第２６卷第４期
２００
水电能源科学
ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒ
Ｖ０１．２６Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２００８
８年８月
文章编号：１０００－７７０９（２００８）０４—０１４９—０４
土壤水中氢氧同位素变化模拟及实验
胡海英１’２
包为民１’２
王
涛１’２瞿思敏１’２
（１．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；
２．河海大学水文水资源学院，江苏南京２１００９８）
摘要：分析了改变土壤水同位素的主要影响因素，利用土壤同位素蒸发分馏模型模拟了典型情况下饱和、非饱和土柱同位素剖面分布情况，得出地表蒸发为土壤水同位素富集的主要原因。通过土柱同位素交换实验．分析了输入降水与土壤水的交换混合作用．结果表明，输入降水与土壤水同住素交换程度较大，不同同住素组成的降水与土壤水混合是土壤水同位素改变的一种重要方式。最后综合分析了蒸发分馏和降水入渗共同作用下的土壤水同位素变化情况。
关键词：土壤水Ｉ氢氧同位素变化；土壤蒸发分馏模型；交换混合中图分类号：ＴＶｌ２１，Ｐ３３４；０６１５．２
文献标志码：Ａ
水中稳定同位素可作为一种天然的示踪剂追踪水在土壤中的输送过程，利用土壤水中稳定同位素的变化可提供水在土壤中的迁移信息［１］。
国内外对土壤水稳定同位素进行了一系列研究。Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ等口３研究了饱和土柱稳定同位素分布情况，得出稳态条件下土壤水同位素浓度随深度呈指数递减。Ｂａｒｎｅｓ和Ａｌｌｉｓｏｎ［３叫］研究了非饱和土柱在恒温和非恒温条件下土壤剖面同位素的分布。Ｎｅｗｍａｎ等［７］利用同位素示踪了美国新墨西哥州北部森林土壤水运动过程。Ｍａｔｈｉｅｕ等［８３利用水体稳定同位素的变化研究了非洲西部Ｂａｒｏｇｏ流域的下渗及地下水补给情况，通过比较土壤水和雨水的同位素组成分析了两种典型的降雨人渗过程。田立德等［９３根据青藏高原中部降水和土壤水中稳定同位素，分析了不同层位土壤剖面中稳定同位素变化规律及水分迁移关系。包为民等口“１１］对同位素技术在湖泊水文学中的应用及流量过程线分割进行了研究。鉴此，本文分析了改变土壤水氢氧同位素浓度的主要影响因素，通过蒸发土壤同位素剖面分布模型和土柱同位素交换实验，探讨了土壤水氢氧同位素的变化规律。
收稿日期：２００８—０３—２７，修回日期：２００８—０５—０４
１
影响土壤水同位素浓度变化的因素
降水人渗、蒸腾和蒸发等对土壤水分中氢、氧
同位素影响不同，植物根系吸收水分时一般不会发生同位素分馏［１Ｚ，１３］。影响土壤水同位素变化的原因有三方面：①不同同位素含量的降水入渗土壤后，与土壤水发生交换混合，原有土壤水同位素浓度发生改变；②水分在土壤中水平迁移和垂向运动过程中发生蒸发分馏，土壤水同位素浓度逐渐富集。③水岩交换对深层土壤水同位素组成的改变，同位素分馏作用缓慢，研究低温浅层土壤水同位素变化时可忽略。
１．１
降水与土壤水的交换混合作用
降水时，一部分通过地表下渗入土壤并与土壤
基质中温度更低的水混合或扩散，深层的下渗将导致水流在上层滞水面或地下水面的饱和层中混合，在饱和层上的水分先蒸发然后在饱和面积上进行侧向运动或反渗，这种交换混合改变了原土壤水同位素特征。通过确定输入降水的同位素组成、示踪水分运动过程中土壤水同位素浓度的改变量，可了解降水与土壤水（地下水）的交换混合过程。
１．２蒸发分馏影响
基金资助：国家自然科学基金资助项目（５０６７９０２４）；。十一五”国家科技支撑课题基金资助项目（２００６撇５８０２）；河海
大学国家重点实验室开放研究基金资助项目（２００５４０６４１１）；江苏省研究生培养创新工程基金资助项目（ＣＸ０７Ｂ＿１３０Ｚ）
作者简介：胡海英（１９８３一）．女，博士研究生。研究方向为水文水资源及同位素水文学，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｙｈｈｍ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ＣＤ．
