基于同位素的神東礦區(qū)植物吸水深度及生態(tài)水位研究

赫云蘭，楊英明，王璽凱，李可新，房魯鷺，劉卓鳴

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭精細勘探與智能開發(fā)全國重點實驗室，北京 100083；2.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

神東礦區(qū)開采煤層埋深小、采高大，高強度的煤炭開采使覆巖的破壞和變形直接傳導(dǎo)到地表，對近地表的水資源、土地資源和地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不利影響[1-3]。其中地表地形的變化、采煤造成的地裂縫發(fā)育和隔水層變化會破壞潛水含水層的結(jié)構(gòu)，使泉水消失、河流徑流量減小、地下水埋深增大，甚至地下水環(huán)境發(fā)生變化，使依賴地下水生存和受地下水補給影響的地表植被發(fā)生退化甚至死亡[4-8]。礦區(qū)地下水大規(guī)模的下降將引發(fā)系統(tǒng)性的生態(tài)風(fēng)險，在干旱半干旱的神東礦區(qū)，水資源成為制約植被生長的限制性因素，由于該區(qū)域降水季節(jié)變化大，持續(xù)穩(wěn)定的地下水源成為許多植物的重要水分來源，因此研究該區(qū)域生態(tài)安全地下水位具有重要的意義[9，10]。

地下水生態(tài)水位是指既能滿足地表陸生植物生長發(fā)育對地下水的需求，同時又避免造成土壤鹽漬化和土地荒漠化的地下水動態(tài)區(qū)間[11]。就地處干旱半干旱區(qū)的神東礦區(qū)而言，地表多為稀疏荒漠植被，地表植被、土壤水和地下水位相互制約達到區(qū)域水資源變化的均衡，增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12，13]，但采煤造成的地下水位下降可能會對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成威脅。傳統(tǒng)的對于地下水生態(tài)水位的研究方法多集中于數(shù)值模擬方法[14]、生態(tài)統(tǒng)計方法[15]和遙感方法[16]。大多數(shù)研究傾向于揭示植物生長狀態(tài)與地下水水位之間的關(guān)系，但從植物的角度出發(fā)，植物根系對于多孔介質(zhì)中水的吸收能力和水分利用策略也是地下水生態(tài)水文研究的一個重要組成部分。近年來興起的水穩(wěn)定同位素方法成為劃分植物水分來源的有力工具[17]。土壤水穩(wěn)定同位素廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科，如水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤科學(xué)和生物地球化學(xué)等，但水穩(wěn)定同位素作為一種示蹤工具來描述水在不同的生態(tài)、水文和地質(zhì)區(qū)劃中的起源、流動路徑、運輸過程和停留時間的全部潛力尚未被開發(fā)。土壤水分是連接不同水體的紐帶，利用水穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)研究干旱半干旱礦區(qū)土壤水分蒸發(fā)、運移對了解區(qū)域水文過程、促進干旱區(qū)環(huán)境修復(fù)、合理生態(tài)用水具有重要意義[18，19]。

對于干旱半干旱煤礦區(qū)而言，煤炭開采會誘發(fā)地裂縫、地下水位下降和地面沉降等環(huán)境問題，對地表生態(tài)產(chǎn)生一定的擾動。厘清植物水分利用的深度和策略是煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與治理的一個關(guān)鍵因素。Zhao等通過分析黑河流域降水、土壤水和地下水中穩(wěn)定氧同位素組成，識別和量化了植物的水分吸收，分析了不同氣候條件下植物根吸水所需主要的水源[20]。本文以該區(qū)域分布最為廣泛的沙蒿為研究對象[21]，通過人工投放同位素示蹤劑(2H)的方法，根據(jù)標記沙蒿植株的莖葉同位素特征，分析該區(qū)域井工礦未采動區(qū)植物吸水深度[22]和用水策略[23]，從植物學(xué)角度探討神東礦區(qū)的生態(tài)水位。為該研究區(qū)生態(tài)修復(fù)與治理提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)地理位置位于榆林市神木縣以北，府谷市以西，伊克昭盟的伊金霍洛旗以及鄂爾多斯城的東南，其經(jīng)緯度坐標為109°51′—110°46′E、38°52′—39°41′N之間，北有毛烏素沙地，南有黃土高原，不僅是兩大高原的過渡地帶，還是水力侵蝕區(qū)和風(fēng)力侵蝕區(qū)的過渡帶。

