戴軍杰，章新平，2?，羅紫東，王 銳，劉福基，賀新光，2

（1. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081；2. 湖南師范大學(xué)地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410081；3. 無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院管理工程系，江蘇無(wú)錫 214028）

土壤水作為水資源的重要組成部分，是降水、地表水、植物水和地下水之間相互轉(zhuǎn)化的紐帶[1-3]。有關(guān)土壤水分在非飽和帶遷移的研究有利于提高人們對(duì)土壤水分再分配過(guò)程的認(rèn)識(shí)[3]。研究土壤水分遷移的傳統(tǒng)方法多基于土壤水的數(shù)量變化，難以追蹤土壤水分的具體來(lái)源與去向[1]。而利用穩(wěn)定同位素示蹤的方法可從微觀上提取土壤水分信息[4]，準(zhǔn)確地揭示土壤水分運(yùn)移規(guī)律（入滲、蒸散、補(bǔ)給、滯留）。大量研究表明[1，3-6]，影響土壤水穩(wěn)定同位素變化的主要因素包括降水、入滲和蒸發(fā)等。自然條件下土壤水分的初始源是降水，土壤水穩(wěn)定同位素組成很大程度上繼承了降水穩(wěn)定同位素的變化信息。降水入滲到土壤的水分與原有的土壤水發(fā)生混合，越往深層，土壤水穩(wěn)定同位素值的變化越小[5]。入滲過(guò)程的同時(shí)伴隨蒸發(fā)，使重同位素（2H和18O）通常在土壤表層明顯富集[7]。

目前，穩(wěn)定同位素技術(shù)已成為研究土壤水分遷移的重要手段。相較而言，研究者更關(guān)注土壤水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化、剖面分布以及組成關(guān)系。受降水穩(wěn)定同位素和環(huán)境要素的影響，土壤水穩(wěn)定同位素具有明顯的季節(jié)性變化[4]。如Robertson和Gazis[8]通過(guò)在華盛頓州的取樣發(fā)現(xiàn)，土壤水和降水中氧穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化均遵循區(qū)域氣候特征。根據(jù)土壤水穩(wěn)定同位素在垂直剖面的變化特征，不少學(xué)者在研究中找到了土壤中優(yōu)先流存在的證據(jù)[6-7，9-11]。受穩(wěn)定同位素分餾的作用，區(qū)域大氣降水中氫、氧穩(wěn)定同位素比率（δ2H與δ18O）的線性關(guān)系即區(qū)域大氣降水線（Local meteoric water line，LMWL）的斜率通常要高于土壤水線（Soil water line，SWL）[9，12-15]。盡管當(dāng)前有關(guān)土壤水穩(wěn)定同位素變化的研究成果已很豐碩，但研究區(qū)域以干旱、半干旱地區(qū)[6，9-12，15-17]居多，而在濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)[3，18-19]相對(duì)較少；相關(guān)研究普遍基于短時(shí)間內(nèi)收集的數(shù)據(jù)，不利于發(fā)現(xiàn)土壤水和降水穩(wěn)定同位素季節(jié)上的變化細(xì)節(jié)以及SWL與LMWL之間的內(nèi)在聯(lián)系。

本文選取位于典型亞熱帶季風(fēng)區(qū)的長(zhǎng)沙作為研究區(qū)域，基于2017年3月至2019年2月長(zhǎng)沙地區(qū)樟樹(shù)林土壤水、降水和地下水穩(wěn)定同位素以及環(huán)境因子（包括土壤含水量、土壤溫度和氣象要素）連續(xù)的監(jiān)測(cè)資料，分析土壤水穩(wěn)定同位素變化特征及影響因素，旨在揭示復(fù)雜季風(fēng)系統(tǒng)影響下研究區(qū)土壤水穩(wěn)定同位素隨時(shí)間的變化及其在土壤剖面的分布規(guī)律和水線特征。研究結(jié)果對(duì)于理解長(zhǎng)沙地區(qū)林地土壤水分遷移規(guī)律提供了來(lái)自水穩(wěn)定同位素的證據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)沙地區(qū)氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，夏季盛行西南和東南季風(fēng)，冬季盛行偏北風(fēng)。多年平均氣溫17.4℃，多年平均降水量1 447 mm，多年平均蒸發(fā)量902 mm。試驗(yàn)場(chǎng)地位于湖南省長(zhǎng)沙市望城區(qū)八曲河村（28°22′09″N，112°45′43″E）。樣地屬低丘坡面，地勢(shì)較為平坦，坡度約為2°～3°，海拔50 m左右。地帶性土壤為紅壤，pH在6.0～7.0之間。在0～130 cm土壤剖面上，粉粒占700 g·kg-1以上，質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土，土壤容重在1.16～1.40 g·cm-3范圍，隨土壤深度增加而增大，土壤孔隙度在47.2%～56.2%之間，隨土壤深度增加而減小。試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)90%以上樹(shù)種為樟樹(shù)（Cinnamomum camphora），其根系集中分布于1 m以內(nèi)，水平根系尤為發(fā)達(dá)，平均樹(shù)齡約13 年，平均樹(shù)高約9 m。林內(nèi)伴生種有馬尾松（Pinusmassoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolate）等，地面草本植物稀少。

