林地降水與土壤水同位素特征范文

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《水土保持學(xué)報》2016年第二期

摘要：

利用2014年5—11月元陽梯田水源區(qū)林地采樣點(diǎn)上的20個降水數(shù)據(jù)和216個土壤水數(shù)據(jù)，對元陽梯田水源區(qū)大氣降水及土壤水δD和δ18O的變化進(jìn)行了分析，明確了降水與土壤水的氫氧同位素特征，并探討了降水對土壤水的影響。結(jié)果表明，研究區(qū)大氣降水δD和δ18O的變化范圍分別為（－97．4‰）～（－47．5‰）和（－13．2‰）～（－6．5‰），區(qū)域大氣降水線（LMWL）為δD＝6．84δ18O－5．69，與昆明的降水線接近，這主要與研究區(qū)和昆明所處的大氣環(huán)流背景、水汽來源相同有關(guān)；0—100cm土壤剖面內(nèi)，土壤水中δD值隨深度的增加呈現(xiàn)“S”形或反“S”形，0—40cm土層土壤水的δD和δ18O值分布于LMWL兩側(cè)，而60—100cm處的同位素值分布集中且偏離降水線，表明隨著深度的增加，土壤水受大氣降水和外界蒸發(fā)條件的影響減弱；林地坡上40cm土層比表層貧化重同位素，坡下位置植物覆蓋度較小，土壤水容易受到外界環(huán)境的影響而坡中位置整個剖面δD值的變化不大。

關(guān)鍵詞：

氫氧同位素；大氣降水；土壤水；垂直變化；坡位

20世紀(jì)50年代初，同位素技術(shù)開始應(yīng)用于水科學(xué)領(lǐng)域并解決了水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)的一些問題［1］。此后，隨著科技進(jìn)步，尤其是同位素分析技術(shù)的發(fā)展，水的同位素分析逐漸成為現(xiàn)代水科學(xué)的研究方法之一。研究者通過研究水體本身及某些溶解鹽類的同位素組成，獲得了傳統(tǒng)方法不可能得到的一些重要信息［2］。同位素技術(shù)可從宏觀上和微觀上闡明水文循環(huán)過程的機(jī)理和演變過程，已成為水文問題研究特別是了解水循環(huán)過程及演變規(guī)律的一種重要手段。大氣降水是自然界水分循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)。分析大氣降水δD和δ18O在不同地區(qū)的分布特點(diǎn)，以及其與各種環(huán)境因素之間的因果關(guān)系，不僅有助于定性或定量地解決水分起源和成因，區(qū)分補(bǔ)給源區(qū)和補(bǔ)給高程等問題，而且也有助于揭示“三水”轉(zhuǎn)化關(guān)系以及含水層之間的水力聯(lián)系，從而為最終建立一個地區(qū)的水循環(huán)模式提供理論依據(jù)［3］。土壤水是聯(lián)系大氣降水、地表水、地下水和生物地球循環(huán)的紐帶。通過追蹤δD和δ18O的運(yùn)動“軌跡”，對比不同水體之間的同位素組成，再結(jié)合不同深度土壤水的同位素分布特征，就可以揭示出大氣降水與土壤水的關(guān)系，進(jìn)而了解土壤水分的遷移和滯留信息。盡管許多學(xué)者已經(jīng)對降雨和土壤水分中同位素的對比關(guān)系進(jìn)行了研究［4－7］，但由于土壤水分運(yùn)動復(fù)雜，取樣及獲得土壤水較為困難等條件限制，使得研究結(jié)果不盡相同。田立德［8］、徐慶［9］、靳宇蓉等［10］利用氫氧同位素技術(shù)探究了青藏高原中部、四川臥龍亞高山暗針葉林以及黃土高原大氣降水對土壤水中δD和δ18O的影響，但利用這一先進(jìn)技術(shù)對元陽梯田尤其是梯田上方森林內(nèi)降雨和土壤水分的研究還非常少。元陽梯田四度同構(gòu)［11］的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)中，森林對其水文循環(huán)過程的調(diào)控作用非常顯著，正是因為森林這個巨大的“水庫”，才使得四度同構(gòu)的生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)久不衰。因此，本文以元陽梯田水源區(qū)上方的森林為研究對象，利用同位素技術(shù)的手段和方法，對林地內(nèi)土壤各層次的同位素變化進(jìn)行示蹤研究，通過對比分析森林中降水和土壤水分中的氫氧同位素值，探討土壤剖面上土壤水同位素變化的機(jī)理及降水對土壤各層次水分的影響，以期掌握元陽梯田水源區(qū)林地不同深度土壤水分運(yùn)移規(guī)律，為進(jìn)一步研究土壤水的動態(tài)變化和遷移提供理論依據(jù)，同時彌補(bǔ)了同位素技術(shù)在元陽地區(qū)研究上的空白。

