土壤水氢氧稳定同位素组成的时空变异性及其影响因素 ——以栾城农业生态系统试验站为例

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土壤水作为陆地生态系统的重要组成部分,对调节自然界水循环,维持生态环境良性循环具有极为重要的作用。作为环境示踪剂水稳定氢氧同位素被广泛应用于土壤水研究的很多领域。但是由于受到不同环境因素的影响,土壤水存在时空变异性,同时这些影响因素或者土壤水分的运移过程也会导致土壤水氢氧同位素组成的时空变异性,但是目前关于氢氧同位素组成时空变异性的研究还相对较少,所以本研究以栾城农业生态系统试验站为研究对象,于2018年12月,2019年4月,6月,7月进行采样,在田间尺度和利用多变量经验模态分解得到的空间多尺度上对土壤水氢氧稳定同位素组成的时空变异性及其影响因素进行了分析。研究结果发现:(1)田间尺度上,土壤水中δ18O和δD的值在表层土壤中的变化范围最大,随着土壤深度的增加其变异范围缓慢减小。对比不同季节δ18O和δD值的变化发现从冬季到春季再到夏季,δ18O和δD缓慢偏正。(2)田间尺度上,4月份和6月份,表层土壤的土壤含水量与土壤水中δ18O和δD的值有比较好的相关性,随着深度的增加相关性逐渐减弱;各层土壤水中δ18O和δD值的MRD等于零的点与土壤含水量的不同。说明表层土壤中土壤含水量是影响δ18O和δD时空变异性的主要因素,但其代表点位不同。同时土壤基质势、土壤质地以及土壤有机质与δ18O和δD的值都没有较好的相关性。(3)空间多尺度上,土壤含水量,土壤基质势对δ18O和δD值的时空变异性存在一定的影响,但受到采样深度和采样时间以及IMF尺度的影响。土壤质地对δ18O和δD的空间变异性有着很强的影响。虽然在特定尺度上影响δ18O和δD变化的因素不会随着季节的改变而不同,但是影响因素与δ18O和δD的正负相关性却会随着季节的不同、深度的不同以及尺度的不同而发生变化。(4)分解的同一个空间尺度不同深度上,δ18O和δD值的MRD的变化趋势不同,而且分解的不同空间尺度相同深度上,δ18O和δD值的MRD变化趋势也不同,说明在垂直距离和水平距离上δ18O和δD的代表点位都不同。同时,在分解的不同空间尺度与土壤深度上,土壤含水量与土壤基质势MRD的变化趋势与δ18O和δD值的MRD也不尽相同。说明虽然土壤含水量及土壤基质势对土壤水中δ18O和δD值的时空变异性存在一定的影响,但其代表点位不同。本研究发现土壤质地对土壤水氢氧同位素值的空间变异性影响较大,而且土壤含水量及土壤基质势也对土壤水氢氧同位素值的时空变异性存在一定影响,但代表点位不同。该结果为制定更完善的采样计划,更准确的利用同位素示踪技术探究土壤水分运移过程,提供了一定的理论依据和研究基础。
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