基于δ13C值的黄土高原生态林和经济林水分利用效率差异及对环境响应分析

杨树烨，赵西宁，3，高晓东，3，于流洋

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

我国于1999年启动退耕还林(草)工程，自工程启动以来，黄土高原地区的生态环境得到很大的修复，植被覆盖率明显上升。其中乔木林以经济林苹果和生态林刺槐较为明显。苹果因黄土高原具有得天独厚的自然环境优势，如昼夜温差较大、光热资源丰富等，被认为是最适合种植生长的地区之一，如今已经成为当地农村的主要经济来源。此外，刺槐因其速生、耐旱、易繁殖，并兼具良好的生态效益和经济效益等特点被用作黄土高原地区主要的水土保持树种和造林树种，是黄土高原乔木林种植面积最大的树种之一，在防治该区水土流失工作方面发挥着关键的作用。随着这2种植被覆盖率的快速增加，新的生态问题日趋凸显，如土壤干化、植被退化等，并且在全球气候变暖的大背景下，随着温度的升高，水资源消耗量不断增加，加之黄土高原地下水储量既少又深，且降水补给不足，黄土高原的退耕林植被普遍出现生物产量高、生态用水大、土壤干化严重的现象。水分逐渐限制黄土高原植物生长，影响退耕还林(草)工程的可持续发展。为了进一步完成植被恢复可持续性的评估及预测，研究区域水碳耦合关系及对环境的响应具有重要意义。

水分利用效率(water use efficiency, WUE)是生态系统碳水循环间相互耦合关系的重要指标，能够反映生态系统对水资源变化的响应，对揭示大气—叶片碳水循环过程中相互作用及植物生存适应对策有极其重要意义，高WUE是协调植被生长与耗水矛盾的重要途径。关于WUE的研究包括叶片、植株、群体等多个尺度，而叶片尺度是更大尺度的研究基础。有研究表明，稳定碳同位素组成(δC)是有效反映植物WUE的途径之一，与其他手段不同的是，其可以指示植物有机质形成期内的长期平均WUE，反映植物在一段时间内对水分的利用以及水分胁迫的适应状况。近年来，对于WUE的研究大多都基于单点试验或利用模型模拟区域尺度WUE，缺少在区域多点取样的试验观测结果。

本研究选取黄土高原半干旱区以及半湿润区的苹果园和刺槐林，通过野外取样，利用稳定碳同位素测量不同地点植物叶片WUE，分析其对环境因子(年均降水量、温度、日照时间、水汽压和相对湿度)的响应及在气候分区中人工生态林和经济林之间的差异，能够为认识中国黄土高原地区WUE及其对气候变化的响应提供参考，为该地区提高WUE、乔木林管理的精细化、科学化以及可持续发展提供决策建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄土高原位于中国黄河流域中部(100°54′—114°33′E，33°43′—41°16′N)，具有典型的大陆季风气候特征。年平均气温约为3.6～14.5 ℃，年平均日照时间2 000～3 100 h，年平均降水量150～800 mm，西北低，东南高，多集中在7—9月，年际和季节分配不均。该区的土壤主要为风成黄土，且地下水资源丰富，但存在分布不均、泥沙多、枯水期长和年内年际变化大等问题。随着退耕还林工程以来，分别以刺槐和苹果为主的生态林和经济林得到大规模的种植，刺槐在黄土高原各个地区均有成片种植，种植面积达0.1亿hm，而2019年黄土高原地区苹果园面积占全国苹果园面积的59.71%，其中陕西的苹果果园面积最大且逐年增加，甘肃、河南和山西次之。现基于平均年降水量与潜在蒸散(/)的比例，将黄土高原划分为3个气候区域：干旱区(0.05～0.2)，半干旱区(0.2～0.5)和半湿润区(0.5～0.65)。采样点所属气候分区按表1降雨信息分类。

