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Picarro+LI-2100 | 农田土壤水稳定同位素时空格局特征

日期: 2022-09-09
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Picarro+LI-2100 | 农田土壤水稳定同位素时空格局特征

土壤水(SW)是调节地表过程和地表能量分配的重要状态变量。由于与周围环境复杂的相互作用,SW存在显著的时空变化。近年来,随着测量技术的发展,SW稳定同位素组成(SWSIC;δD和δ18O)已越来越多地用于追踪土壤-植物-大气连续体中的SW运移,以更好地理解诸如量化SW停留时间、识别植物吸收水源和区分蒸腾和蒸发等相关过程。然而,由于受多种环境因素和过程的影响,如具有不同同位素组成的降水输入、土壤蒸发、土壤基质势梯度或矿物质-水相互作用造成的同位素分馏,SWSIC可能会随着时间和空间而显著变化,从而导致了在解释不同研究中SWSIC数据时存在很大的不确定性。因此,通过解释其时空变化格局及与其他因素(如土壤质地、土壤深度和植被)的相关性来改善SWSIC示踪技术至关重要。

基于此,为更好地理解SWSIC的时空格局,在本研究中,来自天津大学的研究团队在中国科学院栾城农业生态系统试验站(LAEES)进行了为期约2年的田间试验。主要研究目标为:(1)比较不同深度SWSIC和SWC的时空格局,以及(2)研究SWSIC空间结构的时间特征并评估其影响因素。

Picarro+LI-2100 | 农田土壤水稳定同位素时空格局特征

研究区和采样点(用于土壤含水量和δD分析)地图。

作者于2018年12月1日、2019年4月1日、2019年6月4日、2019年7月18日、2020年4月26日、2020年6月28日和2020年8月23日收集了0、30和60 cm深度的土壤样本。利用全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100,北京理加联合科技有限公司)提取土壤中的水分,并利用Picarro L2140-i 水同位素分析仪分析水稳定同位素组成。为了估计土壤质地对SWSIC的影响,将2020年4月26日和8月23日在同一地点和深度采集的土壤样品充分混合以确定其粒度分布。


【结果】

Picarro+LI-2100 | 农田土壤水稳定同位素时空格局特征

研究期日降水量、潜在蒸散量(ETp)、土壤含水量和10、30和60 cm深度土壤水δD值的时间序列。

Picarro+LI-2100 | 农田土壤水稳定同位素时空格局特征

10、30和60 cm深度土壤水样的双同位素图比较。实线表示地区大气降水线(LMWL),虚线表示土壤水蒸发线(EL)

Picarro+LI-2100 | 农田土壤水稳定同位素时空格局特征

降水及10、30和60 cm深度土壤水样的δD和δ18O双同位素图。


【结论】

基于华北平原7次田间试验所收集的数据,作者发现,即使在田间尺度上(例如~100 m),土壤含水量(SWC)和土壤水稳定同位素组成(SWSIC;例如δD和δ18O)均表现出相当大的时空变异性。具体而言,不同土壤深度的平均SWC随降水季节性表现出明显的时间变化;由于深层土壤蒸发强度较弱,SWC随着土壤深度的增加而增加。然而,空间平均SWSIC随时间无明显变化趋势,但在垂直方向上表现出显著的变化,浅层土壤D更富集。同时,浅层SWSIC比深层(受降水和蒸发影响较小,保持相对稳定)变化幅度大。不同样地同一深度雨季(6-8月)δD值的变化幅度大于旱季(12-4月)。此外,雨季δD值更小,但这种差异随深度增加逐渐减小。时间稳定性分析(TSA)结果表明,SWSIC的空间结构存在时间稳定性,随土壤深度的增加,相应的时间稳定性增加。此外,粘土含量某种程度上会影响同位素组成,植被对SWC和SWSIC时空变化具有很大影响。而且,可以确定不同土壤深度SWC和SWSIC的代表性监测点,表明TSA在未来研究中估计SWSIC空间平均值的可行性。本研究为SWSIC的时空变异性提供了一些见解,有助于改进同位素示踪技术。

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