植被水分利用研究的國內(nèi)外文獻綜述1.1植被水分利用來源水分利用來源是指植物生長可利用的水源。目前，水分利用來源的研究方法為挖掘植物根系法和穩(wěn)定性氫氧同位素技術(shù)法。其中挖掘植物根系的方法不僅費時費力，對采樣地點造成較大的破壞，對土壤水的剖面以及整個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響而且在高大的喬木林中，具有較高的物種多樣性，高密度以及發(fā)達強壯的根系，根系挖掘法似乎不切實際（Meinzeretal.2001）。穩(wěn)定性氫氧同位素技術(shù)補缺根系挖掘法的短板廣泛的運用在水分利用來源當。穩(wěn)定性氫氧同位素技術(shù)的高精度，耗時少以及對當?shù)氐闹脖煌寥榔茐妮^少等特點，漸漸被得到認可和應(yīng)用（許素寒等2020;Guoetal.2019）。因植被的根系在吸收外界水分后，經(jīng)過植物的木質(zhì)部到枝條和葉片的過程不會發(fā)生物理化學(xué)變化，不會發(fā)生同位素分餾，植物水中的氫氧同位素的豐度的變化范圍在根系吸收的不同土層水的氫氧同位素豐度的范圍之內(nèi)（EllsworthandWilliamsDG2007）。因此可以通過穩(wěn)定性氫氧同位素技術(shù)，測定植物的植物的葉片或枝條木質(zhì)部以及不同水源的氫氧同位素的豐度確定植物水分利用來源（Whiteetal.1985）。通過氫氧元素質(zhì)量不同的方法區(qū)分植物不同深度的根系通過大氣降水吸收的不同土層的水分，淺層根系吸收地表土壤水或霧水，深層根系吸收地下水和河水。同位素技術(shù)被用在生態(tài)學(xué)中并發(fā)展壯大。隨著氫氧同位素技術(shù)的經(jīng)驗累積深厚,已經(jīng)逐漸運用到生態(tài)系統(tǒng)各個組成包括土壤、植物、河流等（劉鑫等2007;王賀等2016）。該技術(shù)在干旱半干旱地區(qū)也很實用（張荷惠子等2019;Tanetal.2017）。同位素是指在元素周期表中的某個元素的不同原子，其元素因原子核中擁有的質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同。根據(jù)中子的穩(wěn)定程度又將同位素分為穩(wěn)定性同位素和放射性同位素。穩(wěn)定性同位素為一直處于穩(wěn)定的同位素，例如H、D，16O、18O等。氫氧同位素組成是指氫或著氧元素中，一般是指這兩種同位素的相對含量，其量化通常用兩個同位素的比值來確定，用標準平均海洋水來做標準，用同位素豐度表示。由于穩(wěn)定性同位素的含量較低，單位通常用千分差表示同位素的豐度，記為δ。我國利用氫氧同位素技術(shù)進行研究的時間較晚，上世紀70年代才運用于實驗當中，章申和于維新（1978）測定了珠穆朗瑪峰低海拔地區(qū)不同自然帶的降水和降雪氫氧同位素，探究其變化規(guī)律。鄭淑蕙等（1980）用金屬鈾法和五氟化澳法,對礦體水的δD和δ18O的精密度進行分析檢查。得到δD值的偏差為±1.2‰，δ18O值的偏差為±0.5‰。這些研究只是分析了氫氧同位素的差異或者對標準值的偏差，后來利用穩(wěn)定性氫氧同位素技術(shù)通過直接對比法確定植物利用的水源（方杰等2011）。直接對比法是通過植物木質(zhì)部水氫或氧同位素值與各水源氫或者氧同位素值的相互接近或著某一點重合，來確定植物主要吸收各水源的強度（Bruneletal.1995）。但直接對比法難以量化，國內(nèi)學(xué)者開始通過模型方法對比分析穩(wěn)定性氫氧同位素的豐度研究植物水分利用來源（許素寒等2020;孜爾蝶·巴合提等2020）。其方法有二源或三源混合模型（PhillipsandGregg2001）、多源線性混合模型（SnyderandWilliams2000）、吸水深度模型（Romeo-Saltosetal.2005）、貝葉斯混合模型（MooreandSemmens2008）以及動態(tài)模型（Whiteetal.1985）在水分利用來源模型。李楠（2018）比較分析了直接對比法與MixSIR、SIAR和IsoSource模型各種方法的優(yōu)缺點。確定IsoSource模型在刨除同位素空間差異的影響下，適用性較強并且計算結(jié)果比較準確，可以定量的描述出各個水源的水分貢獻率。韓磊等（2020）評價了分別評價了二源或三源混合模型、多元線性混合模型、吸水深度模型、貝葉斯混合模型（MixSIAR、SIRA、MixSIAR）以及動態(tài)模型分別指出各模型特點。