1.2 樣品采集及分析

于2017年3月至2019年2月在試驗(yàn)場(chǎng)地采集土壤樣品。土樣通過(guò)手持式土壤取樣鉆機(jī)（SD-1，科力，澳大利亞）鉆取。取樣深度為0～130 cm，間隔為每10 cm，每月采集2～3次，每次取3個(gè)平行土樣。取樣時(shí)，將新鮮土樣裝入10 mL玻璃瓶中，密封、編號(hào)、冷凍保存。土壤樣品利用全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)（LI-2100，LICA，中國(guó)）抽提出土壤水，水分抽提率約99%。

同期在研究區(qū)進(jìn)行降水樣采集工作。按照氣象部門制定的降水量觀測(cè)規(guī)范，對(duì)降水量大于等于0.1 mm的降水，在降水日的08：00和20：00各進(jìn)行一次取樣，取樣時(shí)記錄降水時(shí)段的平均溫度和降水量。同期在試驗(yàn)場(chǎng)地外約30 m處的水井采集地下水樣，采集時(shí)間及頻率與土壤樣品的采集保持一致，井深20 m，地下水水位埋深約18 m。降水和地下水樣均裝入30 mL聚乙烯樣品瓶?jī)?nèi)，密封、編號(hào)、低溫（4℃）保存。

取樣期間共獲取土壤水樣692個(gè)，降水樣278個(gè)，地下水樣57個(gè)。所有水樣過(guò)濾后均利用氣-液兩用型水穩(wěn)定同位素分析儀（DLT-IWA-35EP，LGR，美國(guó)）測(cè)定氫、氧穩(wěn)定同位素組分。測(cè)試的穩(wěn)定同位素豐度用相對(duì)于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（V-SMOW）穩(wěn)定同位素比率的千分差值表示：

式中，Rsample和RV-SMOW分別代表水樣和標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水中穩(wěn)定同位素比率（2H /1H或18O/16O）。δ2H和δ18O的測(cè)試精度分別為±0.6‰和±0.2‰。本文中，除降水和土壤水穩(wěn)定同位素的平均值分別為相應(yīng)時(shí)段內(nèi)降水量和土壤含水量的加權(quán)平均值外，其他所有要素的平均值均指時(shí)段內(nèi)的算術(shù)平均值。

1.3 土壤水分、溫度及氣象數(shù)據(jù)的獲取

取樣地的土壤體積含水量和土壤溫度采用布設(shè)于樣地中心位置的云智能管式土壤水分溫度監(jiān)測(cè)儀（RWET-100，智墑，中國(guó)）測(cè)定。儀器探頭位于0～100 cm每隔10 cm處，監(jiān)測(cè)精度分別為±2.5%和±0.5 ℃，監(jiān)測(cè)時(shí)間自2017年2月起，采集頻率為每60 min一次。土壤含水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用烘干稱重法進(jìn)行水分校正。

降水量、氣溫等氣象數(shù)據(jù)由安裝于林外約50 m處的微型自動(dòng)氣象站（232，WeatherHawk，美國(guó)）獲取，監(jiān)測(cè)時(shí)間自2016年12月起，采集頻率為每30 min一次。

陸面蒸發(fā)量采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的逐日再分析數(shù)據(jù)（ERAInterim），格點(diǎn)精度為0.125°×0.125°，時(shí)間范圍從2017年1月至2019年2月。

