林地降水与土壤水同位素特征范文

《水土保持学报》2016年第二期

摘要：

利用2014年5—11月元阳梯田水源区林地采样点上的20个降水数据和216个土壤水数据，对元阳梯田水源区大气降水及土壤水δD和δ18O的变化进行了分析，明确了降水与土壤水的氢氧同位素特征，并探讨了降水对土壤水的影响。结果表明，研究区大气降水δD和δ18O的变化范围分别为（－97．4‰）～（－47．5‰）和（－13．2‰）～（－6．5‰），区域大气降水线（LMWL）为δD＝6．84δ18O－5．69，与昆明的降水线接近，这主要与研究区和昆明所处的大气环流背景、水汽来源相同有关；0—100cm土壤剖面内，土壤水中δD值随深度的增加呈现“S”形或反“S”形，0—40cm土层土壤水的δD和δ18O值分布于LMWL两侧，而60—100cm处的同位素值分布集中且偏离降水线，表明随着深度的增加，土壤水受大气降水和外界蒸发条件的影响减弱；林地坡上40cm土层比表层贫化重同位素，坡下位置植物覆盖度较小，土壤水容易受到外界环境的影响而坡中位置整个剖面δD值的变化不大。

关键词：

氢氧同位素；大气降水；土壤水；垂直变化；坡位

20世纪50年代初，同位素技术开始应用于水科学领域并解决了水文学和水文地质学的一些问题［1］。此后，随着科技进步，尤其是同位素分析技术的发展，水的同位素分析逐渐成为现代水科学的研究方法之一。研究者通过研究水体本身及某些溶解盐类的同位素组成，获得了传统方法不可能得到的一些重要信息［2］。同位素技术可从宏观上和微观上阐明水文循环过程的机理和演变过程，已成为水文问题研究特别是了解水循环过程及演变规律的一种重要手段。大气降水是自然界水分循环的一个重要环节。分析大气降水δD和δ18O在不同地区的分布特点，以及其与各种环境因素之间的因果关系，不仅有助于定性或定量地解决水分起源和成因，区分补给源区和补给高程等问题，而且也有助于揭示“三水”转化关系以及含水层之间的水力联系，从而为最终建立一个地区的水循环模式提供理论依据［3］。土壤水是联系大气降水、地表水、地下水和生物地球循环的纽带。通过追踪δD和δ18O的运动“轨迹”，对比不同水体之间的同位素组成，再结合不同深度土壤水的同位素分布特征，就可以揭示出大气降水与土壤水的关系，进而了解土壤水分的迁移和滞留信息。尽管许多学者已经对降雨和土壤水分中同位素的对比关系进行了研究［4－7］，但由于土壤水分运动复杂，取样及获得土壤水较为困难等条件限制，使得研究结果不尽相同。田立德［8］、徐庆［9］、靳宇蓉等［10］利用氢氧同位素技术探究了青藏高原中部、四川卧龙亚高山暗针叶林以及黄土高原大气降水对土壤水中δD和δ18O的影响，但利用这一先进技术对元阳梯田尤其是梯田上方森林内降雨和土壤水分的研究还非常少。元阳梯田四度同构［11］的独特生态系统中，森林对其水文循环过程的调控作用非常显著，正是因为森林这个巨大的“水库”，才使得四度同构的生态系统经久不衰。因此，本文以元阳梯田水源区上方的森林为研究对象，利用同位素技术的手段和方法，对林地内土壤各层次的同位素变化进行示踪研究，通过对比分析森林中降水和土壤水分中的氢氧同位素值，探讨土壤剖面上土壤水同位素变化的机理及降水对土壤各层次水分的影响，以期掌握元阳梯田水源区林地不同深度土壤水分运移规律，为进一步研究土壤水的动态变化和迁移提供理论依据，同时弥补了同位素技术在元阳地区研究上的空白。

