真空蒸馏提取与原位采集对土壤水氢氧稳定同位素值比值的影响

孙晓旭,徐 进,苏治国

(1.南京工程学院环境工程学院,江苏 南京 211167; 2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点试验室,江苏 南京 210098)

真空蒸馏提取与原位采集对土壤水氢氧稳定同位素值比值的影响

孙晓旭1,徐 进1,苏治国2

(1.南京工程学院环境工程学院,江苏 南京 211167; 2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点试验室,江苏 南京 210098)

为了研究不同采样方法对采集的土壤水氢氧稳定同位素比值的影响,设计了室内降水入渗模拟试验,收集土柱底部出流水、土壤溶液采样器原位采集10 cm、40 cm、70 cm、100 cm处的土壤水,在相同层位采集土壤样品并采用真空蒸馏法提取土壤水。通过样品的氢氧稳定同位素比值对比分析可知,降水入渗干燥的土壤过程中土颗粒优先吸附轻同位素,第一个收集的水分具有最正的氢氧稳定同位素比值;真空蒸馏法提取的土壤水是土壤吸湿水和入渗水分的混合,土壤溶液采样器原位采集的土壤水代表土壤中流动的水分,此水分是土壤中可被有效利用的水分。

真空蒸馏提取;原位采集;氢氧稳定同位素比值;土壤水

水分在包气带中的运移是一种非常复杂的物理和化学作用过程,受多种应力和多种能量的控制和制约,随着科学技术的快速发展,越来越多的新方法用于研究包气带水分[1]。氢氧稳定同位素(D和18O)是一种天然示踪剂[2-4],其随水流一起运动,可以很好地表征包气带水分的运移特征,很多学者利用土壤水中稳定同位素来追踪水在土壤中的输送过程,提供有关水在包气带中的迁移信息[5-10]。然而包气带土壤水的氢氧同位素特征受到降雨入渗、土壤蒸发、潜水蒸发等一系列过程的影响,土壤水分蒸发和降水入渗过程与土壤颗粒的性质有密切关系[11-12]。

土壤水受降水入渗、蒸发作用等共同影响,对其同位素值的研究有助于了解水分入渗、蒸散发等一些水文循环过程。王仕琴等[13]基于降水、土壤水和地下水的氢氧稳定同位素比值研究了华北平原降水的入渗过程,指出不同降水特征、土壤质地和植被条件下入渗过程是不同的。田日昌等[14]通过土壤水的稳定性同位素值研究了湘西北红壤丘陵区土壤水的运移特征,同位素分析得出油茶林入渗率受降水量影响明显,大雨后2～3 d入渗率约为50～ 100 mm/d,之后入渗率明显减慢,50 cm土层常成为阻隔层,玉米地由于通透性差,入渗率更低。孙晓旭等[15]通过室内试验模拟研究了蒸发和降水入渗过程水体的氢氧稳定同位素比值变化规律。国外方面,Hsieh等[16]分析了夏威夷地区从干旱到湿润地区一个断面的土壤含水率及氧同位素值变化规律,指出由于降水的同位素值偏负于土壤水,在雨季土壤水从表层到深层同位素值不断增加,而在旱季土壤水同位素值随着深度的增加是不断偏负的,并且应用土壤含水率及氧同位素值计算了土壤的蒸散发量。CAREY等[17]对比分析了汉诺威6个地区降水和土壤水中的δ18O,发现在大部分土壤剖面中浅层土壤水(lt;20 cm)富集δ18O,主要原因是地表水蒸发强烈,深部土壤水(gt;50 cm)同位素数据表明降水通过优势流方式入渗到土壤深部,成功地区分了土壤中的静水与动水。Kwang-Sik等[18]研究了韩国济州岛一年之中降水和3个不同深度土壤水的氢氧稳定同位素比值,分析得出土壤水接受年降水的补给,并且即使在炎热夏季蒸发的影响也可以忽略。