1.4 不同水體中l(wèi)c的計(jì)算

δ2H與LMWL的差值（Line-conditioned excess，lc）為水體中δ2H與LMWL的偏離程度，它可表征不同水體相對(duì)于區(qū)域大氣降水的蒸發(fā)程度[14，20]：

式中，a和b分別為L(zhǎng)MWL的斜率和截距，δ2Hsample和δ18Osample為水樣中的穩(wěn)定同位素比率。降水中l(wèi)c的變化與不同季節(jié)的水汽來(lái)源有關(guān)，研究時(shí)段降水中l(wèi)c的平均值為0‰。源于降水的水體中穩(wěn)定同位素因蒸發(fā)分餾，其lc的平均值通常要小于0‰[21]。

文中有關(guān)不同深度土壤水中l(wèi)c平均值之間的顯著性差異以及相關(guān)系數(shù)的顯著性均用t檢驗(yàn)方法。

2 結(jié) 果

2.1 土壤水穩(wěn)定同位素的時(shí)間變化

取樣期間日降水量（P）、蒸發(fā)量（E）、日均氣溫（TA）、土壤含水量（θ）和土壤溫度（TS）等環(huán)境要素以及降水、土壤水和地下水中穩(wěn)定同位素組成（以δ2H為例）的時(shí)間變化見(jiàn)圖1。P在0.2～146.4 mm范圍內(nèi)變化，雨季（4月—9月）的累積降水量占總降水量的65.9%，平均降水強(qiáng)度達(dá)17.4 mm·d-1；旱季（10月—次年3月）的累積降水量占總降水量的34.1%，平均降水強(qiáng)度僅6.5 mm·d-1。E的變化范圍為0.3～6.8 mm，平均值2.7 mm，月平均最大值和最小值分別出現(xiàn)于7月和1月，為5.1 mm和0.9 mm。TA的變化范圍為-2.6～33.4℃，其季節(jié)變化與E較一致，月均最低值和最高值分別出現(xiàn)于1月和7月。0～100 cm深度θ介于28.03%～38.77%之間，低值出現(xiàn)于7月—10月，這與該階段土壤蒸發(fā)較強(qiáng)烈、植被蒸騰旺盛有關(guān)。隨土壤深度增加，θ呈增加的變化趨勢(shì)，變化范圍和離散度均減小。比較而言，0～10 cm深度θ對(duì)降水的響應(yīng)更迅速。與TA相比，TS的變化范圍和離散度較小。TA與TS的滯后相關(guān)分析表明，從0～10 cm至90～100 cm深度，TS較TA的滯后天數(shù)從1 d逐漸增加至32 d，說(shuō)明了大氣與土壤剖面的熱量交換過(guò)程存在不同程度的時(shí)滯。

降水中δ2H在-94.97‰～30.53‰范圍內(nèi)變化，平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為-42.46‰±25.80‰。受季風(fēng)區(qū)冬、夏半年不同水汽來(lái)源的影響，降水穩(wěn)定同位素具有顯著的季節(jié)變化。降水中δ2H的月均最大值和最小值分別出現(xiàn)于4月和9月，為-8.63‰和-73.61‰。與降水中δ2H相比，土壤水和地下水中δ2H的變化范圍和離散度均較小。土壤水中δ2H的季節(jié)變化隨深度增加逐漸減弱。0～60 cm土壤水中δ2H的季節(jié)變化與降水同位素有一定相似性，但在時(shí)間上存在滯后。如0～60 cm各深度土壤水中δ2H的月均最大值均出現(xiàn)于5月，月均最小值出現(xiàn)于9月—12月。60～130 cm土壤水和地下水中δ2H的季節(jié)變化均不明顯。上述結(jié)果表明，降水能夠直接影響土壤水的深度范圍在0～60 cm，60 cm以下土壤水和地下水中更多地保存前期多次累積的降水穩(wěn)定同位素信息，舊水的滯留時(shí)間較長(zhǎng)。