該礦區(qū)海拔1200 m左右，地表形態(tài)以風(fēng)沙丘陵和黃土丘陵為主，地表土質(zhì)類型主要為風(fēng)沙土。地表植被類型喬木以小葉楊為主，灌木以沙蒿、沙柳、檸條為主，草本植物多為一年生，如硬質(zhì)早熟禾、沙鞭、狗尾草等。氣候?qū)儆诒睖貛О敫珊荡箨憵夂?，常年干旱少雨，多年平均降雨?36.7 mm，年蒸發(fā)量是降雨量的5～6倍。一年當(dāng)中降水主要集中在6—8月，最低氣溫出現(xiàn)在12月和1月期間，如圖1所示。研究區(qū)既是大型現(xiàn)代化煤炭基地，同時也是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。

圖1 研究區(qū)降水與溫度情況Fig.1 Precipitation and temperature in the research area

2 研究方法

本次研究選擇神東礦區(qū)井工礦未采動區(qū)為研究對象，地表土質(zhì)類型主要為風(fēng)沙土。土壤厚度不均，總體厚度在5～8 m。地表植被覆蓋率不高，主要優(yōu)勢植物為沙蒿。2020年10月，采用人工投放一定豐度同位素水的方法，結(jié)合現(xiàn)場原位示蹤試驗探討神東礦區(qū)井工礦未采動區(qū)植物吸水深度與生態(tài)水位。

示蹤試驗開始之前，采集試驗點兩個500 cm深度的土壤剖面分析土壤含水率和氫氧穩(wěn)定同位素特征。具體實驗方法如圖2所示，首先在現(xiàn)場鉆取不同深度的鉆孔，鉆孔深度選擇30，50，70，100，150，200，300，500 cm，將2H同位素示蹤劑投放到鉆孔底部。研究區(qū)植物2H天然同位素本底值在0.015%左右，為了使示蹤效果明顯，人工配比的同位素水的豐度設(shè)定15%，是天然值的1000倍左右。投放同位素水后，連續(xù)7天采集不同深度鉆孔周邊沙蒿莖葉，冷藏保存并送至實驗室提取、測試同位素值，判斷植物吸水最大深度，采用MixSIAR同位素混合模型計算分析土壤水穩(wěn)定同位素，劃分植物吸收不同深度段土壤水分的比例。

圖2 現(xiàn)場原位示蹤實驗Fig.2 On site in-situ tracing experimental diagram

3 研究結(jié)果與討論

3.1 土壤剖面含水率

不同地區(qū)、不同氣候、不同土壤結(jié)構(gòu)其在垂向上土壤含水率都不同，土壤含水率對于地表生態(tài)環(huán)境與植物的生長至關(guān)重要。研究區(qū)土壤剖面上含水率如圖3所示，雨季過后，地表到60 cm深度含水率上升并保持較高水平，60～160 cm深度段土壤含水率快速下降到2%左右，160～340 cm深度段土壤含水率緩慢上升達到3%，340～500 cm深度段土壤含水率快速波動上升到5%左右。

圖3 土壤剖面含水率Fig.3 Soil moisture profile

3.2 植物吸水極限深度

利用植物莖葉2H同位素特征，判斷植物根系吸水的最大深度，植物吸收到同位素水，莖葉的同位素值會較本底值大。本次現(xiàn)場原位示蹤實驗選取了不同深度投放同位素水，并在地表連續(xù)7天采集鉆孔周邊沙蒿的莖葉進行測試，其中為確保沙蒿根系相當(dāng)，選擇高度相近的沙蒿采集樣品，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)植物莖葉δ2H同位素特征Fig.4 δ2H isotope characteristics in plant stems and leaves in the research area