然而土壤水同位素研究最重要的前提条件之一是土壤水的提取问题,提取的精度对于结果有重要影响,必须保证在提取过程中不能改变土体水分的同位素值。提取土壤水的方法主要包括:真空蒸馏法、共沸蒸馏法、吸式蒸渗仪法、离心过滤法等。1995年,Aragus-Aragus 等[19]系统研究了真空蒸馏法提取非饱和带土壤水,试验表明,如果98%以上的土壤水分被提取出来,提取水分的同位素值就能够代表土壤水的值,对于砂样,加热温度为100 ℃时需提取7 h才能保证试验精度。Landona等[20]对比分析3种方法提取出的砂质土壤水的氢氧稳定同位素比值,得出3种方法提取的水分占土壤总水分的比例不同的结论,并且得出第2种方法提取出的水分同位素含量能代表补给到地下的那部分土壤水的同位素值。Figueroa-Johnson等[21]对比了吸式蒸渗仪法、离心过滤法和共沸蒸馏法提取出的土壤水的氧同位素含量,得出:对于砂土离心过滤和共沸蒸馏法提取出的水分氧同位素值比吸式蒸渗仪法偏负0.025%,对于结构好的土壤氧同位素偏负约0.2%～0.7%,这3种方法有不同的适用范围。国内方面,耿清国等[22]对土壤中不同状态的水分采用离心分离法所需的时间长短和化学组成进行了研究。王涛等[23]对共沸蒸馏、真空蒸馏、离心分离、锌的微量蒸馏4 种土壤水提取技术进行了简要介绍,并主要分析了真空蒸馏技术提取土壤水时需要的温度和时间。目前,真空蒸馏技术被广泛用来提取土壤水。土壤溶液取样器也叫吸力测渗仪,用于在土壤剖面原位收集土壤溶液样品。取样器的核心技术是取样头部分采用了多孔滤膜,可自动湿润,它不产生吸附,也能避免交叉污染。取样器被安放在土壤的适宜深度,在最小扰动土壤的情况下进行周期性取样测定。基本的取样器含有一个多孔陶瓷头和一个样品收集管。用真空管或注射器抽出真空后,将采样器放置在真空下即可进行采样。这种取样器具有使用简单方便、能耗低、不扰动土壤等一系列优点。郝汉舟等[24]采用土壤溶液采样器(Rhizon-SMS)原位采集了河南平原耕地土壤溶液,研究了重金属的土水分配行为。张守仁等[25]对比研究了果树根际土壤取样分析技术,指出土壤溶液取样器适合于动态研究溶质运移过程,但采集样品量有限,并且要求较高的土壤含水量。时祥顺等[26]通过设计室内土柱试验,模拟了土壤水入渗情况,采用土壤溶液采样器原位采集不同层位的土壤水样品,研究降水入渗过程中土壤水盐分的变化规律。本文就目前广泛采用的2种土壤水提取技术(真空蒸馏提取、土壤溶液取样器原位采集)进行研究,对比分析不同的取样方法对土壤水氢氧稳定同位素比值的影响。

1 试验设计与测试分析

1.1 试验材料

试验选用高110 cm,内径10 cm的有机玻璃柱作为容器,为了便于破开土柱采集土壤样品进行真空蒸馏法收集土壤水,设计将110 cm长的有机玻璃柱分成4段,从下往上每一段的长度分别为20 cm、30 cm、30 cm、30 cm,每两段之间通过法兰连接。柱子底部是多孔板,使得水分能顺利流出。试验装置如图1所示。

土样采自南京工程学院校园绿化带内,采样深度距表层10～20 cm,自然风干后,磨碎,经2 mm的筛子筛分,均匀混合装袋备用。根据GBJ 145—1990《土的分类标准》,试验所用土样为粉质亚黏土。

