穩(wěn)定同位素在土壤水對(duì)流量過程線的貢獻(xiàn)

穩(wěn)定同位素在土壤水對(duì)流量過程線的貢獻(xiàn)

穩(wěn)定的d和18o是由于水文過程中的混合影響，以及例如蒸發(fā)和冷凝等物理?xiàng)l件的變化而形成的。它主要受到不同水源的混合影響，因此可以用來計(jì)算不同水源的徑向流成分。同位素流量過程線劃分對(duì)研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律、分析流域水源成分、追蹤研究流域徑流形成有重要作用。在應(yīng)用環(huán)境同位素進(jìn)行流量過程線分割時(shí),有一基本假定“土壤水對(duì)流量過程線的貢獻(xiàn)可以忽略,或者其同位素與地下水相同”。然而很多實(shí)驗(yàn)表明,土壤水對(duì)流量過程線的貢獻(xiàn)不能夠忽略。這涉及到降水與土壤水的混合與稀釋。本文通過實(shí)驗(yàn),探討土壤水混合與稀釋過程中氫氧穩(wěn)定同位素變化規(guī)律,并檢驗(yàn)流量過程線分割中這一基本假定的合理性。1土壤與氫氧穩(wěn)定同位素交換量fa混合物同位素濃度一般落在端元組分(endmember)同位素濃度之間。盡管同位素濃度表達(dá)形式如δ值可能為負(fù)值,但混合物同位素濃度能像其他化合物濃度(如氯化物濃度)一樣處理,進(jìn)行混合計(jì)算。例如,兩種已知δD和δ18O值的水源按任意比例混合,混合物的氫氧穩(wěn)定同位素濃度將落在兩種水源δD和δ18O值為端點(diǎn)的連線上。土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素濃度變化可能來源:①土壤水被大氣來源的地下水稀釋;②不同同位素濃度的土壤水混合;③水-巖相互作用,包括礦物質(zhì)溶解、離子交換和氧化等影響。其中土壤水的混合與稀釋是主要變化來源。土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素混合與稀釋能用基于化合物混合與稀釋的模型來表達(dá):δM=δAfA+δB(1?fA)(1)δΜ=δAfA+δB(1-fA)(1)式中:δM、δA、δB分別為混合物,A、B為氫氧穩(wěn)定同位素濃度;fA為A在混合物中權(quán)重,fA=A/(A+B)。土壤由于蒸發(fā)分餾等作用,其δD和δ18O值關(guān)系線斜率一般小于大氣降水線斜率。兩種水源混合與稀釋而成的同位素濃度值和由單獨(dú)一個(gè)水源因分餾作用而成的同位素濃度值變化過程是不一樣的,通常可以使用繪圖方法來判別?；旌吓c稀釋過程中同位素濃度值將產(chǎn)生一條線,線的兩端點(diǎn)是端員組分同位素濃度,而分餾過程則產(chǎn)生一條曲線。描述混合稀釋與分餾的公式也不同,在合適條件下,可以通過對(duì)應(yīng)的曲線分辨出來。因?yàn)槿鹄逐s是指數(shù)關(guān)系,δ值與濃度對(duì)數(shù)關(guān)系點(diǎn)據(jù)是一條直線。而兩種水源的混合與稀釋過程δ值與濃度倒數(shù)關(guān)系點(diǎn)據(jù)為直線。土壤與不同來源水混合與稀釋過程中氫氧穩(wěn)定同位素發(fā)生交換與吸附。如果土壤固體顆粒表面附近溶液中的溶質(zhì)濃度大于本體(自由)溶液中的濃度則稱為正吸附,否則為負(fù)吸附。離子交換是指固體顆粒所吸附的一種離子被溶液中的另一種反離子所取代的過程。通常所觀測(cè)到的吸附現(xiàn)象可以通過離子交換的形式表現(xiàn)出來,即溶液中的某一種離子被固體顆粒吸附,而同時(shí)另一種已被固體顆粒所吸附的離子則發(fā)生解吸附,也就是所謂的離子交換現(xiàn)象。由于氫氧穩(wěn)定同位素本身是水分子的構(gòu)成部分,因此土壤中氫氧穩(wěn)定同位素交換與吸附不同于一般離子或溶質(zhì)交換與吸附。土壤與不同來源水的氫氧穩(wěn)定同位素交換主要是土壤中毛管水和重力水與不同來源水交換。