二源或三源混合模型能夠分析各水源的貢獻率，但水源數(shù)不能超過三個，而且沒有意識各水源同位素之間的差異帶來的影響。吸水深度模型能夠設(shè)定土壤剖面的間隔，得出植物平均的吸水深度，但只能計算土壤水對植物的貢獻率，并不能得出其他水源對植被的貢獻率。貝葉斯混合模型計算結(jié)果具有代表性和準確性，且不受水源類別和數(shù)量的桎梏。動態(tài)模型能夠根據(jù)水源的動態(tài)變化，把每次降水當做一次水源，但模型要觀測植物的衰減期。多元線性混合模型因操作簡單，適用范圍與研究范圍一致，被廣泛采納。IsoSource模型因操作簡單且有效計算各水源對植物貢獻比例被大多數(shù)人認可，成為研究潛在水源數(shù)量較多的生態(tài)系統(tǒng)水分來源的利用策略（Bershawetal.2016）。李盼根等（2020）基于穩(wěn)定性氫氧同位素，通過Iso-Source模型分析黃土高原上牡丹的水分利用來源得到牡丹主要利用了0?20cm土層水分。李榮磊等（2021）測定黃土高原沙柳(Salixpsammophila)的木質(zhì)部水、土壤水、降水的潛在水源的氫氧同位素，通過Iso-Source模型得到沙柳在雨季以吸收淺層土壤水為主，土壤水對沙柳的貢獻率為50.70%?54.00%。李惠等（2017）應(yīng)用多水源混合模型（IsoSource模型），得出西北干旱地區(qū)棉花的水分利用來源和貢獻率，分別為0?30cm（78.2%）、30?60cm（31.9%）、60?110cm（32%）。不同的植物對不同的水源的利用率存在差異，他們有時會相同的水源競爭。植物為適應(yīng)環(huán)境選擇地利用不同水源的表現(xiàn)會隨著環(huán)境的變化而變化（LlewellynandBurnell2000）。朱雅娟等（2020）通過測定毛烏素沙地的沙地柏、黑沙蒿和沙柳的氫氧同位素得到雨季沙地柏主要利用10?25cm和100?200cm土壤水，黑沙蒿以及伴生的楊柴都利用10cm和150cm土壤水，沙柳主要利用10?25cm淺層土壤水和100?200cm深層土壤水。得出在不同季節(jié)沙地柏、黑沙蒿及其伴生植物和沙柳，利用不同深度的土壤水，楊柴與黑沙蒿和沙柳之間存在水分競爭。王金強等（2019）利用穩(wěn)定性氫氧同位素的方法研究了不同土層對林胡楊（Populuseuphratica）、沙棗（Elaeagnusangustifolia）和榆樹（Ulmuspumila）的貢獻率，其中胡楊主要吸收利用率為83.3%的10?20cm淺層土壤水；沙棗主要吸收利用率為50.6%的80?120cm的土壤水；榆樹主要吸收利用率為82.5%的50?300cm的深層土壤水和地下水。魏特（2018）以六道溝流域典型灌木檸條、沙蒿為研究對象,通過穩(wěn)定性同位素技術(shù),在雨季檸條和沙蒿的主要水源分別利用30?60cm、0?0cm和0?10cm的土壤水,對這幾個水源的利用率分別為68.4%、49.1%、75.3%和66.1%、43.3%、95.0%。1.2生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率水分利用效率（WaterUseEfficiency，WUE）是最開始由Viets（1962）定義，指作物對水利用量和產(chǎn)量的比值。而后周健民和沈仁芳（2013）將定義完善成作物因蒸散每消耗單位質(zhì)量水而制造的干物質(zhì)量，單位為g·kg-1，其量化指標對碳水耦合關(guān)系有重要的作用。水分利用效率能描述植物生命活動過程的能量轉(zhuǎn)化率，作為衡量消耗水量與作物產(chǎn)量轉(zhuǎn)換的指標，即耗散單位質(zhì)量的水所增加的碳量。（CowanandFarquhar1977）。不同的植物水分利用效率研究尺度其計算方法和過程也不相同，主要分為葉片尺度、個體尺度、群體和區(qū)域尺度。水分利用效率在葉片尺度上分為瞬時和內(nèi)在的水分利用效率（王斌瑞和王百田1996）。瞬時水分利用效率主要通過光合速率與蒸騰速率的比值確定。內(nèi)在的水分利用效率主要是通過凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的比值確定（Penuelasetal.1998）。個體尺度的水分利用效率指植物通過光合作用的生產(chǎn)力與冠層的蒸散發(fā)的比值，即植物生長階段增加的干物質(zhì)量與耗水量的比值，研究方法主要有直接測定、替代指標、光合氣體交換和碳同位素法（曹生奎等2009）。葉片尺度和個體尺度已形成成熟的研究方法。