干旱区咸水灌溉土壤水中氢氧稳定同位素组成的动态特征

丁 洁，刘延锋，刘 倩，王建军

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

水文循环对于生态环境保护和人类生存发展至关重要[1]，水体蒸发作为水文循环的重要阶段[2-3]，也是重要的地下水排泄方式[4]，一直受到广泛关注。干旱地区潜水蒸发不仅导致土壤水分损失，农作物灌溉效率降低，还可导致土壤盐渍化[5-7]。干旱区潜水蒸发的定量研究对于降低无效蒸发、提高作物生产率、实现农业节水灌溉[8]具有重要意义。但是由于潜水蒸发与土壤含水量、土壤岩性结构、地下水水位埋深、作物类型等密切相关[9-11]，导致潜水蒸发量难以确定。根据地下水的蒸发因素，前人总结出了非饱和带中土壤水分蒸发速率与地下水埋深之间的经验公式，可以通过土壤剖面的同位素组成来计算土壤水分蒸发量[12-13]。由于土壤水分在蒸发过程中必然造成其氢氧稳定同位素组成的变化，利用土壤水中氢氧稳定同位素信息估算土壤水分蒸发量，可为定量计算土壤水分蒸发量和区分土壤蒸发与作物蒸腾提供有利工具。

蒸发在土壤剩余水的同位素组成上留下了特征[14]，使土壤水发生强烈的同位素富集[15]，根据土壤表层穿透水与深层土壤水的稳定同位素差别可以估算土壤蒸发速率[16]。同位素示踪效应在土壤水分蒸发量计算[17-18]、土壤蒸发与作物蒸腾区分[12-13]等领域得到了很好的应用，但土壤水分蒸发受含盐量、温度梯度、土壤水迁移机制、土壤分层和植被等因素的影响[19]；而且区域上不同位置的土壤水和地下水矿化度的不同，导致同位素蒸发分馏机制不同[20-23]。目前，国内外学者对于盐类对水体氢氧同位素蒸发分馏作用的影响已有一定的研究，如Horita等[21-22]进行了不同盐分种类及含量对水中氢氧同位素蒸发分馏作用的影响试验；李桐等[24]研究了氢氧稳定同位素的盐水与纯水蒸发的差异，得出NaCl对D/H分馏的抑制作用大于16O/18O分馏。但目前针对不同土壤溶液浓度(即盐分)对土壤水中稳定同位素蒸发分馏作用影响的研究较少。干旱条件下土壤蒸发强度大，在不同人类活动干扰程度下土壤盐分含量差异明显，时空变化很大[25-26]，必然致使土壤水的同位素蒸发分馏作用存在差异。

为了探究蒸发作用下土壤溶液浓度对土壤水中氢氧稳定同位素组成的影响，在新疆炮台试验站开展了不同浓度的NaCl溶液入渗和蒸发试验，探究强蒸发作用下土壤盐分对土壤水氢氧稳定同位素蒸发分馏作用的影响规律，为干旱区强蒸发作用下土壤水中氢氧稳定同位素分馏机理的研究、土壤水分蒸发量的计算和水资源的高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验测试

试验场地位于新疆建设兵团第八师炮台镇灌溉试验站，试验站地下水水位埋深在3.46～3.67 m范围内波动变化。该地区日照时间长，年平均气温为8.2℃，年平均降水量为164.3 mm，年平均蒸发量为2 036.2 mm[27]。试验场地四周空气通畅，地表无植被覆盖，利于水分蒸发。在试验场地内开挖4个面积为1 m2的渗坑(编号为A、B、C、D，见图1)，渗坑深度为20 cm，利用工业NaCl配制4种浓度(3 g/L、50 g/L、100 g/L、200 g/L)的NaCl溶液(即盐水)各50 L，将盐水缓慢倒入试验坑后，覆膜防止蒸发直至盐水全部渗入地下，约24 h后揭开覆膜使土壤水蒸发，同时将装有3 g/L、50 g/L、100 g/L、200 g/L的盐水和纯水的小桶置于试验场地进行蒸发。在灌水之前在试验场地中心点Z处(见图1)利用Edelman手动钻采取土样，灌水后按照一定时间间隔分别在A、B、C、D、Z点进行采样，利用Edelman手动钻分别采取5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、50 cm、80 cm、100 cm、120 cm深度的土样，部分土壤样品装入8 mL玻璃瓶中，装满并用Parafilm封口膜密封，放入冰盒中，之后放入冰箱4℃保存，部分土壤样品装入封口袋，用于易溶盐测定和颗粒分析等；同时用小桶进行不同浓度NaCl溶液的蒸发试验，按照同样的时间间隔和保存方式采集水样；蒸发试验及取样于2016年8月21日—2016年9月9日期间完成。同位素样品用冷藏箱保存并送至巴斯特(北京)防治荒漠化科技研究所，并利用真空抽提的方式提取水样，利用MAT 253同位素比率质谱仪和Flash 2000 HT元素分析仪测定土壤水中的氢氧稳定同位素δD和δ18O，两者的测试精度分别为±1‰和±0.2‰。