1.2 试验设计和样品采集

图2 Rhizon-SMS土壤溶液采样器Fig.2 Soil solution sampler

在距有机玻璃柱顶部10 cm、40 cm、70 cm、100 cm处四周开采样孔,采样孔直径约1.5 cm。柱子的30 cm、60 cm和90 cm处是法兰连接处。处理后的土样均匀充填土柱,水分入渗前采集孔全部用塞子塞住,柱子充填完成后,土壤表层距有机玻璃柱顶部5 cm。土壤溶液采样器(Rhizon-SMS,图2)通过采样孔插入土柱中,原位采集土壤水样品,采样器型号为19.21.01,5 cm多孔材料插入土壤中,另外一端连接注射器,可以人工抽取土壤水。土柱顶部连续降雨,待土柱底部有水流出时,按照出流顺序,依次收集重力出流水样品7个,封存。入渗结束后,在10 cm、40 cm、70 cm、100 cm这4个层位原位采集土壤水,为了保持水样的均匀性,每个层位在2个采样孔同时采样,然后混合一起装入瓶中备用。原位采样结束后,土柱静置48 h,打开法兰,分别在土柱原位采样的4个层位处采集土壤样品并封存,以备真空蒸馏法提取土壤水。

1.3 真空蒸馏法提取土壤水

真空蒸馏法提取土壤水装置如图3所示,土壤水在负压情况下变成水蒸气从土壤中挥发出来,采用液氮冷凝水蒸气。为了便于控制温度采用水浴加热(水体沸腾),提取过程中温度保持不变,经过4次条件试验(真空蒸馏提取土壤水后的土壤样品放在105℃烘箱中烘干8 h,土壤质量没有损失)得出,水浴加热情况下,提取120 min,土壤水被完全提取干净[15]。提取完全后关闭阀A和阀B,取下液氮,收集的水分常温下在冷肼慢慢融化,等全部融化后倒入样品瓶中,封存后放入冰箱。

图3 真空蒸馏法提取土壤水装置Fig.3 Soil water extracting device using vacuum method

1.4 样品测试分析方法

样品氢氧稳定同位素比值采用稳定性同位素质谱仪MAT253进行测试,高温裂解法测定氢同位素,样品测试精度为0.1%,水平衡法测定氧同位素,样品测试精度为0.01%。

2 结果与讨论

土壤溶液取样器原位采集土壤水、真空蒸馏法提取土壤水氢氧稳定同位素比值列于表1，重力水及初始水氢氧稳定同位素比值见表2。

从表1和表2可以看出,相同层位的土壤水,真空蒸馏法提取的水分氢氧稳定同位素比值均比原位采集的土壤水值偏负。氢稳定同位素比值偏负在0.4%～1.1%范围内,氧稳定同位素比值偏负在0.042%～0.169%范围内。10 cm处的样品氢氧稳定同位素比值最大,后面3个层位氢氧稳定同位素比值较接近,说明土壤剖面水分比较均匀,并且10 cm附近的土壤水可能受到了蒸发的影响,导致氢氧稳定同位素比值偏正。

表1 原位取水样品氢氧稳定同位素比值数据

表2 重力水及初始水氢氧稳定同位素比值数据

图4 不同方法采集的土壤水、重力出流水和初始水的氢氧稳定同位素比值关系Fig.4 Stable ratios of hydrogen and oxygen isotopes of soil water, gravity flowing water and initial water collected by different methods

图4为不同方法采集的土壤水、重力出流水和初始水的氢氧稳定同位素比值关系图[27],采用南京地区降水线:δD=8.47δ18O+17.52。从图4可以看出,重力出流水样品氢氧稳定同位素比值均比初始水偏正,结合表2中的氢氧稳定同位素比值数据,可知第一个出流水氢氧稳定同位素比值最大,其余出流水氢氧稳定同位素比值随着出流水量的增加呈现不断偏负的趋势。在出流水样品中,第一次出流的样品最先经过整个剖面的风干土壤,风干土壤颗粒仅含有土壤吸湿水,当土柱上方有降水入渗时,土壤颗粒分子仍可以吸附一定的水分子,形成薄膜水层,并引起入渗水分发生同位素分馏[15,19]。同时，可以看出土壤颗粒优先吸附轻的水分子,导致土壤中流动的水分氢氧稳定同位素比值偏正。

