吳友杰，杜太生(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京 100083)

0 引 言

覆膜能夠保溫保墑，很大程度地減少土壤蒸發(fā)從而提高土壤水分儲(chǔ)存量[1,2]。溝灌覆膜條件下，灌溉需要通過(guò)膜孔、膜縫以及放苗孔下滲到作物根區(qū)，蒸發(fā)又使土壤水分從孔縫中擴(kuò)散到大氣。覆膜改變了原本裸露土壤與大氣之間水分聯(lián)系的通道，放苗孔、灌水孔以及田間實(shí)際的非全膜覆蓋帶來(lái)了土壤水分運(yùn)動(dòng)及其傳輸?shù)男聠?wèn)題[3]。通過(guò)對(duì)土壤水分和膜下凝結(jié)水分中氫氧穩(wěn)定同位素的示蹤，分析其水中同位素分布特征和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，可以有效地提取水分的遷移信息[4,5]，并能夠從微觀上剖析土壤水分的性質(zhì)、成因及其土壤水分的運(yùn)移規(guī)律[6]。為研究溝灌覆膜條件下田間土壤水分循環(huán)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于研究作物播種出苗生長(zhǎng)發(fā)育以及用水調(diào)控等具有重要意義[7]。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2013年4月-9月及2014年4-10月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站進(jìn)行(N 37°52′，E 102°51′)。試驗(yàn)區(qū)土壤特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土壤特性參數(shù)Tab.1 Details of soil texture in study area

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用壟植溝灌的方式，覆膜開(kāi)孔，開(kāi)孔率為1%～3%(含放苗孔)。供試玉米品種為“富農(nóng)340”，每壟種植兩行，行距50 cm，株距18 cm，壟寬50 cm，溝寬50 cm，溝底寬20 cm，溝深20 cm，溝長(zhǎng)100 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 覆膜溝灌及其膜下凝結(jié)水取樣示意圖 Fig.1 Sketch of plastic film-mulching furrow irrigation and sampling of condensation water

1.2 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.2.1穩(wěn)定氫氧同位素的取樣及測(cè)定

測(cè)定氫氧同位素的樣品主要包括土壤水和膜下凝結(jié)水。樣品收集方法如下：

土壤水：在壟和溝各選3個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆取土，深度分別為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～110 cm(日變化取樣時(shí)，只取0～20 cm深度)，將土樣分別裝入自封袋密封保存，并帶回試驗(yàn)室用真空抽提系統(tǒng)(LI-2000，LICA，China)抽取土壤水樣。

凝結(jié)水：采用干凈的醫(yī)用注射器抽取凝結(jié)在地膜下方的小水珠，分別在壟頂與溝側(cè)抽取，注入小樣品瓶密封保存。

采集的水樣須密封并保存在4 ℃左右的環(huán)境中，以防蒸發(fā)和同位素分餾，用液態(tài)水同位素分析儀(PICARRO L2130-i，Picarro，USA)測(cè)定樣品水樣中的穩(wěn)定氫氧同位素比率δ(‰)。

在玉米各生育期選擇1～2個(gè)晴天進(jìn)行樣品收集，日變化取樣時(shí)間點(diǎn)為7∶00，9∶00，11∶00，13∶00，15∶00，17∶00，19∶00。

1.2.2土壤含水率

用取土稱(chēng)重法測(cè)定土壤含水率，取樣位置與同位素土壤樣品一致，分別將土樣裝入鋁盒烘干測(cè)定。同時(shí)在各取樣點(diǎn)周?chē)韺油寥?5～10 cm深度)埋設(shè)EM50探頭(ECH2O EC-5; Decagon Devices Inc., Pullman, WA),觀測(cè)表層土壤水分及溫度。

