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

日期: 2022-09-09
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Picarro+LI-2100 | 農(nóng)田土壤水穩(wěn)定同位素時(shí)空格局特征

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(shí)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(shí)間、識(shí)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(huì)隨著時(shí)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(shí)存在很大的不確定性。因此,通過解釋其時(shí)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(shí)空格局,在本研究中,來自天津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(LAEES)進(jìn)行了為期約2年的田間試驗(yàn)。主要研究目標(biāo)為:(1)比較不同深度SWSIC和SWC的時(shí)空格局,以及(2)研究SWSIC空間結(jié)構(gòu)的時(shí)間特征并評(píng)估其影響因素。

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

研究區(qū)和采樣點(diǎn)(用于土壤含水量和δD分析)地圖。

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(dòng)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(jì)土壤質(zhì)地對(duì)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】

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

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

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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)

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降水及10、30和60 cm深度土壤水樣的δD和δ18O雙同位素圖。


【結(jié)論】

基于華北平原7次田間試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí),淺層SWSIC比深層(受降水和蒸發(fā)影響較小,保持相對(duì)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(shí)間穩(wěn)定性分析(TSA)結(jié)果表明,SWSIC的空間結(jié)構(gòu)存在時(shí)間穩(wěn)定性,隨土壤深度的增加,相應(yīng)的時(shí)間穩(wěn)定性增加。此外,粘土含量某種程度上會(huì)影響同位素組成,植被對(duì)SWC和SWSIC時(shí)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(jì)SWSIC空間平均值的可行性。本研究為SWSIC的時(shí)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)。

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