而土壤吸附主要發(fā)生在土壤顆粒薄膜水附近與周圍水分氫氧穩(wěn)定同位素之間,實(shí)驗(yàn)中土壤交換與吸附過程很難界定,土壤吸附通常以土壤交換形式表現(xiàn)出來。因此,土壤與不同來源水氫氧穩(wěn)定同位素交換與吸附過程可用土壤交換形式表達(dá):HDO(S)+H2O(W)?H2(O)(S)+HDO(W)(2)H218O(S)+H216(O)(W)?H216O(S)+H218O(W)(3)ΗDΟ(S)+Η2Ο(W)?Η2(Ο)(S)+ΗDΟ(W)(2)Η218Ο(S)+Η216(Ο)(W)?Η216Ο(S)+Η218Ο(W)(3)式中:下標(biāo)S、W分別表示土壤水和輸入水(降水)。目前還無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來衡量土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素交換量。本文用式(4)表示土壤水氫氧穩(wěn)定同位素相對(duì)交換量:Δδ=δS?δN(4)Δδ=δS-δΝ(4)式中:Δδ為土壤水混合與稀釋過程中氫氧穩(wěn)定同位素相對(duì)交換量;δS和δM分別為土壤水、輸入水(降水)與土壤水混合物氫氧穩(wěn)定同位素濃度。Δδ>0時(shí),表示土壤水氫氧同位素濃度大于混合物的氫氧穩(wěn)定同位素濃度。土壤水δD和δ18O值分別計(jì)算交換量,結(jié)果不一樣。2土壤水混合稀釋下面通過實(shí)驗(yàn)來探討土壤水混合與稀釋過程中氫氧穩(wěn)定同位素濃度隨時(shí)間變化規(guī)律。土壤水混合與稀釋一般同時(shí)發(fā)生,稀釋也可以混合形式表現(xiàn),很難將其分開考慮。土壤混合實(shí)驗(yàn)側(cè)重于混合作用,而土柱垂向稀釋實(shí)驗(yàn)側(cè)重于稀釋作用。2.1土壤表面氫氧穩(wěn)定同位素的變化本實(shí)驗(yàn)主要是探討在無同位素分餾情況下,兩種水源混合過程中氫氧穩(wěn)定同位素濃度變化。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)往直徑和高度均為30cm的圓柱形容器中放入20kg土壤,測(cè)得土壤重量含水量為18.8%,δD和δ18O值分別為-0.46%和-0.1%。然后向容器中加入10kg已知?dú)溲醴€(wěn)定同位素濃度的水,其δD和δ18O值分別為-4.37%和-0.64%。加入的水一直到容器的上邊緣,用不沾水的棒充分?jǐn)嚢钄?shù)分鐘,立即用蓋將容器口密封,防止容器內(nèi)水與外面空氣接觸發(fā)生蒸發(fā)分餾。隔2、5、11、16、28d取土壤上面的積水水樣,取樣后用棒攪拌數(shù)分鐘,密封。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖1)可以看出土壤上面水的氫氧穩(wěn)定同位素濃度在2d后幾乎沒有什么變化。實(shí)驗(yàn)中水樣δD和δ18O值在中科院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)考慮加入水與土壤水的混合物氫氧穩(wěn)定同位素隨時(shí)間變化過程。實(shí)驗(yàn)中,由于容器密封,容器中水不與外面空氣接觸,受蒸發(fā)分餾影響小,可以忽略蒸發(fā)分餾影響。從圖1中可以看出混合物氫氧穩(wěn)定同位素濃度值隨時(shí)間變化,且混合過程中點(diǎn)據(jù)落在加入水與土壤水δD和δ18O點(diǎn)據(jù)連線上。例如第2d和第28d的氫氧穩(wěn)定同位素濃度值落在混合線上?；旌暇€的斜率為7.3,小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率8.5。加入水和土壤水的混合物氫氧穩(wěn)定同位素濃度經(jīng)過48h后最終達(dá)到一穩(wěn)定值,說明加入水與土壤水氫氧穩(wěn)定同位素完全混合。這時(shí)土壤18O同位素相對(duì)交換量為Δδ=0.06%。2.2干旱土壤稀釋實(shí)驗(yàn)土柱垂向稀釋實(shí)驗(yàn)主要模擬降水下滲到濕潤和干旱土壤垂向稀釋過程中,下滲水流的氫氧穩(wěn)定同位素濃度隨時(shí)間變化。