众所周知，牡丹(Paeonia suffruticosa)是中国的传统名花，是多年生小灌木^[1]。油用牡丹是牡丹组植物中产籽出油率高的(≥22%)种的统称，主要有凤丹和紫斑两大品种，具备高产出、高含油率、高品质、低成本，即“三高一低”的特点；除此之外牡丹根即丹皮是中国传统中药材，具有极高药用价值。油用牡丹耐干旱、耐瘠薄、耐高寒，具有蓄水保土等生态效益，是集诸多优点于一身的水土保持树种^[2-4]。2015年国务院办公厅印发的《关于加快木本油料产业发展的意见》中便提到油用牡丹是黄土高原地区生长的高级油用类植物品种，合理种植，不仅可以治理黄土高原水土流失，促进生态文明建设，而且有利于保障中国的粮油安全^[2]。为了推广种植，现在针对油用牡丹的研究有很多，但多数集中在种植模式、种质资源，育苗技术等的探索^{[1, 4]}，甚至有关于对土壤环境改善的报道^[3]。而制约植物生长发育的最主要因素之一就是水分^[5]，侯小改等^[6]对不同土壤水分条件下牡丹的生理特性做了研究，试验证明不同水分条件下牡丹生理特性差异明显。

黄土高原地处典型的干旱与半干旱地区，全年降水量少，气候干旱，水土流失严重^[7-9]。因此如何因地制宜，兼顾经济与生态的发展，一直是该地区亟待解决的问题。在恶劣环境的胁迫下, 植物需要努力对自身的生理习性、形态结构等进行调整，才能够适应并生存下去。随着生境的变化有选择性的将不同水源作为自己生存的保障, 就是植物适应环境的一种表现^[10]。所以, 研究植物水分来源有助于了解植物的用水策略, 从而针对性地进行适地适树与灌溉。探究植物水分来源的传统方法是首先用全根系挖掘法了解植物根系分布特征, 再结合测定同化枝水势、植物导水度以及植物蒸腾速率等来确定，不仅费时、费力、而且严重破坏了植物的生境, 常常影响对植物水源的量化^[11]。稳定同位素技术作为一种方便、有效的研究手段, 近年来在生态学领域中得到了广泛应用^[12-17]，已有很多学者利用稳定同位素技术定量区分植物利用的水分来源^[16-24]。Eggemeyer等^[21]在2008年利用氢氧同位素的方法研究了半干旱草原的两种乔木和两种草本水分利用深度的季节变化，得到了在雨季，乔木主要吸收表层和深层土壤混合水的结果。周天河等^[22]利用稳定同位素研究胡杨与柽柳的水分来源，探究两者水分利用方式的差异，了解两者对干旱环境的适应机制。张江等^[23]利用稳定同位素测定了塔里木河下游不同龄级胡杨的水分利用来源。许浩等^[24]基于稳定同位素技术探究了河东沙地沙蒿的水分利用，对比了不同月份沙蒿的水分来源等。

因此，本研究选择黄土高原为研究地点, 基于稳定氢氧同位素，利用图解法与多源线性模型计算法两种方法，探究油用牡丹的水分来源与用水策略，比较不同季节、不同生长年限油用牡丹吸水来源的异同，并结合不同土层的土壤含水率, 了解其用水机制，以期为合理种植、推广发展油用牡丹，提高牡丹成活率提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于芋园村油用牡丹种植基地(108.69°E，35.09°N)，地处陕西省中部铜川市照金镇，陕北黄土高原的南缘。气候属温带大陆性半干旱、半湿润区，年平均降水量560~604 mm，气温的特点是：冬季寒冷，夏季炎热，春季升温较快，秋季降温迅速，气温日较差大，昼夜温差大，年平均气温8.4 ℃，无霜期206 d。当地地貌结构复杂，整体呈西北高、东南低的倾斜地势，海拔最高1 734.2 m，最低536 m，沟壑密度1.27 km/km²，境内山峦纵横，峪谷相间，台塬广布，梁峁交错，形成一个不规则的网状结构。主要河流有照金河、兰干川河、雷神河、高尔塬水库等。

1.2 采样方法

基于稳定同位素进行的水源划分，需要两种假设^[23]：①在根区范围内，土壤水同位素在水平方向上没有明显差异；②土样和植物样品的采样时间差与水分在植物体内运输的时间差无明显差异。所以为对比幼年期与成年期两种生长年限油用牡丹主要水分来源，本文使用以下方法采集了2018年9月(秋季)与2019年4月(春季)两个生长季节的土壤、植物、地下水样品，根据所获得的相关数据进行分析。

