【摘要】氫氧穩(wěn)定同位素可用于追蹤土壤水分的運移。盡管我們對土壤剖面滲透的水的追蹤及其在徑流和地下水補給中運移過程的研究已經(jīng)很完善了，但土壤水的運動也包括蒸發(fā)分餾。迄今為止，土壤水的分餾因子主要是基于經(jīng)驗性的。與開放型水分蒸發(fā)（溫度，濕度，蒸氣壓梯度定義的分餾）不同的是，土壤水蒸發(fā)包括土壤基質(zhì)效應(yīng)的分餾。我們對這些效應(yīng)特征的理解仍然很差。在這里，我們使用ABB LGR的水汽同位素分析儀（IWA-45-EP）提供了一個初步結(jié)果，實驗使用了4種土壤混合物，粒度從砂粒到粉粒和黏粒。結(jié)果表明土壤張力可能控制著土壤水分的同位素分餾。土壤張力與平衡分餾的關(guān)系與土壤質(zhì)地?zé)o關(guān)，且得到熱力學(xué)理論的充分支持。雖然結(jié)果是初步的，認為未來的工作應(yīng)該關(guān)注作為土壤水和水蒸氣分餾可能解釋因素的土壤張力的影響。
插圖（a）顯示了4種添加土壤混合體的水分釋放曲線。在萎蔫點到吸著水范圍內(nèi)，2個石英砂樣品的重量含水量保持在0.05 g/g。但在同一范圍內(nèi)，粉砂的重量含水量高達0.15 g/g。在毛細管水范圍內(nèi)，黏土的最高重量含水量可達0.2 g/g。土壤張力為106 hpa時，砂土樣品I和II的重量含水量分別為0.01和0.005 g/g。在相同的土壤張力下，粉砂的重量含水量為0.05 g/g。重量含水量在0.05和0.005 g/g的粘質(zhì)土在105 hpa以上獲得了更多的數(shù)據(jù)點。（b）圖表明平衡分餾因子（aP/Q）與土壤含水量以及土壤類型無關(guān)，但與基質(zhì)勢（土壤張力）明顯相關(guān)。在aP/Q=1的交點處分別為δ18O和δ2H定義了~1260 hPa張力影響分餾效應(yīng)的閾值。因此，我們觀察到張力影響的分餾主要用于不可移動的水。
土壤張力增加了平衡分餾，導(dǎo)致同位素值沿雙同位素蒸發(fā)線（EL）分布。顏色編碼表明土壤張力越高，同位素值越偏離原始位置。EL的斜率隨著粒徑大小的降低而降低。砂質(zhì)土壤樣品蒸發(fā)線斜率為3，R2=0.96。黏土含量升高的土壤樣品蒸發(fā)線斜率為2，R2=0.98。紅線表示純水測試的EL，斜率為4.1。
封閉系統(tǒng)中張力影響同位素分餾的簡單概念模型。藍色表示重同位素體，紫色表示輕同位素體。水附著在土壤顆粒表面（灰色），且水蒸氣和液態(tài)水處于平衡狀態(tài)。如果水分子之間的粘聚力起主導(dǎo)作用，則平衡分餾因子α由溫度單獨定義。當(dāng)粘附力（右）起主導(dǎo)作用，土壤顆?？刂普魵鈮汉推胶夥逐s。粘附力與粘聚力之比從左往右增加。當(dāng)粘附力起主導(dǎo)作用時，張力，特別是界面張力以及對土壤水分吸收的物理控制主導(dǎo)著相關(guān)的分餾效應(yīng)。土壤水儲存中不可移動部分就是這種情況。
【結(jié)論】該研究介紹了4種不同土壤混合體的實驗室初步結(jié)果。結(jié)果表明土壤張力控制土壤水同位素分餾。土壤張力與平衡分餾的關(guān)系與土壤質(zhì)地?zé)o關(guān)，且得到熱力學(xué)理論的充分支持。顯然，我們還需要做更多的工作。雖然結(jié)果是初步的，我們希望可以激發(fā)其他研究者研究這些過程并進一步探索土壤張力對土壤水分分餾的影響。確實，仍存在幾個問題，包括在大尺度上，張力會影響穩(wěn)定同位素分餾嗎？張力效應(yīng)控制動力學(xué)分餾因子嗎？在整個水分范圍內(nèi)，平衡袋方法都可以可靠使用嗎？植物吸收水分的同位素特征受土壤張力效應(yīng)的影響嗎？希望該研究可以激發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的新的研究。
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土壤張力可能控制土壤蒸發(fā)同位素平衡分餾因子.pdf