岷江上游冬季土壤理化性质对土壤水氢氧稳定同位素库的影响

The model estimation of isotopic composition in soil water is an important way to understand the process of soil water transportation, however, current land surface models frequently assume soil water and its isotopic signal are well mixed for simplification, which, influencs the accuracy of isotopic model. Recent studies have suggested that the surfaces of clay and organic matters and the ion all influence the isotopic signal of soil water, inducing various isotopic pools in water. Such studies mainly focused on the response of single soil property on the isotopic pools, which ignored the combined effects of different soil properties. Investigating these combined effects in different ecosystems and depths will provide the basis on effective usage of soil water model and accurate estimation of climatic and hydrologic processes. In this project the winter soil, located in the upper reaches of Minjiang River, in six ecosystems and different depths will be studied. The soil water will equilibrate with the labeling water via vapor and the influences of the soil physical and chemical properties on the size and turnover rate of isotopic pools will be investigated. Also, an empirical model, bridging the isotopic pools and soil properties, will be established to evaluate the isotopic relationship between winter soil water and local meteorology line. This project will be crucial for understanding the mechanism of water flow and improving the estimation of isotopic model of soil water.

对土壤水氢氧同位素值的模拟是研究水分运输的重要手段，然而地表模型经常简单假设土壤水混合均匀且同位素信号一致，该假设限制了土壤水同位素预测的准确性。最近研究表明粘粒和有机物的表面以及溶液中的离子均会影响土壤水中氢氧稳定同位素的均匀分布从而产生不同的同位素库，但这些研究主要集中在小尺度水平的单一因子对土壤水同位素库的影响上。探索不同生态系统以及深度下土壤理化性质对同位素库的综合影响可为土壤水中氢氧同位素模型的合理运用以及气候、水文过程的准确评估提供理论基础。因此，本项目以岷江上游六种典型生态类型下不同深度的冬季土壤为研究对象，利用平衡法探索不同土壤的关键理化性质对土壤水的氢氧同位素库大小及周转速度的影响，建立预测土壤水同位素库的经验模型，并利用该模型解释天然条件下冬季土壤水氢氧同位素组成与当地大气降水线的关系。该项目的实施有助于进一步理解土壤水的运输机制以及提高土壤水同位素模型模拟的准确性。

最近有很多的证据表明土壤水可能存在着不同的同位素库，这种结果挑战了地表模型中认为的土壤水氢氧稳定同位素均匀混合的假设。若不考虑土壤水的不同库存在同位素比值的差异可能会潜在影响当前基于同位素分馏理论的地球系统模型及水文模型的精度。然而由于影响土壤水同位素分馏的因子众多，目前的研究尚未探讨土壤水同位素库变异的驱动因素，也没有研究系统揭示土壤水不同的同位素库对水文过程评价的影响。本项目以岷江上游土壤表层水为研究对象，探讨土壤水中氢氧同位素库变异的驱动因子，并建立修正方程计算与大气平衡的土壤水库的大小，最终利用修正方程对自然状态下土壤水中氢氧同位素的大气平衡库进行修正，该研究获得如下新认识：.（1）该研究证实了土壤有机质及阳离子交换量对土壤水同位素库具有较大的影响，并发现在有机质含量较高的区域土壤水的同位素库会影响对lc-excess及“生态水文分开现象”的潜在评价，该研究为生态系统水分运输模型的进一步改进提供理论基础。.（2）该研究利用机器学习的方法建立了不同时期土壤水的同位素景观图谱，发现土壤含水量是控制预测模型的最关键因素，并对空间分布模型进行优化，结果表明机器学习的方法能很好地预测土壤水中氢氧同位素的空间分布，并利用结构方程模型分析了不同因子对土壤水氢氧同位素的直接和间接贡献，研究发现海拔主要通过土壤蒸发量间接影响土壤水同位素变化。.（3）该研究发现了不同的同位素库可能也存在于植被中，研究表明随着植被的萎蔫及含水量降低，有机质的表面效应增加，致使叶片在萎蔫过程中同位素比值逐渐降低，该研究为进一步探讨有机质对土壤-植被-大气连续体水分运输提供了理论基础。