基于同位素示踪的黄土高原果-草复合系统水分利用机制

Water resource shortage and the low water use efficiency have become the limiting factor of sustainable development of fruit industry in the Loess plateau of China. It is very important for the development of fruit industry to how to use the limited water resources based on economic benefit and ecological benefit in the Loess plateau of China. The project is conducted based on the root distribution, using the carbon, hydrogen and oxygen isotope tracer, we will study the water use efficiency, water relationship between apple and grass, the use efficiency for different potential water sources (rain water, groundwater water and soil water) at different seasons under different apple-grass intercropping systems (e.g., Malus pumila-Trifolium repens and Malus pumila-Dactylis glomerata) in the Loess plateau of China and analyze the response of water use process of this system to precipitation. The ultimate goal of this study is to explore the water use mechanism of apple-grass intercropping system. Results of this study have a basis for understanding the driving mechanism of water cycle in soil-plant system, and provide guidance for forage varieties selection and optimized water management of orchard on the Loess plateau.

水资源短缺、水分利用效率低已成为黄土高原果业可持续发展的瓶颈。如何能使有限的水资源在兼顾经济效益和生态效益的条件下最大化，是现阶段黄土高原果业发展急需解决的问题。本项目拟以不同建植年限的苹果-白三叶（Malus pumila-Trifolium repens）和苹果-鸭茅（Malus pumila-Dactylis glomerata）为研究对象，在调查果-草复合系统根系分布状况的基础上，通过碳、氢、氧同位素示踪定量研究黄土高原果-草复合系统水分利用效率（WUE）、果-草之间的水分关系以及该系统对不同潜在水源（降水、地下水和土壤水）利用的季节变化特征，分析该系统在水分利用过程中对降水变化的响应特征，以揭示果-草复合系统水分利用机制。从而为土壤-植物系统水分循环的驱动机制奠定基础，也为黄土高原果-草复合系统林下间作牧草品种的选择、果园水分优化管理提供科学依据。

我国是世界最大的苹果生产国，果-草复合系统的推行促进了苹果产业的再发展，但该系统中的水分利用格局尚不明确，而稳定同位素的发展为其定量分析提供了可能。通过碳、氢、氧同位素示踪和田间原位监测可以明确植物水分利用策略对生态环境的适应机制，从而为土壤-植物系统水分循环的驱动机制奠定基础，也为黄土高原果-草复合系统林下间作牧草品种的选择、果园水分优化管理提供科学依据。.本研究利用碳、氢、氧稳定同位素定量分析了苹果-白三叶/鸭茅复合系统中各组分的水分利用效率及水分利用来源，研究结果如下：.（1）研究区降雨量、温度及降水同位素组成特征分析.试验期间降水的同位素组成变化不大，其中5月同位素富集，7、8、10月同位素贫化。该地大气降水线方程为：δD=10.50δ18O+24.54。.（2）不同果-草复合系统土壤水分变化及植物水分利用特征.果-草复合系统土壤剖面含水量在不同月份变化不大。土壤平均含水量表现为7月最高，8月次之。同一月份土壤平均含水量则表现为复合系统大于单作系统，均为苹果-鸭茅复合系统含水量最高，表现出保墒效果。.受降雨影响7月单作系统果树主要利用浅层土壤水和中层土壤水，利用比例达71.50%，苹果-白三叶复合系统中，果树和白三叶均主要利用深层土壤水，利用比例分别为48.00%和98.50%，苹果-鸭茅复合系统中，果树和鸭茅均主要利用浅层土壤水，利用比例分别为80.50%和52.00%。其它月复合系统中果树均主要吸收深层土壤水（40~100cm），白三叶主要吸收浅层土壤水（0~20cm），果树和牧草对土壤水分的利用并未表现出竞争。.（3）不同果-草复合系统碳同位素组成的季节性变化.生草对果树叶片的水分利用效率无显著作用。随月份增加，果-草复合系统中果树叶片δ13C值随月份增加基本呈现降低趋势，白三叶和鸭茅则表现为5月>10月>8月>7月。且该地植物δ13C值不受温度和降雨的单独影响。