在垂直剖面上，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～90 cm和90～130 cm土壤水以及地下水中δ2H的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差依次為-49.83‰±22.53‰、-53.38‰±19.75‰、-54.40‰±13.94‰、-52.33‰±10.16‰、-50.11‰±8.91‰、-50.64‰±6.56‰和-36.15‰±2.33‰。由表層至深層，土壤水中δ2H的平均值呈先減后增的變化趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，土壤水穩(wěn)定同位素變化在垂直剖面上趨于穩(wěn)定；由于地下水受大氣降水的干擾小，其穩(wěn)定同位素值始終保持平穩(wěn)。

不同年份的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，前1年（2017年3月至2018年2月）降水在季節(jié)上分布不均，3月—8月的降水量占年降水量的85%，后1年（2018年3月至2019年2月）降水日數(shù)較前1年明顯增多，年內(nèi)降水變率減??；前1年和后1年降水中δ2H的平 均 值±標(biāo) 準(zhǔn) 差 分 別 為-48.23‰±28.74‰和-35.62‰±23.18‰。受降水的影響，后1年0～130 cm土壤水中δ2H較前1年的平均值偏大，離散度偏小。

圖1 所選環(huán)境要素與降水（P）、土壤水（SW）和地下水（GW）中氫穩(wěn)定同位素比率（δ2H）的時(shí)間變化Fig. 1 Temporal variations of selected environmental factors and hydrogen stable isotopic ratio（δ2H）in precipitation（P），soil water（SW）and groundwater（GW）

2.2 土壤水中l(wèi)c變化及與δ2H的關(guān)系

取樣期間降水、土壤水和地下水中l(wèi)c的時(shí)間變化見(jiàn)圖2。降水、0～130 cm土壤水和地下水中l(wèi)c的平均值從大到小依次為：降水（0‰±5.56‰）、地下 水（-1.59‰±1.51‰）、0～130 cm土 壤 水（-5.64‰±2.98‰）。其中，地下水中l(wèi)c的平均值與降水較接近，表明地下水穩(wěn)定同位素受蒸發(fā)分餾的影響很小。根據(jù)對(duì)不同水體中l(wèi)c的時(shí)間序列分析，降水中l(wèi)c的季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季低、冬季高，月平均最大值和最小值分別出現(xiàn)于1月和7月，這與E、TA的季節(jié)變化恰好相反。0～60 cm土壤水中l(wèi)c的季節(jié)變化較降水中l(wèi)c滯后約1～3個(gè)月，60 cm以下土壤水和地下水中l(wèi)c的季節(jié)變化均不明顯。

垂直剖面上，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～90 cm和90～130 cm土壤水中l(wèi)c的 平 均 值±標(biāo) 準(zhǔn) 差 依 次 為-8.01‰±4.31‰、-6.73‰±2.90‰、-5.68‰±2.38‰、-5.09‰±2.03‰、-4.22‰±1.60‰、-4.09‰±1.59‰。由表層至深層，土壤水中l(wèi)c的平均值增大，標(biāo)準(zhǔn)差減小，逐漸趨于穩(wěn)定。說(shuō)明土壤水經(jīng)歷的蒸發(fā)作用隨深度增加逐漸減弱。統(tǒng)計(jì)表明，0～10 cm土壤水中l(wèi)c的平均值與其他土層間均具有顯著性差異（P＜0.05）。

圖2 降水、土壤水和地下水中δ2H與區(qū)域大氣水線（LMWL）的差值（lc）的時(shí)間變化Fig. 2 Temporal variations of deviations of δ2H in precipitation，soil water and groundwater from the local meteoric water line（LMWL）（Line-conditioned excess，lc）

土壤水中l(wèi)c是由土壤水中δ2H和δ18O組成的一個(gè)二級(jí)指標(biāo)，它的大小受δ2H和δ18O變化的影響。不同深度土壤水中l(wèi)c與相應(yīng)δ2H的相關(guān)關(guān)系如圖3所示。其中，以0～130 cm土壤水中l(wèi)c與δ2H的擬合線作為剖面的平均狀況。各深度土壤水中l(wèi)c與δ2H均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.05的信度。這意味著，土壤水中δ2H越低，lc越小，也即δ2H偏離LMWL的程度越大，土壤水穩(wěn)定同位素受到的蒸發(fā)富集作用越強(qiáng)烈；反之，土壤水中δ2H越高，lc越大，也即δ2H偏離LMWL的程度越小，土壤水穩(wěn)定同位素受到的蒸發(fā)富集作用越弱。因此，土壤水中l(wèi)c的高低很大程度上反映了土壤水經(jīng)歷的蒸發(fā)作用程度。

