覆膜沟灌下土壤水氢氧同位素分布特征及其水分运动规律研究

吴友杰，杜太生(中国农业大学 中国农业水问题研究中心，北京 100083)

0 引 言

覆膜能够保温保墒，很大程度地减少土壤蒸发从而提高土壤水分储存量[1,2]。沟灌覆膜条件下，灌溉需要通过膜孔、膜缝以及放苗孔下渗到作物根区，蒸发又使土壤水分从孔缝中扩散到大气。覆膜改变了原本裸露土壤与大气之间水分联系的通道，放苗孔、灌水孔以及田间实际的非全膜覆盖带来了土壤水分运动及其传输的新问题[3]。通过对土壤水分和膜下凝结水分中氢氧稳定同位素的示踪，分析其水中同位素分布特征和动态变化规律，可以有效地提取水分的迁移信息[4,5]，并能够从微观上剖析土壤水分的性质、成因及其土壤水分的运移规律[6]。为研究沟灌覆膜条件下田间土壤水分循环机制提供科学依据，对于研究作物播种出苗生长发育以及用水调控等具有重要意义[7]。

1 材料与方法

试验于2013年4月-9月及2014年4-10月在中国农业大学石羊河农业与生态节水试验站进行(N 37°52′，E 102°51′)。试验区土壤特性参数见表1。

表1 土壤特性参数Tab.1 Details of soil texture in study area

1.1 试验设计

试验采用垄植沟灌的方式，覆膜开孔，开孔率为1%～3%(含放苗孔)。供试玉米品种为“富农340”，每垄种植两行，行距50 cm，株距18 cm，垄宽50 cm，沟宽50 cm，沟底宽20 cm，沟深20 cm，沟长100 m(见图1)。

图1 覆膜沟灌及其膜下凝结水取样示意图 Fig.1 Sketch of plastic film-mulching furrow irrigation and sampling of condensation water

1.2 测定指标和方法

1.2.1稳定氢氧同位素的取样及测定

测定氢氧同位素的样品主要包括土壤水和膜下凝结水。样品收集方法如下：

土壤水：在垄和沟各选3个采样点，用土钻取土，深度分别为0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～110 cm(日变化取样时，只取0～20 cm深度)，将土样分别装入自封袋密封保存，并带回试验室用真空抽提系统(LI-2000，LICA，China)抽取土壤水样。

凝结水：采用干净的医用注射器抽取凝结在地膜下方的小水珠，分别在垄顶与沟侧抽取，注入小样品瓶密封保存。

采集的水样须密封并保存在4 ℃左右的环境中，以防蒸发和同位素分馏，用液态水同位素分析仪(PICARRO L2130-i，Picarro，USA)测定样品水样中的稳定氢氧同位素比率δ(‰)。

在玉米各生育期选择1～2个晴天进行样品收集，日变化取样时间点为7∶00，9∶00，11∶00，13∶00，15∶00，17∶00，19∶00。

1.2.2土壤含水率

用取土称重法测定土壤含水率，取样位置与同位素土壤样品一致，分别将土样装入铝盒烘干测定。同时在各取样点周围表层土壤(5～10 cm深度)埋设EM50探头(ECH2O EC-5; Decagon Devices Inc., Pullman, WA),观测表层土壤水分及温度。

2 结 果

2.1 氢氧同位素值

2013-2014年期间所取的土壤水和膜下凝结水的δD与δ18O关系及分布情况如(图2),可见,各样品间δD与δ18O存在显著的线性关系，其中土壤水线：δD= 5.7δ18O-10.8， 膜下凝结水线：δD= 4.7δ18O+7.6。表层土壤(0-20cm)水同位素分布(黑色圆圈内的点)偏正且较为分散，说明表层土壤在蒸发作用下氢氧同位素发生分馏从而富集重同位素。凝结水线斜率较土壤水线小，说明凝结水氢氧同位素分馏强度比土壤水氢氧同位素值分馏强度大，更易富集重同位素。其平均值分别为凝结水：(δD，δ18O)= (-0.52×10-3，5.16×10-3)，表层土壤水(δD，δ18O)=(-25.02×10-3，-0.48×10-3)。

由于各样品间氢和氧存在显著的线性关系，且水循环过程中两者具有很相似的同位素分馏作用，在各种样品间δD与δ18O分布具有良好的一致性，而18O与16O之间的相对质量差远比D与H之间的相对质量差小，表现出的同位素分馏作用比氢同位素的小[8]。因此，本文主要选取18O进行数据分析。

图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

由图3可见，土壤水氧同位素随土壤深度呈梯度分布。垄上富集氧同位素比沟中显著。主要原因是：一方面，沟中集水，由于降雨或灌溉水的稀释作用，使沟中土壤水氧同位素值较垄上小；另一方面，蒸发过程中轻同位素更易以气态水形式传输到空气中，使表层土壤水中富集重(18O)同位素[9]，而由于太阳辐射影响蒸发作用在垄上较沟中的强度大。因此，垄上比沟中表层土壤更易富集同位素，沿土壤剖面深度增加，同位素富集量减少。

