浅谈同位素在土壤水分析中的应用

常 娜

（山东恒源勘测设计有限公司，山东 潍坊 261000）

1.土壤水同位素理论

同位素在水文循环中的应用已经非常广泛，其中氢和氧的同位素分子应用最普遍并且最具有代表性。氢、氧同位素参与了整个水循环，在水循环中会因各种外界影响而发生分馏，从而富集或贫化，研究不同水中的同位素的组成可以了解水的转化过程。土壤水在水循环中具有“承上启下”的作用，土壤水的研究对于分析整个大循环具有重要的意义。

包气带中的土壤水在水文大循环中起着很重要的作用。大气降水通过非饱和带下渗形成壤中流，大气降水是土壤水的直接补给源，且土壤水在地面以下不深处，土壤水的同位素主要由大气降水中同位素和蒸发因素决定。土壤水中同位素值随着大气降水中同位素值的变化及温度变化而发生贫化或富集。研究土壤水中同位素规律，还可以了解水分的运动轨迹，对于研究水文循环具有重要意义。

2.同位素在土壤水中的应用发展历程

在土壤水的研究中采用同位素方法是从60年代开始的，直到20世纪80年代土壤水同位素研究才奠定了基础。在国外，同位素应用于土壤水的研究较多。Mathieu 和Bariac在1996年利用同位素方法对土壤水和浅层地下水的转化进行了实验研究，得出了土壤水与浅层地下水直接不存在补给关系。Zimmermann等人在1967年、Brodersen等人在2000年、Tang等在2001年、Gazis等在2004年也分别研究了土壤水中同位素的变化，分析了其与其他水的转化关系。

在国内对降水入渗、土壤水中稳定同位素的研究还很少。田立德在2002年利用同位素原理分析了青藏高原土壤水的补给来源。徐庆等在2007年利用同位素法分析了四川地区土壤水的运移规律。许士国等在2006年通过建立模型研究了土壤水的补给规律。2010年，王永森等结合Fick定律和质量守恒定律建立了模型分析了土壤水中同位素的运移规律。刘君等在2012年也对土壤水进行了研究，分析了补给原理。国内对土壤水的研究才刚刚起步，还处在实验分析和理论阶段，还需要借助国外的研究经验，进一步发展对其研究。

3.五道沟实验流域土壤水分析

五道沟实验流域在安徽省蚌埠市境内，地处淮北平原南部，是我国建立最早且是我国为数不多的大型水文实验站，且是我国唯一一个具有60年以上观测和定位的综合性实验站。实验流域内设置了多种观测设施及分析实验室，数据观测准确，数据处理得当。以五道沟实验流域为例，分析其土壤水中同位素的影响因素。

图2 亚黏土无作物情况

图3 亚黏土有作物情况

图1中土壤水的δ18O、δD关系线可以看出，亚砂土的斜率和截距比亚粘土小，且都比当地大气降水线偏小，是由于蒸发作用而产生了分馏，造成了同位素的富集。土壤水的同位素数据在当地大气降水线附近，意味着大气降水是土壤水的补给来源之一。6~7月份的数据离大气降水线较近，8~9月份的离大气降水线较远，意味着前者氘同位素富集明显，后者氧同位素富集明显，是由于8~9月份降雨量减少，干燥，蒸发左右强烈导致的，6~7月水汽来源较8~9月潮湿，水汽来源不同。

图1 土壤水中δ18O、δD关系图

亚黏土无作物情况下，0.4m深度是个分界点，0.4m以上蒸发与水面蒸发基本一致，0.4m以下，基本没有蒸发。有作物情况下，0.8m以上各深度蒸发趋势基本一致，在5~7月份，蒸发出现较大变化。亚黏土有、无作物的对比可以看出，相同深度，无作物的情况下的蒸发量较有作物大，蒸发大会造成同位素富集明显。

4.总结

阐述土壤水同位素理论以及研究其的意义，分析了国内外土壤水同位素的发展历程，以五道沟实验流域为例，分析了不同土壤下同位素的变化，以及不同深度下，蒸发对其影响，最终得出，土壤水中同位素值与土壤的质地、有无作物、土壤水的深度、温度、大气降水等均有关。