图4中原位采集土壤水的氢氧稳定同位素比值全部落在土柱重力出流水氢氧稳定同位素比值范围内,而真空蒸馏法提取土壤水的氢氧稳定同位素比值中,第一个样品由于受到了蒸发的影响,同位素值偏正,落在了土柱重力出流水氢氧稳定同位素比值的范围内,其余3个层位的样品氢氧稳定同位素比值明显偏负,并且位于初始水氢氧稳定同位素比值的左下方。本试验所用土样为风干壤土,土壤在自然环境下风干48 h,土壤中含有吸湿水,在土壤颗粒的分子引力作用下,土颗粒吸附空气中的水分子在其表面,形成了吸湿水,吸湿水被紧紧地束缚在土粒表面,接近固态水的性质,不能呈液态流动,也不能被植物根系吸收。孙晓旭等[15]的研究指出,风干土壤中土壤吸湿水的氢氧稳定同位素比值偏负(氢氧稳定同位素比值分别为-8.14%和-1.034%),本文试验采用的初始水氢氧稳定同位素比值分别为-4.87%和-0.721%。因此通过氢氧稳定同位素比值的对比分析可以看出,真空蒸馏法提取的土壤水是土壤吸湿水和入渗水分的混合。原位采集土壤水氢氧稳定同位素比值反映土壤剖面中流动水体的氢氧稳定同位素特征,此方法收集的土壤水更能代表土壤中可有效利用的水分。

3 结 论

通过设计室内土柱试验模拟水分在包气带中的入渗过程,收集了土柱底部的重力出流水,采用2种方法收集土壤水(土壤溶液取样器原位采集和真空蒸馏法提取)。土柱底部出流水的氢氧稳定同位素比值对比分析得出降水入渗干燥的土壤过程中,土颗粒优先吸附轻同位素,引起土壤中流动的水分发生同位素分馏,优先流出的水分具有最正的氢氧稳定同位素比值,随着出流水量的增加出流水氢氧稳定同位素比值呈不断偏负的趋势;土壤溶液采样器原位采集的土壤水氢氧稳定同位素比值落在出流水氢氧稳定同位素比值区域内,真空蒸馏法提取的土壤水氢氧稳定同位素比值明显比原位采集的土壤水偏负。因为真空蒸馏法提取土壤水时,风干土壤的吸湿水也一起被提取出来,导致此方法提取的水分氢氧稳定同位素比值偏负。因此可以看出,土壤溶液采样器原位采集的土壤水代表土壤中流动的水分,此水分是土壤中可被有效利用的水分。

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《水利水电科技进展》征订启事

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Effectsofvacuumdistillationextractionandin-situcollectionmethodsontheratioofhydrogenandoxygenisotopeofsoilwater

SUNXiaoxu1,XUJin1,SUZhiguo2

(1.SchoolofEnvironmentalEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China;2.SchoolofEarthSciencesandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

To study the effects of different collection methods on hydrogen and oxygen isotope values of soil water, a laboratory experiment is designed to model the rainfall infiltration behavior, and the water outflow from the bottom of the soil column is collected. In this experiment, soil waters at depths of 10 cm, 40 cm, 70 cm and 100 cm are collected and this collection method is termed as in-situ collection method. On the other hand, soil samples at the same depths are taken out with the soil waters being collected using vacuum distillation extraction method. The comparison results between D and18O values show that during the process of rainfall infiltration in the dry soil sample, the light isotopes are preferentially adsorbed by soil particles, and the outflow water collected first has the most positive hydrogen and oxygen isotope values. The soil water extracted by the vacuum distillation method is composed of moisture-absorbing water of the air-dried soil and the water infiltrated into the unsaturated zone. The soil water collected by the in-situ soil solution sampler represents the water flowing in the soil and could be effectively used.

vacuum distillation extraction; in-situ collection; ratio of hydrogen and oxygen isotopes; soil water

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.06.005

2016-12-20

南京工程学院引进人才科研启动基金(YKJ201327)

孙晓旭(1983—),女,江苏徐州人,讲师,博士,主要从事同位素水文学、水污染控制工程研究。E-mail:hjsunxiaoxu@njit.edu.cn

P597

A

1000-1980(2017)06-0503-06