主要吸水区间 80-100 cm、60-80cm, 40 cm 土层以下贡献率为 75%，并且根系分布范围超过深 200 cm，可延申到距树干 5m 之外。但其有大约 35%水分来自土壤表层（0-40 cm），其巨大的耗水量对玉米的水分竞争不可避免；杨树根系水分利用具有很强的可塑性，漫灌前主要利用距地表 140 cm 之下土层水分(140-200 cm 贡献率为 43%，主要水分利用层为 140-160 cm)，漫灌后用水量逐渐向上迁移（0-40 cm 土层贡献率为36%， 100-120 cm 为主要吸水区间）。在莫索湾绿洲滴灌的棉花-杨树试验中，结果表明：棉花在膜下滴灌方式下主要吸收表层土壤水，蕾期主要利用 0-20 cm 的土壤水，花铃期主要利用 20-40cm 土壤水；而杨树在漫灌前主要利用深层 40 cm 以下土壤水，在灌溉后水分来源虽有向上迁移倾向，但仍大约有 60%的水分源于土壤 40 cm 以下。 δD 同位素示踪发现杨树根系垂向可生长到土层 200-400 cm 范围，水平延伸至棉田内 5-8m，在 5 m 内棉花必定面临着杨树的水分与养分竞争。本文通过应用人工添加氘同位素与自然稳定同位素，克服了传统上自然同位素无法准确量化干旱区植物根系分布与误差较大的不足，最终较为精确的量化植物水分利用与根系分布，对之后同位素在生态水文学中的应用具有借鉴意义