表1 采样点信息

1.2 采样点环境要素的收集

1955—2018年的气象数据集，包括年均降水量、温度、年日照时间、水汽压和相对湿度均来自中国气象数据网(http:/data.cma.cn/)，使用ArcMap 10.6进行反距离权重插值获得黄土高原取样点气象数据。

1.3 野外考察、样品采集及碳同位素测定

本研究以黄土高原区域中经济林雨养富士苹果和生态林刺槐叶片为研究对象，树龄均约15年。在2020年7月共设置22个取样点进行取样，取样的同一树种长势相近，各采样点选取3棵树作为重复，避免人为干扰及其他非气候因素对试验结果的影响。

叶片的取样：在树的东南西北4个方向分别采取4片生长良好的叶片(包括阳面和阴面)，将所取叶片置于105 ℃的烘箱中杀青30 min，然后75 ℃烘干8 h，用研钵和研杵磨碎，过1 mm的筛网，处理过程中注意碳源污染。δC值在西北农林科技大学旱区节水农业研究院实验楼进行测定。

主要测试过程为：用百万分之一电子天平称取1 mg处理好的样品，密封于锡杯内；将装有样品的锡杯放入Costech ECS 4024 CN元素分析仪，经高温燃烧生成CO，纯化后再导入Picarro G2131-i CO同位素分析仪检测样品燃烧后生成CO的C与C比率，并与国际标准物(Pee Dee Belnite或 PDB)比对后计算出各样品的δC值。碳同位素(δC)测量精度为<0.1‰。

1.4 水分利用效率计算

水分利用效率与大气CO浓度()和植物叶胞间CO浓度()的数量关系为：

WUE=(-)16Δ

(1)

式中：为大气CO浓度；为植物叶胞间CO浓度；1.6为由气孔对水蒸气的传导性转为对CO传导性的转换因子；Δ为叶片与空气的水蒸气浓度梯度。

同时，Farquhar等还进一步建立碳同位素分辨率(ΔC)与之间的数量关系方程：

Δ=+(-)()

(2)

Δ=(-)(1+)

(3)

式中：和分别为植物及大气的CO碳同位素比率，北半球的=-6.7‰；=4.4‰，代表CO通过气孔时扩散分馏；=27‰，指CO被Rubisco羧化过程中的分馏。

因为δC值可间接揭示植物长时期的水分利用效率，水分利用效率可以用公式(4)计算：

WUE={1-[(-)(-)]}16Δ

(4)

式中：的平均浓度为321 μL/L；Δ为12 MPa/Pa，所以

WUE=13712+0354

(5)

1.5 数据分析

采用Excel 2016(Microsoft，Redmond，USA)、SPSS 24.0(SPSS，Chicago，USA)和Canoco5软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析(ANOVA)和多重比较LSD方法分析不同处理之间的差异。采用Origin 2016软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 黄土高原苹果和刺槐叶片碳同位素(WUE)组成

将采集的黄土高原苹果和刺槐样品分别进行汇总(表2)，WUE受种间差异影响较大，苹果和刺槐的δC均值分别为(-26.61±1.16)‰和(-27.93±1.76)‰，苹果叶片平均WUE大于刺槐叶片平均WUE，分别为4.29，3.83 mmol CO/mol HO，苹果和刺槐的最大值分别为5.12，5.21 mmol CO/mol HO，最小值分别为3.35，2.27 mmol CO/mol HO，苹果和刺槐叶片WUE的最大值相似，但是刺槐叶片WUE最小值显著小于苹果叶片WUE，2种植物的差异均达到显著水平(<0.05)。刺槐叶片WUE的变化幅度大于苹果，最小值比苹果叶片WUE低32.2%。

表2 叶片δ13C(WUE)统计特征

从图1可以看出，苹果和刺槐植物叶片WUE的频率分布也有显著差异，95%的刺槐叶片WUE分布在3.00～4.66 mmol CO/mol HO，95%的苹果叶片WUE分布在3.22～5.36 mmol CO/mol HO，刺槐叶片WUE值的分布整体较苹果叶片WUE值更低。