（Kleinetal.2013）認為葉片氣體交換是生態(tài)系統(tǒng)和全球水平水和CO2通量的基礎(chǔ)，進而影響土壤水的有效性，當水分利用效率應(yīng)用于整個樹冠時，葉片尺度的差異可能轉(zhuǎn)化為水文通量的主要通過生態(tài)系統(tǒng)尺度變化來表達。在生態(tài)系統(tǒng)的尺度上，SternerandElser（2002）認為直接測量生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳和水交換能夠確定生態(tài)系統(tǒng)水利用效率。但這些測量不能直接量化碳同化和蒸騰作用?？偝跫壣a(chǎn)量（GPP）、凈初級生產(chǎn)力（NPP）和蒸散量（ET）是從凈生態(tài)系統(tǒng)交換(NEE)和潛熱通量的測量中得出。因此生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率一般用總初級生產(chǎn)力或者凈初級生產(chǎn)力與蒸散發(fā)的比值，即總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力或凈初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)的斜率，蒸散發(fā)為植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量的和。Tian等（2010）認為植被可以提高水分利用效率對水分脅迫作出反應(yīng)，但確定植物對水分脅迫的功能反應(yīng)仍然是植物脅迫生物學(xué)中最復(fù)雜的問題之一，主要因為復(fù)雜性的水碳耦合過程使區(qū)域尺度定量分析水分利用效率的研究還較少。水分利用效率模型不僅從個體尺度擴展到生態(tài)系統(tǒng)尺度研究水分利用效率，且能更好的在區(qū)域尺度的范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境因子的變化對水分利用效率的影響（張遠東等2016）。水分利用效率模型主要有統(tǒng)計模型（LiethandBox1972；UchijimaandSeino1985）、過程模型（Alexandreetal.1997;Melilloetal.1995）及半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ɡ畛康?015）。仇寬彪等（2015）按照VPM-EF模型和Priestly-Taylor模型估算得到2003-2009年大興安嶺長白山地區(qū)和秦嶺植被總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)，計算得到的植被水分利用效率平均為2.0gC·kg-1H20。王姣月等（2020）根據(jù)CASA模型獲得植被凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)和MODIS系列產(chǎn)品的蒸散數(shù)據(jù)，估計2001?2016年毛烏素沙地植物的水分利用效率平均為0.62gC·mm-1·m-2。周杰等（2013）通過3GP+模型模擬北京大興2006?2012年楊樹林地的碳儲量和蒸散發(fā)，得到11?18年期間林齡楊樹林具有較高的碳儲量，08?11年的水分利用效率逐漸增加。Biome-BGC生理生態(tài)過程模型，能夠很好地模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水通量和物質(zhì)循環(huán)過程并被大多數(shù)人采納（Dongetal.2005;Kangetal.2016）?？禎M春等（2019）通過遙感得到楊樹人工林總初級生產(chǎn)力和蒸散發(fā)的實測值與Biome-BGC模型在默認參數(shù)情形下通過相關(guān)分析得到總初級生產(chǎn)力每年增速為1.24gC/m2；蒸散發(fā)每年增速1.19kgH2O/m2。溫永斌等（2019）經(jīng)過PEST模型優(yōu)化生理生態(tài)參數(shù)后運行Biome-BGC模型得到2000?2014年千煙洲森林水分利用效率的范圍在2.09?3.71g/kg、年平均為2.90g/kg。Ma等（2011）探討了在西歐和中歐典型的溫度和降水范圍內(nèi)，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的渦動通量測量識別農(nóng)田的Biome-BGC模型的生態(tài)生理參數(shù)。