2.1 土壤储水量变化
由于冬小麦的吸收利用,叠加土壤物理蒸发,至抽穗期两块样地0—50 cm土层土壤水分均已低至萎蔫系数(图1)。试验起始日,A样地和B样地0—4 m剖面平均土壤水分含量分别为15.7%和15.5%,土壤水分剖面分布近乎一致。但是随着冬小麦生育期推进,两块样地50 cm深度以下土壤水分剖面均向左移动,土壤含水率降低,试验终止时分别降低至15.1%和14.2%,出现明显差异。研究期内,虽然A样地蒸散量(91.5 mm)大于B样地蒸散量(78.9 mm),但是由于A样地降水输入为50.8 mm,其土壤储水量仅减少了40.7 mm,较B样地减小量少38.2 mm。说明降水量减少条件下,冬小麦能够利用更多土壤储水满足生育耗水需求,缓解旱情。
2.2 不同水样δ18 O变化
研究期内降水δ18 O最小值为-8.26‰,最大值为-2.96‰,平均值为-5.39‰(图2),与研究区多年降水δ18 O平均值-10.38‰[15]相比明显富集,原因在于长武黄土塬区降水同位素组成具有冬春富集、夏秋贫化的年内变化特征。
受蒸发效应影响,浅层土壤水分重同位素富集[16]。A样地土壤水δ18 O值在20 cm处最大,20—280 cm深度范围内随深度增加而减小,280 cm以下随深度增加而逐渐增加,4个采样日土壤水δ18 O平均值分别为-12.17‰,-12.03‰,-12.49‰和-12.45‰,方差分析表明其无显著差异(图3A)。B样地土壤水δ18 O值同样在20 cm处最大,20—120 cm深度范围内随深度增加而减小,120 cm以下基本保持稳定,4个采样日土壤水δ18 O平均值分别为-10.11‰、-10.04‰,-10.31‰和-9.98‰,无显著差别(图3B)。
5月9日、5月19日、5月29日和6月10日,A样地冬小麦茎秆水δ18 O值分别为(-9.16±0.57‰),(-9.82±0.39‰),(-10.37±0.35)‰和(-10.02±0.51)‰,平均值为(-9.84±0.58)‰(图3A); B样地冬小麦茎秆水δ18 O值分别为(-8.99±0.13)‰,(-10.59±0.23)‰,(-10.60±0.39)‰和(-10.30±0.29)‰,平均值为(-10.10±0.72)‰(图3B)。植物根系吸收水分过程不发生同位素分馏现象,因此植物水的同位素组成是其所利用水源同位素组成的综合反应。虽然A样地土壤水同位素组成较B样地偏负,但是由于A样地冬小麦能够利用同位素组成偏正的降水,其茎秆水同位素组成却偏正一些。
2.3 冬小麦对3 m深度土壤水的利用
尽管液态水同位素仪LGR在测定植物水δD值时存在甲醇或乙醇类有机污染[17],但是其测试结果仍然可以为冬小麦是否利用了标记在3 m深度处的氘水提供有效信息。表1给出了不同日期两块样地冬小麦茎秆水的氢同位素组成变化。可以发现截至5月19日无论是A样地还是B样地,冬小麦茎秆水δD值均没有富集; 但是从5月24日起至6月10日,两块样地冬小麦茎秆水δD值发生了明显富集,表明冬小麦已经开始利用标记在3 m深度处的氘水。因为冬小麦为随机采样,因此距离钻孔较近的小麦茎秆水δD值大,距离较远的冬小麦茎秆水δD值小。进一步对比两块样地冬小麦茎秆水δD值发现,B样地较A样地富集程度高,表明虽然两块样地冬小麦几乎在同一时间开始利用3 m深度土壤水分,但是在降水量减少条件下冬小麦能够吸收利用更多的深层土壤水分来满足耗水需要。
2.4 冬小麦土壤水分利用规律