由不同深度土壤水中l(wèi)c與相應(yīng)δ2H的關(guān)系比較可知，0～10 cm土壤水中l(wèi)c與δ2H的擬合線較0～130 cm的擬合線明顯偏低；10～20 cm土壤水中l(wèi)c隨δ2H的平均變化率最小，僅為0.06（即土壤水中δ2H每增加1‰時(shí)，lc增加0.06‰）；20～40 cm土壤水中l(wèi)c與δ2H的關(guān)系與剖面的平均狀況最為接近，在圖3c）中表現(xiàn)為20～40 cm與0～130 cm土壤水中l(wèi)c與δ2H的擬合線幾乎重合；40～60 cm土壤水中l(wèi)c與δ2H的相關(guān)關(guān)系最好，且lc隨δ2H的平均變化率最大，為0.12；60 cm以下土壤水中l(wèi)c與δ2H的相關(guān)性隨深度增加逐漸變?nèi)酢?/p>

2.3 土壤水中l(wèi)c與環(huán)境要素的關(guān)系

根據(jù)lc的定義，土壤水中l(wèi)c的大小與局地的環(huán)境要素有關(guān)。土壤水穩(wěn)定同位素因蒸發(fā)富集而偏離大氣水線，因此土壤水中l(wèi)c與蒸發(fā)聯(lián)系密切。盡管土壤水中l(wèi)c受蒸發(fā)的直接影響，但二者之間的同期相關(guān)關(guān)系不密切。除0～10 cm土壤外，10 cm以下各層土壤水中l(wèi)c與同期E、TA的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均在0.01～0.29的較低水平。除此之外，影響蒸發(fā)季節(jié)變化的另一重要因子是溫度，也即熱量。由于土壤蒸發(fā)是一個(gè)累積過(guò)程，故考慮前期大氣的累積蒸發(fā)量（∑E）和累積溫度（∑TA）對(duì)土壤蒸發(fā)的影響。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（圖略），土壤水中l(wèi)c與前期不同∑E、∑TA之間的相關(guān)關(guān)系隨累積天數(shù)的增加而增加，并逐漸穩(wěn)定。分別將前期30 d、60 d和90 d的∑E、∑TA作為影響0～10 cm、10～20 cm和20 cm以下土壤水中l(wèi)c的主要環(huán)境要素，并計(jì)算不同深度土壤水中l(wèi)c與其主要環(huán)境要素的相關(guān)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)結(jié)果列入表1。

圖3 不同深度土壤水中l(wèi)c與δ2H相關(guān)關(guān)系（n=54）Fig. 3 Correlations between lc and δ2H in soil water relative to soil depth（n=54）

表1 不同深度土壤水中l(wèi)c與前期大氣累積蒸發(fā)量（∑E）、累積溫度（∑TA）和土壤含水量（θ）的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlations of lc in soil water with accumulated atmospheric evaporation（∑E），accumulated atmospheric temperature（∑TA）and soil water content（θ）in the preceding period relative to soil depth

不同深度土壤水中l(wèi)c與對(duì)應(yīng)的∑E、∑TA均呈負(fù)相關(guān)。其中，0～60 cm土壤水中l(wèi)c與∑E、∑TA的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.01的信度。該結(jié)果表明，∑E與∑TA越大，lc越小，即土壤水穩(wěn)定同位素偏離區(qū)域大氣水線的程度越大；反之，∑E與∑TA越小，lc越大，即土壤水穩(wěn)定同位素偏離區(qū)域大氣水線的程度越小。這體現(xiàn)了前期的累積蒸發(fā)和累積熱量對(duì)土壤水中l(wèi)c的作用。

比較而言，0～10 cm土壤水中l(wèi)c與∑E、∑TA的相關(guān)性明顯優(yōu)于其他土層，表明大氣濕熱程度對(duì)表層土壤水中l(wèi)c的影響最顯著；10～60 cm各深度土壤水中l(wèi)c與∑E、∑TA的相關(guān)系數(shù)相近，為0.36～0.47；而60 cm以下的土壤水中l(wèi)c與∑E、∑TA的相關(guān)性逐漸變?nèi)?，說(shuō)明大氣濕熱程度對(duì)60 cm以下土壤水中l(wèi)c的影響變小。

