土壤张力可能控制土壤蒸发同位素平衡分馏因子

【摘要】氢氧稳定同位素可用于追踪土壤水分的运移。尽管我们对土壤剖面渗透的水的追踪及其在径流和地下水补给中运移过程的研究已经很完善了，但土壤水的运动也包括蒸发分馏。迄今为止，土壤水的分馏因子主要是基于经验性的。与开放型水分蒸发（温度，湿度，蒸气压梯度定义的分馏）不同的是，土壤水蒸发包括土壤基质效应的分馏。我们对这些效应特征的理解仍然很差。在这里，我们使用ABB LGR的水汽同位素分析仪（IWA-45-EP）提供了一个初步结果，实验使用了4种土壤混合物，粒度从砂粒到粉粒和黏粒。结果表明土壤张力可能控制着土壤水分的同位素分馏。土壤张力与平衡分馏的关系与土壤质地无关，且得到热力学理论的充分支持。虽然结果是初步的，认为未来的工作应该关注作为土壤水和水蒸气分馏可能解释因素的土壤张力的影响。

插图（a）显示了4种添加土壤混合体的水分释放曲线。在萎蔫点到吸着水范围内，2个石英砂样品的重量含水量保持在0.05 g/g。但在同一范围内，粉砂的重量含水量高达0.15 g/g。在毛细管水范围内，黏土的最高重量含水量可达0.2 g/g。土壤张力为106 hpa时，砂土样品I和II的重量含水量分别为0.01和0.005 g/g。在相同的土壤张力下，粉砂的重量含水量为0.05 g/g。重量含水量在0.05和0.005 g/g的粘质土在105 hpa以上获得了更多的数据点。（b）图表明平衡分馏因子（aP/Q）与土壤含水量以及土壤类型无关，但与基质势（土壤张力）明显相关。在aP/Q=1的交点处分别为δ18O和δ2H定义了~1260 hPa张力影响分馏效应的阈值。因此，我们观察到张力影响的分馏主要用于不可移动的水。

土壤张力增加了平衡分馏，导致同位素值沿双同位素蒸发线（EL）分布。颜色编码表明土壤张力越高，同位素值越偏离原始位置。EL的斜率随着粒径大小的降低而降低。砂质土壤样品蒸发线斜率为3，R2=0.96。黏土含量升高的土壤样品蒸发线斜率为2，R2=0.98。红线表示纯水测试的EL，斜率为4.1。

封闭系统中张力影响同位素分馏的简单概念模型。蓝色表示重同位素体，紫色表示轻同位素体。水附着在土壤颗粒表面（灰色），且水蒸气和液态水处于平衡状态。如果水分子之间的粘聚力起主导作用，则平衡分馏因子α由温度单独定义。当粘附力（右）起主导作用，土壤颗粒控制蒸气压和平衡分馏。粘附力与粘聚力之比从左往右增加。当粘附力起主导作用时，张力，特别是界面张力以及对土壤水分吸收的物理控制主导着相关的分馏效应。土壤水储存中不可移动部分就是这种情况。

【结论】该研究介绍了4种不同土壤混合体的实验室初步结果。结果表明土壤张力控制土壤水同位素分馏。土壤张力与平衡分馏的关系与土壤质地无关，且得到热力学理论的充分支持。显然，我们还需要做更多的工作。虽然结果是初步的，我们希望可以激发其他研究者研究这些过程并进一步探索土壤张力对土壤水分分馏的影响。确实，仍存在几个问题，包括在大尺度上，张力会影响稳定同位素分馏吗？张力效应控制动力学分馏因子吗？在整个水分范围内，平衡袋方法都可以可靠使用吗？植物吸收水分的同位素特征受土壤张力效应的影响吗？希望该研究可以激发相关领域的新的研究。

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