李雅琴，李發(fā)東，*，張秋英，喬云峰，李俊峰，田超，KHASANOV Sayidjakhon，李艷紅，何新林

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；4.山東禹城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，山東 禹城 251200；5.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190；6.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054）

水資源是農(nóng)業(yè)必不可少的資源之一，近年來，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市化快速發(fā)展導(dǎo)致水資源需求日益增加[1]。在我國干旱的內(nèi)陸盆地（如西北地區(qū)），年蒸發(fā)量遠大于年降水量，沙漠分布廣，水文資源時空分布不均勻[2]。土壤水是干旱區(qū)水資源重要組成部分，是聯(lián)系降水、地下水、地表水和植被水的紐帶，也是影響區(qū)域水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對局部地區(qū)水分平衡具有重要作用[3-4]。同時土壤水會影響土壤中空氣、溫度、氧化還原狀況以及鹽分和養(yǎng)分的積累、運移過程及形態(tài)[5-6]。然而，當(dāng)前我國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，土壤水污染問題日益突出，成為社會關(guān)注焦點。因此，我國已提出多項政策來解決土壤環(huán)境污染問題，比如嚴(yán)格控制新增土壤污染范圍、開展土壤污染治理與修復(fù)、出臺土壤環(huán)境保護法等。同時，一些新技術(shù)也應(yīng)用其中，如使用同位素技術(shù)進行污染物示蹤研究，將不同污染來源和性質(zhì)作相應(yīng)劃分[7]，然后通過同位素模型實現(xiàn)分析，得到比較精確的結(jié)果[8-9]。

近年來，利用穩(wěn)定同位素方法來揭示水體運移過程的研究相對較多，水穩(wěn)定同位素分析方法在水科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10]。利用水同位素標(biāo)記特性，可以有效示蹤水循環(huán)[11]、揭示降雨徑流關(guān)系、獲取水體來源，從而揭示各種水體形成原因[12]、儲存條件及水循環(huán)過程等[13]。穩(wěn)定同位素方法的優(yōu)點在于可以探究土壤水分運移規(guī)律，進而揭示流域[14]尤其是干旱區(qū)的水文循環(huán)過程[15]；其缺點在于測定時易受到樣品部位、顆粒度等干擾[16]，需要可靠的樣品前期處理技術(shù)[17]。在穩(wěn)定同位素測定中，樣品易受到空氣污染，導(dǎo)致測定結(jié)果出現(xiàn)偏差[18]。有研究通過同位素示蹤來揭示降水水汽輸送過程中δD 和δ18O 值的組成特征[18]。雙同位素分析法可用來追蹤土壤水中硝酸鹽污染來源及運移過程，探討不同影響因素下硝酸鹽污染過程與機理[19]。通過對不同地域泉水、河道和井水不同部位的氫氧穩(wěn)定同位素的測定，可有效分析水的時空分布和變化趨勢。此外，學(xué)者們利用穩(wěn)定同位素方法探討和分析了地下水補給過程、地下水成因[20-23]、水蒸發(fā)量[24]以及不同剖面土壤水運移過程[25]等，并取得了較多成果。

瑪納斯河流域是西北干旱地區(qū)重要綠洲灌溉區(qū)，是典型干旱半干旱綠洲，水資源短缺是該流域面臨的主要問題[26]。目前，眾多學(xué)者主要針對瑪納斯河流域水同位素季節(jié)性特征及大氣降水線[27]，應(yīng)用氫氧穩(wěn)定同位素方法研究地下水的補給來源，通過對比垂直方向土壤水、地下水和植物莖干水中δD 和δ18O 值，判斷干旱區(qū)植物水分來源。在平原綠洲地區(qū)，氫氧穩(wěn)定同位素參與水分循環(huán)過程，可據(jù)此揭示綠洲各種水體間水分轉(zhuǎn)化關(guān)系[28]。膜下滴灌是有效的節(jié)水灌溉技術(shù)，在新疆農(nóng)田中廣泛使用，其優(yōu)點有節(jié)水、抑制鹽分等。有學(xué)者將土壤采樣數(shù)據(jù)與模型模擬相結(jié)合，得出膜下滴灌條件下土壤水分運移規(guī)律[29]。雖然目前針對瑪納斯河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系及補給方式的研究較為充分，但有關(guān)瑪納斯河流域農(nóng)田水分運移過程的研究較少。

