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《水土保持學報》2016年第二期

摘要：

利用2014年5—11月元陽梯田水源區林地采樣點上的20個降水數據和216個土壤水數據，對元陽梯田水源區大氣降水及土壤水δD和δ18O的變化進行了分析，明確了降水與土壤水的氫氧同位素特征，并探討了降水對土壤水的影響。結果表明，研究區大氣降水δD和δ18O的變化范圍分別為（－97．4‰）～（－47．5‰）和（－13．2‰）～（－6．5‰），區域大氣降水線（LMWL）為δD＝6．84δ18O－5．69，與昆明的降水線接近，這主要與研究區和昆明所處的大氣環流背景、水汽來源相同有關；0—100cm土壤剖面內，土壤水中δD值隨深度的增加呈現“S”形或反“S”形，0—40cm土層土壤水的δD和δ18O值分布于LMWL兩側，而60—100cm處的同位素值分布集中且偏離降水線，表明隨著深度的增加，土壤水受大氣降水和外界蒸發條件的影響減弱；林地坡上40cm土層比表層貧化重同位素，坡下位置植物覆蓋度較小，土壤水容易受到外界環境的影響而坡中位置整個剖面δD值的變化不大。

關鍵詞：

氫氧同位素；大氣降水；土壤水；垂直變化；坡位

20世紀50年代初，同位素技術開始應用于水科學領域并解決了水文學和水文地質學的一些問題［1］。此后，隨著科技進步，尤其是同位素分析技術的發展，水的同位素分析逐漸成為現代水科學的研究方法之一。研究者通過研究水體本身及某些溶解鹽類的同位素組成，獲得了傳統方法不可能得到的一些重要信息［2］。同位素技術可從宏觀上和微觀上闡明水文循環過程的機理和演變過程，已成為水文問題研究特別是了解水循環過程及演變規律的一種重要手段。大氣降水是自然界水分循環的一個重要環節。分析大氣降水δD和δ18O在不同地區的分布特點，以及其與各種環境因素之間的因果關系，不僅有助于定性或定量地解決水分起源和成因，區分補給源區和補給高程等問題，而且也有助于揭示“三水”轉化關系以及含水層之間的水力聯系，從而為最終建立一個地區的水循環模式提供理論依據［3］。土壤水是聯系大氣降水、地表水、地下水和生物地球循環的紐帶。通過追蹤δD和δ18O的運動“軌跡”，對比不同水體之間的同位素組成，再結合不同深度土壤水的同位素分布特征，就可以揭示出大氣降水與土壤水的關系，進而了解土壤水分的遷移和滯留信息。盡管許多學者已經對降雨和土壤水分中同位素的對比關系進行了研究［4－7］，但由于土壤水分運動復雜，取樣及獲得土壤水較為困難等條件限制，使得研究結果不盡相同。田立德［8］、徐慶［9］、靳宇蓉等［10］利用氫氧同位素技術探究了青藏高原中部、四川臥龍亞高山暗針葉林以及黃土高原大氣降水對土壤水中δD和δ18O的影響，但利用這一先進技術對元陽梯田尤其是梯田上方森林內降雨和土壤水分的研究還非常少。元陽梯田四度同構［11］的獨特生態系統中，森林對其水文循環過程的調控作用非常顯著，正是因為森林這個巨大的“水庫”，才使得四度同構的生態系統經久不衰。因此，本文以元陽梯田水源區上方的森林為研究對象，利用同位素技術的手段和方法，對林地內土壤各層次的同位素變化進行示蹤研究，通過對比分析森林中降水和土壤水分中的氫氧同位素值，探討土壤剖面上土壤水同位素變化的機理及降水對土壤各層次水分的影響，以期掌握元陽梯田水源區林地不同深度土壤水分運移規律，為進一步研究土壤水的動態變化和遷移提供理論依據，同時彌補了同位素技術在元陽地區研究上的空白。