1材料与方法

1．1研究区概况元阳县位于云南省红河哈尼族彝族自治州南部，地理位置处于102°27′—103°13′E，22°49′—23°19′N之间。元阳梯田分布区约有梯田1．32×104hm2，分布于海拔700～1800m，坡度15°～25°的沟壑山岭间，为深切割中山地貌类型。气候属亚热带山地季风气候，地形复杂，立体气候显著，干湿季分明［12］。由于气候的垂直差异和水平差异，大部分地区气温随着海拔升高而逐渐降低，蒸发量减少，雾日增多，湿度增大。研究区位于全福庄小寨流域，该流域隶属于元阳县新街镇全福庄小寨，位于县境中部，距离元阳县城41km处。该研究区属于元阳梯田核心水源区，森林茂密，地理坐标为东经102°45′—102°53′，北纬23°03′—23°10′，平均海拔为1840m左右［13］，土壤主要以黄壤和棕壤为主。年平均气温为20．5℃，年均降水量1403mm，多年平均降水量1397．6mm，降雨的季节变化明显，主要集中在5—10月，最大降雨量出现在7—8月。山上常年流水，有泉水出露点。

1．2研究方法和数据来源

1．2．1样地布设在全面踏勘研究区森林群落的基础上，选择典型森林类型—乔木林并布设样地。样地大小为20m×20m，坡度为21°。林地内植被类型为常绿阔叶林，主要乔木树种有灰木、石栗、元江栲）、绿樟、香桂、西南山茶、印度木荷、泡花树等。在布设好的林地样地内不同坡位（坡上、坡中、坡下）处分别选取典型样方，用于采集土壤剖面不同深度的土壤样品。在林地露天空旷位置放置雨水收集装置，装置内放置1个聚乙烯瓶，瓶口处加装漏斗，漏斗口放置1个乒乓球防止水分蒸发［14］。另外，在不同坡位处各放置1个取样瓶，用于雨水收集。各样方的具体情况见表1。在典型林地样地内代表性地段挖掘土壤剖面，在挖掘好的土壤剖面内按0—20，20—40，40—60，60—100cm这4个层次，用环刀取原状土样供物理性质分析，每层取3个重复样。统计数据时每层取3个重复样的平均值。试验样地土壤物理性质见表2。

1．2．2样品采集（1）降水样品采集。降水样品在每次降水事件结束后收集。2014年6—8月共收集到20场降雨的水样，将收集到的水样由塑料瓶转入50ml离心管中，并立即用Parafilm膜封口，及时标注采样时间、采样地点，并保存在低温保温箱中带回实验室，放置于冰箱冷藏保存以待同位素测定。（2）土壤样品采集。在林地内不同坡位（坡上、坡中、坡下）处，于2014年5月16日，7月4日，7月12日，8月4日，8月18日，11月14日对土壤样品进行采集。利用土钻按0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100cm的层次取样，每层2个重复，共采集了216个土壤样品。将样品放入50ml离心管中，立即用Parafilm膜密封，标注采样时间、采样地点，并保存在低温保温箱中带回实验室冷冻，用于同位素测定。

1．2．3样品处理与分析本研究采用真空抽提装置来抽取土壤中的水分。抽提过程中一定要保证整个装置中为真空状态且不漏气。如果漏气，需要逐个检查，查出漏气的地方并修理。必须充分抽提出样品中的水分，以样品不再产生水汽为准。所有水样的氢氧同位素分析在冰冻圈国家重点科学实验室完成，使用美国LosGatesResearch公司生产的液态水稳定同位素分析仪，采用离轴积分腔输出光谱技术。分析结果用分析水样与VS－MOW的千分差［15］来表示，δD和δ18O的分析精度分别为±1‰和±0．2‰。

2结果与分析

2．1大气降水同位素特征与Craig［18］定义的全球大气降水线δD＝8δ18O＋10相比，研究区降水的稳定同位素值基本落在其右下方，即当地大气降水线的斜率和截距都较全球大气降水线（GMWL）低，并且LMWL的斜率与截距（6．84和－5．69）与GMWL的斜率与截距（8和10）相比差异显著，这与当地相对干燥的环境和较强的蒸发条件有关。