1材料與方法

1．1研究區(qū)概況元陽縣位于云南省紅河哈尼族彝族自治州南部，地理位置處于102°27′—103°13′E，22°49′—23°19′N之間。元陽梯田分布區(qū)約有梯田1．32×104hm2，分布于海拔700～1800m，坡度15°～25°的溝壑山嶺間，為深切割中山地貌類型。氣候?qū)賮啛釒降丶撅L(fēng)氣候，地形復(fù)雜，立體氣候顯著，干濕季分明［12］。由于氣候的垂直差異和水平差異，大部分地區(qū)氣溫隨著海拔升高而逐漸降低，蒸發(fā)量減少，霧日增多，濕度增大。研究區(qū)位于全福莊小寨流域，該流域隸屬于元陽縣新街鎮(zhèn)全福莊小寨，位于縣境中部，距離元陽縣城41km處。該研究區(qū)屬于元陽梯田核心水源區(qū)，森林茂密，地理坐標(biāo)為東經(jīng)102°45′—102°53′，北緯23°03′—23°10′，平均海拔為1840m左右［13］，土壤主要以黃壤和棕壤為主。年平均氣溫為20．5℃，年均降水量1403mm，多年平均降水量1397．6mm，降雨的季節(jié)變化明顯，主要集中在5—10月，最大降雨量出現(xiàn)在7—8月。山上常年流水，有泉水出露點(diǎn)。

1．2研究方法和數(shù)據(jù)來源

1．2．1樣地布設(shè)在全面踏勘研究區(qū)森林群落的基礎(chǔ)上，選擇典型森林類型—喬木林并布設(shè)樣地。樣地大小為20m×20m，坡度為21°。林地內(nèi)植被類型為常綠闊葉林，主要喬木樹種有灰木、石栗、元江栲）、綠樟、香桂、西南山茶、印度木荷、泡花樹等。在布設(shè)好的林地樣地內(nèi)不同坡位（坡上、坡中、坡下）處分別選取典型樣方，用于采集土壤剖面不同深度的土壤樣品。在林地露天空曠位置放置雨水收集裝置，裝置內(nèi)放置1個聚乙烯瓶，瓶口處加裝漏斗，漏斗口放置1個乒乓球防止水分蒸發(fā)［14］。另外，在不同坡位處各放置1個取樣瓶，用于雨水收集。各樣方的具體情況見表1。在典型林地樣地內(nèi)代表性地段挖掘土壤剖面，在挖掘好的土壤剖面內(nèi)按0—20，20—40，40—60，60—100cm這4個層次，用環(huán)刀取原狀土樣供物理性質(zhì)分析，每層取3個重復(fù)樣。統(tǒng)計數(shù)據(jù)時每層取3個重復(fù)樣的平均值。試驗樣地土壤物理性質(zhì)見表2。

