【摘要】氫氧穩(wěn)定同位素可用于追蹤土壤水分的運(yùn)移。盡管我們對(duì)土壤剖面滲透的水的追蹤及其在徑流和地下水補(bǔ)給中運(yùn)移過(guò)程的研究已經(jīng)很完善了，但土壤水的運(yùn)動(dòng)也包括蒸發(fā)分餾。迄今為止，土壤水的分餾因子主要是基于經(jīng)驗(yàn)性的。與開(kāi)放型水分蒸發(fā)（溫度，濕度，蒸氣壓梯度定義的分餾）不同的是，土壤水蒸發(fā)包括土壤基質(zhì)效應(yīng)的分餾。我們對(duì)這些效應(yīng)特征的理解仍然很差。在這里，我們使用ABB LGR的水汽同位素分析儀（IWA-45-EP）提供了一個(gè)初步結(jié)果，實(shí)驗(yàn)使用了4種土壤混合物，粒度從砂粒到粉粒和黏粒。結(jié)果表明土壤張力可能控制著土壤水分的同位素分餾。土壤張力與平衡分餾的關(guān)系與土壤質(zhì)地?zé)o關(guān)，且得到熱力學(xué)理論的充分支持。雖然結(jié)果是初步的，認(rèn)為未來(lái)的工作應(yīng)該關(guān)注作為土壤水和水蒸氣分餾可能解釋因素的土壤張力的影響。
插圖（a）顯示了4種添加土壤混合體的水分釋放曲線。在萎蔫點(diǎn)到吸著水范圍內(nèi)，2個(gè)石英砂樣品的重量含水量保持在0.05 g/g。但在同一范圍內(nèi)，粉砂的重量含水量高達(dá)0.15 g/g。在毛細(xì)管水范圍內(nèi)，黏土的最高重量含水量可達(dá)0.2 g/g。土壤張力為106 hpa時(shí)，砂土樣品I和II的重量含水量分別為0.01和0.005 g/g。在相同的土壤張力下，粉砂的重量含水量為0.05 g/g。重量含水量在0.05和0.005 g/g的粘質(zhì)土在105 hpa以上獲得了更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。（b）圖表明平衡分餾因子（aP/Q）與土壤含水量以及土壤類型無(wú)關(guān)，但與基質(zhì)勢(shì)（土壤張力）明顯相關(guān)。在aP/Q=1的交點(diǎn)處分別為δ18O和δ2H定義了~1260 hPa張力影響分餾效應(yīng)的閾值。因此，我們觀察到張力影響的分餾主要用于不可移動(dòng)的水。
土壤張力增加了平衡分餾，導(dǎo)致同位素值沿雙同位素蒸發(fā)線（EL）分布。顏色編碼表明土壤張力越高，同位素值越偏離原始位置。EL的斜率隨著粒徑大小的降低而降低。砂質(zhì)土壤樣品蒸發(fā)線斜率為3，R2=0.96。黏土含量升高的土壤樣品蒸發(fā)線斜率為2，R2=0.98。紅線表示純水測(cè)試的EL，斜率為4.1。
封閉系統(tǒng)中張力影響同位素分餾的簡(jiǎn)單概念模型。藍(lán)色表示重同位素體，紫色表示輕同位素體。水附著在土壤顆粒表面（灰色），且水蒸氣和液態(tài)水處于平衡狀態(tài)。如果水分子之間的粘聚力起主導(dǎo)作用，則平衡分餾因子α由溫度單獨(dú)定義。當(dāng)粘附力（右）起主導(dǎo)作用，土壤顆粒控制蒸氣壓和平衡分餾。粘附力與粘聚力之比從左往右增加。當(dāng)粘附力起主導(dǎo)作用時(shí)，張力，特別是界面張力以及對(duì)土壤水分吸收的物理控制主導(dǎo)著相關(guān)的分餾效應(yīng)。土壤水儲(chǔ)存中不可移動(dòng)部分就是這種情況。
【結(jié)論】該研究介紹了4種不同土壤混合體的實(shí)驗(yàn)室初步結(jié)果。結(jié)果表明土壤張力控制土壤水同位素分餾。土壤張力與平衡分餾的關(guān)系與土壤質(zhì)地?zé)o關(guān)，且得到熱力學(xué)理論的充分支持。顯然，我們還需要做更多的工作。雖然結(jié)果是初步的，我們希望可以激發(fā)其他研究者研究這些過(guò)程并進(jìn)一步探索土壤張力對(duì)土壤水分分餾的影響。確實(shí)，仍存在幾個(gè)問(wèn)題，包括在大尺度上，張力會(huì)影響穩(wěn)定同位素分餾嗎？張力效應(yīng)控制動(dòng)力學(xué)分餾因子嗎？在整個(gè)水分范圍內(nèi)，平衡袋方法都可以可靠使用嗎？植物吸收水分的同位素特征受土壤張力效應(yīng)的影響嗎？希望該研究可以激發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的新的研究。
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土壤張力可能控制土壤蒸發(fā)同位素平衡分餾因子.pdf