土壤水稳定同位素组成的时空变异性及基质势影响
作为有效的天然示踪剂，土壤水氢氧稳定同位素组成（δD、δ18O）及其时空变化为研究“土壤-植物-大气”连续体中的生态水文过程提供了关键依据。但由于降水入渗、地表蒸发、覆被变化、土壤特性等因素的影响，土壤水氢氧稳定同位素组成表现出显著的时空变异性，而目前对田间尺度土壤水氢氧稳定同位素组成的时空变异规律及其影响因素的研究较少，除此之外，土壤基质势对土壤水氢氧同位素组成变化的影响也尚不明晰。为此，本研究围绕田间尺度土壤水氢氧稳定同位素组成的时空变异规律及其影响因素开展研究。首先，选取位于华北平原的栾城国家野外试验站的农田为研究对象，在植被覆盖地和裸地两种下垫面条件下，探究了田间尺度土壤水氢氧稳定同位素组成的时空变异规律及其与降水、蒸发、土壤、覆被等环境要素之间的相关关系。在此基础上，采集了不同土壤质地样品，并开展了土壤水氢氧稳定同位素组成在基质势控制下的变化规律及相关影响因素的研究。主要结果与结论如下： （1）在栾城国家站选取长度约100m的水平剖面，基于野外采样分析，表明土壤水分及其稳定同位素组成均呈现显著的时空变异性。首先，气候季节性变化对土壤水空间分布影响显著，湿季土壤水分均值高于干季，同时随着土壤深度增加，蒸发强度减弱，土壤水分均值逐渐增大。其次，湿季土壤水同位素δD值的垂直空间变化大于干季，但由于降水输入与土壤蒸发对深层土壤水同位素组成的影响较小，两季的这种垂向空间变化均随着土壤深度的增加而减小。此外，时间稳定性分析的结果表明土壤水稳定同位素组成的空间结构在土壤深层更加稳定，证明了通过时间稳定性方法选取土壤水稳定同位素组成代表性样点的有效性。最后，植被对土壤水氢氧稳定同位素组成的时空变异有较大影响，但土壤质地对其时空特征的影响相对较弱。 （2）基于室内土壤基质势（吸力）控制实验的结果，表明土壤基质势对氢氧稳定同位素组成存在显著影响。首先，随土壤吸力增加，土壤释水量逐渐减少，同时水样中D和18O逐渐富集。较小吸力下土壤水分和δD变化速度均较快，在达到相应拐点（约-32kPa）后其变化减缓并趋于稳定。其次，由于不同土壤的孔隙结构、导水性能、基质吸附能力以及矿物离子结合能力的不同，土壤质地会影响吸力控制下的土壤水分和δD的变化过程。相较于粉砂壤土，粘土含水量在整个吸力范围内下降速率较慢，但其δD值在较小吸力范围内的增加速率较快且变化范围较大，而在经历拐点后增速又明显小于粉砂壤土。此外，有机质含量的变化会显著改变土壤的释水速度，从而影响土壤水分含量及同位素组成。最后，对比土壤水分特征曲线的变化特征，土壤基质势与土壤水稳定同位素组成的累积变化曲线趋势与之类似，变化速度均为先快后慢，且同位素组成随质地存在不同的变化范围。
土壤水;氢氧稳定同位素;时空变异性;基质势;释水速度
天津大学
硕士
环境科学与工程
王铁军
2022
中文
S152.7
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）