(1) 样地设置。试验地油用牡丹品种为“紫斑”牡丹。油用牡丹按生命周期一般划分为幼年期、成年期和衰老期，通常我们将1~3 a为养根阶段，3~5 a为幼年期，成年期一般从第5 a开始。但在不同品种和环境的影响下也会有所差异。在本试验中，依据所选油用牡丹的两种年限挑选了2块样地(见表 1)。通过对比株高，根深等，我们将3~4 a生的油用牡丹作为幼年期样本，将5~6 a生的牡丹作为成年期样本。样地均为坡改梯田，栽植密度均为株行距(50 cm×60 cm)。试验期间管理仅包括除草及秋末剪去退缩枯枝，并没有施肥与浇水的措施。

(2) 植物样品采集。在油用牡丹生长季，测定油用牡丹株高、冠幅，最终选择3株作为样本植株。油用牡丹具有典型的“退稍枯枝”现象，也就是说其生长季生长量的60%均不会发生木质化，会在秋季枯死，所以采样方法一般是：剪取非绿色的栓化小枝(直径0.3~0.5 cm, 长3~5 cm)，迅速去皮后装入采样瓶并用Parafilm封口膜密封，然后放入便携式冰箱冷冻保存(2 ℃)，带回实验室冷冻保存。

(3) 土壤样品采集。采集土壤样品时，削去表层2 cm，用1 m长的土钻在样地每株植物下方分别钻取土壤样品，土样分6个土层0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm。采集土样，分为两组，将一份土壤样品迅速装入样品瓶, 用封口膜密封, 并放入携带的便携式冰箱, 带回实验室冷冻保存, 用于测定氢氧同位素值；另外一份土壤样品装入铝盒, 带回实验室用于分析各层土壤质地。

(4) 潜在水源样品采集。收集试验期间地下水样品。在样地附近80 m范围内有一水井，水位在试验期间均距地表 5 m以下，其井水可用于测定地下水δD与δ¹⁸O。将所取样品迅速装入样品瓶、用封口膜密封，并放入便携式冰箱，带回实验室2 ℃冷藏，每组3个重复。

1.3 测定项目及方法 1.3.1 土壤质地

土壤粒级分布使用马尔文2000进行测定，土壤质地采用国际制土壤质地分级。试验结果如表 2所示。通过比对，两块样地土壤为壤质黏土，且两块样地土壤粒径差异不显著(p＞0.05)，介于黏土与沙土之间的土壤最适合油用牡丹生长，试验地土壤保水、保肥性好，土温较稳定，适于植物生长，但通气性，透水性差，不利于好气性微生物活动。

1.3.2 植物及土壤水分提取

样品的抽提使用全自动真空冷凝抽提系统LI-2100(北京理加联合科技有限公司)，单次抽提率达到98%以上为合格样品。抽提的水分与地下水采用LGR液态水同位素分析仪(美国Los Gatos Research公司)测定，其精度δ¹⁸O＜0.03‰，δD＜0.2‰；测得的水样中氢氧同位素含量为“标准平均大洋水(SMOW)”的千分差，表示为：

$ \delta ‰=\frac{R_{\text {Sample }}-R_{\text {Standard }}}{R_{\text {Standard }}} \times 1000 $

式中：R_Sample——样品中的D/H或¹⁸O/¹⁶O的摩尔比；R_Standard——SMOW中的D/H或¹⁸O/¹⁶O的摩尔比。

1.3.3 土壤含水量

土壤体积含水量由TDR300便携式水分测定仪测量。采用上密下疏的方法，在表层20 cm内的土层使用10 cm探头，40—60 cm土层使用20 cm探头，分别测定土壤含水率。试验地土壤属于壤质粘土，各层土壤粘土含量均大于25%，所以TDR300选择高粘土模式(黏土含量大于22%)。因为试验需要比较不同生长年限油用牡丹吸水来源的差异，所以我们在两块样地样本植株附近分别记录各剖面土壤含水率。

1.4 数据分析

采用Excle 2016和Spass Statistics对数据进行整理统计分析，线性相关法分析样品中δD和δ¹⁸O的相关性，最后利用Origin Pro 9.1软件进行作图。利用IsoSource模型计算水源贡献率，模型运行时资源增量参数(source increment)设置为1%, 质量平衡忍受差参数(mass balance tolerance)设置为0.01%。