優(yōu)化模型對小麥、大麥和油菜的總初級生產(chǎn)力和凈生態(tài)系統(tǒng)交換的預(yù)測能力有所提高，但對蒸散量的預(yù)測能力沒有提高。在配置模式流域方面，劉丹丹（2018）通過Biome-BGC模型分析4種群落時空分布的碳通量差異結(jié)果為：羊草、糙隱子草以及灰綠藜混交群叢的凈初級生產(chǎn)力平均值最大，該群落隨著時間的延續(xù)受到的外部環(huán)境沖擊較大；糙隱子草、灰綠藜以及豬毛菜混交群叢差異較大；大針茅、羊草、黃囊和苔草群羊草、大針茅、糙隱子草混交群叢的凈初級生產(chǎn)力受到環(huán)境的影響最小。劉秋雨（2018）通過Biome-BGC生態(tài)過程模型模擬落葉闊葉林、常綠闊葉林以及草地的碳通量（NEE）和蒸散發(fā)。落葉闊葉林的蒸散發(fā)平均每日為2.4mmH2O/d，碳通量為0.42gC/m-2/d；常綠闊葉林的蒸散發(fā)為2.1mmH2O/d，碳通量為0.13gC/m-2/d；草地的蒸散發(fā)為1.5mmH2O/d，碳通量為0.61gC/m-2/d。溫永斌（2019）通過Biome-BGC模型對長白山、千煙洲、鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)、內(nèi)蒙古、當雄草地生態(tài)系統(tǒng)以及海北灌木生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率。長白山喬木林地的水分利用效率范圍為0.37?4.08gC/kgH2O。1.3土壤水分植被承載力土壤水分植被承載力（VegetationCarryingCapacityofSoilWater,VCCSW）是土地植被承載力的一部分，指在某一環(huán)境條件下生物個體在單位面積的土地中生長情況下最大存在數(shù)量，即土壤水資源承載植物的最大負荷（曲仲湘等1983）。目前，土壤水分植被承載力的重要問題為合理利用水資源和植被建設(shè)。一般自然情況下，土壤水的來源包括大氣降水和地下水資源，只有被植物直接吸收利用的土壤水資源才對植被的生命活動有效。郭忠升和邵明安（2006）認為黃土高原屬于干旱半干旱地區(qū)，地下水較深供給植物用水的可能微乎其微，土壤水是限制植被承載力的中要因子，并提出了土壤水分植被承載力概念。Xia和Shao（2008）將土壤水分植被承載力進一步完善為在特定的氣候條件、土壤質(zhì)地和管理制度下，特定干旱或半干旱地區(qū)在不降低土壤水且支持后代的植被穩(wěn)定生長的情況下能夠維持的特定類型植被的最大生物量。郭忠升和李耀林（2009）認為在一定的立地條件下，某種林地的一定密度下植物能達到植物生長的前提下，土壤水的供給和消耗達到平衡，此時土壤水分植被承載力用林地的密度表達。承載力一般通過密度為單位來表示,即研究群落或者種群的密度與土壤水分補給和消耗關(guān)系成為了土壤水分植被承載力研究的基礎(chǔ)（郭忠升和邵明安2006）。馬煥成等（2001）測定了干熱河谷地區(qū)的土壤自然含水量和萎蔫系數(shù)，計算出當?shù)赝寥赖挠行挚偭俊３圆煌参锏牡膯沃晁值孟牧?，估測出土壤水分對植被的最大承載力。（焦醒等2014）通過作物系數(shù)與土壤蒸發(fā)量和植物蒸騰量的乘積求得作物的需水量，當?shù)刈畲笾脖桓采w承載率通過有效的降水量與作物的需水量的比值來確定。估算土壤水分植被承載力方法有：數(shù)學(xué)模型模擬和根據(jù)土壤水分平衡原理計算。數(shù)學(xué)模型模擬包括經(jīng)典承載力模型（Cohen1995）、通用數(shù)學(xué)模型（Price1999）、土壤水分密度模型（郭忠升和邵明安2004）和土壤水分植被承載力模型（張金存和芮孝芳2007）。通過密度表述對林地多樣性土壤水分植被承載力的研究有很多。王延平（2009）研究關(guān)于陜北黃土區(qū)大于25度陡坡的山杏地、檸條林地的密度與林冠截留量、地表徑流、根層土壤水分補給量和土壤水分消耗量之間關(guān)系建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵约癋AO法確定了山杏地、苜蓿地的土壤水分植被承載生物量分別為2423kg/hm2、3992.2?4173.7kg/hm2，檸條地的土壤水分植被承載力為2852穴/公頃。（魏天興等1998）通過水量和波文比能量平衡法，研究林地蒸散發(fā)和林冠截留蒸發(fā)的季節(jié)變化與不同林地耗水量的關(guān)系得出山西吉縣不同林齡不同坡向的刺槐林和油松林的承載力：14年?16年陽坡和陰坡刺槐林地的承載力分別為2450株/公頃和2380株/公頃；16年?18年陽坡和陰坡刺槐林地的承載力分別為2083株/公頃和3300株/公頃。