图1 试验室外灌溉与蒸发Fig.1 Outdoor irrigation and evaporation

1.2 研究方法

水体蒸发过程中，剩余水的氢氧稳定同位素δD和δ18O值在接近线性轨迹后逐渐偏离全球大气降水线(Global Meteoric Water Line,GMWL)，该轨迹称为蒸发线[28]。蒸发线的斜率可以揭示同位素分馏机制，纯平衡分馏将导致蒸发线的斜率接近8，平衡和非平衡(动力学)分馏的混合作用将导致斜率小于8[29]。Dansgaard[30]定义了大气降水氘盈余(d-excess)参数的计算公式[见公式(1)]，该参数主要用来表示水汽蒸发过程中由于同位素动力分馏而偏离平衡分馏的程度。水体动力分馏程度越大，剩余水的d值理论上越小[31]。大气降水氘盈余d的计算公式为

d=δD-8δ18O

(1)

本次试验的数据处理与统计分析以及图件绘制采用Excel 2016软件完成，试验数据差异显著性分析采用SPSS 21.0软件完成。

2 结果与讨论

2.1 土壤水中氢氧稳定同位素组成特征

土壤水中氢氧稳定同位素(δD、δ18O)组成的统计结果，见表1。

表1 土壤水中氢氧稳定同位素组成的统计Table 1 Statistics of hydrogen and oxygen stable isotope composition in the soil water samples

注：a表示天然土壤水。下同。

由表1可知，土壤水中δD和δ18O值分别在-144.97‰～-50.20‰和-18.69‰～1.95‰范围内，其平均值分别为-105.94‰和-13.37‰；由不同深度的土壤水中δD和δ18O值的变差系数可以看出，在蒸发作用下，土壤水中δD的变差系数在-0.22～-0.07之间，变化程度较小，而土壤水中δ18O的变差系数在-0.50～-0.09之间，变化程度较大，说明在蒸发作用下氧同位素的蒸发分馏作用较强；由不同浓度NaCl溶液处理的土壤水中δD和δ18O值的变差系数可以看出，盐水处理的土壤水中δD的变差系数在-0.17～-0.14之间，δ18O的变差系数在-0.23～-0.18之间，变化程度较小，且均小于天然土壤水。

本文利用最小显著差数法(LSD)对不同浓度NaCl溶液处理的土壤水中δD、δ18O值之间进行了显著性差异比较，其结果见表2和表3。

表2 不同NaCl浓度土壤水中δD值显著性差异分析Table 2 Significant difference of δD in the soil water after irrigation with different concentrations of NaCl solution

注：“*”表示显著性水平为0.05；“**”表示显著性水平为0.01。下同。

表3 不同NaCl浓度土壤水中δ18O值显著性差异分析Table 2 Significant difference of δ18O in the soil water after irrigation with different concentrations of NaCl solution

由表2和表3可知，天然土壤水与NaCl浓度为50 g/L、100 g/L和200 g/L的土壤水中δD、δ18O值之间的差异显著(p<0.05)，而天然土壤水与浓度为3 g/L NaCl溶液处理的土壤水中δD值以及其他各浓度NaCl溶液处理的土壤水中δD、δ18O值之间的差异不显著(p>0.05)，表明NaCl溶液对土壤水中H/D、16O/18O的蒸发分馏作用有较显著的影响。