注：R为垄，F为沟。由于沟比垄低20 cm，所以图中0～20 cm土层没有沟的数据。图3 土壤剖面氧同位素分布Fig.3 The distribution of oxygen isotope in soil profile

图4显示了表层土壤氧同位素日变化分布，由于日变化较为一致，所以本文选择了两个典型日(2013-07-14和2014-07-17，天气条件相似)进行分析。可见，0～10 cm土壤水中δ18O与其10～20 cm土壤水δ18O日变化呈相反的抛物线变化趋势，在垄上更为明显(图4)。表层土壤水分蒸发后凝结于膜下形成水珠，此凝结水δ18O分布(图5)与10～20 cm土壤水δ18O分布趋势一致，凝结水和土壤水δ18O值均表现为垄上高于沟中，在午间达到峰值，沟表层0～10 cm土壤水δ18O分布变化波动较小。凝结水δ18O值日变化分布在(-0.49～2.11)×10-3(垄)和(-3.31～0.26)×10-3(沟)之间，明显大于表层土壤水δ18O分布(-4.45～-2.26)×10-3(垄)和(-7.18～-4.73)×10-3范围。

2.3 膜下土壤水及蒸发水汽运动

图6和图7分别显示了表层土壤含水量变化及其温度变化，其变化趋势与凝结水δ18O变化趋势一致沟中表层土壤含水量大于垄上，但均随蒸发先增大后减小，沟和垄表层土壤含水量和温度均在午间到达峰值，分别为沟上含水量峰值19.02%， 温度峰值为28.1 ℃，垄上含水量峰值为18.51%，温度峰值为33.4 ℃。

图4 浅层土壤(0～20 cm)氧同位素日变化分布Fig.4 Diurnal variation of 18O in shallow soil (0～20 cm)

图5 膜下凝结水氧同位素日变化分布Fig.5 Diurnal variation of 18O in condensation water

图6 浅层土壤体积含水量日变化Fig.6 Diurnal variation of volumetric soil water content

图7 浅层土壤温度日变化(0～10 cm)Fig.7 Diurnal variation of soil temperature (0～10 cm)

重同位素在表层土壤富集是众多过程综合的结果，如土壤水分变化、土壤温度变化和蒸发强度变化等(Gazis & Feng，2004年)。综上，垄上表层土壤0～10和10～20 cm的δ18O分布呈相反的分布趋势(图4，5)，表明在较干燥的土壤表层(0～10 cm)水分以气态的形式扩散，重同位素的富集不明显，相反，该土层随着温度的升高在午间出现18O被贫化的现象，而以下土层(10～20 cm)在午间18O富集达到最大，说明了垄上蒸发水汽主要来源于10 cm以下土层，0～10 cm土层主要起到传输和扩散水汽的作用，蒸发前缘主要发生在10 cm以下；受蒸发拉力作用，沟中10～20 cm土层水分向 0～10 cm土层补水，蒸发前缘发生在0～10 cm土层。沟垄这一差异的原因可以用蒸发两个阶段来表述：沟中表层土壤水量较大(图6)满足蒸发需求，即第一个阶段，土壤水直接以水汽分子形式扩散到大气中，氧同位素富集于土壤最上层；垄最上层(0～10 cm)土壤水含量很低，即第二阶段，此时蒸发锋面以上气体运移占主导地位[10]：蒸发水汽分子在通过土壤孔隙向上扩散的过程中, 部分水汽分子被土壤水吸附并与土壤水分子发生交换, 使蒸发锋面以上的土壤(0～10 cm)水中存在贫化氧同位素的水汽分子, 导致同位素主要富集在蒸发锋面以下土层(10～20 cm)。

结合图4和图5，表层土壤富集18O，而蒸发出来的水汽贫化了18O，这些贫化18O的水汽扩散到膜下凝结成水，水汽凝结过程发生同位素分馏使重同位素富集[11]。膜下所凝结的水δ18O明显大于蒸发水源(表层土壤水)δ18O，可知膜下凝结水富集18O的程度明显大于由蒸发引起表层土壤富集18O的程度，说明了此过程经历了18O重同位素贫化后再富集，之后凝结水发生二次蒸发，使得重同位素18O再次富集。凝结水18O的富集随着二次蒸发变化在午间到达最大后减小(图5)，最后又形成水汽。

3 结 语

(1)膜下凝结水和土壤水氢氧同位素存在很好的线性关系，凝结水较土壤水更易富集重同位素。

(2)覆膜沟灌下土壤水氧同位素随土壤深度呈梯度分布，垄上富集18O比沟中显著。

(3)覆膜沟灌下，沟中蒸发前缘发生在0～10 cm土层，土壤水直接以水汽分子形式扩散；垄上蒸发前缘主要发生在10～20 cm土层，蒸发水汽分子通过土壤孔隙向上扩散，部分水汽分子被0～10 cm的土壤水吸附并与其水分子发生交换进而扩散到土壤表面。

(4)膜下表层土壤蒸发后凝结于膜下形成水珠的过程经历了重同位素贫化后再富集，之后凝结水发生二次蒸发，重同位素再次富集。

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