2 結(jié) 果

2.1 氫氧同位素值

2013-2014年期間所取的土壤水和膜下凝結(jié)水的δD與δ18O關(guān)系及分布情況如(圖2),可見(jiàn),各樣品間δD與δ18O存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系，其中土壤水線(xiàn)：δD= 5.7δ18O-10.8， 膜下凝結(jié)水線(xiàn)：δD= 4.7δ18O+7.6。表層土壤(0-20cm)水同位素分布(黑色圓圈內(nèi)的點(diǎn))偏正且較為分散，說(shuō)明表層土壤在蒸發(fā)作用下氫氧同位素發(fā)生分餾從而富集重同位素。凝結(jié)水線(xiàn)斜率較土壤水線(xiàn)小，說(shuō)明凝結(jié)水氫氧同位素分餾強(qiáng)度比土壤水氫氧同位素值分餾強(qiáng)度大，更易富集重同位素。其平均值分別為凝結(jié)水：(δD，δ18O)= (-0.52×10-3，5.16×10-3)，表層土壤水(δD，δ18O)=(-25.02×10-3，-0.48×10-3)。

由于各樣品間氫和氧存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系，且水循環(huán)過(guò)程中兩者具有很相似的同位素分餾作用，在各種樣品間δD與δ18O分布具有良好的一致性，而18O與16O之間的相對(duì)質(zhì)量差遠(yuǎn)比D與H之間的相對(duì)質(zhì)量差小，表現(xiàn)出的同位素分餾作用比氫同位素的小[8]。因此，本文主要選取18O進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖2 δD-δ 18O分布Fig.2 The distribution of δD-δ 18O

2.2 土壤水同位素分布特征

由圖3可見(jiàn)，土壤水氧同位素隨土壤深度呈梯度分布。壟上富集氧同位素比溝中顯著。主要原因是：一方面，溝中集水，由于降雨或灌溉水的稀釋作用，使溝中土壤水氧同位素值較壟上??；另一方面，蒸發(fā)過(guò)程中輕同位素更易以氣態(tài)水形式傳輸?shù)娇諝庵校贡韺油寥浪懈患?18O)同位素[9]，而由于太陽(yáng)輻射影響蒸發(fā)作用在壟上較溝中的強(qiáng)度大。因此，壟上比溝中表層土壤更易富集同位素，沿土壤剖面深度增加，同位素富集量減少。

注：R為壟，F(xiàn)為溝。由于溝比壟低20 cm，所以圖中0～20 cm土層沒(méi)有溝的數(shù)據(jù)。圖3 土壤剖面氧同位素分布Fig.3 The distribution of oxygen isotope in soil profile

圖4顯示了表層土壤氧同位素日變化分布，由于日變化較為一致，所以本文選擇了兩個(gè)典型日(2013-07-14和2014-07-17，天氣條件相似)進(jìn)行分析?？梢?jiàn)，0～10 cm土壤水中δ18O與其10～20 cm土壤水δ18O日變化呈相反的拋物線(xiàn)變化趨勢(shì)，在壟上更為明顯(圖4)。表層土壤水分蒸發(fā)后凝結(jié)于膜下形成水珠，此凝結(jié)水δ18O分布(圖5)與10～20 cm土壤水δ18O分布趨勢(shì)一致，凝結(jié)水和土壤水δ18O值均表現(xiàn)為壟上高于溝中，在午間達(dá)到峰值，溝表層0～10 cm土壤水δ18O分布變化波動(dòng)較小。凝結(jié)水δ18O值日變化分布在(-0.49～2.11)×10-3(壟)和(-3.31～0.26)×10-3(溝)之間，明顯大于表層土壤水δ18O分布(-4.45～-2.26)×10-3(壟)和(-7.18～-4.73)×10-3范圍。

2.3 膜下土壤水及蒸發(fā)水汽運(yùn)動(dòng)

圖6和圖7分別顯示了表層土壤含水量變化及其溫度變化，其變化趨勢(shì)與凝結(jié)水δ18O變化趨勢(shì)一致溝中表層土壤含水量大于壟上，但均隨蒸發(fā)先增大后減小，溝和壟表層土壤含水量和溫度均在午間到達(dá)峰值，分別為溝上含水量峰值19.02%， 溫度峰值為28.1 ℃，壟上含水量峰值為18.51%，溫度峰值為33.4 ℃。

圖4 淺層土壤(0～20 cm)氧同位素日變化分布Fig.4 Diurnal variation of 18O in shallow soil (0～20 cm)