實驗結(jié)果顯示，同位素水投放不同深度情況下沙蒿連續(xù)7天采集的樣品δ2H同位素豐度不同，這與同位素水投放深度和植物根系吸水利用率有關(guān)。

從圖4中可以看出，近地表30 cm到200 cm植物莖葉的同位素值基本均高于本底值。而投放在300 cm深度時，沙蒿δ2H同位素只有第2天高于本底值。投放500 cm深度下，植物已吸收不到高豐度的同位素水。在300 cm深度條件下，第1天沙蒿δ2H同位素低于本底值，第2天高于于本底值，后續(xù)采樣均低于本底值。由于人工投放同位素水時，鉆孔底部會形成局部過飽和的狀態(tài)，同位素水會同時向下和向上產(chǎn)生一定的運移。在300 cm投放同位素水時，從土壤剖面上同位素富集特征看，分別向上和向下運移了50 cm左右，所以判斷植物沙蒿吸水的極限深度為2.5～3 m，如圖5所示。

圖5 300 cm深度土壤水δ2H和δ18O同位素特征Fig.5 δ2H and δ18O isotope characteristics in the soil water at a depth of 300 cm

3.3 土壤剖面水分利用

植物根系對土壤水分利用率在垂向上具有差異，這與植物類型、根系對不同深度土壤水分吸收效率、季節(jié)有關(guān)。利用天然δ2H和δ18O同位素示蹤可以對植物吸水來源和土壤剖面利用深度進行判斷，太湖流域河岸植物銀杏主要利用0～60 cm深度的土壤水和降水，而桑樹則主要利用120～150 cm的土壤水和地下水[24]。MixSIAR同位素混合模型可以量化不同深度土壤水分對植物吸收水分的貢獻，這對于分析植物主要利用那個剖面深度的水分提供了有效的方法和手段。

本研究通過人工投放高豐度的δ2H同位素示蹤劑，提高了示蹤效果。植物樣品采集于2020年10月，利用MixSIAR同位素混合模型分析了研究區(qū)沙蒿對不同深度土壤水的利用率。將240 cm深度的土壤剖面劃分了12個層段，經(jīng)模型計算得出12個層段土壤水對沙蒿吸水的貢獻率相差不大，如圖6所示，其中，60～80 cm，80～100 cm和100～120 cm深度段相對水分貢獻率較低，其他層段貢獻率都接近9%。由圖6可以看出：60～120 cm深度段土壤含水率快速下降，此時正值雨季過后，推測雨季的降水濕潤鋒剛?cè)霛B到該深度段，之前該深度段為水分比較匱乏的區(qū)域，沙蒿在此段的水分吸收比例較低；沙蒿水分吸收雖然受到突然含水率高低的影響，但各深度段的水分吸收比例差別不大，顯示出其廣泛而較均勻的水分吸收策略。

圖6 不同深度土壤水分利用情況Fig.6 Soil moisture utilized by plants at different depths

4 結(jié) 語

氫氧同位素本身作為水的一部分，在研究水循環(huán)方面是理想的示蹤劑。采用該方法在神東礦區(qū)未采動區(qū)域開展了現(xiàn)場原位示蹤實驗研究，獲得了較好的示蹤效果。根據(jù)優(yōu)勢植物沙蒿和土壤水δ2H同位素特征，研究區(qū)沙蒿根系最大吸水深度在2.5～3 m左右。雨季過后研究區(qū)域土壤含水率淺處和深處高，中間低。10月份沙蒿對土壤剖面水分利用率受到土壤含水率高低的影響但總體表現(xiàn)相差不多，60～120 cm層段利用率相對較低，其他層段利用率接近9%，顯示出其較均勻的水分吸收策略。本研究揭示了神東礦區(qū)沙蒿的根系吸水深度和水分吸收策略，從植物的角度測量出該區(qū)域地下水補充植物水分的生態(tài)水位下限為2.5～3 m。