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研究背景
水分是限制植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，特別是在全球氣候變化的背景下，干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)水文過(guò)程和植被水分利用策略受到顯著影響。煤礦開(kāi)采，尤其是露天礦，對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重。黑岱溝露天煤礦位于黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)，礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)已成為重點(diǎn)工作。排土場(chǎng)的植被恢復(fù)對(duì)于合理利用水土資源和促進(jìn)煤礦可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
目前，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的水問(wèn)題研究主要集中在土壤水文效應(yīng)、物理性質(zhì)和坡面侵蝕等方面，但對(duì)植物水源及其利用機(jī)制的定量研究較少。利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，可以高效分析植物的水源，并通過(guò)多源混合模型量化各水源的貢獻(xiàn)率。例如，深根植物通常利用深層土壤水，而淺根植物則更多依賴(lài)淺層水分。由于煤礦開(kāi)采擾動(dòng)了土壤結(jié)構(gòu)，植物的水源利用方式與自然狀態(tài)下有所不同。此外，雨季的不同月份中，植物水源及其利用機(jī)制也存在差異。??
因此，本研究以黑岱溝露天礦排土場(chǎng)為例，分析蒙古松、檸條和紫花苜蓿在雨季的水分來(lái)源及其利用機(jī)制，并提出兩項(xiàng)假設(shè)：H1，三種植物的水源可能相似；H2，不同月份的水源利用程度會(huì)有所不同。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程
研究區(qū)黑岱溝露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中部（圖1），礦區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候，海拔1256m，年平均氣溫7.2 ℃，年平均降雨量408mm。研究期間，6月至8月的總降雨量占全年的70%以上。無(wú)霜期在125至150天之間，平均日照時(shí)數(shù)為3119.3 h。礦區(qū)排土場(chǎng)為多級(jí)臺(tái)地式排土場(chǎng)，由搗蒜溝排土場(chǎng)、東排土場(chǎng)、北排土場(chǎng)、西排土場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)、東排土場(chǎng)6座排土場(chǎng)組成。土壤類(lèi)型以黃綿土為主，養(yǎng)分含量較低。該區(qū)植被屬暖溫帶草原區(qū)，以低矮稀疏的天然植被為主，蓋度不足30%，優(yōu)勢(shì)種有長(zhǎng)山針茅、蒙古百里香、賴(lài)草等。排土場(chǎng)內(nèi)人工植被有檸條、臭柏、山杏等（表1）。
圖1. 研究區(qū)域的位置
表1. 研究區(qū)域概況
選擇3種典型的可恢復(fù)樣地的植物作為研究對(duì)象，即蒙古楊樣地、檸條樣地和苜蓿樣地（圖2）。試驗(yàn)于2023年6月至8月的雨季進(jìn)行。每月樣品采集2天，天氣晴朗、無(wú)云，前3天無(wú)降雨事件。每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)觀測(cè)研究期間該地區(qū)的降雨量（mm）、大氣溫度（℃）和空氣相對(duì)濕度（%）。每個(gè)樣地選取3株生長(zhǎng)狀況較好的代表性植物，這些植物可以典型地反映整個(gè)試驗(yàn)地的生長(zhǎng)水平。采集每株植物的木質(zhì)部枝條，同時(shí)進(jìn)行降水和土壤采樣。
圖2. 三種植物的圖像
在每個(gè)樣地選取3株長(zhǎng)勢(shì)良好、形態(tài)相似的植物作為樣本，每株重復(fù)采集3次枝條以減少誤差。木本植物剪取4~6個(gè)未綠抽薹枝條，剝皮露出韌皮部，每條長(zhǎng)3~5 cm；草本植物剪取根莖最粗部分。樣品立即放入30mL棕色螺旋蓋玻璃瓶中，封口后低溫保存。每株植物冠層上方采集10~15片健康向陽(yáng)葉片，包裹錫箔紙后冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定木質(zhì)部和葉片中的氫、氧穩(wěn)定同位素值。
