覆膜溝灌下土壤水氫氧同位素分布特征及其水分運動規律研究

吳友杰，杜太生(中國農業大學 中國農業水問題研究中心，北京 100083)

0 引 言

覆膜能夠保溫保墑，很大程度地減少土壤蒸發從而提高土壤水分儲存量[1,2]。溝灌覆膜條件下，灌溉需要通過膜孔、膜縫以及放苗孔下滲到作物根區，蒸發又使土壤水分從孔縫中擴散到大氣。覆膜改變了原本裸露土壤與大氣之間水分聯系的通道，放苗孔、灌水孔以及田間實際的非全膜覆蓋帶來了土壤水分運動及其傳輸的新問題[3]。通過對土壤水分和膜下凝結水分中氫氧穩定同位素的示蹤，分析其水中同位素分布特征和動態變化規律，可以有效地提取水分的遷移信息[4,5]，并能夠從微觀上剖析土壤水分的性質、成因及其土壤水分的運移規律[6]。為研究溝灌覆膜條件下田間土壤水分循環機制提供科學依據，對于研究作物播種出苗生長發育以及用水調控等具有重要意義[7]。

1 材料與方法

試驗于2013年4月-9月及2014年4-10月在中國農業大學石羊河農業與生態節水試驗站進行(N 37°52′，E 102°51′)。試驗區土壤特性參數見表1。

表1 土壤特性參數Tab.1 Details of soil texture in study area

1.1 試驗設計

試驗采用壟植溝灌的方式，覆膜開孔，開孔率為1%～3%(含放苗孔)。供試玉米品種為“富農340”，每壟種植兩行，行距50 cm，株距18 cm，壟寬50 cm，溝寬50 cm，溝底寬20 cm，溝深20 cm，溝長100 m(見圖1)。

圖1 覆膜溝灌及其膜下凝結水取樣示意圖 Fig.1 Sketch of plastic film-mulching furrow irrigation and sampling of condensation water

1.2 測定指標和方法

1.2.1穩定氫氧同位素的取樣及測定

測定氫氧同位素的樣品主要包括土壤水和膜下凝結水。樣品收集方法如下：

土壤水：在壟和溝各選3個采樣點，用土鉆取土，深度分別為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～110 cm(日變化取樣時，只取0～20 cm深度)，將土樣分別裝入自封袋密封保存，并帶回試驗室用真空抽提系統(LI-2000，LICA，China)抽取土壤水樣。

凝結水：采用干凈的醫用注射器抽取凝結在地膜下方的小水珠，分別在壟頂與溝側抽取，注入小樣品瓶密封保存。

采集的水樣須密封并保存在4 ℃左右的環境中，以防蒸發和同位素分餾，用液態水同位素分析儀(PICARRO L2130-i，Picarro，USA)測定樣品水樣中的穩定氫氧同位素比率δ(‰)。

在玉米各生育期選擇1～2個晴天進行樣品收集，日變化取樣時間點為7∶00，9∶00，11∶00，13∶00，15∶00，17∶00，19∶00。

1.2.2土壤含水率

用取土稱重法測定土壤含水率，取樣位置與同位素土壤樣品一致，分別將土樣裝入鋁盒烘干測定。同時在各取樣點周圍表層土壤(5～10 cm深度)埋設EM50探頭(ECH2O EC-5; Decagon Devices Inc., Pullman, WA),觀測表層土壤水分及溫度。

2 結 果

2.1 氫氧同位素值

2013-2014年期間所取的土壤水和膜下凝結水的δD與δ18O關系及分布情況如(圖2),可見,各樣品間δD與δ18O存在顯著的線性關系，其中土壤水線：δD= 5.7δ18O-10.8， 膜下凝結水線：δD= 4.7δ18O+7.6。表層土壤(0-20cm)水同位素分布(黑色圓圈內的點)偏正且較為分散，說明表層土壤在蒸發作用下氫氧同位素發生分餾從而富集重同位素。凝結水線斜率較土壤水線小，說明凝結水氫氧同位素分餾強度比土壤水氫氧同位素值分餾強度大，更易富集重同位素。其平均值分別為凝結水：(δD，δ18O)= (-0.52×10-3，5.16×10-3)，表層土壤水(δD，δ18O)=(-25.02×10-3，-0.48×10-3)。

由于各樣品間氫和氧存在顯著的線性關系，且水循環過程中兩者具有很相似的同位素分餾作用，在各種樣品間δD與δ18O分布具有良好的一致性，而18O與16O之間的相對質量差遠比D與H之間的相對質量差小，表現出的同位素分餾作用比氫同位素的小[8]。因此，本文主要選取18O進行數據分析。

圖2 δD-δ 18O分布Fig.2 The distribution of δD-δ 18O

2.2 土壤水同位素分布特征

由圖3可見，土壤水氧同位素隨土壤深度呈梯度分布。壟上富集氧同位素比溝中顯著。主要原因是：一方面，溝中集水，由于降雨或灌溉水的稀釋作用，使溝中土壤水氧同位素值較壟上小；另一方面，蒸發過程中輕同位素更易以氣態水形式傳輸到空氣中，使表層土壤水中富集重(18O)同位素[9]，而由于太陽輻射影響蒸發作用在壟上較溝中的強度大。因此，壟上比溝中表層土壤更易富集同位素，沿土壤剖面深度增加，同位素富集量減少。