17年?19年梁頂和陰坡油松林地的承載力分別為4700株/hm2和4250株/公頃。馬煥成等（2001）得出在旱季土壤水能夠持續(xù)供給保持馬占相思、大葉相思和絹毛相思三個樹種能夠維持生長的情況下的適宜密度為5000株/公頃。估算了窿緣桉、肯氏相思、赤桉、厚莢相思和檸檬桉等五個樹種的種植密度要小于等于2000株/公頃。劉青柏（2016）通過油松、刺槐、西伯利亞杏林的密度為基礎(chǔ)，通過土壤水分的物理性狀、植物的耗水情況估算遼西低山區(qū)油松林、刺槐林和山杏林承載密度分別為1621?294株/公頃、2069?287株/公頃和4186?1059株/公頃。綜上所述，國內(nèi)通過模型來模擬退耕還林地水分利用還很少，本文選取陜北安塞區(qū)為研究區(qū)域，選擇不同配置模式（沙棘、油松、檸條、山杏、刺槐、油松，刺槐山杏、刺槐山桃以及草地），通過IsoSource模型、Biome-BGC模型、生產(chǎn)力，耗水和承載力經(jīng)驗?zāi)Ｐ头謩e模擬估算不同配置模式的水分利用來源、水分利用效率以及土壤水分植被承載力，進而為改善區(qū)域水資源利用效率，推動水土保持林建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。參考文獻曹生奎,馮起,司建華,常宗強,席海洋,卓瑪錯.2009.植物水分利用效率研究方法綜述.中國沙漠,29(05):853-858陳雪冬,唐明,張新璐,等.2017.黃土高原刺槐純林的土壤-菌根關(guān)系及隨林齡的變化.林業(yè)科學(xué),53(12):84-92仇寬彪.2015.中國植被總初級生產(chǎn)力、蒸散發(fā)及水分利用效率的估算及時空變化.[博士學(xué)位論文].北京:北京林業(yè)大學(xué)鄧文平,余新曉,賈國棟,李亞軍,劉瑜潔.2014.雨季北京山區(qū)3種典型植物的水分來源.干旱區(qū)研究,31(04):649-657段德玉,歐陽華.2007.穩(wěn)定氫氧同位素在定量區(qū)分植物水分利用來源中的應(yīng)用.生態(tài)環(huán)境,2007(02):655-660段藝芳,任志遠,孫藝杰.2020.陜北黃土高原植被生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率氣候時滯效應(yīng).生態(tài)學(xué)報,40(10):3408-3419方杰,魏雅芬,劉帥,趙學(xué)勇,李勝功.2011.科爾沁沙地丘間低地樟子松人工林水分利用來源的穩(wěn)定同位素解析.生態(tài)學(xué)雜志,30(09):1894-1900付昕宇,劉華民,于曉雯,寇欣,溫璐,董少剛,王立新.2020.岱海湖濱帶濕地植物水分來源及利用策略研究.干旱區(qū)資源與環(huán)境,34(12):42-49郭忠升,李耀林.2009.植物生長與土壤水關(guān)系調(diào)控起始期.生態(tài)學(xué)報,29(10):5721-5729郭忠升,邵明安.2003.雨水資源、土壤水資源與土壤水分植被承載力.自然資源學(xué)報,(05):522-528郭忠升,邵明安.2004.土壤水分植被承載力數(shù)學(xué)模型的初步研究.水利學(xué)報,35(10):95-99郭忠升,邵明安.2006.土壤水分植被承載力初步研究.科技導(dǎo)報,(02):56-59郭忠升,邵明安.2009.土壤水分植被承載力研究成果在實踐中的應(yīng)用.自然資源學(xué)報,24(12):2187-2193郭忠升.2011.水資源緊缺地區(qū)土壤水分植被承載力論述.林業(yè)科學(xué),47(05):140-144韓磊,韓永貴,黃曉宇,高陽,孫兆軍.2020.氫氧穩(wěn)定同位素示蹤旱區(qū)植物水分來源與利用策略.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,47(03):435-441賀勇,蘭再平,孫尚偉,彭晶晶,馬鑫.2017.滴灌條件下楊樹幼林樹高、材積、生物量和N、P、K積累量模型研究.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,37(01):78-84胡良軍,邵明安.2002.黃土高原植被恢復(fù)的水分生態(tài)環(huán)境研究.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,(08):1045-1048焦醒,劉廣全,土小寧.2014.黃土高原植被恢