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

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

土壤水(SW)是調節(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)、土壤基質勢梯度或礦物質-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,從而導致了在解釋不同研究中SWSIC數據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(如土壤質地、土壤深度和植被)的相關性來改善SWSIC示蹤技術至關重要。

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

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

研究區(qū)和采樣點(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。為了估計土壤質地對SWSIC的影響,將2020年4月26日和8月23日在同一地點和深度采集的土壤樣品充分混合以確定其粒度分布。


【結果】

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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。


【結論】

基于華北平原7次田間試驗所收集的數據,作者發(fā)現,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)均表現出相當大的時空變異性。具體而言,不同土壤深度的平均SWC隨降水季節(jié)性表現出明顯的時間變化;由于深層土壤蒸發(fā)強度較弱,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)結果表明,SWSIC的空間結構存在時間穩(wěn)定性,隨土壤深度的增加,相應的時間穩(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,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,有助于改進同位素示蹤技術。

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https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjE1ODg2NA==&mid=2650314066&idx=1&sn=370bd4c86ce73a38f372997fa7bf4ce8&chksm=bee1b9ad899630bb8b71d9041acaa542eba6e883e162819561c01d15a7b3a89244fc01858944&token=1520728360&lang=zh_CN#rd

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