本研究以新疆瑪納斯河流域膜下滴灌農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，通過對不同深度土壤剖面進行分層采樣，使用穩(wěn)定水同位素方法探討長時間膜下滴灌條件下土壤水分入滲的影響因素，從而解析土壤水分動態(tài)運移過程、土壤水分來源以及分層狀況。研究結(jié)果可為合理利用干旱區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在瑪納斯河流域進行，瑪納斯河流域總面積為34 050 km2[30]?，敿{斯河發(fā)源于天山北坡的伊連哈比爾尕山脈，匯集清水河等10 條支流，流域水源補給以高山降水為主，融雪徑流、降雨徑流等多種徑流并存[31]?，敿{斯河流域位于干旱區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，蒸發(fā)量和降水量相差較大?，敿{斯河流域為干旱區(qū)典型山盆結(jié)構(gòu)，從南到北依次為上游山區(qū)、中游綠洲區(qū)和下游荒漠區(qū)。流域內(nèi)以瑪納斯河為主要河流，其徑流量約占總徑流量的58%。該河流貫穿了山地-綠洲-荒漠三大系統(tǒng)，地表過程復(fù)雜。瑪納斯河山前平原多年平均降水量為105～250 mm，地勢東南高、西北低，海拔最高5 242.5 m，最低256.0 m。終年積雪分布在海拔3 600 m 以上，冰川面積1 037.68 km2?，敿{斯河灌區(qū)包括石河子灌區(qū)、下野地灌區(qū)和莫索灣灌區(qū)?，敿{斯河流域基本采用膜下滴灌形式，種植作物有小麥、大棗、棉花等，施肥以氮肥為主。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計與樣品采集

根據(jù)水文地質(zhì)情況，在瑪納斯河流域進行調(diào)查采樣（圖1）。在采樣區(qū)域內(nèi)根據(jù)水文地質(zhì)情況沿土壤剖面垂直方向進行采樣，從灌溉位置、土壤分層、垂直方向和空間尺度4 個方面展開，采樣路線分為A 線和B 線。山區(qū)、山前、平原、荒漠各有6 個采樣點。為了保證數(shù)據(jù)可靠性，采樣點主要集中在上游、中游、下游種植棉花的灌溉農(nóng)田內(nèi)，每處棉田選取5 個采樣小點，分別位于棉花株左右兩側(cè)和地膜邊緣處，各采樣點間距為15 cm（圖2）。其中，采樣小點2距離滴灌帶最近，因此點2 的土壤會受較多的灌溉水的補給。采樣小點3 位于棉花植株中心，此處采樣土壤富含較多的營養(yǎng)元素。采樣小點4與小點2以棉花植株為基準(zhǔn)對稱分布，采樣小點1與采樣小點5對稱，為探究土壤水運移過程，將每個采樣點土壤剖面分為7層，分別為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。

圖1 采樣點分布圖Figure 1 Distribution of sampling points

圖2 采樣點示意圖Figure 2 Schematic diagram of sampling points

所有土壤樣品以當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋瓦M行劃分，包括山區(qū)、山前、平原、荒漠等地形地貌，可以較好反映出土壤水穩(wěn)定同位素變化情況，之后進行土壤水同位素值的測定。

1.2.2 樣品分析

使用土鉆（直徑10 cm）對土壤進行分層取樣，研究區(qū)域土壤高鹽高鈣，需進行前期處理。前期處理方法為真空抽提，抽提出水分進行后期測定，所用儀器為LI-2100 全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)。真空抽提后，在實驗室進行穩(wěn)定同位素δD 和δ18O 值測定，所用儀器為LGR 液態(tài)水同位素分析儀（IWA-45EP），其自動注入器可以保證儀器全自動進樣，從而降低人工用進樣針取水樣時交叉污染所引發(fā)的記憶效應(yīng)，以免影響樣品測量精度[32]。為減少記憶效應(yīng)，舍棄前兩次結(jié)果，最終結(jié)果取平均值。采用LWIA Post Analysis 軟件進行統(tǒng)計分析并計算平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水同位素組成特征