1．2．2樣品采集（1）降水樣品采集。降水樣品在每次降水事件結(jié)束后收集。2014年6—8月共收集到20場降雨的水樣，將收集到的水樣由塑料瓶轉(zhuǎn)入50ml離心管中，并立即用Parafilm膜封口，及時標(biāo)注采樣時間、采樣地點(diǎn)，并保存在低溫保溫箱中帶回實(shí)驗室，放置于冰箱冷藏保存以待同位素測定。（2）土壤樣品采集。在林地內(nèi)不同坡位（坡上、坡中、坡下）處，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日對土壤樣品進(jìn)行采集。利用土鉆按0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100cm的層次取樣，每層2個重復(fù)，共采集了216個土壤樣品。將樣品放入50ml離心管中，立即用Parafilm膜密封，標(biāo)注采樣時間、采樣地點(diǎn)，并保存在低溫保溫箱中帶回實(shí)驗室冷凍，用于同位素測定。

1．2．3樣品處理與分析本研究采用真空抽提裝置來抽取土壤中的水分。抽提過程中一定要保證整個裝置中為真空狀態(tài)且不漏氣。如果漏氣，需要逐個檢查，查出漏氣的地方并修理。必須充分抽提出樣品中的水分，以樣品不再產(chǎn)生水汽為準(zhǔn)。所有水樣的氫氧同位素分析在冰凍圈國家重點(diǎn)科學(xué)實(shí)驗室完成，使用美國LosGatesResearch公司生產(chǎn)的液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀，采用離軸積分腔輸出光譜技術(shù)。分析結(jié)果用分析水樣與VS－MOW的千分差［15］來表示，δD和δ18O的分析精度分別為±1‰和±0．2‰。

2結(jié)果與分析

2．1大氣降水同位素特征與Craig［18］定義的全球大氣降水線δD＝8δ18O＋10相比，研究區(qū)降水的穩(wěn)定同位素值基本落在其右下方，即當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率和截距都較全球大氣降水線（GMWL）低，并且LMWL的斜率與截距（6．84和－5．69）與GMWL的斜率與截距（8和10）相比差異顯著，這與當(dāng)?shù)叵鄬Ω稍锏沫h(huán)境和較強(qiáng)的蒸發(fā)條件有關(guān)。

2．2林地土壤水同位素

2．2．1林地土壤水氫氧同位素的垂直變化對整個采樣期內(nèi)216個土壤水樣品進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)土壤水δD和δ18O的變化范圍分別為（－172．7‰）～（－37．4‰）和（－23．3‰）～（－5．4‰），平均值分別為－94．5‰和－13．2‰。由圖3可知，土壤水穩(wěn)定同位素值的大小隨時間的變化有顯著差異，且δD和δ18O的變化趨勢基本一致。經(jīng)統(tǒng)計分析表明，δD和δ18O的變化無顯著性差異。整體來看，隨著采樣時間的變化，0—100cm土壤深度范圍內(nèi)δD值的變化呈現(xiàn)“S”形或反“S”形。5月16日，土壤水中δD的變化呈現(xiàn)隨土壤深度增加而減少的趨勢，0—10cm處重同位素明顯富集，變化范圍為（－102．1‰）～（－42．0‰），說明表層土壤受蒸發(fā)作用的影響非常明顯。7月4日的變化曲線為“S”形，變化范圍為（－101．3‰）～（－65．5‰），曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在10—20cm和40—60cm。40—60cm處δD的平均值為－65．4‰，與前期降雨的δD值－62．1‰很接近，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是40—60cm處有大孔隙，故降雨通過這些快速通道迅速滲入下層，而不與上層土壤水混合。7月12日的同位素值在整個剖面中基本保持不變，δD的變化范圍為（－87．7‰）～（－75．0‰）。8月4日和8月18日曲線的變化趨勢從20—40cm土層處開始基本一致，變化范圍分別為（－152．0‰）～（－76．3‰）和（－132．6‰）～（－83．0‰）。值得注意的是8月4日δD值的變化明顯表現(xiàn)為上層同位素貧化而下層富集，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為8月4日之前有持續(xù)的降水，累計降水量逐漸增多，前期降雨對土壤水中δD值的稀釋和混合作用較大，明顯減弱了其他條件對δD值的影響。11月14日δD值得變化曲線呈反“S”形，變化范圍為（－116．7‰）～（－69．9‰），相比較8月份“右移”（增大），說明11月份雨季結(jié)束，降水減少，土壤水經(jīng)受蒸發(fā)加強(qiáng)。