在每株植物附近1m范圍內(nèi)，使用土壤鉆從0~100cm深度分10層采集土壤樣品。部分樣品用于測(cè)量土壤含水量，另一部分放入30mL棕色螺旋蓋玻璃瓶中，封口后冷藏保存，備用于測(cè)定土壤水中的氫、氧穩(wěn)定同位素值。
礦區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)放置雨水收集器，使用塑料漏斗和鐵皮桶收集雨水。每次降雨后，將雨水移至30mL棕色瓶中，封口并記錄降雨日期，樣品低溫保存，備用于氫、氧穩(wěn)定同位素（δ2H、δ1?O）的測(cè)定。
研究期間共采集了36個(gè)雨水樣品、288個(gè)植物樣品和1080個(gè)土壤樣品。樣品采集一周后，采用LI-2100全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）從樹(shù)枝、樹(shù)葉和土壤樣品中提取水分，水提取率為99％。過(guò)濾后的水樣采用液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定穩(wěn)定的氫、氧同位素組成。將所得數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)平均海水（SMOW）進(jìn)行比較計(jì)算樣品中的δ2H和δ18O值。
圖3. 研究區(qū)域降水量、氣溫、相對(duì)濕度在(a)月尺度和(b)季尺度的變化特征
研究區(qū)降水、氣溫、相對(duì)濕度的季節(jié)變化特征如圖3b所示。從季節(jié)尺度上可以看出，降水主要集中在夏季，夏季總降水量為539.68 mm，占年降水總量的70.27%。降水量大小順序?yàn)椋合募荆?39.68 mm）>春季（107.42 mm）>秋季（106.28 mm）>冬季（14.6 mm）。春季天氣相對(duì)干燥，相對(duì)濕度較低，秋季降水充沛，相對(duì)濕度較高，降水與氣溫表現(xiàn)出較好的協(xié)同性。相對(duì)濕度大小順序?yàn)椋呵锛荆?5.21%）>夏季（53.28%）>冬季（42.98%）>春季（30.33%）。
圖4. 不同土層土壤含水量特征及土壤水δ2H和δ18O值。（（A–C）：代表樟子松地點(diǎn)；（D–F）：代表檸條地點(diǎn)；（G–I）：代表紫花苜蓿地點(diǎn)）
圖5. 土壤水LC過(guò)量值的垂直分布特征。（（a–c）：代表從6月到8月的月份）
圖6. 研究區(qū)域 6-8 月降水、土壤水、莖水和葉水中 δ2H 與 δ18O 關(guān)系：（a）樟子松地點(diǎn)，（b）檸條地點(diǎn)，（c）紫花苜蓿地點(diǎn)；GMWL：全球大氣降水線；LMWL：局部大氣降水線；SWL：土壤水線；PWL：植物水線；LWL：葉水線
表2. 各潛在水源的δ2H和δ18O特征
圖7. 樟子松、檸條、紫花苜蓿莖水和土壤水δ18O變化。（A–C）：代表樟子松；（D–F）：代表檸條；（G–I）：代表紫花苜蓿）
圖8. 樟子松、檸條、紫花苜蓿對(duì)潛在水源的利用率。（PS：樟子松；CK：檸條；MS：紫花苜蓿）（（a–c）：代表從6月到8月的月份）
結(jié)? ? 論
本研究利用氫、氧穩(wěn)定同位素和IsoSource模型，對(duì)黑岱溝露天礦排土場(chǎng)典型恢復(fù)性植物樟子松、檸條和苜蓿吸水來(lái)源進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，3種植物的吸水來(lái)源均以土壤水為主，在雨季不同時(shí)期，植物能根據(jù)土壤水分情況改變吸水深度。在土壤水分充足的條件下（6月份），樟子松和苜蓿主要吸收淺層和中層土壤（0～60 cm）水分，利用率分別為55.5%和59%；檸條吸水深度較為均衡，淺層、中層和深層土壤水的吸水比例差別不大。當(dāng)土壤含水量降低時(shí)（8月），深層土壤水（60~100 cm）成為3種植物吸水的主要來(lái)源，利用率均在71.7%以上。對(duì)于干旱半干旱地區(qū)植物的生存而言，土壤水分補(bǔ)給的轉(zhuǎn)化機(jī)制是關(guān)鍵的生態(tài)水文過(guò)程。此外，檸條的水分利用模式具有明顯的可塑性，其吸水深度會(huì)隨著土壤水分有效性的變化而調(diào)整，能夠靈活利用各層土壤水分，干旱時(shí)可以轉(zhuǎn)換利用程度以適應(yīng)環(huán)境變化，可能比樟子松和紫花苜蓿更適合當(dāng)?shù)嘏磐翀?chǎng)的半干旱環(huán)境。研究結(jié)果可為今后排土場(chǎng)的生態(tài)植被恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)管理提供參考。
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