Picarro+LI-2100---農(nóng)田土壤水穩(wěn)定同位素時空格局特征分析

       土壤水（SW）是調(diào)節(jié)地表過程和地表能量分配的重要狀態(tài)變量。由于與周圍環(huán)境復(fù)雜的相互作用，SW存在顯著的時空變化。近年來，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，SW穩(wěn)定同位素組成（SWSIC；δD和δ¹⁸O）已越來越多地用于追蹤土壤-植物-大氣連續(xù)體中的SW運(yùn)移，以更好地理解諸如量化SW停留時間、識別植物吸收水源和區(qū)分蒸騰和蒸發(fā)等相關(guān)過程。然而，由于受多種環(huán)境因素和過程的影響，如具有不同同位素組成的降水輸入、土壤蒸發(fā)、土壤基質(zhì)勢梯度或礦物質(zhì)-水相互作用造成的同位素分餾，SWSIC可能會隨著時間和空間而顯著變化，從而導(dǎo)致了在解釋不同研究中SWSIC數(shù)據(jù)時存在很大的不確定性。因此，通過解釋其時空變化格局及與其他因素（如土壤質(zhì)地、土壤深度和植被）的相關(guān)性來改善SWSIC示蹤技術(shù)至關(guān)重要。

       基于此，為更好地理解SWSIC的時空格局，在本研究中，來自天津大學(xué)的研究團(tuán)隊在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站（LAEES）進(jìn)行了為期約2年的田間試驗。主要研究目標(biāo)為：（1）比較不同深度SWSIC和SWC的時空格局，以及（2）研究SWSIC空間結(jié)構(gòu)的時間特征并評估其影響因素。

       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深度的土壤樣本。利用全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)（LI-2100，北京理加聯(lián)合科技有限公司）提取土壤中的水分，并利用Picarro L2140-i 水同位素分析儀分析水穩(wěn)定同位素組成。為了估計土壤質(zhì)地對SWSIC的影響，將2020年4月26日和8月23日在同一地點(diǎn)和深度采集的土壤樣品充分混合以確定其粒度分布。

【結(jié)果】

研究期日降水量、潛在蒸散量（ET_p）、土壤含水量和10、
30和60 cm深度土壤水δD值的時間序列。
 

10、30和60 cm深度土壤水樣的雙同位素圖比較。
實(shí)線表示地區(qū)大氣降水線（LMWL），虛線表示土壤水蒸發(fā)線（EL）。
 

       基于華北平原7次田間試驗所收集的數(shù)據(jù)，作者發(fā)現(xiàn)，即使在田間尺度上（例如~100 m），土壤含水量（SWC）和土壤水穩(wěn)定同位素組成（SWSIC；例如δD和δ¹⁸O）均表現(xiàn)出相當(dāng)大的時空變異性。具體而言，不同土壤深度的平均SWC隨降水季節(jié)性表現(xiàn)出明顯的時間變化；由于深層土壤蒸發(fā)強(qiáng)度較弱，SWC隨著土壤深度的增加而增加。然而，空間平均SWSIC隨時間無明顯變化趨勢，但在垂直方向上表現(xiàn)出顯著的變化，淺層土壤D更富集。同時，淺層SWSIC比深層（受降水和蒸發(fā)影響較小，保持相對穩(wěn)定）變化幅度大。不同樣地同一深度雨季（6-8月）δD值的變化幅度大于旱季（12-4月）。此外，雨季δD值更小，但這種差異隨深度增加逐漸減小。時間穩(wěn)定性分析（TSA）結(jié)果表明，SWSIC的空間結(jié)構(gòu)存在時間穩(wěn)定性，隨土壤深度的增加，相應(yīng)的時間穩(wěn)定性增加。此外，粘土含量某種程度上會影響同位素組成，植被對SWC和SWSIC時空變化具有很大影響。而且，可以確定不同土壤深度SWC和SWSIC的代表性監(jiān)測點(diǎn)，表明TSA在未來研究中估計SWSIC空間平均值的可行性。本研究為SWSIC的時空變異性提供了一些見解，有助于改進(jìn)同位素示蹤技術(shù)。