2．2．2林地不同深度土壤水氫氧同位素關(guān)系圖4是林地不同深度土壤水δD和δ18O的關(guān)系。0—10，10—20，20—40cm土層土壤水的δD和δ18O值分布于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的兩側(cè)，且比較分散，表明淺層土壤受降水的影響比較明顯。同時，部分土壤水中的同位素值在大氣降水線的右下方，偏向負(fù)值區(qū)，可能存在降雨對土壤水的混合和稀釋作用。40—60cm土層的δD和δ18O值的分布也比較分散，但從40—60cm處同位素的分布來看，已經(jīng)開始偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，說明土壤水可能受到蒸發(fā)的影響，也可能與前期降水或者背景值的影響有關(guān)。60—100cm處的氫氧同位素值越來越集中，且越來越偏離降水線，表明隨著深度的變化，土壤水受大氣降水和外界蒸發(fā)條件的影響越來越弱。

2．3林地不同坡位氫氧同位素變化從整體來看，林地不同坡位土壤中δD值的變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即上層變化復(fù)雜而深層變化緩慢且變幅較小。由圖5可知，坡上土壤δD大致在20—40cm處出現(xiàn)拐點(diǎn)，逐漸貧化重同位素，繼續(xù)向深層，同位素值又逐漸增大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是坡上位置40cm以上土層中非毛管孔隙所占比重較大，非毛管孔隙能夠較快容納降水并及時下滲［19］，降雨落到表層以后很快入滲至該層，導(dǎo)致該層含水量增大，并對土壤中原有的水分起到了稀釋的作用，因此比表層貧化重同位素。坡中位置土壤水δD值的變化較坡上簡單，除5月16日與8月4日外，整個剖面δD值的變化不大。坡中位置喬木分布較多，林冠截留量大，枯落物持水性能強(qiáng)，同時枯落物分解后改變了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙，使土壤入滲增加。同時，坡中位置植被覆蓋度大，降雨和光照等因素對土壤蒸發(fā)造成的影響較小，該結(jié)論與張娟等［20］的研究結(jié)論相符。坡下位置的變化更為復(fù)雜且變化主要集中在40cm以上。坡下位置植物覆蓋度較小，土壤水容易受到外界環(huán)境的影響；加之采樣過程中發(fā)現(xiàn)，該處土壤中存在砂礫及碎石，因此對土壤水的下滲有極大影響；而采樣過程中也可能存在水樣的蒸發(fā)，影響水中同位素含量的變化。