通讯作者：包为民（１９５６一），男，教授、博导，研究方向为水文水资源，Ｅ－ｍａｉｌ．．ｗｍｂａｏ＠ｐｕｂｌｉｃｌ．ｐｔｔ．ｊｓ．ｃｎ
万方数据
・
１５０・水电能源科学２００８焦
地表径流、不饱和带或潜水面的蒸发可使水分损失、土壤水发生同位素富集。因此，蒸发作用引发的同位素分馏使土壤水中同位素特征产生显著变化。干旱地区，地下同位素组成与当地降水相比有明显差异，蒸发分馏使土壤水发生强烈的同位素富集。
２土壤水同位素蒸发分馏模拟
受蒸发作用影响的土壤水Ｄ（稳定的氢元素同位素）和１８０纵剖面分布可用土壤水流运动的物理模型解释。在土壤中，液态水由于水力梯度的作用而运动。遵循达西定律，对水中稳定同位素可将其作为在对流和分子扩散作用下的溶质进行模拟。假定不同同位素分子扩散时遵循菲克定律，在Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ土壤同位素分布模型［２］中，恒温稳态下土壤剖面同位素分子向下扩散通量Ｄ。（ｄ占／ｄｚ）
与向上对流通量Ｅ（艿一如）达到平衡，满足：
Ｄ。ｄ占／ｄｚ—Ｅ（艿一ｄ。）（１）
艿一盈。－ｔ－－（况一艿。）ｅ一７ｚＩ
（２）
式中，Ｄ。为液相同位素分子有效扩散率，ｍｍ２／ｓ；
艿为土壤水同位素含量；Ｅ为蒸发速率，ｒａｍ／ｓ；如
为土柱底部水源进入土柱水的同位素含量；ｚ为纵座标，向下为正，ｍｍ；岛为土壤表面ｚ一０处水中的同位素含量；土壤一水液相同位素边界层厚度Ｚｆ＝Ｄ。／Ｅ。图１为稳态恒温下（土壤蒸发过程中蒸发率不变，无降雨输入）饱和土柱土壤水同位素含量随深度变化的模拟。
占Ｄ／％０
图１
经历蒸发分馏的饱和土柱同位素分布
Ｆｉｇ．１
Ｉｓｏｔｏｐｅｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎ
ａ
ｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｌｃｏｌｕｍｎ
由图１可知，在蒸发锋面上（饱和土壤ｚ＝ｏ）土壤水稳定同位素含量值最富集，随深度增加呈指数递减，一定深度时土壤水稳定同位素含量逐渐趋于稳定，表明在土壤水蒸发锋面上蒸发分馏达最大，蒸发锋面的最大富集产生了沿土柱的浓度梯度。Ｂａｒｎｅｓ和ＡｌｌｉｓｏｎＣ３—６３进一步研究了典型非饱和土柱土壤恒温条件下同位素的分布，以蒸发锋面为界将非饱和土壤分为水汽扩散和液相两个运移区，蒸发锋面以下液相运移区同位素剖
万
方数据面与饱和土柱土壤分布类似（图２）。在气体扩散区由于残余孔隙水与蒸发水汽间的交换，近土壤剖面顶端的同位素值较低，往下逐渐富集，蒸发锋面达到最大值。
图２经历蒸发分馏的非饱和土柱同位素分布Ｒｇ．２
Ｉｓｏｔｏｐｅｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎ
ａｎ
ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｃｏｌｕｍｎ
Ｇａｚｉｓ等［１４］通过对比土壤水和降水中的艿Ｄ、艿１８０，发现地表水分强烈蒸发使浅层土壤水（＜
２０
ｃｍ土壤水）富集１８０。Ｃｌａｒｋｃｌ３对阿曼苏日特雷
特Ｓｌｕｔａｎａｔｅ地区径流采样，发现夏季径流同位素较富集，水体在流动过程中发生了强烈的蒸发。理论模拟和实际流域同位素的分布均表明，地表水分蒸发为同位素富集的主要原因，天然条件下蒸发分馏、输入降水、气象条件等也是影响因素，不同地点不同季节分布均不同［７￣９］。
３降水与土壤水交换混合实验
为分析不同同位素组成的降水与土壤水的交换混合程度进行了土柱同位素交换实验。假设用同位素值较低的水输入装有天然土壤的土柱中，若测得输出水中同位素值为富集，表明原土壤水相对于输入水较富集重同位素，在交换混合过程中吸附了输入水中的轻同位素而释放了重同位素；反之，若测得输出水中同位素值为贫化，表明原土壤水较富集轻同位素，在交换过程中吸附了输入水中的重同位素而释放了轻同位素。土壤水和输入水轻、重同位素分子的交换过程为：
Ｈ２１８０土壤术＋Ｈ２１６０ｍ人水甘Ｈ２１８０－人水十Ｈ２１６０土壤水
（３）
