土壤水同位素的测定及其在土壤蒸发中的应用

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水稳定同位素(δ2H,δ18O)作为水的指纹被广泛应用于生态水文学研究。为获取水同位素信息,可利用水汽平衡法直接测定土壤/植物样品或将土壤/植物中的水提取出来测定水样品。在众多提取方法中,低温冷冻真空蒸馏法(cryogenic vacuum distillation,CVD)一直被认为是能提取样品中所有水分的标准方法。近期研究发现,两种测定水同位素的途径都存在有待进一步解决的问题。其中,水汽平衡法的平衡时间和校准方法不统一;基于CVD法得到的土壤/植物水同位素值由于抽提不完全导致其测定值小于真实值,且此误差会影响生态水文过程研究的结果。因此,确定水汽平衡法的最佳平衡时间和校准方法及评估CVD法带来的误差已成为当前同位素生态水文学亟待解决的问题。鉴于此,本文基于室内烘干土壤再注水试验和田间试验,通过对比高速离心和CVD联用得到的混合水与CVD单独提取的全部土壤孔隙水同位素值,检验CVD与高速离心联用法获取土壤大、小孔隙水同位素组成的可行性;通过分析在六个平衡时间和三种校准方法下水汽平衡法测定的土壤水同位素值,阐明平衡时间和校准方法对水汽平衡法的影响;通过比较CVD误差矫正前后的土壤蒸发损失率,明确CVD引入的水同位素误差对土壤蒸发损失率计算的影响;通过比较基于蒸发水和CVD提取的全部土壤孔隙水同位素值计算得到的土壤蒸发损失率,明晰土壤大、小孔隙水同位素差异对土壤蒸发损失率计算的影响。主要研究结果如下:(1)高速离心提取水与参考水的同位素没有差异(P>0.05或|Z-score|<2),而CVD提取水中的重同位素与参考水相比较为贫化(P<0.05且|Z-score|>2),且贫化程度随粘粒含量的增加和含水量的降低而加剧。但是,高速离心提取水和CVD提取的离心残余水的混合同位素值和CVD单独提取的全部土壤水的同位素值没有差异(P>0.05或|Z-score|<2),表明CVD与高速离心联用可获取土壤大、小孔隙水的同位素信息。CVD没有改变土壤大孔隙水的同位素信息,但无法准确获取小孔隙水的同位素值,因此,需要对CVD提取土壤水的同位素误差进行矫正。当烘干土壤有水分残留时,CVD提取土壤水的误差会受到加入水同位素值的影响。因此,需排除烘干土壤残余水对矫正方程的影响。(2)随着平衡时间的增加,水汽平衡法测定的δ2H与δ18O逐渐增加,但是平衡时间为12 h和24 h的测定结果没有显著差异(P>0.05)且与参考值最接近。因此,在室温20℃条件下,测量土壤水同位素最佳的水汽平衡时间为12~24 h。对于田间湿土样品,利用液态水作为标样的水汽平衡法测定的土壤水同位素值(29)校准土壤质地后的结果>校准土壤质地和含水量后的测定值接近CVD法获取的含量。以上结果表明,水汽平衡法测定的是土壤大孔隙中的水同位素信息。在校准土壤粘粒含量和含水量的影响后,水汽平衡法与CVD提取的全部孔隙水同位素值更接近(3)CVD提取土壤水的同位素误差矫正前后的土壤蒸发损失率在单个时间点上有显著差异(P<0.05);但在长时间序列上(>23天)则没有(P>0.05)。这表明,在绝大部分情况下,土壤水的空间变异大于采用CVD法引入的水同位素误差,而长时间测量可消除此误差对土壤蒸发损失率计算的影响。(4)当新水相比于前期土壤水富集时,土壤水随蒸发时间的增加而逐渐贫化;当新水相较于前期土壤水贫化时,土壤水随蒸发时间的增加而逐渐富集。这表明蒸发水更接近于新水而和土壤水同位素有显著差异。但两者之间的差异并没有显著影响土壤蒸发损失率的计算。综上所述,12~24 h是水汽平衡法测定土壤水同位素的最佳平衡时间;可通过校准土壤粘粒含量和含水量的影响,令水汽平衡法与CVD提取的全部孔隙水同位素值更接近;高速离心和CVD联用法可用于获取土壤大、小孔隙水同位素分布;CVD提取土壤水同位素误差不影响蒸发损失率的计算。
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