文獻(xiàn)有一土柱實(shí)驗(yàn)。將濕潤土壤放入直徑為13cm,高度為70cm的土柱中。從土柱上端口連續(xù)輸入已知?dú)溲醴€(wěn)定同位素濃度的水垂直向下滲,輸入水的δD和δ18O值分別為-7.99%和-1.157%。在土柱下端出口處取樣,下滲出流量取樣間隔和δD和δ18O值見表1,總出流為5300mL時(shí)結(jié)束濕潤土壤稀釋實(shí)驗(yàn)。這時(shí)土柱中土壤水的δD和δ18O值分別為-8.35%和-1.17%。然后將土柱中土壤取出,在70℃溫度下烘一晚,移走土壤中大部分可動(dòng)水分,作為干旱土壤均勻放入土柱中。重復(fù)上面實(shí)驗(yàn),但下滲出流量每隔55mL取一次樣(表1),總出流量為715mL時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。土柱中土壤水的δD和δ18O值分別為-8.39%和-1.145%,即經(jīng)稀釋后土柱中土壤水氫氧穩(wěn)定同位素濃度值與輸入水的同位素濃度接近。從表1和圖2中可以看出不管是濕潤土壤稀釋還是干旱土壤稀釋過程,從土柱下端出口處下滲水流氫氧穩(wěn)定同位素濃度值都隨時(shí)間變化,且稀釋過程中下滲水流的δD和δ18O值關(guān)系呈線性關(guān)系,關(guān)系線斜率都小于全球大氣降水線(GMWL)斜率。干旱土壤稀釋過程由于下滲水流是等水量取樣,可以認(rèn)為下滲水流的氫氧穩(wěn)定同位素濃度是在等時(shí)間間隔情況下的變化。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),下滲水流和土壤水中氫氧穩(wěn)定同位素值最后都接近輸入水的氫氧穩(wěn)定同位素值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè),只有當(dāng)降水入滲量達(dá)到一定數(shù)量后,土壤水的氫氧穩(wěn)定同位素濃度與降水相同;而在土壤水的同位素濃度與降水相同之前,忽略土壤水對(duì)流量過程線的貢獻(xiàn),會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用同位素分割流量過程線時(shí)出現(xiàn)較大誤差,甚至與實(shí)際相反的結(jié)果。2.3土壤交換作用引起土壤水同位素濃度的變化文獻(xiàn)中有一土壤水和加入水同位素濃度與攪拌時(shí)間關(guān)系的實(shí)驗(yàn),土壤水的同位素濃度與攪拌時(shí)間有關(guān)(表2)?；旌衔飻嚢?h后,土壤水同位素濃度和土壤上面水的同位素濃度相差0.09%,在同位素儀器測(cè)量誤差范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí),加入水與土壤水發(fā)生混合與稀釋,在1h左右達(dá)到平衡,該過程可看作加入水同位素與土壤中毛管水和重力水同位素發(fā)生交換,且交換速度很快。在1h后,加入水與土壤中重力水可認(rèn)為完全交換,而土壤水同位素濃度變化可看作土壤中還未與加入水交換的毛管水與其發(fā)生同位素交換引起。從表2可以看出,土壤交換作用引起土壤水同位素濃度變化比較大。由混合實(shí)驗(yàn)中圖1及表2顯示,一般在48h后,土壤交換達(dá)到平衡,土壤水和土壤上面水的氫氧穩(wěn)定同位素不再隨時(shí)間變化。土壤交換實(shí)驗(yàn)及混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,土壤交換對(duì)土壤水氫氧穩(wěn)定同位素濃度影響較大,交換速度快,但在一段時(shí)間(約48h)后交換達(dá)到平衡,土壤水氫氧穩(wěn)定同位素不再發(fā)生變化。3土壤水在一定程度上還存在著過程線上的生長土壤水與降水混合過程中,混合物氫氧穩(wěn)定同位素濃度隨時(shí)間變化,其δD和δ18O值呈線性關(guān)系,落在以