1材料與方法

1．1研究區概況元陽縣位于云南省紅河哈尼族彝族自治州南部，地理位置處于102°27′—103°13′E，22°49′—23°19′N之間。元陽梯田分布區約有梯田1．32×104hm2，分布于海拔700～1800m，坡度15°～25°的溝壑山嶺間，為深切割中山地貌類型。氣候屬亞熱帶山地季風氣候，地形復雜，立體氣候顯著，干濕季分明［12］。由于氣候的垂直差異和水平差異，大部分地區氣溫隨著海拔升高而逐漸降低，蒸發量減少，霧日增多，濕度增大。研究區位于全福莊小寨流域，該流域隸屬于元陽縣新街鎮全福莊小寨，位于縣境中部，距離元陽縣城41km處。該研究區屬于元陽梯田核心水源區，森林茂密，地理坐標為東經102°45′—102°53′，北緯23°03′—23°10′，平均海拔為1840m左右［13］，土壤主要以黃壤和棕壤為主。年平均氣溫為20．5℃，年均降水量1403mm，多年平均降水量1397．6mm，降雨的季節變化明顯，主要集中在5—10月，最大降雨量出現在7—8月。山上常年流水，有泉水出露點。

1．2研究方法和數據來源

1．2．1樣地布設在全面踏勘研究區森林群落的基礎上，選擇典型森林類型—喬木林并布設樣地。樣地大小為20m×20m，坡度為21°。林地內植被類型為常綠闊葉林，主要喬木樹種有灰木、石栗、元江栲）、綠樟、香桂、西南山茶、印度木荷、泡花樹等。在布設好的林地樣地內不同坡位（坡上、坡中、坡下）處分別選取典型樣方，用于采集土壤剖面不同深度的土壤樣品。在林地露天空曠位置放置雨水收集裝置，裝置內放置1個聚乙烯瓶，瓶口處加裝漏斗，漏斗口放置1個乒乓球防止水分蒸發［14］。另外，在不同坡位處各放置1個取樣瓶，用于雨水收集。各樣方的具體情況見表1。在典型林地樣地內代表性地段挖掘土壤剖面，在挖掘好的土壤剖面內按0—20，20—40，40—60，60—100cm這4個層次，用環刀取原狀土樣供物理性質分析，每層取3個重復樣。統計數據時每層取3個重復樣的平均值。試驗樣地土壤物理性質見表2。

1．2．2樣品采集（1）降水樣品采集。降水樣品在每次降水事件結束后收集。2014年6—8月共收集到20場降雨的水樣，將收集到的水樣由塑料瓶轉入50ml離心管中，并立即用Parafilm膜封口，及時標注采樣時間、采樣地點，并保存在低溫保溫箱中帶回實驗室，放置于冰箱冷藏保存以待同位素測定。（2）土壤樣品采集。在林地內不同坡位（坡上、坡中、坡下）處，于2014年5月16日，7月4日，7月12日，8月4日，8月18日，11月14日對土壤樣品進行采集。利用土鉆按0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100cm的層次取樣，每層2個重復，共采集了216個土壤樣品。將樣品放入50ml離心管中，立即用Parafilm膜密封，標注采樣時間、采樣地點，并保存在低溫保溫箱中帶回實驗室冷凍，用于同位素測定。

1．2．3樣品處理與分析本研究采用真空抽提裝置來抽取土壤中的水分。抽提過程中一定要保證整個裝置中為真空狀態且不漏氣。如果漏氣，需要逐個檢查，查出漏氣的地方并修理。必須充分抽提出樣品中的水分，以樣品不再產生水汽為準。所有水樣的氫氧同位素分析在冰凍圈國家重點科學實驗室完成，使用美國LosGatesResearch公司生產的液態水穩定同位素分析儀，采用離軸積分腔輸出光譜技術。分析結果用分析水樣與VS－MOW的千分差［15］來表示，δD和δ18O的分析精度分別為±1‰和±0．2‰。

2結果與分析

2．1大氣降水同位素特征與Craig［18］定義的全球大氣降水線δD＝8δ18O＋10相比，研究區降水的穩定同位素值基本落在其右下方，即當地大氣降水線的斜率和截距都較全球大氣降水線（GMWL）低，并且LMWL的斜率與截距（6．84和－5．69）與GMWL的斜率與截距（8和10）相比差異顯著，這與當地相對干燥的環境和較強的蒸發條件有關。