土壤水中氢氧稳定同位素(δD、δ18O)组成的关系图，见图2。

图2 土壤水中氢氧稳定同位素(δD、δ18O)组成的关系图Fig.2 Relation between the hydrogen and oxygen stable isotopes (δD and δ18O) in the soil water

由图2可以看出：

(1) 土壤水中δD、δ18O点主要分布在当地大气降水线(Local Meteoric Water Line,LMWL)的右下侧，两者的关系式为δD =5.108 6×δ18O-37.092(R2=0.737 2)，其曲线斜率均小于LMWL方程[32](δD = 7.223×δ18O -0.62)，说明土壤水经历了强烈的蒸发作用。

(2) 纯NaCl溶液的δD-δ18O关系式为δD =3.792 8×δ18O-38.99(R2=0.984 2)，其曲线斜率低于土壤水，表明总体而言土壤水相较于纯NaCl溶液所受蒸发作用较弱。

(3) 不同浓度NaCl溶液处理条件下，0～120 cm深度土壤水中δD、δ18O值的变化趋势相同，随着深度增加，重同位素含量逐渐变小；在5～30 cm深度内，越接近土壤表层，土壤水中δD、δ18O值偏离LMWL的程度越大，δD-δ18O关系式为δD =3.599 9×δ18O-54.31(R2=0.744 5)，其曲线斜率远小于LMWL，说明受到了强烈的蒸发作用和温度影响；其曲线斜率亦小于纯NaCl溶液蒸发曲线斜率，表明浅层土壤的毛细作用加速了水分的传输，使其所受的蒸发作用比纯NaCl溶液更强；部分δD、δ18O值分布在土壤水蒸发线的左上方，这是由于试验田处昼夜温差大，容易形成凝结水，表层土壤水与凝结水混合所致[33]；50～120 cm深度的土壤水中δD、δ18O值偏低，基本分布在LMWL左下方，土壤水的δD-δ18O关系式为δD =7.577 9×δ18O-2.653 9(R2=0.829 4)，其曲线斜率略大于LMWL，但数据变化范围小于浅层。试验田棉花种植灌溉水来自天山的早春冰雪融水，水中δD、δ18O值含量低，试验田内的地下水水位变化较小，较深层的土壤水中δD、δ18O多为前期灌溉后的入渗水与前期土壤水的混合，并存在地下水的毛细上升补给，多种水分的混合使其变化幅度较小。

2.2 土壤水中氢氧稳定同位素的剖面分布特征

土壤水中氢氧稳定同位素组成主要受大气降水(灌溉)、蒸发、土壤水运移和植被等因素的影响，土壤水中δD、δ18O值的垂向变化体现了入渗—混合—蒸发过程对土壤水分的影响[34]。图3为不同浓度NaCl溶液灌溉后土壤水中δD、δ18O值的剖面分布。

图3 不同浓度NaCl溶液灌溉后土壤水中δD、δ18O值的剖面分布Fig.3 Curves of profile distribution of δD and δ18O in the soil water after irrigation with different concentrations of NaCl solution

由图3可以看出：

(1) 0～120 cm深度的土壤水中δD、δ18O值随着深度增加呈现先降低后缓慢增加的趋势。

(2) A坑和B坑灌水后，0～50 cm深度的土壤水中δD、δ18O值的响应显著，灌溉水与土壤水发生混合作用；土壤水中δD、δ18O值较天然值和初始值贫化，这是由于灌水在低含水率的土壤中入渗并转化成土壤水时，一部分水会形成弱结合水，剩余水在重力作用下向下入渗，弱结合水中重同位素富集，因此剩余水中δD、δ18O贫化[35]；灌水后第1 d至第7 d，入渗水与土壤水发生混合效应，土壤水中δD、δ18O值偏小，之后以蒸发浓缩作用为主，土壤水中重同位素不断富集，其δD、δ18O值的剖面分布形态趋向于灌水前；50～150 cm深度的土壤水中δD、δ18O值前期响应较弱，第7 d降到最低值，且δD值较δ18O值的变化更大，第18 d其恢复接近灌水前的剖面分布形态。