2．2林地土壤水同位素

2．2．1林地土壤水氢氧同位素的垂直变化对整个采样期内216个土壤水样品进行分析发现，研究区内土壤水δD和δ18O的变化范围分别为（－172．7‰）～（－37．4‰）和（－23．3‰）～（－5．4‰），平均值分别为－94．5‰和－13．2‰。由图3可知，土壤水稳定同位素值的大小随时间的变化有显著差异，且δD和δ18O的变化趋势基本一致。经统计分析表明，δD和δ18O的变化无显著性差异。整体来看，随着采样时间的变化，0—100cm土壤深度范围内δD值的变化呈现“S”形或反“S”形。5月16日，土壤水中δD的变化呈现随土壤深度增加而减少的趋势，0—10cm处重同位素明显富集，变化范围为（－102．1‰）～（－42．0‰），说明表层土壤受蒸发作用的影响非常明显。7月4日的变化曲线为“S”形，变化范围为（－101．3‰）～（－65．5‰），曲线拐点出现在10—20cm和40—60cm。40—60cm处δD的平均值为－65．4‰，与前期降雨的δD值－62．1‰很接近，出现该现象的原因可能是40—60cm处有大孔隙，故降雨通过这些快速通道迅速渗入下层，而不与上层土壤水混合。7月12日的同位素值在整个剖面中基本保持不变，δD的变化范围为（－87．7‰）～（－75．0‰）。8月4日和8月18日曲线的变化趋势从20—40cm土层处开始基本一致，变化范围分别为（－152．0‰）～（－76．3‰）和（－132．6‰）～（－83．0‰）。值得注意的是8月4日δD值的变化明显表现为上层同位素贫化而下层富集，出现这种现象主要是因为8月4日之前有持续的降水，累计降水量逐渐增多，前期降雨对土壤水中δD值的稀释和混合作用较大，明显减弱了其他条件对δD值的影响。11月14日δD值得变化曲线呈反“S”形，变化范围为（－116．7‰）～（－69．9‰），相比较8月份“右移”（增大），说明11月份雨季结束，降水减少，土壤水经受蒸发加强。

2．2．2林地不同深度土壤水氢氧同位素关系图4是林地不同深度土壤水δD和δ18O的关系。0—10，10—20，20—40cm土层土壤水的δD和δ18O值分布于当地大气降水线的两侧，且比较分散，表明浅层土壤受降水的影响比较明显。同时，部分土壤水中的同位素值在大气降水线的右下方，偏向负值区，可能存在降雨对土壤水的混合和稀释作用。40—60cm土层的δD和δ18O值的分布也比较分散，但从40—60cm处同位素的分布来看，已经开始偏离当地大气降水线，说明土壤水可能受到蒸发的影响，也可能与前期降水或者背景值的影响有关。60—100cm处的氢氧同位素值越来越集中，且越来越偏离降水线，表明随着深度的变化，土壤水受大气降水和外界蒸发条件的影响越来越弱。

2．3林地不同坡位氢氧同位素变化从整体来看，林地不同坡位土壤中δD值的变化呈现相同的规律，即上层变化复杂而深层变化缓慢且变幅较小。由图5可知，坡上土壤δD大致在20—40cm处出现拐点，逐渐贫化重同位素，继续向深层，同位素值又逐渐增大。造成这种现象的原因可能是坡上位置40cm以上土层中非毛管孔隙所占比重较大，非毛管孔隙能够较快容纳降水并及时下渗［19］，降雨落到表层以后很快入渗至该层，导致该层含水量增大，并对土壤中原有的水分起到了稀释的作用，因此比表层贫化重同位素。坡中位置土壤水δD值的变化较坡上简单，除5月16日与8月4日外，整个剖面δD值的变化不大。坡中位置乔木分布较多，林冠截留量大，枯落物持水性能强，同时枯落物分解后改变了土壤结构，增加了土壤孔隙，使土壤入渗增加。同时，坡中位置植被覆盖度大，降雨和光照等因素对土壤蒸发造成的影响较小，该结论与张娟等［20］的研究结论相符。坡下位置的变化更为复杂且变化主要集中在40cm以上。坡下位置植物覆盖度较小，土壤水容易受到外界环境的影响；加之采样过程中发现，该处土壤中存在砂砾及碎石，因此对土壤水的下渗有极大影响；而采样过程中也可能存在水样的蒸发，影响水中同位素含量的变化。

