稳定同位素在土壤水对流量过程线的贡献

稳定同位素在土壤水对流量过程线的贡献

稳定的d和18o是由于水文过程中的混合影响，以及例如蒸发和冷凝等物理条件的变化而形成的。它主要受到不同水源的混合影响，因此可以用来计算不同水源的径向流成分。同位素流量过程线划分对研究土壤水分运动规律、分析流域水源成分、追踪研究流域径流形成有重要作用。在应用环境同位素进行流量过程线分割时,有一基本假定“土壤水对流量过程线的贡献可以忽略,或者其同位素与地下水相同”。然而很多实验表明,土壤水对流量过程线的贡献不能够忽略。这涉及到降水与土壤水的混合与稀释。本文通过实验,探讨土壤水混合与稀释过程中氢氧稳定同位素变化规律,并检验流量过程线分割中这一基本假定的合理性。1土壤与氢氧稳定同位素交换量fa混合物同位素浓度一般落在端元组分(endmember)同位素浓度之间。尽管同位素浓度表达形式如δ值可能为负值,但混合物同位素浓度能像其他化合物浓度(如氯化物浓度)一样处理,进行混合计算。例如,两种已知δD和δ18O值的水源按任意比例混合,混合物的氢氧稳定同位素浓度将落在两种水源δD和δ18O值为端点的连线上。土壤水中氢氧稳定同位素浓度变化可能来源:①土壤水被大气来源的地下水稀释;②不同同位素浓度的土壤水混合;③水-岩相互作用,包括矿物质溶解、离子交换和氧化等影响。其中土壤水的混合与稀释是主要变化来源。土壤水中氢氧稳定同位素混合与稀释能用基于化合物混合与稀释的模型来表达:δM=δAfA+δB(1−fA)(1)δΜ=δAfA+δB(1-fA)(1)式中:δM、δA、δB分别为混合物,A、B为氢氧稳定同位素浓度;fA为A在混合物中权重,fA=A/(A+B)。土壤由于蒸发分馏等作用,其δD和δ18O值关系线斜率一般小于大气降水线斜率。两种水源混合与稀释而成的同位素浓度值和由单独一个水源因分馏作用而成的同位素浓度值变化过程是不一样的,通常可以使用绘图方法来判别。混合与稀释过程中同位素浓度值将产生一条线,线的两端点是端员组分同位素浓度,而分馏过程则产生一条曲线。描述混合稀释与分馏的公式也不同,在合适条件下,可以通过对应的曲线分辨出来。因为瑞利分馏是指数关系,δ值与浓度对数关系点据是一条直线。而两种水源的混合与稀释过程δ值与浓度倒数关系点据为直线。土壤与不同来源水混合与稀释过程中氢氧稳定同位素发生交换与吸附。如果土壤固体颗粒表面附近溶液中的溶质浓度大于本体(自由)溶液中的浓度则称为正吸附,否则为负吸附。离子交换是指固体颗粒所吸附的一种离子被溶液中的另一种反离子所取代的过程。通常所观测到的吸附现象可以通过离子交换的形式表现出来,即溶液中的某一种离子被固体颗粒吸附,而同时另一种已被固体颗粒所吸附的离子则发生解吸附,也就是所谓的离子交换现象。由于氢氧稳定同位素本身是水分子的构成部分,因此土壤中氢氧稳定同位素交换与吸附不同于一般离子或溶质交换与吸附。土壤与不同来源水的氢氧稳定同位素交换主要是土壤中毛管水和重力水与不同来源水交换。而土壤吸附主要发生在土壤颗粒薄膜水附近与周围水分氢氧稳定同位素之间,实验中土壤交换与吸附过程很难界定,土壤吸附通常以土壤交换形式表现出来。因此,土壤与不同来源水氢氧稳定同位素交换与吸附过程可用土壤交换形式表达:HDO(S)+H2O(W)⇄H2(O)(S)+HDO(W)(2)H218O(S)+H216(O)(W)⇄H216O(S)+H218O(W)(3)ΗDΟ(S)+Η2Ο(W)⇄Η2(Ο)(S)+ΗDΟ(W)(2)Η218Ο(S)+Η216(Ο)(W)⇄Η216Ο(S)+Η218Ο(W)(3)式中:下标S、W分别表示土壤水和输入水(降水)。目前还无统一标准来衡量土壤水中氢氧稳定同位素交换量。本文用式(4)表示土壤水氢氧稳定同位素相对交换量:Δδ=δS−δN(4)Δδ=δS-δΝ(4)式中:Δδ为土壤水混合与稀释过程中氢氧稳定同位素相对交换量;δS和δM分别为土壤水、输入水(降水)与土壤水混合物氢氧稳定同位素浓度。Δδ>0时,表示土壤水氢氧同位素浓度大于混合物的氢氧稳定同位素浓度。土壤水δD和δ18O值分别计算交换量,结果不一样。2土壤水混合稀释下面通过实验来探讨土壤水混合与稀释过程中氢氧稳定同位素浓度随时间变化规律。土壤水混合与稀释一般同时发生,稀释也可以混合形式表现,很难将其分开考虑。土壤混合实验侧重于混合作用,而土柱垂向稀释实验侧重于稀释作用。