(3) C坑灌水后，0～50 cm深度的土壤水中δD、δ18O值剖面分布的变化趋势同A坑、B坑基本一致，土壤水中δD、δ18O值的变化幅度较大；50～150 cm深度的土壤水的响应程度一直较弱，土壤水中δD、δ18O值基本保持不变。

(4) D坑灌水后，土壤水中δD、δ18O值的剖面分布变化与C坑相似，0～80 cm深度的土壤水中δD、δ18O值响应显著，80～150 cm深度的土壤水响应微弱，土壤水中δD、δ18O值变化很小。

综合对比4个试验坑土壤水中δD、δ18O值剖面分布的变化特征，结果表明灌水显著影响的土壤深度不同，其中A坑影响深度最小，小于50 cm,D坑影响深度最大，约为80cm，这是由于灌入水的矿化度越大，密度也越大，水分入渗速率越快，对同位素蒸发分馏作用的抑制也越强，导致高矿化度水入渗过程中氢氧稳定同位素的分馏作用较弱。

土壤水蒸发线斜率的大小与入渗过程中受蒸发的程度有关，蒸发程度大，相应的土壤水蒸发线斜率较小。为了增加样本数，提高土壤水δD-δ18O曲线的拟合精度，将相邻深度土壤水中δD、δ18O值进行组合，利用回归分析确定土壤水δD-δ18O曲线的斜率和R2，其斜率随深度的变化见图4，其R2随深度的变化见表4。

图4 土壤水蒸发线斜率随深度的变化Fig.4 Variation of the slopes of soil water evaporation lines with the soil depths

由图4和表4可见，除一些土壤水δD-δ18O曲线拟合方程的决定系数较低外，大多数不同深度土壤水中δD、δ18O值均呈显著的线性关系，但δD-δ18O曲线斜率具有较大的差异性。总体来看，随着深度的增加，土壤水δD-δ18O曲线斜率也在增大，5～20 cm深度内土壤水所有δD-δ18O曲线的斜率都相差不大，且都显著小于7.223(LMWL曲线的斜率)，20～30 cm深度处C坑土壤水的δD-δ18O曲线斜率超过了8(GMWL曲线的斜率)，50～120 cm深度处A、B、C、D坑土壤水δD-δ18O曲线斜率维持在8附近；浅层(0～30 cm)土壤接近地表，土壤水分蒸发强度大，导致同位素分馏程度较大，土壤水δD-δ18O曲线具有比LMWL曲线更小的斜率；深层土壤距离地表较深，温度、湿度变化不大，土壤水分蒸发强度较小，同位素分馏程度较低，而且与前期入渗水发生了混合。

氘盈余(d值)常用来指示水体分馏的程度，受蒸发影响的土壤水的d值将小于10‰[36]。图5为不同浓度NaCl溶液灌溉后土壤水中氘盈余(d值)的剖面分布。

图5 不同浓度NaCl溶液灌溉后土壤水中氘盈余(d值)的剖面分布Fig.5 Profile distribution of deuterium excess (d value) in soil water after irrigation with different concentrations of NaCl solution

由图5可见，Z点内土壤水的d值在0～80 cm深度内较小，且随着深度的增加而增加，这是由于土壤浅层蒸发强度大，剩余土壤水中重同位素富集，d值较小，80 cm深度以下土壤水中d值则接近10‰；A、B、C、D坑内土壤水的d值剖面分布特征相差不大，基本分布在d=10‰附近，仅在接近地表处d值较小；利用LSD法对A、B、C、D、Z处土壤水中d值之间进行了显著性差异对比，发现A、B、C、D坑内土壤水中d值之间的p值均大于0.05，可以认为无明显差异，而A、B、C、D坑与Z点内土壤水中d值之间的p值均小于0.05，表明存在显著差异，整个剖面上d值的变化幅度小于Z点；尽管试验期间，A、B、C、D坑与Z点的外部环境一致，但是Z点持续蒸发了更长时间，而试验坑中(A、B、C、D坑)的土壤水为新入渗水，经历的蒸发时间短，蒸发程度相对较低，导致各坑内土壤水的d值在垂向上的差异不显著；各试验坑内土壤水中d值随深度的变化程度表现为A坑>B坑>C坑>D坑的规律，这也反映出随着土壤水矿化度的升高，土壤水分的蒸发程度降低。

