黃土高原是易蝕黃土沉積區(qū)，水土流失是其主要環(huán)境問題。植被恢復(fù)被認(rèn)為是防治水土流失的重要手段，其中油用牡丹因其耐旱、耐瘠、耐寒特性，以及顯著的水土保持和生態(tài)效益，被視為干旱區(qū)理想的造林樹種。此外，油用牡丹還具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其種子可生產(chǎn)食用油，提高農(nóng)民收入并保障食用油安全。雖然油用牡丹適合在干旱區(qū)種植，但關(guān)于其水分利用策略、抗旱機(jī)制和水文效應(yīng)的研究較少。

為填補(bǔ)研究空白，本研究采用穩(wěn)定氫氧同位素（SHOI）和Hydrus-1D模型，探討油用牡丹的水分來源及通量，明確其不同生育期的水分利用策略及土壤水分供需平衡，量化土壤水分通量。本研究將為黃土高原干旱區(qū)的油用牡丹生態(tài)管理和水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

試驗(yàn)以紫斑牡丹為研究對象，地點(diǎn)位于陜西省銅川市中電南部油用牡丹種植園（108.69°E，35.09°N）。該地區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱半濕潤氣候，年均降水量為560–604 mm，降雨主要集中在6–9月，年均氣溫為8.4℃。區(qū)域常年日照充足，太陽輻射強(qiáng)，7月日照時(shí)長最長。試驗(yàn)地海拔范圍為1256.8–1317.3 m，土壤田間持水量為21.3%，具有疏松多孔特性，微團(tuán)聚體含量約7–10%，孔隙度為48–55%（SF 1、SF 2、SF 3）。

根據(jù)油牡丹生育期設(shè)置兩個(gè)10 m×10 m樣地（表1）：3–4年生成熟期樣地（幼年期）和5–6年生成熟期樣地（成熟期）。樣地均為梯田結(jié)構(gòu)，種植密度為50 cm×60 cm，每塊樣地共種植357株油牡丹。試驗(yàn)期間，管理措施僅包括秋末除草和剪除枯枝，未施肥或澆水（SF 4）。

表1. 采樣地點(diǎn)的油用牡丹

在油用牡丹生長季，對所有單株的株高和冠幅進(jìn)行測量，最終選取3株株高和冠幅剛好等于樣地所有單株平均株高和冠幅的植株作為采樣植株。油用牡丹有典型的退枝枯枝現(xiàn)象，生長季植株生長60% 不發(fā)生木質(zhì)化而在秋季死亡，因此采樣方法一般為：剪取直徑0.3～0.5cm、長度3～5cm的非綠色木栓化小枝，迅速剝?nèi)ネ馄?，放入采樣瓶中，用Parafilm封口膜密封，最后放入便攜式冰箱冷凍保存（2℃），即可測定油用牡丹莖稈同位素。經(jīng)過上述步驟后，再逐一摘取每個(gè)采樣植株單株的所有葉片，計(jì)數(shù)、稱重，得到葉片總數(shù)（n）和重量（M）。然后將這些葉子堆疊起來并從這些葉子上切下一塊2cm×2cm的標(biāo)準(zhǔn)方塊并稱重以求得其M值。

每個(gè)樣地布置三角形，用100 cm3環(huán)刀在三角形各角上分別在0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm層取3個(gè)天然土壤樣品，共計(jì)36個(gè)土樣用于測定土壤容重。在選定的3個(gè)采樣植物個(gè)體冠下，剝?nèi)? cm深的表層土壤，用土壤鉆具分層采集土壤樣品，每層取3個(gè)樣品。將土樣分為兩組，第一組裝入便攜式瓶中，用封口膜密封，放入便攜式冰箱中，測量氫、氧同位素值。另一組放入鋁箱帶回實(shí)驗(yàn)室，分析各層土壤質(zhì)地（SF 5）。植物和土壤樣品的采樣日期分別為2019年4月12日、7月15日和9月28日。

樣品提取采用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），單次提取率達(dá) 98% 以上，符合合格樣品的要求。提取的水分樣品和地下水樣品采用同位素分析儀行測定。

圖1. 油牡丹木質(zhì)部、土壤水和地下水的δD值。（a）幼年春季；（b）幼年夏季；（c）幼年秋季；（d）成熟春季；（e）成熟夏季；（f）成熟秋季。幼年與成熟油牡丹木質(zhì)部δD值存在顯著差異（P = 0.016）

圖2. 油牡丹木質(zhì)部、土壤水和地下水的δ18O值。（a）幼年春季；（b）幼年夏季；（c）幼年秋季；（d）成熟春季；（e）成熟夏季；（f）成熟秋季。幼年與成熟油牡丹木質(zhì)部δO18值無顯著差異（P =0.25）

圖3. 土壤剖面含水量及水源貢獻(xiàn)率。（a）幼年春季；（b）幼年夏季；（c）幼年秋季；（d）成熟春季；（e）成熟夏季；（f）成熟秋季。頂端的不同字母表示不同土層土壤含水量具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性

圖4. 不同立地條件下的表面蒸發(fā)、蒸騰和LAI

本研究表明油牡丹水分利用來源多樣而復(fù)雜，春季至秋季淺土層對牡丹的水分貢獻(xiàn)率較大，深層土層對牡丹的水分貢獻(xiàn)率逐漸增大，油牡丹更喜歡從含水量較低的土層中吸收水分，土層含水量越低，油牡丹的水分貢獻(xiàn)率越高，這是其耐旱性較強(qiáng)的原因。油牡丹肉質(zhì)根系不耐澇，因此有其特殊的水分利用策略。油牡丹具有促進(jìn)水分入滲、減少蒸散的作用，具有涵養(yǎng)水分的功能。油牡丹的這些水文特性，使其成為生態(tài)修復(fù)和水土流失防治的植物品種具有顯著的優(yōu)勢。