2．2林地土壤水同位素

2．2．1林地土壤水氫氧同位素的垂直變化對整個采樣期內216個土壤水樣品進行分析發現，研究區內土壤水δD和δ18O的變化范圍分別為（－172．7‰）～（－37．4‰）和（－23．3‰）～（－5．4‰），平均值分別為－94．5‰和－13．2‰。由圖3可知，土壤水穩定同位素值的大小隨時間的變化有顯著差異，且δD和δ18O的變化趨勢基本一致。經統計分析表明，δD和δ18O的變化無顯著性差異。整體來看，隨著采樣時間的變化，0—100cm土壤深度范圍內δD值的變化呈現“S”形或反“S”形。5月16日，土壤水中δD的變化呈現隨土壤深度增加而減少的趨勢，0—10cm處重同位素明顯富集，變化范圍為（－102．1‰）～（－42．0‰），說明表層土壤受蒸發作用的影響非常明顯。7月4日的變化曲線為“S”形，變化范圍為（－101．3‰）～（－65．5‰），曲線拐點出現在10—20cm和40—60cm。40—60cm處δD的平均值為－65．4‰，與前期降雨的δD值－62．1‰很接近，出現該現象的原因可能是40—60cm處有大孔隙，故降雨通過這些快速通道迅速滲入下層，而不與上層土壤水混合。7月12日的同位素值在整個剖面中基本保持不變，δD的變化范圍為（－87．7‰）～（－75．0‰）。8月4日和8月18日曲線的變化趨勢從20—40cm土層處開始基本一致，變化范圍分別為（－152．0‰）～（－76．3‰）和（－132．6‰）～（－83．0‰）。值得注意的是8月4日δD值的變化明顯表現為上層同位素貧化而下層富集，出現這種現象主要是因為8月4日之前有持續的降水，累計降水量逐漸增多，前期降雨對土壤水中δD值的稀釋和混合作用較大，明顯減弱了其他條件對δD值的影響。11月14日δD值得變化曲線呈反“S”形，變化范圍為（－116．7‰）～（－69．9‰），相比較8月份“右移”（增大），說明11月份雨季結束，降水減少，土壤水經受蒸發加強。

2．2．2林地不同深度土壤水氫氧同位素關系圖4是林地不同深度土壤水δD和δ18O的關系。0—10，10—20，20—40cm土層土壤水的δD和δ18O值分布于當地大氣降水線的兩側，且比較分散，表明淺層土壤受降水的影響比較明顯。同時，部分土壤水中的同位素值在大氣降水線的右下方，偏向負值區，可能存在降雨對土壤水的混合和稀釋作用。40—60cm土層的δD和δ18O值的分布也比較分散，但從40—60cm處同位素的分布來看，已經開始偏離當地大氣降水線，說明土壤水可能受到蒸發的影響，也可能與前期降水或者背景值的影響有關。60—100cm處的氫氧同位素值越來越集中，且越來越偏離降水線，表明隨著深度的變化，土壤水受大氣降水和外界蒸發條件的影響越來越弱。

2．3林地不同坡位氫氧同位素變化從整體來看，林地不同坡位土壤中δD值的變化呈現相同的規律，即上層變化復雜而深層變化緩慢且變幅較小。由圖5可知，坡上土壤δD大致在20—40cm處出現拐點，逐漸貧化重同位素，繼續向深層，同位素值又逐漸增大。造成這種現象的原因可能是坡上位置40cm以上土層中非毛管孔隙所占比重較大，非毛管孔隙能夠較快容納降水并及時下滲［19］，降雨落到表層以后很快入滲至該層，導致該層含水量增大，并對土壤中原有的水分起到了稀釋的作用，因此比表層貧化重同位素。坡中位置土壤水δD值的變化較坡上簡單，除5月16日與8月4日外，整個剖面δD值的變化不大。坡中位置喬木分布較多，林冠截留量大，枯落物持水性能強，同時枯落物分解后改變了土壤結構，增加了土壤孔隙，使土壤入滲增加。同時，坡中位置植被覆蓋度大，降雨和光照等因素對土壤蒸發造成的影響較小，該結論與張娟等［20］的研究結論相符。坡下位置的變化更為復雜且變化主要集中在40cm以上。坡下位置植物覆蓋度較小，土壤水容易受到外界環境的影響；加之采樣過程中發現，該處土壤中存在砂礫及碎石，因此對土壤水的下滲有極大影響；而采樣過程中也可能存在水樣的蒸發，影響水中同位素含量的變化。