取结晶化合物含量较低的粘土放人直径和高度都为３５ｃｍ的不锈钢桶中，制作两个等重的浸泡土柱（Ａ，Ｂ）（图３）。向每个土柱输入１０ｋｇ水，初
始同位素含量伊８０、砌分别为一６．３％０、－－４３．７‰。
实验过程中，土柱上面用塑料薄膜盖住、扎紧，排除蒸发分馏的影响，仅考虑输入水与土壤水交换混合作用。每隔一定时间对土柱中浸泡水取样一次，每次取样前将土柱中水充分搅拌，使浸泡水混合均匀，确保各部分水中同位素组成一致。土壤水与输
第２６卷第４期胡海英等：土壤水中氢氧同位素变化模拟及实验
・１５１・
图３实验土柱示意图
Ｆｉｇ．３
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｏｉｌｃｏｌｕｍｎ
入水混合均匀前后同位素浓度平衡方程为：
ＣＭ¨＝ＣｓＶｓ＋ＣＩＶＩ
（４）
式中，Ｃ为同位素浓度；Ｖ为体积；下标Ｍ、Ｓ、１分
别为混合输出水、土壤水、初始输入水。
收集的水样经ＭＡＴ一２５３气体质谱仪水样同位素测定，伊８０、艿Ｄ测样误差分别为士０．１％ｏ、±０．５‰，结果见表１。
表１土柱输出水同位素含量随时间的变化过程
Ｔａｂ．１
Ｖａｒｉａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆ
ｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｎｔｅｎｔ
ｉｎｏｕｔｐｕｔ
ｗａｔｅｒ
土柱Ａ
土柱Ｂ
时间／ａ
一８０／‰
６Ｄ／‰
时间／ｄ
ａ］８０／‰６Ｄ／‰
０
—６．３—４３．７Ｏ一６．３—４３．７２
—５．２—３５．０５
—４．９
—３Ｚ．７
５—５．１—３４．８１１—５．１—３４．３１６
—５．１
—３３．８
由表１可看出，输入水与土柱中土壤水交换混合后输出水的同位素含量变富集。当土壤水与输入水的质量比分别为１６：５０（土柱Ａ）和１７：５０（土柱Ｂ）时，输出混合水伊８０值从初始的一６．３‰变为一５．１‰（Ａ）和一４．９％０（Ｂ），改变量为１９．１％
和２２．２％；输出混合水扣值从初始的－－４３．７‰变
为－－３３．８‰（Ａ）和－－３２．７‰（Ｂ），改变量为２２．７％和２５．２％，表明输入水与土壤水交换混合程度较大。由图４可见，输入水、土壤水与稳定后混合输出水均在一条线上，表明实验期间未发生蒸发分馏，符合终端成分同位素混合模型［１５１。原有土壤水同位素组成偏正，表明实验前土壤经受蒸发分馏作用较富集重同位素。
由图５交换混合时间看出，无蒸发分馏时输
图４实验土柱水体同位素组成
Ｆｉｇ．４
Ｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｏｆｗａｔｅｒｉｎｃｏｌｕｍｎｓ
万
方数据图５土柱Ａ混合输出水∥。Ｏ值随时间变化
Ｆｉｇ．５
５１８０ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｏｕｔｐｕｔ
ｗａｔｅｒｉｎｃｏｌｕｍｎＡ
入水与土壤水交换在短时间内混合充分，此后输出水同位素含量变化不大，表明土壤水与加入水混合同位素浓度平衡后浓度不随时间变化。实验反映了天然降水和土壤水的交换混合作用，不同同位素组成的降水和土壤水交换混合为土壤水同位素改变的一种重要方式。这种混合作用还会在具有不同同位素组成的土壤水间发生，在土壤水穿透和行进过程中不断进行［１引。
４土壤水同位素变化
由于土壤水分补给和消耗季节变化、地表土
壤蒸发及土壤水和深层地下水间的同位素差异，土壤水同位素变化是一相对复杂的过程‘７￣９Ｊ引。土壤水同位素受蒸发分馏和降水下渗等因素的影响，流域中现存土壤水同位素的组成就为原土壤水和当次降水的混合。此过程不断重复，结果使补给的地下水同位素组成在一定范围内变化并决定于当次降水的同位素变化和蒸发引起的土壤水分的损失。图６为蒸发土壤水与渗透雨水混合补给地下水的同位素变化过程ｎ］。
图６蒸发土壤水与下渗降水混合的同位素组成示意图Ｆｉｇ．６
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｏｆ
ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ
ｓｏｉｌ
ｗａｔｅｒａｎｄｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｒａｉｎ
不同地区、不同流域影响土壤水氢氧同位素浓度改变的因素作用程度不同。干旱地区，流域径流系数小，降水在流域中的滞留时间长，土壤蒸发分馏作用显著，接近地面的土壤水中稳定同位素的富集就对径流、地下水中同位素的浓度影响
较大。在径流系数较高的湿润流域，蒸发作用对
土壤水同位素特征的改变较小，降水输入与土壤
・
１５２・水电能源科学
［６］Ｂａｒｎｅｓ
ＣＪ，ＡｌｌｉｓｏｎＧＢ．Ｔｒａｃｉｎｇ
ｏｆ
２００８定
水的混合交换占主导作用。在大多数地区，各种因素相互作用密不可分，影响了原土壤水稳定同位素浓度变化。
瓦一
ＷａｔｅｒＭｏｖｅ。
ｍｅｎｔｉｎｔｈｅＵｎｓａｔｕｒａｔｅｄＺｏｎｅＵｓｉｎｇＳｔａｂｌｅＩｓｏｔｏｐｅｓｏｆＨｙｄｒｏｆｆ８ｎａｎｄ
ｏｘｂ＇ｇ。ｎ［Ｊ］・Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＨｙｄｌ：ｏｌｏ。
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娃｛五当口Ｆ口
ａ．对土壤水中氢氧同位素变化机理进行了研
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究。通过理论模拟和实验，分析了致使土壤水稳定同位素变化的影响因素，得出地表蒸发为土壤水同位素富集的主要原因，输入降水与土壤水同位素交换程度较大，不同同位素组成的降水与土壤水混合Ｎ＋－壤Ｚ．Ｎ位素改变的一种重要方式。
ｈ．本模拟和实验为更好地利用同位素的水
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９６７一ｌ９７８
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ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｌｏｇｙ，１９９５，１６８：９１—１１０
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（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ．ｏｆＨｙｄｒｏｌｏｇｙ－－ｗａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｎｇ．，Ｈｏｈａｉ
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ｈｙｄｒｏｇｅｎ
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ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ；ｅｘｃｈａｎｇｅ
万方数据
土壤水中氢氧同位素变化模拟及实验
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
HU Haiying， 包为民， WANG Tao， 瞿思敏， HU Haiying， BAO Weimin， WANG Tao，QU Simin
河海大学,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏,南京,210098;河海大学,水文水资源学院,江苏,南京,210098水电能源科学
WATER RESOURCES AND POWER2008,26(4)4次
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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_sdnykx200804046.aspx
第２６卷第４期
２００
水电能源科学
ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒ
Ｖ０１．２６Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２００８
８年８月
文章编号：１０００－７７０９（２００８）０４—０１４９—０４
土壤水中氢氧同位素变化模拟及实验
胡海英１’２
包为民１’２
王
涛１’２瞿思敏１’２
（１．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；
２．河海大学水文水资源学院，江苏南京２１００９８）
摘要：分析了改变土壤水同位素的主要影响因素，利用土壤同位素蒸发分馏模型模拟了典型情况下饱和、非饱和土柱同位素剖面分布情况，得出地表蒸发为土壤水同位素富集的主要原因。通过土柱同位素交换实验．分析了输入降水与土壤水的交换混合作用．结果表明，输入降水与土壤水同住素交换程度较大，不同同住素组成的降水与土壤水混合是土壤水同位素改变的一种重要方式。最后综合分析了蒸发分馏和降水入渗共同作用下的土壤水同位素变化情况。
关键词：土壤水Ｉ氢氧同位素变化；土壤蒸发分馏模型；交换混合中图分类号：ＴＶｌ２１，Ｐ３３４；０６１５．２
文献标志码：Ａ
水中稳定同位素可作为一种天然的示踪剂追踪水在土壤中的输送过程，利用土壤水中稳定同位素的变化可提供水在土壤中的迁移信息［１］。
国内外对土壤水稳定同位素进行了一系列研究。Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ等口３研究了饱和土柱稳定同位素分布情况，得出稳态条件下土壤水同位素浓度随深度呈指数递减。Ｂａｒｎｅｓ和Ａｌｌｉｓｏｎ［３叫］研究了非饱和土柱在恒温和非恒温条件下土壤剖面同位素的分布。Ｎｅｗｍａｎ等［７］利用同位素示踪了美国新墨西哥州北部森林土壤水运动过程。Ｍａｔｈｉｅｕ等［８３利用水体稳定同位素的变化研究了非洲西部Ｂａｒｏｇｏ流域的下渗及地下水补给情况，通过比较土壤水和雨水的同位素组成分析了两种典型的降雨人渗过程。田立德等［９３根据青藏高原中部降水和土壤水中稳定同位素，分析了不同层位土壤剖面中稳定同位素变化规律及水分迁移关系。包为民等口“１１］对同位素技术在湖泊水文学中的应用及流量过程线分割进行了研究。鉴此，本文分析了改变土壤水氢氧同位素浓度的主要影响因素，通过蒸发土壤同位素剖面分布模型和土柱同位素交换实验，探讨了土壤水氢氧同位素的变化规律。
收稿日期：２００８—０３—２７，修回日期：２００８—０５—０４
１
影响土壤水同位素浓度变化的因素
降水人渗、蒸腾和蒸发等对土壤水分中氢、氧
同位素影响不同，植物根系吸收水分时一般不会发生同位素分馏［１Ｚ，１３］。影响土壤水同位素变化的原因有三方面：①不同同位素含量的降水入渗土壤后，与土壤水发生交换混合，原有土壤水同位素浓度发生改变；②水分在土壤中水平迁移和垂向运动过程中发生蒸发分馏，土壤水同位素浓度逐渐富集。③水岩交换对深层土壤水同位素组成的改变，同位素分馏作用缓慢，研究低温浅层土壤水同位素变化时可忽略。
１．１
降水与土壤水的交换混合作用
降水时，一部分通过地表下渗入土壤并与土壤
基质中温度更低的水混合或扩散，深层的下渗将导致水流在上层滞水面或地下水面的饱和层中混合，在饱和层上的水分先蒸发然后在饱和面积上进行侧向运动或反渗，这种交换混合改变了原土壤水同位素特征。通过确定输入降水的同位素组成、示踪水分运动过程中土壤水同位素浓度的改变量，可了解降水与土壤水（地下水）的交换混合过程。
１．２蒸发分馏影响
基金资助：国家自然科学基金资助项目（５０６７９０２４）；。十一五”国家科技支撑课题基金资助项目（２００６撇５８０２）；河海
大学国家重点实验室开放研究基金资助项目（２００５４０６４１１）；江苏省研究生培养创新工程基金资助项目（ＣＸ０７Ｂ＿１３０Ｚ）
作者简介：胡海英（１９８３一）．女，博士研究生。研究方向为水文水资源及同位素水文学，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｙｈｈｍ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ＣＤ．