2 结果与分析 2.1 油用牡丹水分来源 2.1.1 图解法判断油用牡丹水分来源

成年期油用牡丹的样地与幼年期样地对比结果如图 1所示。

由图 1可知越靠近表层土壤，成年期油用牡丹样地的δD，δ¹⁸O值较幼年期油用牡丹样地更加富集。并且，两个季节，春季较秋季重同位素更加富集，而地下水的氢氧同位素值则基本一致。在春季，幼年期油用牡丹δD与δ¹⁸O最大值都出现在0—10 cm土层，并在该土层土壤水和木质部水、地下水分别相交，另外，木质部δD与60—80 cm土层相交(图 1a, 1e)；成年期油用牡丹δD与δ¹⁸O最大值则都出现在0—10 cm土层，植物水与0—20 cm土壤水相交，且该土层δD与地下水相交(图 1c, 1g)。在秋季，幼年期油用牡丹δD与δ¹⁸O最大值均出现在60—80 cm土层，δD与40—60 cm土壤水相交，δ¹⁸O与60—80 cm土壤水相交(图 1b, 1f)；成年期油用牡丹δD与δ¹⁸O最大值均出现在40—60 cm土层，木质部与地下水δD与δ¹⁸O的值同时与60—80 cm土壤水有交点，δD值与20—40 cm土壤水，δ¹⁸O与0—20 cm土壤水分别相交(图 1d, 1h)。通过对比我们发现；在春季，幼年期与成年期油用牡丹均主要吸收0—20 cm土壤水分；在秋季，幼年期吸收40—80 cm土层水分，成年期油用牡丹主要吸收60—80 cm土壤水分，并且都利用地下水。

2.1.2 利用多源线性混合模型确定油用牡丹水分来源和贡献范围

依据δD，δ¹⁸O分别利用图解法进行分析会有不同的结果，精确性不够。因此，本文利用IsoSource软件根据多源线性模型计算油用牡丹的水分来源。因为60—80 cm和80—100 cm土层δD，δ¹⁸O的差异性均不显著(p＞0.05)，所以合并土层为60—100 cm。表 3汇总了各个水源的平均、最小以及最大贡献率。

由表 3可知，在春季，幼年期与成年期的油用牡丹对0—20 cm表层土壤水的利用效率分别为61.8%和70.7%，二者主要利用0—20 cm表层土壤水，且随着土层深度的增加，对水分的利用也随之减少。在秋季，0—40 cm土层幼年期油用牡丹的水分利用率(59.6%)远大于成年期油用牡丹(37.2%)，在40—100 cm土层及地下水的利用率，成年期油用牡丹(46.3%，16.5%)则要大于幼年期(30.1%，10.3%)。综合两个季节来看，成年期与幼年期油用牡丹对水分的利用策略存在明显差异。幼年期油用牡丹在春秋季都倾向利用较浅层水分，而且对20—40 cm土层的水分利用较为稳定；成年期油用牡丹春秋两季则都可以利用较深土层的水分。

2.2 土壤剖面含水率与水分来源 2.2.1 土壤剖面含水率与δD的关系

除个别泌盐与旱生植物，植物吸收土壤水分并不存在同位素分馏现象，并且由于降水、表层蒸发、地下水补给、植物蒸腾等作用的影响，土壤各个剖面的含水率有着明显的不同，通过分析研究土壤剖面含水率与氢氧同位素值的变化有助于分析土壤水的补给、损失等各种水力活动。不同生长年限的油用牡丹木质部的δD有显著差异(p=0.016)，而δ¹⁸O则差异不显著(p=0.25)。因此，本文着重关注土壤各个剖面δD值的变化。在本次试验中，土壤剖面含水率与δD值存在明显的线性关系(见图 2)。通过相关性分析，土壤含水率与δD值呈显著负相关(r=-0.492，P=0.014，n=24)。意味着在含水率越高，δD值愈小，反之亦然。春季表层因为长时间的蒸发，含水量较低，重同位素富集，所以δD值较大；秋季表层土壤含水率较大，δD值则较小。可以判断采样之前由于研究区接受了降雨补给土壤水分，表层土壤含水量增加，而δD值降低。

2.2.2 土壤剖面含水率与不同来源水分贡献率的关系

植物吸收水分与土壤含水量密切相关，土壤剖面含水率与油用牡丹吸收不同来源水分贡献率的关系如图 3所示。

由图 3可知，除了幼年期秋季(r=0.509，p=0.381，n=5)以外，油用牡丹吸收的不同土层水分的贡献率与含水率均呈负相关关系；幼年期春季(r=-0.031，p=0.960，n=5)，成年期春季(r=-0.837，p=0.077，n=5)，成年期秋季(r=-0.968，p=0.007，n=5)。这意味着为油用牡丹贡献水分越高的土层，其含水率越低。另外，通过两块样地不同土层土壤含水率的单因素方差分析，秋季0—20cm及60—100 cm土层含水量差异不显著(p＞0.05)，但整体依旧显示，成年期牡丹样地表层含水率低于幼年期样地。20—60 cm土层含水量差异极显著(p＜0.01)。春季0—10 cm及80—100 cm土层含水量差异不显著(p＞0.05)，在10—80 cm差异显著(p＜0.05)。两个季节表层土壤由于气候等影响的剧烈水力活动，导致植物对土壤水分的影响并不明显。