2.3 土壤水中氢氧稳定同位素与盐分含量的关系

水分蒸发的同位素分馏包括瑞利平衡分馏和动力分馏。处于平衡条件下的水体蒸发过程中，氢氧稳定同位素分馏是基于瑞利蒸发分馏模型，主要受温度影响，而在开放系统水体蒸发过程中，存在非平衡条件的动力分馏[37]。动力分馏过程中同位素分馏受温度、相对湿度、风速等因素的综合影响，与瑞利平衡分馏具有明显的差异[35]。Sofer等[23]的研究结果显示溶解盐通常会减小瑞利平衡分馏，并通过相对湿度间接减小动力分馏；李桐等[24]通过盐水与纯水蒸发试验，得出NaCl使水体蒸发受到更强的非平衡分馏影响，盐分对于重同位素富集有抑制作用，且对H/D分馏的抑制作用大于16O/18O，导致δ18O更为富集的结论。本次试验中由于原始土壤水的存在，当具有稳定δD、δ18O含量的灌入水向下入渗时，与原始土壤水发生混合，导致5～30 cm深度的土壤水中δD、δ18O介于盐水与原始土壤水之间(见图2)，且其δD-δ18O曲线的斜率比两者都要大。由不同浓度NaCl溶液灌溉后，5～30 cm深度的土壤水中δD-δ18O关系见图6。

图6 不同浓度NaCl溶液灌溉后土壤水(5～30 cm)中δD-δ18O关系Fig.6 Relation between δD and δ18O values in soil water (5～30 cm) after irrigation with different concentrations of NaCl solution

由图6可见，随着矿化度的增加，B、C、D坑内土壤水蒸发线的斜率明显比A坑大，表明NaCl的存在对同位素分馏产生了抑制作用；而B、C、D坑内土壤水蒸发线的斜率随着矿化度的增加，其曲线斜率变小，但变化幅度不大。分析原因认为：非饱和带中下渗水的运动往往很慢[38]，由于卤水浓度高使得土壤水的密度增大，水的活性降低[19]，导致土壤水的下渗速度变快，且矿化度越高，土壤水的下渗速度越快，下渗的过程中富含重同位素的水分子的密度也大，因此表现出分馏程度越大的特征。

3 结 论

通过在新疆炮台试验站开展了不同浓度的NaCl溶液入渗和蒸发试验，研究了强蒸发作用下土壤盐分对土壤水中氢氧稳定同位素的动态变化及其同位素蒸发分馏作用的影响规律，得到如下结论：

(1) 在强烈蒸发作用下，土壤水中氢氧稳定同位素发生了氧漂移、重同位素富集，土壤水蒸发线的斜率小于当地大气降水线，其中表层土壤水所受的蒸发作用最强，其蒸发线斜率小于纯NaCl溶液水体蒸发和深层土壤水分蒸发。

(2) 随着深度增加，不同盐分的土壤水中δD、δ18O值大都表现为先减少后增加的变化规律，上层土壤水“重”，下层土壤水“较重”，中层土壤水“轻”；土壤水的δD-δ18O曲线斜率总体上增加，氘盈余d值趋于定值；越接近土壤表层则受到的蒸发作用和温度影响越强烈，距地表较深处则受到的蒸发分馏作用的影响小，土壤水中氢氧稳定同位素值更接近于大气降水和原始土壤水。

(3) 灌注盐水后，土壤水中δD值、δ18O值、d值与环境背景值有显著的差异，而不同盐分土壤水之间的差异不显著；较高浓度NaCl溶液对于土壤水中H/D、16O/18O的分馏有较明显的抑制作用；灌注坑内土壤水中氢氧稳定同位素的变化受入渗、混合、蒸发综合作用的影响。