通讯作者：包为民（１９５６一），男，教授、博导，研究方向为水文水资源，Ｅ－ｍａｉｌ．．ｗｍｂａｏ＠ｐｕｂｌｉｃｌ．ｐｔｔ．ｊｓ．ｃｎ
万方数据
・
１５０・水电能源科学２００８焦
地表径流、不饱和带或潜水面的蒸发可使水分损失、土壤水发生同位素富集。因此，蒸发作用引发的同位素分馏使土壤水中同位素特征产生显著变化。干旱地区，地下同位素组成与当地降水相比有明显差异，蒸发分馏使土壤水发生强烈的同位素富集。
２土壤水同位素蒸发分馏模拟
受蒸发作用影响的土壤水Ｄ（稳定的氢元素同位素）和１８０纵剖面分布可用土壤水流运动的物理模型解释。在土壤中，液态水由于水力梯度的作用而运动。遵循达西定律，对水中稳定同位素可将其作为在对流和分子扩散作用下的溶质进行模拟。假定不同同位素分子扩散时遵循菲克定律，在Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ土壤同位素分布模型［２］中，恒温稳态下土壤剖面同位素分子向下扩散通量Ｄ。（ｄ占／ｄｚ）
与向上对流通量Ｅ（艿一如）达到平衡，满足：
Ｄ。ｄ占／ｄｚ—Ｅ（艿一ｄ。）（１）
艿一盈。－ｔ－－（况一艿。）ｅ一７ｚＩ
（２）
式中，Ｄ。为液相同位素分子有效扩散率，ｍｍ２／ｓ；
艿为土壤水同位素含量；Ｅ为蒸发速率，ｒａｍ／ｓ；如
为土柱底部水源进入土柱水的同位素含量；ｚ为纵座标，向下为正，ｍｍ；岛为土壤表面ｚ一０处水中的同位素含量；土壤一水液相同位素边界层厚度Ｚｆ＝Ｄ。／Ｅ。图１为稳态恒温下（土壤蒸发过程中蒸发率不变，无降雨输入）饱和土柱土壤水同位素含量随深度变化的模拟。
占Ｄ／％０
图１
经历蒸发分馏的饱和土柱同位素分布
Ｆｉｇ．１
Ｉｓｏｔｏｐｅｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎ
ａ
ｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｌｃｏｌｕｍｎ
由图１可知，在蒸发锋面上（饱和土壤ｚ＝ｏ）土壤水稳定同位素含量值最富集，随深度增加呈指数递减，一定深度时土壤水稳定同位素含量逐渐趋于稳定，表明在土壤水蒸发锋面上蒸发分馏达最大，蒸发锋面的最大富集产生了沿土柱的浓度梯度。Ｂａｒｎｅｓ和ＡｌｌｉｓｏｎＣ３—６３进一步研究了典型非饱和土柱土壤恒温条件下同位素的分布，以蒸发锋面为界将非饱和土壤分为水汽扩散和液相两个运移区，蒸发锋面以下液相运移区同位素剖
万
方数据面与饱和土柱土壤分布类似（图２）。在气体扩散区由于残余孔隙水与蒸发水汽间的交换，近土壤剖面顶端的同位素值较低，往下逐渐富集，蒸发锋面达到最大值。
图２经历蒸发分馏的非饱和土柱同位素分布Ｒｇ．２
Ｉｓｏｔｏｐｅｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎ
ａｎ
ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｃｏｌｕｍｎ
Ｇａｚｉｓ等［１４］通过对比土壤水和降水中的艿Ｄ、艿１８０，发现地表水分强烈蒸发使浅层土壤水（＜
２０
ｃｍ土壤水）富集１８０。Ｃｌａｒｋｃｌ３对阿曼苏日特雷
特Ｓｌｕｔａｎａｔｅ地区径流采样，发现夏季径流同位素较富集，水体在流动过程中发生了强烈的蒸发。理论模拟和实际流域同位素的分布均表明，地表水分蒸发为同位素富集的主要原因，天然条件下蒸发分馏、输入降水、气象条件等也是影响因素，不同地点不同季节分布均不同［７￣９］。
３降水与土壤水交换混合实验
为分析不同同位素组成的降水与土壤水的交换混合程度进行了土柱同位素交换实验。假设用同位素值较低的水输入装有天然土壤的土柱中，若测得输出水中同位素值为富集，表明原土壤水相对于输入水较富集重同位素，在交换混合过程中吸附了输入水中的轻同位素而释放了重同位素；反之，若测得输出水中同位素值为贫化，表明原土壤水较富集轻同位素，在交换过程中吸附了输入水中的重同位素而释放了轻同位素。土壤水和输入水轻、重同位素分子的交换过程为：
Ｈ２１８０土壤术＋Ｈ２１６０ｍ人水甘Ｈ２１８０－人水十Ｈ２１６０土壤水
（３）
取结晶化合物含量较低的粘土放人直径和高度都为３５ｃｍ的不锈钢桶中，制作两个等重的浸泡土柱（Ａ，Ｂ）（图３）。向每个土柱输入１０ｋｇ水，初