黄土塬区地下水埋藏极深,因而旱作冬小麦生长发育仅能依赖降水和土壤水。研究时段属于旱季、降水较少,5月1日至6月10日共记录到13个降水日,但是降水量大于5 mm的有效降水仅6次(图2),最大日降水量仅为13.6 mm,很难入渗至20 cm深度土层。本试验中土壤水分测定从20 cm开始,所以图1中表现出两块样地0.5 m以上土层含水率与萎蔫系数持平,几乎没有变化,意味该层土壤水分已不能为冬小麦所吸收利用。对于B样地,冬小麦只能利用0.5 m深度以下土壤水分。对于A样地,降水转化的土壤水集中在0—20 cm深度范围以内,研究表明冬小麦能够优先利用降水转化而来的土壤水,然后才利用土壤前期储水[18],同时冬小麦根系密度在此范围以内最大,所以该地块冬小麦能够直接利用降水转化而来的土壤水。由冬小麦茎秆水样δD值变化可知,两块样地冬小麦在5月24日起已经利用3 m深度土壤水分。因此,本文根据土壤水同位素剖面分布特征,在抽穗期和开花期将50—300 cm土层分为3组,分别是50—100 cm,100—200 cm和200—300 cm; 在灌浆期和乳熟期将50—400 cm土层分为4组,分别是50—100 cm,100—200 cm,200—300 cm和300—400 cm。研究表明干旱地区植物体内在降水之后的7日内仍保存有大量的降水[19],因此本文分别利用5月8日、5月13日、5月27日和6月9日降水代替0—50 cm土层土壤水,来计算不同生育期A样地冬小麦对0—50 cm土层土壤水(降水)的利用比例,四日降水量分别为7.7 mm,13.6 mm,5.5 mm和6.4 mm,降水δ18 O值分别为-6.03‰,-4.72‰,-6.57‰和-5.67‰。最后将冬小麦不同生育期茎秆水以及各组土壤水δ18 O值分别输入IsoSource模型,计算旱作冬小麦对各层土壤水分的利用比例。
IsoSource模型最终结果不是唯一解,而是依据计算过程中各水源相对贡献率的频率确定可行的概率分布组合[10],即冬小麦对各水源利用比例的分布范围,具有一定的不确定性,可利用各潜在水源相对贡献率的频率加权平均值作为唯一解的体现(图4)。抽穗期,0—50 cm土壤水(降水),50—100 cm,100—200 cm,200—300 cm土壤水对A样地冬小麦耗水的贡献率分别是36.7%,29.9%,20.6%和12.8%,对B样地冬小麦耗水的贡献率分别为33.4%,27.9%,20.4%和18.3%。可以发现,虽然两块样地同一土层土壤水对冬小麦耗水贡献率有所差异,但是冬小麦对各层土壤水分的利用状况表现出了相同的规律,即冬小麦对不同土层土壤水分的利用强度随土层深度的增加而减小。
A样地冬小麦开花期、灌浆期和乳熟期的土壤水分利用规律与抽穗期一致,利用强度随深度增加而减小,但是各层水分对冬小麦耗水的贡献率在不同生育期不同。图4A可知0—50 cm土壤水(降水)对开花期、灌浆期和乳熟期冬小麦耗水的贡献率分别为28.0%,28.3%和32.6%,50—100 cm土壤水的贡献率分别为32.3%,25.7%和24.7%,100—200 cm土壤水的贡献率分别为22.3%,16.9%和15.7%,200—300 cm土壤水的贡献率分别为17.4%,12.5%和11.4%。冬小麦自开花—灌浆期间开始利用3 m深度土壤水分,300—400 cm土层土壤水对灌浆期—乳熟期冬小麦耗水的贡献率为15.6%~16.6%。
雨量减少条件下,冬小麦需要利用更多的深层土壤储水来满足生育耗水的需要。由于0—50 cm土层土壤含水率与萎蔫系数持平且没有降水输入,B样地深层土壤水分对冬小麦耗水的贡献率相较A样地大幅增加。50—100 cm土壤水对开花期、灌浆期和乳熟期冬小麦耗水的贡献率分别为31.7%,21.1%和20.6%,100—200 cm土壤水的贡献率分别为34.2%,32.9%和31.5%,200—300 cm土壤水贡献率分别为34.1%,24.5%和24%。300—400 cm土层土壤水在灌浆期—乳熟期间的平均贡献率为22.7%。冬小麦对深层土壤水分利用强度的增加,导致深层土壤储水消耗增加。计算得知,A样地200—400 cm土层土壤储水量减少18.7 mm,B样地则减少了27.4 mm。