2.1土壤表面氢氧稳定同位素的变化本实验主要是探讨在无同位素分馏情况下,两种水源混合过程中氢氧稳定同位素浓度变化。实验开始时往直径和高度均为30cm的圆柱形容器中放入20kg土壤,测得土壤重量含水量为18.8%,δD和δ18O值分别为-0.46%和-0.1%。然后向容器中加入10kg已知氢氧稳定同位素浓度的水,其δD和δ18O值分别为-4.37%和-0.64%。加入的水一直到容器的上边缘,用不沾水的棒充分搅拌数分钟,立即用盖将容器口密封,防止容器内水与外面空气接触发生蒸发分馏。隔2、5、11、16、28d取土壤上面的积水水样,取样后用棒搅拌数分钟,密封。由实验结果(图1)可以看出土壤上面水的氢氧稳定同位素浓度在2d后几乎没有什么变化。实验中水样δD和δ18O值在中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室稳定同位素实验室测定。本实验考虑加入水与土壤水的混合物氢氧稳定同位素随时间变化过程。实验中,由于容器密封,容器中水不与外面空气接触,受蒸发分馏影响小,可以忽略蒸发分馏影响。从图1中可以看出混合物氢氧稳定同位素浓度值随时间变化,且混合过程中点据落在加入水与土壤水δD和δ18O点据连线上。例如第2d和第28d的氢氧稳定同位素浓度值落在混合线上。混合线的斜率为7.3,小于当地大气降水线斜率8.5。加入水和土壤水的混合物氢氧稳定同位素浓度经过48h后最终达到一稳定值,说明加入水与土壤水氢氧稳定同位素完全混合。这时土壤18O同位素相对交换量为Δδ=0.06%。2.2干旱土壤稀释实验土柱垂向稀释实验主要模拟降水下渗到湿润和干旱土壤垂向稀释过程中,下渗水流的氢氧稳定同位素浓度随时间变化。文献有一土柱实验。将湿润土壤放入直径为13cm,高度为70cm的土柱中。从土柱上端口连续输入已知氢氧稳定同位素浓度的水垂直向下渗,输入水的δD和δ18O值分别为-7.99%和-1.157%。在土柱下端出口处取样,下渗出流量取样间隔和δD和δ18O值见表1,总出流为5300mL时结束湿润土壤稀释实验。这时土柱中土壤水的δD和δ18O值分别为-8.35%和-1.17%。然后将土柱中土壤取出,在70℃温度下烘一晚,移走土壤中大部分可动水分,作为干旱土壤均匀放入土柱中。重复上面实验,但下渗出流量每隔55mL取一次样(表1),总出流量为715mL时结束实验。土柱中土壤水的δD和δ18O值分别为-8.39%和-1.145%,即经稀释后土柱中土壤水氢氧稳定同位素浓度值与输入水的同位素浓度接近。从表1和图2中可以看出不管是湿润土壤稀释还是干旱土壤稀释过程,从土柱下端出口处下渗水流氢氧稳定同位素浓度值都随时间变化,且稀释过程中下渗水流的δD和δ18O值关系呈线性关系,关系线斜率都小于全球大气降水线(GMWL)斜率。干旱土壤稀释过程由于下渗水流是等水量取样,可以认为下渗水流的氢氧稳定同位素浓度是在等时间间隔情况下的变化。在实验结束时,下渗水流和土壤水中氢氧稳定同位素值最后都接近输入水的氢氧稳定同位素值。从实验结果可以推测,只有当降水入渗量达到一定数量后,土壤水的氢氧稳定同位素浓度与降水相同;而在土壤水的同位素浓度与降水相同之前,忽略土壤水对流量过程线的贡献,会导致应用同位素分割流量过程线时出现较大误差,甚至与实际相反的结果。2.3土壤交换作用引起土壤水同位素浓度的变化文献中有一土壤水和加入水同位素浓度与搅拌时间关系的实验,土壤水的同位素浓度与搅拌时间有关(表2)。混合物搅拌1h后,土壤水同位素浓度和土壤上面水的同位素浓度相差0.09%,在同位素仪器测量误差范围内。实验开始时,加入水与土壤水发生混合与稀释,在1h左右达到平衡,该过程可看作加入水同位素与土壤中毛管水和重力水同位素发生交换,且交换速度很快。在1h后,加入水与土壤中重力水可认为完全交换,而土壤水同位素浓度变化可看作土壤中还未与加入水交换的毛管水与其发生同位素交换引起。从表2可以看出,土壤交换作用引起土壤水同位素浓度变化比较大。由混合实验中图1及表2显示,一般在48h后,土壤交换达到平衡,土壤水和土壤上面水的氢氧稳定同位素不再随时间变化。土壤交换实验及混合实验结果显示,土壤交换对土壤水氢氧稳定同位素浓度影响较大,交换速度快,但在一段时间(约48h)后交换达到平衡,土壤水氢氧稳定同位素不再发生变化。3土壤水在一定程度上还存在着过程线上的生长土壤水与降水混合过程中,混合物氢氧稳定同位素浓度随时间变化,其δD和δ18O值呈线性关系,落在以