圖5 膜下凝結(jié)水氧同位素日變化分布Fig.5 Diurnal variation of 18O in condensation water

圖6 淺層土壤體積含水量日變化Fig.6 Diurnal variation of volumetric soil water content

圖7 淺層土壤溫度日變化(0～10 cm)Fig.7 Diurnal variation of soil temperature (0～10 cm)

重同位素在表層土壤富集是眾多過(guò)程綜合的結(jié)果，如土壤水分變化、土壤溫度變化和蒸發(fā)強(qiáng)度變化等(Gazis & Feng，2004年)。綜上，壟上表層土壤0～10和10～20 cm的δ18O分布呈相反的分布趨勢(shì)(圖4，5)，表明在較干燥的土壤表層(0～10 cm)水分以氣態(tài)的形式擴(kuò)散，重同位素的富集不明顯，相反，該土層隨著溫度的升高在午間出現(xiàn)18O被貧化的現(xiàn)象，而以下土層(10～20 cm)在午間18O富集達(dá)到最大，說(shuō)明了壟上蒸發(fā)水汽主要來(lái)源于10 cm以下土層，0～10 cm土層主要起到傳輸和擴(kuò)散水汽的作用，蒸發(fā)前緣主要發(fā)生在10 cm以下；受蒸發(fā)拉力作用，溝中10～20 cm土層水分向 0～10 cm土層補(bǔ)水，蒸發(fā)前緣發(fā)生在0～10 cm土層。溝壟這一差異的原因可以用蒸發(fā)兩個(gè)階段來(lái)表述：溝中表層土壤水量較大(圖6)滿(mǎn)足蒸發(fā)需求，即第一個(gè)階段，土壤水直接以水汽分子形式擴(kuò)散到大氣中，氧同位素富集于土壤最上層；壟最上層(0～10 cm)土壤水含量很低，即第二階段，此時(shí)蒸發(fā)鋒面以上氣體運(yùn)移占主導(dǎo)地位[10]：蒸發(fā)水汽分子在通過(guò)土壤孔隙向上擴(kuò)散的過(guò)程中, 部分水汽分子被土壤水吸附并與土壤水分子發(fā)生交換, 使蒸發(fā)鋒面以上的土壤(0～10 cm)水中存在貧化氧同位素的水汽分子, 導(dǎo)致同位素主要富集在蒸發(fā)鋒面以下土層(10～20 cm)。

結(jié)合圖4和圖5，表層土壤富集18O，而蒸發(fā)出來(lái)的水汽貧化了18O，這些貧化18O的水汽擴(kuò)散到膜下凝結(jié)成水，水汽凝結(jié)過(guò)程發(fā)生同位素分餾使重同位素富集[11]。膜下所凝結(jié)的水δ18O明顯大于蒸發(fā)水源(表層土壤水)δ18O，可知膜下凝結(jié)水富集18O的程度明顯大于由蒸發(fā)引起表層土壤富集18O的程度，說(shuō)明了此過(guò)程經(jīng)歷了18O重同位素貧化后再富集，之后凝結(jié)水發(fā)生二次蒸發(fā)，使得重同位素18O再次富集。凝結(jié)水18O的富集隨著二次蒸發(fā)變化在午間到達(dá)最大后減小(圖5)，最后又形成水汽。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)膜下凝結(jié)水和土壤水氫氧同位素存在很好的線(xiàn)性關(guān)系，凝結(jié)水較土壤水更易富集重同位素。

(2)覆膜溝灌下土壤水氧同位素隨土壤深度呈梯度分布，壟上富集18O比溝中顯著。

(3)覆膜溝灌下，溝中蒸發(fā)前緣發(fā)生在0～10 cm土層，土壤水直接以水汽分子形式擴(kuò)散；壟上蒸發(fā)前緣主要發(fā)生在10～20 cm土層，蒸發(fā)水汽分子通過(guò)土壤孔隙向上擴(kuò)散，部分水汽分子被0～10 cm的土壤水吸附并與其水分子發(fā)生交換進(jìn)而擴(kuò)散到土壤表面。

(4)膜下表層土壤蒸發(fā)后凝結(jié)于膜下形成水珠的過(guò)程經(jīng)歷了重同位素貧化后再富集，之后凝結(jié)水發(fā)生二次蒸發(fā)，重同位素再次富集。

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