图1 叶片WUE组成频率直方图

2.2 黄土高原苹果和刺槐叶片WUE气候分区差异

同一种植物叶片WUE在气候分区间差异显著(<0.05)(图2)，位于半干旱地区的叶片WUE高于半湿润地区的叶片WUE。其中半干旱区苹果叶片WUE比半湿润区苹果叶片WUE高12.5%，半干旱区刺槐叶片WUE比半湿润区刺槐叶片WUE高6.4%。而在同一气候区，则呈现出苹果叶片WUE显著高于刺槐叶片WUE的特点。

注：*表示数据的最大值和最小值；箱型从上到下三线分别表示上四分位数、中位数和下四分位数。

2.3 苹果和刺槐叶片WUE与环境因子的关系

注：y1、R1、P1表示苹果；y2、R2、P2表示刺槐。

3 讨 论

3.1 黄土高原苹果和刺槐叶片碳同位素(WUE)组成

基于大量数据表明，C植物的δC值在-20‰～-35‰，平均为-27‰，在Wang等对中国北方地区的461种C植物的研究中也说明，这一平均值为-27.1‰。本研究中在黄土高原采集的苹果和刺槐样品中，δC值范围为-24.02‰～-32.33‰，平均值为-27.26‰，符合前人的研究。从表2可知，苹果δC均值高于刺槐δC均值，造成这一现象除种间差异外还与人为管理有关。其中有机肥和无机肥的合理使用可以提高WUE。施加氮(N)、钾(K)肥可以提高叶肉羧化能力，减少水分的无效消耗，增强光合能力，从而提高叶片WUE。已有研究表明，土壤缺水或无灌溉条件的果园，可以通过增施氮(N)、钾(K)肥来提高叶片WUE，起到以肥补水的作用。土壤中适量施用氮(N)、磷(P)、钾(K)肥有利于提高苹果叶片的WUE。向苹果树喷洒甜菜碱等有机分子物质可提高土壤自然失水时苹果叶片脯氨酸的含量，进而维持叶片的高WUE。林冠修剪也可以提高苹果WUE。合理的修剪可以改善树体间光照条件，调控植物的营养分配，增强光合作用，使营养生长和生殖生长平衡，利于果园高产和稳产。一定程度的修剪可以促进产量和水分利用效率，轻度修剪(去除10%的侧枝长度)和中度修剪(去除25%的侧枝长度)的产量分别比对照提高22.1%和6.4%，而重度修剪(去除40%的侧枝长度)的产量显著低于轻度修剪(<0.05)，轻度和中度修剪处理的水分利用效率显著高于重度修剪和对照(<0.05)，中度修剪的水分利用效率比对照提高18.7%。增加适当的人为管理措施可以显著增加苹果叶片的WUE。

从图1可以看出，苹果叶片分布于高WUE值的区间内，且相比刺槐叶片WUE分布更为集中。造成此现象的原因可能是因为苹果受人为管理因素较多，大多都维持着高叶片WUE，而刺槐缺少人为管理，其叶片WUE主要随立地环境条件的变化而变化，且刺槐所处环境差别较大，造成刺槐叶片WUE易出现极大值和极小值的现象。未来可以加强对刺槐林等乔木林的精细化管理，以提高其叶片WUE，进一步推动退耕还林工程的可持续发展。