δ18O 和δD 同位素組成特征見表1 和表2。不同土層深度的土壤水同位素值各有不同，最淺層0～5 cm 處δ18O 變化范圍為-7.71‰～-0.19‰，δD 變化范圍為-93.67‰～-25.64‰。隨土層深度增加，同位素值呈減小趨勢，最深層80～100 cm 處，δ18O 變化范圍為-7.54‰～-2.40‰，δD變化范圍為-89.96‰～-56.72‰。深層土壤中會存在地下水補給的情況，但由于地下水常年存在于地下深層，其水分遷移的過程不如淺層灌溉水活躍，δ18O值變化范圍逐漸變小。

表1 δ18O同位素組成特征Table 1 Isotopic composition of δ18O

表2 δD同位素組成特征Table 2 Isotopic composition of δD

由圖3 可知，研究區(qū)內(nèi)各層土壤水同位素豐度各異，不同采樣點同位素值分布較集中?？拷寥辣韺油寥浪凰刂底畲?，為-0.19‰。各采樣點δ18O值隨土壤深度變化趨勢基本相同，即隨土層深度增加，δ18O 值逐漸降低，5 cm 和10 cm 土壤同位素值降低趨勢明顯，深層土壤降低趨勢緩慢，變化最明顯處位于山區(qū)0～30 cm 土層，平均值差值為4.04‰，表明越靠近地表同位素越富集。A 線、B 線山區(qū)60～80 cm 處δ18O 值增加明顯，為正值，其余均為負值，20～40 cm 處是最小值，為-7.08‰。垂直方向δ18O 平均值在-5.40‰～-3.07‰之間，標(biāo)準(zhǔn)差在1.08‰～1.48‰之間。

圖3 不同土地利用類型對應(yīng)土壤剖面δ18O同位素分布特征Figure 3 δ18O isotope distribution characteristics of soil profile corresponding to different land use types

土壤表層受降水補給作用影響明顯，土層深度增加，補給作用逐漸減弱。由圖3 可知，隨土層深度增加，各個采樣點同位素值趨勢基本保持一致，呈現(xiàn)出減小趨勢。土壤水普遍會受到蒸發(fā)作用、舊水和新水混合等因素影響，導(dǎo)致δ18O值分布復(fù)雜。

2.2 不同采樣灌溉位置土壤水δ18O特征

由圖4 可知，在相同采樣深度下，每個采樣小點δ18O 值也具有差異，B 線的δ18O 值普遍低于A 線。0～5 cm 處是采樣點最大值，最小值則主要集中在20～40 cm土層。由此可知，隨土層深度增加，土壤水受到地下水補給影響減弱，土壤水同位素值變化程度愈加微弱。

圖4 不同采樣點土壤水同位素分布Figure 4 Isotopic distribution of soil water at different points

2.3 土壤分層情況和不同深度同位素特征

各個土層土壤含水率不同，表明其同位素的組成存在差異。由表1可知，20～40 cm 處土壤水同位素含量顯著高于其他土層。結(jié)合同位素結(jié)果，可以將土層分為三組：0～10、10～40、40～100 cm，在此基礎(chǔ)上對灌溉區(qū)土壤水運移過程進行分析。

由圖5 可知，隨土層深度增加，土壤水同位素值逐漸減小。與δ18O 相比，δD 變化范圍較大。不同采樣深度的δD 與δ18O 的擬合方程不盡相同，但均為顯著線性關(guān)系。在土壤表層0～5 cm 處，δD 與δ18O 土壤水線為δD=5.26δ18O-36.50（R2=0.39），研究區(qū)大氣降水線為δD=7.03δ18O+2.27（R2=0.87），中國大氣降水線為δD=7.9δ18O+8.2。即0～5 cm 土壤水線的斜率和截距均小于研究區(qū)和中國的大氣降水線。

圖5 不同深度土壤中δD-δ18O同位素組成特征Figure 5 Isotopic composition of δD-δ18O in soils at different depths

圖6 箭頭指向為土壤淺層到深層土壤水穩(wěn)定同位素變化趨勢。隨著采樣深度增加，δD 值逐漸減小，δ18O 值逐漸增大，但在80～100 cm 處，δD 值增大，而δ18O 值減小。對于80～100 cm 深度土壤，δD 與δ18O 線性擬合方程為δD=5.45δ18O-48.80（R2=0.66），該深度范圍內(nèi)土壤水線斜率大于表層土壤水線斜率。