土壤含水量θ能夠反映降水和蒸散發(fā)的動(dòng)態(tài)變化，它與土壤水中l(wèi)c之間也存在一定聯(lián)系。因此，表1還給出了不同深度土壤水中l(wèi)c與相應(yīng)深度θ的相關(guān)關(guān)系?？梢钥吹?，除60～90 cm土層外，各深度土壤水中l(wèi)c與θ均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.01的信度。結(jié)合圖1可知，較大的土壤含水量通常出現(xiàn)于低溫或降水的天氣條件下，期間林地蒸散發(fā)小，故土壤水中l(wèi)c較大；而較小的土壤含水量通常出現(xiàn)于高溫和連續(xù)干旱的天氣條件下，期間林地蒸散發(fā)大，土壤水中l(wèi)c較小。

2.4 土壤水中δ2H與δ18O的關(guān)系

水體中δ2H與δ18O的線性關(guān)系被定義為水線[22]。通過(guò)比較LMWL、SWL以及地下水線GWL（Groundwater water line）等可以揭示區(qū)域水文氣象狀況、不同環(huán)境要素的貢獻(xiàn)和不同水體的轉(zhuǎn)化關(guān)系[23]。不同水體中δ2H依δ18O的散點(diǎn)分布以及水線方程見(jiàn)圖4。

圖4 不同水體中δ2H與δ18O的散點(diǎn)分布及水線方程Fig. 4 Distribution of scatter points and water line equations of δ2H versus δ18O in different water bodies

研究區(qū)LMWL（δ2H=8.48δ18O+17.73）的斜率和截距均大于全球大氣水線GMWL（δ2H=8δ18O+10）[22]的斜率和截距，反映了季風(fēng)區(qū)暖濕的氣候特征[24]。由于土壤水和地下水的初始源為大氣降水，不同深度土壤水及地下水中δ2H與δ18O對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)均分布于LMWL附近，并位于LMWL的下方。土壤水中δ2H與δ18O的散點(diǎn)分布隨深度增加逐漸集中且越接近LMWL，說(shuō)明降水補(bǔ)給土壤水分剖面的過(guò)程中經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)作用。

通常，受穩(wěn)定同位素蒸發(fā)富集作用的影響，源于降水的蒸發(fā)水體其水線的斜率要低于LMWL的斜率[24]。但通過(guò)比較LMWL和不同深度SWL發(fā)現(xiàn)，各深度SWL的斜率均高于LMWL。相反，GWL的斜率遠(yuǎn)低于LMWL，這并不能說(shuō)明地下水穩(wěn)定同位素經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾，其可能原因是研究區(qū)地下水來(lái)自多年降水或其他水源的補(bǔ)給。此外，除40～60 cm深度SWL的截距高于LMWL外，其他深度SWL的截距均低于LMWL。

降水是土壤水的輸入項(xiàng)，土壤水穩(wěn)定同位素組成受降水的直接影響。對(duì)于林地而言，受冠層截留和枯枝落葉吸持的影響，僅有超過(guò)一定強(qiáng)度的降水才會(huì)對(duì)土壤水分的補(bǔ)給有貢獻(xiàn)。同時(shí)，降水強(qiáng)度在很大程度上影響雨滴在云下的二次蒸發(fā)[25]，改變LMWL，進(jìn)而影響SWL的斜率和截距。根據(jù)土壤含水量對(duì)降水事件的響應(yīng)（圖1），不同深度土壤含水量對(duì)P＜8 mm的日降水反應(yīng)不明顯，于是分別計(jì)算消除了0～8 mm范圍內(nèi)小降水事件（以字母k表示降水量閾值）后LMWLP＞k的斜率、截距及樣本數(shù)n，結(jié)果繪于圖5。

如圖5所示，隨著k的增加，LMWLP＞k的斜率和截距呈先增后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且均大于總的LMWL的斜率和截距。當(dāng)k=7.5 mm時(shí)，LMWL的斜率最大，為8.68，但仍低于0～90 cm各土層SWL的斜率，也低于0～130 cm土層SWL的斜率8.84；LMWLP＞7.5的截距相比總的LMWL增加了0.87。該結(jié)果說(shuō)明，盡管去除小降水事件干擾后的LMWLP＞k斜率更靠近SWL的斜率，但強(qiáng)降水事件并不是導(dǎo)致SWL斜率較LMWL偏大的原因。此外，不同降水量的LMWL與不同深度SWL的斜率與截距之間具有相似的變化趨勢(shì)，水線的斜率越大，水線的截距一般也越大。