3 讨论 3.1 不同生长年限油用牡丹的水分来源

不同类型的植物具有不同的水分利用来源, 植物在水分利用来源上存在着较大的时空变异, 尤其在干旱半干旱地区。即便同种植物, 不同年龄阶段所利用的水分来源也有差异^[25]。植物根系在土壤中吸收水分的过程中，稳定氢氧同位素一般不会发生分馏，因此木质部水分的同位素信息能够较好地反映出植物利用不同水源稳定同位素的组成信息^{[12-13, 16-17, 19]}。

图解法有一定指示作用，但因依据δD，δ¹⁸O分别进行分析会有不同的结果，精确性不够，所以我们利用图解法与多源线性模型两种方法区分两种年份油用牡丹的水分来源。结果表明，两种年限油用牡丹的水分来源有所差异，由不同土层土壤水对油用牡丹的贡献率可以得出，在黄土高原地区，春季两种年份油用牡丹均倾向吸收浅层土壤水分，这与其根系分布及土壤含水量密切相关，当水源较为充足时，植物倾向优先发展表层根系，优先吸收利用储存在浅层土壤中的水分，有利于节省能量^[26-30]。差异是在浅层土壤中，成年期的油用牡丹较幼年期在相同土层的水分利用率更高，这种策略使得成年期油用牡丹在整个吸水土层能更持久的利用水分。秋季，在油用牡丹生长周期的末期，两种年份的油用牡丹吸收各土层水分，并利用地下水。差异是成年期油用牡丹主要吸收40—60 cm土层水分，并且对40 cm土层以下及地下水的利用率均高于幼年期的油用牡丹。这与成年期油用牡丹平均最大扎根深度可达70 cm，而幼年期平均只有30 cm有关。此外成年期油用牡丹根系主要分布在0—40 cm土层，这与秋季成年期油用牡丹主要吸水土层并不一致，证明了过去利用根系结构进行植物水分来源判断的方法确实存在一定的局限性^[23]。

3.2 油用牡丹吸水来源与土壤含水率

牡丹生长忌涝, 土壤水分过多, 会造成烂根、烂叶, 易滋长病虫害; 水分不足, 又会影响植株的正常生长和发育^[6]。通过分析两个季节、两种生长年限油用牡丹土壤剖面含水率与水源水分贡献率的关系，发现土层含水率与该土层对油用牡丹的水分贡献率呈负相关，土层含水率越低，水分贡献率则越高。一般来说，大部分的植物在旱季主要吸收深层的土壤水和地下水，而到雨季水量充足时会转而吸收浅层的土壤水^[31-32]。但本研究中，油用牡丹秋(雨)季土壤含水率远远高于春(旱)季，表层土壤这种差距更为显著。且油用牡丹在春季倾向吸收表层水分，而在秋天则倾向利用较深层的水分，这些结果与前人的研究不相符合。通过分析春季土层δD值的变化，表明表层土壤含水量较少的主要原因是因为蒸发而不是蒸腾。野外调查实测得到成年期油用牡丹最大扎根深度可达70 cm，根系主要分布在0—40 cm；幼年期油用牡丹最大扎根深度为32 cm，且根系主要分布在0—20 cm，成年期油用牡丹在秋季反而利用含水量较表层低且根系分布量较少的深层土壤水分。

4 结论

油用牡丹更倾向于吸收含水率较低土层的水分。而秋季幼年期的油用牡丹不符合这一规律则是因为表层土壤含水量差异不显著且根系分布较浅。除此之外，两次采样期间的土壤含水量均没有达到干旱胁迫的程度，反而土壤含水率都较高。油用牡丹如果田间排水不畅, 长时间积水，则很容易发生根腐病，常造成整株甚至成片死亡^[33], 试验得出的用水策略也与它耐旱不耐涝的特性相关。

黄土高原是中国土壤侵蚀最严重的地区，雨季多暴雨，水蚀面积占整个区域的45%^[34]。生物措施是目前比较有效且有利的方法之一，油用牡丹耐干旱瘠薄，能够较好地控制水土流失。但幼年期与成年期油用牡丹相比，根系的生长相对不够成熟，所以其用水策略选择的自主性，弱于成年期。因此选择推广种植油用牡丹时，尤其在其幼年期，注意排涝至关重要。