圖6 不同深度土壤中δD-δ18O同位素演變特征Figure 6 Evolution of δD-δ18O isotopes in soils at different depths

3 討論

3.1 土壤水垂直方向運移與同位素示蹤

在干旱半干旱地區(qū)，土壤含水率普遍較低[33]。農(nóng)田灌溉會對土壤水分分布造成影響，隨深度的增加各層土壤含水率逐漸增大。棉田土壤水分動態(tài)波動較大，受補給和排泄的影響，在單次灌水和強降雨后土壤含水率有較明顯的波動，在土壤蒸發(fā)及植物蒸騰作用下土壤含水率逐漸降低。由圖5可知，0～10 cm淺層土壤，由于強烈蒸發(fā)作用影響，離表層土壤越近，體積含水率越低，且易被降雨和澆灌影響，含水率波動較大。而深層土壤水受單次灌溉和降雨影響較小，土壤含水率相對淺層土壤較穩(wěn)定，且土壤體積含水率顯著高于淺層土壤。淺層土壤穩(wěn)定同位素富集程度較深層土壤有所降低，表明表層土壤水分更易受到蒸發(fā)作用影響。

該地區(qū)農(nóng)田灌溉主要抽取地下水，地下水被抽取后，形成灌溉用地表水，而部分地表水受該地區(qū)強烈蒸發(fā)作用影響，穩(wěn)定同位素富集嚴(yán)重（圖7）。地下水經(jīng)過灌溉進入土壤形成土壤水后，穩(wěn)定同位素同樣發(fā)生嚴(yán)重分餾，覆膜并沒有阻止分餾發(fā)生。土壤水的穩(wěn)定同位素結(jié)果表明這是多次灌溉水混合的結(jié)果，這也與該區(qū)域覆膜棉花少量多次灌溉的作業(yè)過程相符。

圖7 地下水、地表水、土壤水關(guān)系圖Figure 7 The relationship of groundwater，surface water and soil water

圖3 中A 線山區(qū)δ18O 和δD 值有明顯增加現(xiàn)象。因研究區(qū)位于干旱區(qū)，土壤含水率非常低，在接受灌溉時，灌溉水在入滲過程中轉(zhuǎn)化為土壤水，在重力作用下向下遷移，在80～100 cm 采樣最深處，一部分入滲的土壤水和地下水結(jié)合，導(dǎo)致同位素富集。

在土壤水同位素組成研究中，不同深度土壤所測得δ18O 與δD 值組成呈顯著線性回歸關(guān)系，變化較小[34]。本研究農(nóng)田以種植棉花為主，同位素組成較為復(fù)雜，線性關(guān)系反映較少，10～40 cm土層δ18O和δD有明顯富集（表1）。由圖5 可知，0～5 cm 處土壤水線斜率和截距均小于研究區(qū)和中國大氣降水線，表明0～5 cm 土壤表層受灌溉水補給和土壤水分蒸發(fā)共同作用，導(dǎo)致同位素在土壤表層富集，使土壤水線斜率和截距均減小。土壤深層土壤水線斜率和截距雖小于研究區(qū)大氣降水線，但程度不及土壤表層，其原因為隨土層深度增加，蒸發(fā)作用愈發(fā)減弱，土壤溫度、濕度變化不顯著，加之灌溉水補給方式多樣，存在天山積雪融水，其同位素值較低，所以同位素分餾程度低，同位素值較土壤表層貧化。受地表土壤水分蒸發(fā)作用影響，土壤深層同位素富集。

從土壤表層到60 cm 處，蒸發(fā)作用強烈，但隨土層深度增加，作用逐漸減弱，同位素值逐漸增加。由于土壤水在下滲過程中與不同類型土壤水分發(fā)生結(jié)合，遷移程度減弱?，敿{斯河流域為干旱區(qū)，土質(zhì)堅硬，灌溉水來源形式多樣，在部分土壤周圍環(huán)境中存在巖石層，使這部分同位素幾乎不發(fā)生分餾，60～80、80～100 cm 處趨勢減??；其次，瑪納斯河流域降雨量偏小，地下水主要由山區(qū)積雪融水補給，導(dǎo)致δ18O 值較貧化，這是多種作用混合的結(jié)果。