3討論與結(jié)論

通過前期學(xué)者的研究可知，降水中穩(wěn)定同位素的變化與水汽來源、氣象條件以及大氣環(huán)流等多種因素密切相關(guān)。研究區(qū)的大氣降水線與距研究區(qū)375km的昆明大氣降水線δD＝6．77δ18O＋3．35［21］接近。因此，本研究雖然只收集到了20場降水樣品，但與鄰近的昆明地區(qū)大氣降水線較接近，故研究結(jié)果可以大體反映研究區(qū)降水的同位素特征。研究區(qū)和昆明所處的大氣環(huán)流背景、水汽來源等相同，并且兩者氣候條件相似，均有明顯的干濕季之分。在旱季，受大陸性氣團(tuán)的影響，空氣干燥，蒸發(fā)強(qiáng)；在雨季，受海洋水汽的影響，空氣濕潤，蒸發(fā)弱［22］。但在水汽從海洋向內(nèi)陸輸送的過程中，一定不能避免外來水汽的加入，加之降水不斷進(jìn)行，重同位素不斷從空氣中優(yōu)先冷凝，故研究區(qū)的大氣降水線與昆明地區(qū)略有不同。同時，就地理位置而言，研究區(qū)位于我國的西南地區(qū)，屬于典型的季風(fēng)氣候區(qū)。該地區(qū)的水汽主要來自南海、孟加拉灣、印度洋、阿拉伯海以及跨赤道氣流的水汽［23］。當(dāng)水汽從海洋向陸地遷移的時候，不同的冷凝和蒸發(fā)過程使得降水中δD和δ18O的含量不斷變化，隨著距離海洋越來越遠(yuǎn)，液相降水中會逐漸相對富集重同位素。由于采樣時段均處于雨季，受來自海洋水汽的影響，空氣濕潤，降水量大，因此蒸發(fā)較弱，故數(shù)據(jù)顯示結(jié)果比較局限，僅代表本次研究結(jié)果，今后還需長期觀測，以便進(jìn)一步研究。采樣期內(nèi)林地不同深度土壤水穩(wěn)定同位素值的統(tǒng)計表明，隨深度的增加，土壤水受外界蒸發(fā)及降雨等因素的影響逐漸減小。該結(jié)論與田日昌等［24］的研究結(jié)論相一致。土壤水的δD和δ18O的變化范圍明顯比大氣降水中δD和δ18O的變化范圍大，并且有些層次土壤水的同位素值明顯高于大氣降水。造成這種現(xiàn)象的原因可能為：土壤中的水不僅來自降雨的補(bǔ)給，還可能有其他的補(bǔ)給來源，比如地下水、河流水等；降水在土壤表層向下入滲的過程中受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)影響，導(dǎo)致同位素分餾加強(qiáng)，故重同位素相對富集，例如表層0—10cm土壤水的δD和δ18O值均高于大氣降水；同時，采樣時間和降水時間的間隔也會影響氫氧穩(wěn)定同位素的變化。因此，土壤水同位素值的變化是一個非常復(fù)雜的過程，其變化規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

247第2期馬菁等：元陽梯田水源區(qū)林地降水與土壤水同位素特征本研究的結(jié)論：（1）研究區(qū)大氣降水線為δD＝6．84δ18O－5．69，與昆明地區(qū)的降水線接近，其穩(wěn)定同位素值基本落在全球大氣降水線的右下方，且斜率明顯較小，這與當(dāng)?shù)叵鄬Ω稍锏沫h(huán)境和較強(qiáng)的蒸發(fā)條件有關(guān)。（2）林地0—100cm土壤水中δD值隨深度的增加呈現(xiàn)“S”形或反“S”形。前期降水的混合稀釋作用以及降水的優(yōu)先入滲影響土壤不同層次同位素值的變化。0—10，10—20，20—40cm土層土壤水的δD和δ18O值分布于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的兩側(cè)，且比較分散，表明淺層土壤受降水的影響比較明顯。40—60cm土層的δD和δ18O值偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，說明土壤水受到了蒸發(fā)的影響，并且與前期降水或者背景值的影響有關(guān)。60—100cm處的氫氧同位素值越來越集中，且越來越偏離降水線，表明隨著深度的增加，土壤水受大氣降水和外界蒸發(fā)條件的影響越來越弱。（3）林地不同坡位土壤水中δD值的變化均表現(xiàn)為上層復(fù)雜而深層相對簡單。坡上40cm以上土層中非毛管孔隙所占比重較大，能夠較快容納降水使該層含水量增大，并對土壤中原有的水分起到了稀釋的作用，因此比表層貧化重同位素。坡中位置林冠截留量及植被覆蓋度大，枯落物持水性能強(qiáng)，整個剖面δD值的變化不大。坡下位置植物覆蓋度較小，土壤水容易受到外界環(huán)境的影響。

作者：馬菁 宋維峰 吳錦奎 王卓娟 張小娟 劉宗濱 單位：西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所