注：R為壟，F為溝。由于溝比壟低20 cm，所以圖中0～20 cm土層沒有溝的數據。圖3 土壤剖面氧同位素分布Fig.3 The distribution of oxygen isotope in soil profile

圖4顯示了表層土壤氧同位素日變化分布，由于日變化較為一致，所以本文選擇了兩個典型日(2013-07-14和2014-07-17，天氣條件相似)進行分析。可見，0～10 cm土壤水中δ18O與其10～20 cm土壤水δ18O日變化呈相反的拋物線變化趨勢，在壟上更為明顯(圖4)。表層土壤水分蒸發后凝結于膜下形成水珠，此凝結水δ18O分布(圖5)與10～20 cm土壤水δ18O分布趨勢一致，凝結水和土壤水δ18O值均表現為壟上高于溝中，在午間達到峰值，溝表層0～10 cm土壤水δ18O分布變化波動較小。凝結水δ18O值日變化分布在(-0.49～2.11)×10-3(壟)和(-3.31～0.26)×10-3(溝)之間，明顯大于表層土壤水δ18O分布(-4.45～-2.26)×10-3(壟)和(-7.18～-4.73)×10-3范圍。

2.3 膜下土壤水及蒸發水汽運動

圖6和圖7分別顯示了表層土壤含水量變化及其溫度變化，其變化趨勢與凝結水δ18O變化趨勢一致溝中表層土壤含水量大于壟上，但均隨蒸發先增大后減小，溝和壟表層土壤含水量和溫度均在午間到達峰值，分別為溝上含水量峰值19.02%， 溫度峰值為28.1 ℃，壟上含水量峰值為18.51%，溫度峰值為33.4 ℃。

圖4 淺層土壤(0～20 cm)氧同位素日變化分布Fig.4 Diurnal variation of 18O in shallow soil (0～20 cm)

圖5 膜下凝結水氧同位素日變化分布Fig.5 Diurnal variation of 18O in condensation water

圖6 淺層土壤體積含水量日變化Fig.6 Diurnal variation of volumetric soil water content

圖7 淺層土壤溫度日變化(0～10 cm)Fig.7 Diurnal variation of soil temperature (0～10 cm)

重同位素在表層土壤富集是眾多過程綜合的結果，如土壤水分變化、土壤溫度變化和蒸發強度變化等(Gazis & Feng，2004年)。綜上，壟上表層土壤0～10和10～20 cm的δ18O分布呈相反的分布趨勢(圖4，5)，表明在較干燥的土壤表層(0～10 cm)水分以氣態的形式擴散，重同位素的富集不明顯，相反，該土層隨著溫度的升高在午間出現18O被貧化的現象，而以下土層(10～20 cm)在午間18O富集達到最大，說明了壟上蒸發水汽主要來源于10 cm以下土層，0～10 cm土層主要起到傳輸和擴散水汽的作用，蒸發前緣主要發生在10 cm以下；受蒸發拉力作用，溝中10～20 cm土層水分向 0～10 cm土層補水，蒸發前緣發生在0～10 cm土層。溝壟這一差異的原因可以用蒸發兩個階段來表述：溝中表層土壤水量較大(圖6)滿足蒸發需求，即第一個階段，土壤水直接以水汽分子形式擴散到大氣中，氧同位素富集于土壤最上層；壟最上層(0～10 cm)土壤水含量很低，即第二階段，此時蒸發鋒面以上氣體運移占主導地位[10]：蒸發水汽分子在通過土壤孔隙向上擴散的過程中, 部分水汽分子被土壤水吸附并與土壤水分子發生交換, 使蒸發鋒面以上的土壤(0～10 cm)水中存在貧化氧同位素的水汽分子, 導致同位素主要富集在蒸發鋒面以下土層(10～20 cm)。

結合圖4和圖5，表層土壤富集18O，而蒸發出來的水汽貧化了18O，這些貧化18O的水汽擴散到膜下凝結成水，水汽凝結過程發生同位素分餾使重同位素富集[11]。膜下所凝結的水δ18O明顯大于蒸發水源(表層土壤水)δ18O，可知膜下凝結水富集18O的程度明顯大于由蒸發引起表層土壤富集18O的程度，說明了此過程經歷了18O重同位素貧化后再富集，之后凝結水發生二次蒸發，使得重同位素18O再次富集。凝結水18O的富集隨著二次蒸發變化在午間到達最大后減小(圖5)，最后又形成水汽。

3 結 語

(1)膜下凝結水和土壤水氫氧同位素存在很好的線性關系，凝結水較土壤水更易富集重同位素。

(2)覆膜溝灌下土壤水氧同位素隨土壤深度呈梯度分布，壟上富集18O比溝中顯著。

(3)覆膜溝灌下，溝中蒸發前緣發生在0～10 cm土層，土壤水直接以水汽分子形式擴散；壟上蒸發前緣主要發生在10～20 cm土層，蒸發水汽分子通過土壤孔隙向上擴散，部分水汽分子被0～10 cm的土壤水吸附并與其水分子發生交換進而擴散到土壤表面。

(4)膜下表層土壤蒸發后凝結于膜下形成水珠的過程經歷了重同位素貧化后再富集，之后凝結水發生二次蒸發，重同位素再次富集。

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