始同位素含量伊８０、砌分别为一６．３％０、－－４３．７‰。
实验过程中，土柱上面用塑料薄膜盖住、扎紧，排除蒸发分馏的影响，仅考虑输入水与土壤水交换混合作用。每隔一定时间对土柱中浸泡水取样一次，每次取样前将土柱中水充分搅拌，使浸泡水混合均匀，确保各部分水中同位素组成一致。土壤水与输
第２６卷第４期胡海英等：土壤水中氢氧同位素变化模拟及实验
・１５１・
图３实验土柱示意图
Ｆｉｇ．３
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｏｉｌｃｏｌｕｍｎ
入水混合均匀前后同位素浓度平衡方程为：
ＣＭ¨＝ＣｓＶｓ＋ＣＩＶＩ
（４）
式中，Ｃ为同位素浓度；Ｖ为体积；下标Ｍ、Ｓ、１分
别为混合输出水、土壤水、初始输入水。
收集的水样经ＭＡＴ一２５３气体质谱仪水样同位素测定，伊８０、艿Ｄ测样误差分别为士０．１％ｏ、±０．５‰，结果见表１。
表１土柱输出水同位素含量随时间的变化过程
Ｔａｂ．１
Ｖａｒｉａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆ
ｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｎｔｅｎｔ
ｉｎｏｕｔｐｕｔ
ｗａｔｅｒ
土柱Ａ
土柱Ｂ
时间／ａ
一８０／‰
６Ｄ／‰
时间／ｄ
ａ］８０／‰６Ｄ／‰
０
—６．３—４３．７Ｏ一６．３—４３．７２
—５．２—３５．０５
—４．９
—３Ｚ．７
５—５．１—３４．８１１—５．１—３４．３１６
—５．１
—３３．８
由表１可看出，输入水与土柱中土壤水交换混合后输出水的同位素含量变富集。当土壤水与输入水的质量比分别为１６：５０（土柱Ａ）和１７：５０（土柱Ｂ）时，输出混合水伊８０值从初始的一６．３‰变为一５．１‰（Ａ）和一４．９％０（Ｂ），改变量为１９．１％
和２２．２％；输出混合水扣值从初始的－－４３．７‰变
为－－３３．８‰（Ａ）和－－３２．７‰（Ｂ），改变量为２２．７％和２５．２％，表明输入水与土壤水交换混合程度较大。由图４可见，输入水、土壤水与稳定后混合输出水均在一条线上，表明实验期间未发生蒸发分馏，符合终端成分同位素混合模型［１５１。原有土壤水同位素组成偏正，表明实验前土壤经受蒸发分馏作用较富集重同位素。
由图５交换混合时间看出，无蒸发分馏时输
图４实验土柱水体同位素组成
Ｆｉｇ．４
Ｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｏｆｗａｔｅｒｉｎｃｏｌｕｍｎｓ
万
方数据图５土柱Ａ混合输出水∥。Ｏ值随时间变化
Ｆｉｇ．５
５１８０ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｏｕｔｐｕｔ
ｗａｔｅｒｉｎｃｏｌｕｍｎＡ
入水与土壤水交换在短时间内混合充分，此后输出水同位素含量变化不大，表明土壤水与加入水混合同位素浓度平衡后浓度不随时间变化。实验反映了天然降水和土壤水的交换混合作用，不同同位素组成的降水和土壤水交换混合为土壤水同位素改变的一种重要方式。这种混合作用还会在具有不同同位素组成的土壤水间发生，在土壤水穿透和行进过程中不断进行［１引。
４土壤水同位素变化
由于土壤水分补给和消耗季节变化、地表土
壤蒸发及土壤水和深层地下水间的同位素差异，土壤水同位素变化是一相对复杂的过程‘７￣９Ｊ引。土壤水同位素受蒸发分馏和降水下渗等因素的影响，流域中现存土壤水同位素的组成就为原土壤水和当次降水的混合。此过程不断重复，结果使补给的地下水同位素组成在一定范围内变化并决定于当次降水的同位素变化和蒸发引起的土壤水分的损失。图６为蒸发土壤水与渗透雨水混合补给地下水的同位素变化过程ｎ］。
图６蒸发土壤水与下渗降水混合的同位素组成示意图Ｆｉｇ．６
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｏｆ
ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ
ｓｏｉｌ
ｗａｔｅｒａｎｄｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｒａｉｎ
不同地区、不同流域影响土壤水氢氧同位素浓度改变的因素作用程度不同。干旱地区，流域径流系数小，降水在流域中的滞留时间长，土壤蒸发分馏作用显著，接近地面的土壤水中稳定同位素的富集就对径流、地下水中同位素的浓度影响
较大。在径流系数较高的湿润流域，蒸发作用对
土壤水同位素特征的改变较小，降水输入与土壤
・
１５２・水电能源科学
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ｏｆ
２００８定
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瓦一
ＷａｔｅｒＭｏｖｅ。
ｍｅｎｔｉｎｔｈｅＵｎｓａｔｕｒａｔｅｄＺｏｎｅＵｓｉｎｇＳｔａｂｌｅＩｓｏｔｏｐｅｓｏｆＨｙｄｒｏｆｆ８ｎａｎｄ
ｏｘｂ＇ｇ。ｎ［Ｊ］・Ｊｏｕｒｎａｌ
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娃｛五当口Ｆ口
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２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄ
ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖ．，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９８，Ｃｈｉｎａ）
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万方数据
土壤水中氢氧同位素变化模拟及实验
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
HU Haiying， 包为民， WANG Tao， 瞿思敏， HU Haiying， BAO Weimin， WANG Tao，QU Simin
河海大学,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏,南京,210098;河海大学,水文水资源学院,江苏,南京,210098水电能源科学
WATER RESOURCES AND POWER2008,26(4)4次
参考文献(16条)
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素水文实验研究[期刊论文]-水电能源科学2009,27(1)
3. 刘锋. 李延河. 林建. LIU Feng. LI Yanhe. LIN Jian 北京永定河流域地下水氢氧同位素研究及环境意义[期刊论文]-地球学报2008,29(2)
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6. 胡海英. 包为民. 王涛. 瞿思敏. 胡琳. 江鹏. HU Hai-ying. BAO Wei-min. WANG Tao. QU Si-min. HU Lin. JIANG Peng 氢氧同位素在水文学领域中的应用[期刊论文]-中国农村水利水电2007(5)
引证文献(4条)
1. 王涛. 包为民. 李璐. 胡海英. 瞿思敏 土壤-水混合实验同位素变化研究[期刊论文]-水文地质工程地质 2010(2)2. 刘君. 卫文. 张琳. 王莹. 段宝谦. 刘福亮 土壤水D和18O同位素在揭示包气带水分运移中的应用[期刊论文]-勘察科学技术 2012(5)
3. YongQin CUI. JianYing MA. Wei SUN Application of stable isotope techniques to the study of soilsalinization [期刊论文]-干旱区科学 2011(4)
4. 崔永琴. 马剑英. 孙伟. 刘小宁. 王绍明 稳定同位素技术在盐渍土研究中的应用[期刊论文]-干旱区研究 2011(3)
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