本研究中，隨土層深度增加，土壤水同位素值逐漸減小（圖3）。影響土壤水中穩(wěn)定同位素變化的因素主要有大氣降水中穩(wěn)定同位素、土壤蒸發(fā)作用、土壤水分地下運動過程等。本研究區(qū)內(nèi)氣候特點為降水量和蒸發(fā)量相差較大，從低緯度向高緯度進行采樣，沿途灌溉區(qū)周邊植物環(huán)境和土壤條件不盡相同。采樣點海拔均在300 m 以上，最高海拔567 m，隨海拔高度增加，同位素值逐漸減小。

3.2 穩(wěn)定同位素水平空間分布與影響因素

研究區(qū)域從綠洲過渡到沙漠邊緣。綠洲δD值和δ18O 值明顯低于沙漠邊緣地區(qū)，說明在接近沙漠地區(qū)土壤水分出現(xiàn)強烈蒸發(fā)效應(yīng)[35]。采樣位置δ18O 值變化極其微弱（圖4），其原因一是各采樣小點分布距離較近，土壤水環(huán)境有相似部分；二是采樣深度都位于覆膜下方，與不覆膜相比，覆膜內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，采樣點相距較近，其水分遷移程度相似。

各采樣點在淺層土壤變化趨勢較大，這是受外部因素影響所致，降水也會作為灌溉水進入土壤，降水量大導(dǎo)致一部分水未進行蒸發(fā)便發(fā)生入滲，當(dāng)蒸發(fā)作用強烈時，淺層同位素會發(fā)生嚴(yán)重分餾。

根據(jù)不同地貌類型氘盈余（d-excess）分析結(jié)果（圖8），氘盈余值變化范圍為-38.27‰～-20.97‰。氘盈余會受水汽源地溫度、相對濕度、蒸發(fā)作用等影響，山區(qū)溫度較低，蒸發(fā)作用較弱，氘盈余值較高。山前溫度、濕度較高，蒸發(fā)作用強烈，氘盈余值降低，達到最低值。研究區(qū)極為干旱，灌溉水在灌溉過程中因蒸發(fā)作用而損失，覆膜并沒有減弱蒸發(fā)分餾，導(dǎo)致氘盈余值均為負值，土壤水同位素表現(xiàn)為富集。雖然采樣點采用膜下滴灌，但因河流沿線地理位置、高程不盡相同，氘盈余值所呈現(xiàn)的變化趨勢也不同。

圖8 氘盈余（d-excess）水平空間分布圖Figure 8 Horizontal spatial distribution of d-excess

4 結(jié)論

針對干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分層貢獻問題，本研究探討了瑪納斯河流域δD 和δ18O 水平和垂直方向運移過程，得出如下結(jié)論：

（1）瑪納斯河流域綠洲區(qū)灌溉方式為滴灌，灌溉水以天山積雪融水為主，穩(wěn)定同位素值較為貧化。長期進行膜下滴灌導(dǎo)致水運移過程發(fā)生改變，深層土壤受地下水補給作用影響同位素保持貧化特征，而淺層土壤受強烈蒸發(fā)作用影響同位素表現(xiàn)為嚴(yán)重富集特征。表層土壤δD 和δ18O 值隨土層深度增加而明顯減小，深層土壤變化趨緩，表明表層土壤蒸發(fā)作用強烈，深層土壤受蒸發(fā)作用影響較弱。

（2）土壤水同位素值因長期受膜下滴灌影響，土壤水分遷移過程發(fā)生改變。灌溉區(qū)采用膜下滴灌方式，部分水汽附著在薄膜表面形成水珠，增大膜下土壤含水率。不同土層深度所反映的線性擬合方程有差異，且同位素值線性擬合方程斜率和截距隨土層深度增加而逐漸減小。

（3）不同地貌類型氘盈余表現(xiàn)為：山區(qū)A線最高，為-20.97‰，主要是因為蒸發(fā)作用較弱；山前地區(qū)A線最低，為-38.27‰，其原因主要是蒸發(fā)作用強烈。