3讨论与结论

通过前期学者的研究可知，降水中稳定同位素的变化与水汽来源、气象条件以及大气环流等多种因素密切相关。研究区的大气降水线与距研究区375km的昆明大气降水线δD＝6．77δ18O＋3．35［21］接近。因此，本研究虽然只收集到了20场降水样品，但与邻近的昆明地区大气降水线较接近，故研究结果可以大体反映研究区降水的同位素特征。研究区和昆明所处的大气环流背景、水汽来源等相同，并且两者气候条件相似，均有明显的干湿季之分。在旱季，受大陆性气团的影响，空气干燥，蒸发强；在雨季，受海洋水汽的影响，空气湿润，蒸发弱［22］。但在水汽从海洋向内陆输送的过程中，一定不能避免外来水汽的加入，加之降水不断进行，重同位素不断从空气中优先冷凝，故研究区的大气降水线与昆明地区略有不同。同时，就地理位置而言，研究区位于我国的西南地区，属于典型的季风气候区。该地区的水汽主要来自南海、孟加拉湾、印度洋、阿拉伯海以及跨赤道气流的水汽［23］。当水汽从海洋向陆地迁移的时候，不同的冷凝和蒸发过程使得降水中δD和δ18O的含量不断变化，随着距离海洋越来越远，液相降水中会逐渐相对富集重同位素。由于采样时段均处于雨季，受来自海洋水汽的影响，空气湿润，降水量大，因此蒸发较弱，故数据显示结果比较局限，仅代表本次研究结果，今后还需长期观测，以便进一步研究。采样期内林地不同深度土壤水稳定同位素值的统计表明，随深度的增加，土壤水受外界蒸发及降雨等因素的影响逐渐减小。该结论与田日昌等［24］的研究结论相一致。土壤水的δD和δ18O的变化范围明显比大气降水中δD和δ18O的变化范围大，并且有些层次土壤水的同位素值明显高于大气降水。造成这种现象的原因可能为：土壤中的水不仅来自降雨的补给，还可能有其他的补给来源，比如地下水、河流水等；降水在土壤表层向下入渗的过程中受到强烈的蒸发影响，导致同位素分馏加强，故重同位素相对富集，例如表层0—10cm土壤水的δD和δ18O值均高于大气降水；同时，采样时间和降水时间的间隔也会影响氢氧稳定同位素的变化。因此，土壤水同位素值的变化是一个非常复杂的过程，其变化规律还需进一步研究。

247第2期马菁等：元阳梯田水源区林地降水与土壤水同位素特征本研究的结论：（1）研究区大气降水线为δD＝6．84δ18O－5．69，与昆明地区的降水线接近，其稳定同位素值基本落在全球大气降水线的右下方，且斜率明显较小，这与当地相对干燥的环境和较强的蒸发条件有关。（2）林地0—100cm土壤水中δD值随深度的增加呈现“S”形或反“S”形。前期降水的混合稀释作用以及降水的优先入渗影响土壤不同层次同位素值的变化。0—10，10—20，20—40cm土层土壤水的δD和δ18O值分布于当地大气降水线的两侧，且比较分散，表明浅层土壤受降水的影响比较明显。40—60cm土层的δD和δ18O值偏离当地大气降水线，说明土壤水受到了蒸发的影响，并且与前期降水或者背景值的影响有关。60—100cm处的氢氧同位素值越来越集中，且越来越偏离降水线，表明随着深度的增加，土壤水受大气降水和外界蒸发条件的影响越来越弱。（3）林地不同坡位土壤水中δD值的变化均表现为上层复杂而深层相对简单。坡上40cm以上土层中非毛管孔隙所占比重较大，能够较快容纳降水使该层含水量增大，并对土壤中原有的水分起到了稀释的作用，因此比表层贫化重同位素。坡中位置林冠截留量及植被覆盖度大，枯落物持水性能强，整个剖面δD值的变化不大。坡下位置植物覆盖度较小，土壤水容易受到外界环境的影响。

作者：马菁 宋维峰 吴锦奎 王卓娟 张小娟 刘宗滨 单位：西南林业大学环境科学与工程学院 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所