干热河谷不同土地利用类型下土壤水氢氧同位素研究

李猛 段旭

摘要：近年来，水资源问题一直是国内外重点关注的焦点之一。土壤水作为水资源的一种存在形式，成为国际学者研究的热点之一。土壤水是农业和自然植被所需水的主要来源，维持着全球初级生产力形成、能量平衡和物质传输，研究土壤水 和 特征对于土壤水补给机理、水分的再分配机制、养分及污染物在土壤中的运移等都具有重要的意义，且调节土壤水和地下水稳定同位素的季节变化，维持一个地区水体稳定同位素平衡中起着重要作用，这都充分说明开展土壤水稳定同位素研究的必要性。

关键词：土壤水;氢氧同位素;干热河谷

土壤水作为水循环的重要环节之一，是联系地表水、地下水以及大气水的纽带，在水资源的形成、转化与运移过程中发挥着重要的作用[1] 。其由于受同位素分馏作用影响，土壤水氢氧稳定同位素组成具有显著的特征变化。研究其组成变化特征以及土壤水及地下水的补给过程，不仅对区域水资源评价非常重要，也有利于研究流域水文过程[2] 。

传统方法主要研究水分在入渗过程中水力参数特点，利用水力参数建立土壤水运动模型，例如Kostiakov模型、Philip模型、Green-Ampt模型等。国内外关于土壤蒸发与土壤水 和 之间关系的研究也比较多[3] 。尤其在最近20年里，稳定同位素技术作为一项新的比较成熟的技术在水文地质的各个领域均得到了广泛应用，在土壤水分的利用和运移研究中也应用了同位素方法，并取得了良好的效果。土壤水 和 还可以作为天然示踪剂来研究土壤水的人渗、蒸发以及蒸腾[4] ，根据土壤水 和 贫富程度可以获得土壤水的运移信息，揭示土壤水文过程机理。

尤其氢氧稳定同位素作为水分子的组成部分，具有良好的指示作用，相对其它传统方法而言具有较高的灵敏度和准确性，可以用来揭示土壤水运动中的很多水文过程信息如土壤水的蒸发、降水入渗和土壤水的迁移过程[5] 等，从而为研究土壤水分运移规律及其补给机理提供依据[6] 。有研究表明蒸发对土壤水稳定同位素变化的影响，发现蒸发越强烈越容易导致较重的同位素在土壤表层的富集[7] 。国内土壤水同位素研究起步较晚，但发展迅速，在野外和室内实验方面开展了诸多研究。例如王仕琴等[8] 选择华北平原中、东部地下水浅埋区的衡水和沧州为典型实验点，研究不同降水特征、土壤质地和植被条件下入渗过程的差异性。结果表明，土壤非均质条件下，降水入渗补给过程中伴随着蒸发、植被蒸腾作用以及与土壤前期水分的强烈混合作用;孙晓旭等[9] 根据两种不同性质的土壤-砂和黄土，在室内模拟了平衡条件下土壤水分的蒸发及降水在土壤中的入渗过程，分析了土壤水和土柱出流水的氢氧同位素特征;陈曦等[10] 根据黄土源区降水氢氧稳定同位素的组成特征，进而分析了其水汽来源，结果表明同位素有明显的年内变化。

但目前针对元谋干热河谷地区土壤水 和 特征，尤其是不同土地利用類型下深层土壤水 和 变化的研究还比较少见，为此，对干热河谷区元谋县老乡域水土保持综合治理示范区为试验点，运用稳定氢氧同位素的示踪技术，对该区内不同土地利用类型下土壤水采样并测定 和 值，分析土壤水 和 剖面分布及变化特征，探究元谋干热河谷区不同土地利用类型下的土壤水 和 规律，为揭示干热河谷区深层土壤干燥化形成的水分动力学机制，及进一步研究干热河谷区潜水补给提供依据，并为解决植被的实际需水、植被恢复等问题有重要的参考价值。

干热河谷区是世界上主要的生态脆弱带之一，其生态环境问题是国际地学研究的热点。尤其水资源短缺和合理利用是干热河谷区面临的一个严峻问题，解决问题的关键是要深入了解水循环机理，而分析不同土地利用类型下土壤水稳定同位素变化特征是应用同位素技术研究水循环机理必须的前提。目前，干热河谷区土壤水氢氧稳定同位素的组成关系及其主要影响因素、水汽来源等方面的研究取得了一些进展。然而，现有研究对该区土壤水氢氧稳定同位素时空变化特征缺乏更深入的认识。因此，运用稳定同位素的示踪技术，以金沙江干热河谷区不同土地利用类型下土壤水进行氢氧稳定同位素分析，探讨了不同土地利用类型下土壤水氢氧稳同位素组成变化特征，为进一步深入研究流域生态水文过程奠定了基础。对于掌握干热河谷区土壤的水分运动机制，特别是干旱区植物用水机制、生态需水、植被恢复等关键性问题具有重要的意义以及在生态环境功能优化中也发挥关键作用。

参考文献：

[1] 乔冰清.土壤中不同形态水的化学组成研究[D].南京大学，2015.

[2] 郭小燕.基于稳定同位素和水化学的疏勒河流域水文过程研究[D].中国科学院大学，2015.

[3] 吴友杰，杜太生.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[J].中国农村水利水电，2016（9）：73-76.

[4] Zhonghe Pang，Lijuan Yuan，Tianming Huang，et al.Impacts of human activities on the occurrence of groundwater nitrate in an alluvial plain：A multiple isotopic tracers approach[J].Journal of Earth Science，2013，24（1）：111-124.

[5] 王晶晶.土壤作物系统中水分及其氢氧稳定同位素的动态与农田耗水特征[D].中国农业大学，2015.

[6] 刘宏伟，徐明，管清浩.银川地区大气降水中氢氧稳定同位素的变化特征及影响因素分析[J].水科学与工程技术，2012（1）：88-90.

[7] 沈业杰，彭新华.鹰潭地区大气降水中氢氧稳定同位素特征研究[J].生态环境学报，2014（1）：101-105.

[8] 王仕琴，宋献方，肖国强，等.基于氢氧同位素的华北平原降水入渗过程[J].水科学进展，2009，20（4）：495-501.

[9] 孙晓旭，陈建生，谭红兵，等.蒸发与降水入渗过程中土壤水氢氧同位素变化室内实验[J].农业工程学报，2011.

[10] 陈曦，李志，程立平，等.黄土塬区大气降水的氢氧稳定同位素特征及水汽来源[J].生态学报，2016，36（1）：98-106.

基金项目：

云南省大学生创新创业训练计划项目（S201710677014）

（作者单位：西南林业大学林学院）