圖5 去除小降水事件后LMWLP＞k的斜率、截距以及樣數(shù)nFig. 5 Slope，intercept and number of samples of LMWLP＞k after excluding small rainfall events

3 討 論

3.1 降水與土壤水穩(wěn)定同位素組成的比較

通常，源于降水的蒸發(fā)水體中穩(wěn)定同位素較降水更富集[24]。然而，研究區(qū)不同深度土壤水穩(wěn)定同位素的平均值均較降水同位素值偏低，該現(xiàn)象在黃土塬區(qū)[9]和呼和浩特地區(qū)[26]均有發(fā)現(xiàn)。程立平和劉文兆[9]認(rèn)為，產(chǎn)生的原因與研究區(qū)的氣候特征和降水穩(wěn)定同位素值的季節(jié)變化有關(guān)；劉君等[26]則認(rèn)為，土壤存在季節(jié)性補(bǔ)水，土壤水穩(wěn)定同位素值與補(bǔ)水季節(jié)的降水穩(wěn)定同位素值相近。本文基于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，土壤水更多地來(lái)自雨季（4月－9月）低穩(wěn)定同位素值的降水補(bǔ)給，期間平均降水強(qiáng)度17.4 mm·d-1，降水中δ2H的降水量加權(quán)平均值為-52.39‰，低于0～130 cm土壤水穩(wěn)定同位素的平均值（-51.35‰），新舊水混合充分；旱季（10月－次年3月）具有相對(duì)富集的穩(wěn)定同位素的降水補(bǔ)充土壤水較少，期間平均降水強(qiáng)度為6.5 mm·d-1，降水中δ2H的降水量加權(quán)平均值為-23.24‰，新舊水混合不充分，此時(shí)土壤中還滯留了雨季的降水。統(tǒng)計(jì)表明，降水穩(wěn)定同位素值較0～130 cm土壤水偏低的事件多出現(xiàn)于大降水事件中，平均降水強(qiáng)度20.7 mm·d-1。盡管其發(fā)生頻率僅占總降水事件的22.3%，但降水量超過(guò)總降水量的41.6%。此外，對(duì)于樟樹(shù)林而言，降水的穿透率隨降水量的增加呈對(duì)數(shù)函數(shù)增加[27]，這使得大降水相比小降水對(duì)土壤水分補(bǔ)給的貢獻(xiàn)更大，降水的下滲深度以及新舊水混合的程度更大，最終導(dǎo)致了觀測(cè)期間土壤水穩(wěn)定同位素的平均值較降水的穩(wěn)定同位素值偏負(fù)。

3.2 區(qū)域大氣水線（LMWL）與土壤水線（SWL）的比較

大量觀測(cè)[28-30]表明，受土壤水穩(wěn)定同位素蒸發(fā)富集作用的影響，中高緯度的內(nèi)陸地區(qū)SWL的斜率普遍較LMWL的斜率偏低。然而，亞熱帶季風(fēng)區(qū)的一些觀測(cè)卻顯示出相反的結(jié)果[18-19]，即SWL的斜率較LMWL偏高。張小娟等[18]認(rèn)為這是由于土壤水更多地來(lái)自前期降水；吳韋等[19]則認(rèn)為植被覆蓋以及土壤水的收集方式使土壤水同位素經(jīng)歷的蒸發(fā)分餾作用弱于降水。本文分析發(fā)現(xiàn)，盡管降水決定SWL的總體特征，但不是造成SWL的斜率高于LMWL這一現(xiàn)象的原因，該現(xiàn)象與降水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化以及土壤水穩(wěn)定同位素蒸發(fā)富集作用的季節(jié)性變化有關(guān)。根據(jù)不同深度土壤水中l(wèi)c與δ2H均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤水中δ2H越低，lc越小，土壤水中δ2H偏離LMWL的程度越大；反之，土壤水中δ2H越高，lc越大，土壤水中δ2H偏離LMWL的程度越小。受降水穩(wěn)定同位素季節(jié)變化的影響，土壤水中穩(wěn)定同位素比率以及l(fā)c也存在季節(jié)性的變化。以不同深度土壤水中δ2H的中位數(shù)為界劃分穩(wěn)定同位素分布的低值區(qū)（小于δ2H的中位數(shù)）和高值區(qū)（大于等于δ2H的中位數(shù)），統(tǒng)計(jì)與各深度土壤水穩(wěn)定同位素低值區(qū)和高值區(qū)對(duì)應(yīng)的lc、∑E和∑TA的平均值以及相應(yīng)的SWL；根據(jù)土壤水中l(wèi)c與∑E、∑TA的關(guān)系，0～10 cm、10～20 cm以及20 cm以下土層分別對(duì)應(yīng)前期30 d、60 d、90 d的∑E、∑TA，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