3.2 苹果和刺槐叶片WUE与环境因子的关系

植物叶片WUE往往受降水量、温度、日照时间、湿度等气候及多种环境因素的影响，并且各种环境因子之间还相互影响，可能对植物叶片WUE有着相反作用的影响。

大量研究表明，降水是影响叶片WUE的主要因素，叶片WUE与降水呈负相关，这种负相关在干旱地区比在湿润地区更明显。在本研究中，黄土高原苹果和刺槐的WUE值与年均降水量呈显著负相关(<0.001)，这与上述观点一致。降水通过影响作物在生育期内的饱和水汽压差和相对湿度来影响植物的WUE，干旱地区的低降水、低空气湿度等因素会导致植物叶片气孔关闭，气孔导度和植物叶胞间CO浓度降低，最后导致δC(WUE)增加。在本研究中又添加了年均水汽压和年均相对湿度2个环境因子，可以看出植物WUE随年均水汽压和年均相对湿度的增加而显著减小，这与Ma等研究结果一致。在Zheng等研究中，降水对黄土高原叶片WUE值影响最大，可以解释13.3%的空间变异。但是在本研究的所有环境变量中，叶片WUE则对年均水汽压的响应最为明显，可能水汽压对叶片WUE的影响比降水更为直接。Gulias等研究表明，水汽压是影响植物叶片WUE最主要的环境因子，而Ponton等对3个生态系统的群体WUE进行了分析比较发现，3个群体的WUE均与水汽压具有显著的负相关关系，而且3个群体WUE差异的主要原因也是因为水汽压的不同。

温度也是影响叶片WUE的重要因素。由于其影响机制较为复杂，目前研究也各有不同。Loader等研究认为，温度升高可提高植物的光合能力，从而提高WUE；但Nicotra等研究发现，温度更大程度上影响植物的蒸腾作用，一定程度上可使WUE降低。本研究中，可能由于黄土高原蒸腾能力较强，温度的改变对植物的蒸腾作用较明显，所以随着温度的升高，苹果和刺槐叶片WUE均显著降低。

在本研究中，叶片WUE随着日照时间的增加而增加。这是因为在光照的条件下，叶片细胞间隙CO浓度与空气中CO浓度比值降低，并由公式(1)可得，空气中CO浓度与叶片细胞间隙CO浓度的差减小，所以叶片WUE增大。再加上黄土高原位于北半球，在春分日至秋分日期间，纬度越高，纬线圈处于阳面圈的时间越长，光照时间和强度越大，在空气中CO浓度一致时，光合速率在一定范围内随光照强度的增大而上升，从而WUE也随之增大。这与Zheng等和Ma等研究结果均一致。

3.3 苹果和刺槐叶片WUE在气候分区中的差异

因为黄土高原气候具有显著的分区差异，叶片WUE随着环境因子也变化显著，所以黄土高原苹果和刺槐WUE具有显著差异。在气候分区中，同一植物半干旱区的叶片WUE高于半湿润区的叶片WUE。其中半干旱区苹果叶片WUE比半湿润区苹果叶片WUE高12.5%，半干旱区刺槐叶片WUE比半湿润区刺槐叶片WUE高6.4%。这与前文对影响WUE气候因素的分析结果一致，因为半干旱地区具有较低的降水量、相对湿度和水汽压等(表3)，所以叶片WUE较高。而半干旱区相较于半湿润区苹果叶片WUE的增幅大于刺槐叶片WUE，其可能原因是刺槐大多生长于高山、沟谷中，缺乏人为管理，对气候因子变化的响应较为敏感，刺槐叶片WUE变化幅度较大，所以较一定人为管理的苹果，其相对变化较小。未来可以加强对半湿润地区乔木林的人为管理，以提高WUE。

表3 黄土高原气候分区环境因子平均值

4 结 论

(1)因存在人为管理的因素，苹果叶片WUE显著大于刺槐叶片WUE，刺槐叶片WUE随着环境改变其变化幅度大于苹果叶片；

(2)半干旱区苹果和刺槐WUE均高于半湿润区，其中半干旱区苹果叶片WUE比半湿润区苹果叶片WUE高12.5%，半干旱区刺槐叶片WUE比半湿润区刺槐叶片WUE高6.4%；

(3)叶片WUE对各环境因子的响应一致，且年均水汽压的响应较其他环境因子更敏感。本研究建议可对黄土高原人工刺槐林适当增加人为管理措施以进一步提高其WUE；要注重不同气候区的影响，充分考虑当地环境因子(如平均水汽压)，适地适树，保持合理的种植密度和结构。