3討論與結論

通過前期學者的研究可知，降水中穩定同位素的變化與水汽來源、氣象條件以及大氣環流等多種因素密切相關。研究區的大氣降水線與距研究區375km的昆明大氣降水線δD＝6．77δ18O＋3．35［21］接近。因此，本研究雖然只收集到了20場降水樣品，但與鄰近的昆明地區大氣降水線較接近，故研究結果可以大體反映研究區降水的同位素特征。研究區和昆明所處的大氣環流背景、水汽來源等相同，并且兩者氣候條件相似，均有明顯的干濕季之分。在旱季，受大陸性氣團的影響，空氣干燥，蒸發強；在雨季，受海洋水汽的影響，空氣濕潤，蒸發弱［22］。但在水汽從海洋向內陸輸送的過程中，一定不能避免外來水汽的加入，加之降水不斷進行，重同位素不斷從空氣中優先冷凝，故研究區的大氣降水線與昆明地區略有不同。同時，就地理位置而言，研究區位于我國的西南地區，屬于典型的季風氣候區。該地區的水汽主要來自南海、孟加拉灣、印度洋、阿拉伯海以及跨赤道氣流的水汽［23］。當水汽從海洋向陸地遷移的時候，不同的冷凝和蒸發過程使得降水中δD和δ18O的含量不斷變化，隨著距離海洋越來越遠，液相降水中會逐漸相對富集重同位素。由于采樣時段均處于雨季，受來自海洋水汽的影響，空氣濕潤，降水量大，因此蒸發較弱，故數據顯示結果比較局限，僅代表本次研究結果，今后還需長期觀測，以便進一步研究。采樣期內林地不同深度土壤水穩定同位素值的統計表明，隨深度的增加，土壤水受外界蒸發及降雨等因素的影響逐漸減小。該結論與田日昌等［24］的研究結論相一致。土壤水的δD和δ18O的變化范圍明顯比大氣降水中δD和δ18O的變化范圍大，并且有些層次土壤水的同位素值明顯高于大氣降水。造成這種現象的原因可能為：土壤中的水不僅來自降雨的補給，還可能有其他的補給來源，比如地下水、河流水等；降水在土壤表層向下入滲的過程中受到強烈的蒸發影響，導致同位素分餾加強，故重同位素相對富集，例如表層0—10cm土壤水的δD和δ18O值均高于大氣降水；同時，采樣時間和降水時間的間隔也會影響氫氧穩定同位素的變化。因此，土壤水同位素值的變化是一個非常復雜的過程，其變化規律還需進一步研究。

247第2期馬菁等：元陽梯田水源區林地降水與土壤水同位素特征本研究的結論：（1）研究區大氣降水線為δD＝6．84δ18O－5．69，與昆明地區的降水線接近，其穩定同位素值基本落在全球大氣降水線的右下方，且斜率明顯較小，這與當地相對干燥的環境和較強的蒸發條件有關。（2）林地0—100cm土壤水中δD值隨深度的增加呈現“S”形或反“S”形。前期降水的混合稀釋作用以及降水的優先入滲影響土壤不同層次同位素值的變化。0—10，10—20，20—40cm土層土壤水的δD和δ18O值分布于當地大氣降水線的兩側，且比較分散，表明淺層土壤受降水的影響比較明顯。40—60cm土層的δD和δ18O值偏離當地大氣降水線，說明土壤水受到了蒸發的影響，并且與前期降水或者背景值的影響有關。60—100cm處的氫氧同位素值越來越集中，且越來越偏離降水線，表明隨著深度的增加，土壤水受大氣降水和外界蒸發條件的影響越來越弱。（3）林地不同坡位土壤水中δD值的變化均表現為上層復雜而深層相對簡單。坡上40cm以上土層中非毛管孔隙所占比重較大，能夠較快容納降水使該層含水量增大，并對土壤中原有的水分起到了稀釋的作用，因此比表層貧化重同位素。坡中位置林冠截留量及植被覆蓋度大，枯落物持水性能強，整個剖面δD值的變化不大。坡下位置植物覆蓋度較小，土壤水容易受到外界環境的影響。

作者：馬菁 宋維峰 吳錦奎 王卓娟 張小娟 劉宗濱 單位：西南林業大學環境科學與工程學院 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所