除60～90 cm外，各深度土壤水穩(wěn)定同位素低值區(qū)的平均∑E和平均∑TA均大于高值區(qū)，并且平均lc均小于高值區(qū)。該結(jié)果表明，各土壤層中相對(duì)較低的水穩(wěn)定同位素比率多散布于∑E和∑TA較大的暖季，由于期間經(jīng)歷的蒸發(fā)富集作用更強(qiáng)，SWL的斜率及截距明顯較小；反之亦然。土壤水穩(wěn)定同位素季節(jié)差異的結(jié)果說(shuō)明，在圖4的δ2H-δ18O相關(guān)散布中，位于左下角的散點(diǎn)較位于右上角的散點(diǎn)更加偏離LMWL，因此導(dǎo)致各深度SWL的斜率均大于LMWL的斜率。并且，降水補(bǔ)給土壤水的過(guò)程中穩(wěn)定同位素蒸發(fā)富集使得各深度SWL均偏向LMWL的右側(cè)，這導(dǎo)致SWL的截距基本均小于LMWL。但是在40～60 cm和60～90 cm深度SWL中，非常大的斜率（超過(guò)9.0）導(dǎo)致水線的上端上翹，出現(xiàn)了SWL的截距較LMWL（17.73）偏大的情況。

表2 不同深度土壤水穩(wěn)定同位素低值區(qū)和高值區(qū)lc、∑E和∑TA的平均值以及相應(yīng)的SWLTable 2 Mean values of lc，∑E and ∑TA and corresponding SWL in regions high or low in stable isotope ratio in soil water relative to soil depth

3.3 土壤水穩(wěn)定同位素的應(yīng)用前景

目前利用傳統(tǒng)手段如研究土壤水分季節(jié)變化、剖面分布等難以準(zhǔn)確把握土壤水分遷移以及將降水、植物水和地下水等水體聯(lián)系起來(lái)，而基于穩(wěn)定同位素示蹤的方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。后續(xù)開(kāi)展土壤水穩(wěn)定同位素變化特征的研究工作不僅要理解大氣水-土壤水-地下水相互轉(zhuǎn)換過(guò)程，也要深入了解植物水分利用來(lái)源以及揭示不同尺度的水循環(huán)過(guò)程。

4 結(jié) 論

在長(zhǎng)沙地區(qū)典型樟樹(shù)林地中，土壤水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化隨深度增加逐漸減弱并趨于穩(wěn)定。受降水的直接影響，0～60 cm土壤水與降水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化相近，但存在不同程度的時(shí)滯；60 cm以下土壤水和地下水穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化不明顯，其更多地保留了前期累積的降水穩(wěn)定同位素信息。由表層至深層，土壤水中l(wèi)c的平均值增大，標(biāo)準(zhǔn)差減小，逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明土壤水經(jīng)歷的蒸發(fā)作用隨深度增加逐漸減弱。相關(guān)分析表明，不同深度土壤水中l(wèi)c與δ2H均呈顯著正相關(guān)?！艵和∑TA對(duì)0～60 cm土壤水中l(wèi)c影響顯著，并且土壤含水量θ與土壤水中l(wèi)c之間也存在聯(lián)系。研究區(qū)存在SWL斜率高于LMWL斜率的現(xiàn)象，盡管與不同強(qiáng)度降水事件的影響具有一定關(guān)聯(lián)，但主要與降水同位素與土壤水同位素蒸發(fā)富集作用強(qiáng)度的反向季節(jié)性變化有關(guān)。