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真空蒸餾提取與原位采集對土壤水氫氧穩定同位素值比值的影響

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-17 14:19:40    瀏覽次數:1    評論:0
導讀

摘要:為了研究不同采樣方法對采集的土壤水氫氧穩定同位素比值的影響,設計了室內降水入滲模擬試驗,收集土柱底部出流水、土壤溶液采樣器原位采集10 cm、40 cm、70 cm、100 cm處的土壤水,在相同層位采集土壤樣品並采用真空蒸餾法提取土壤水。通過樣品的氫氧穩定同位素比值對比分析可知,降水入滲幹燥的土壤過程中土顆粒優先吸

摘要: 為了研究不同采樣方法對采集的土壤水氫氧穩定同位素比值的影響,設計了室內降水入滲模擬試驗,收集土柱底部出流水、土壤溶液采樣器原位采集10 cm、40 cm、70 cm、100 cm處的土壤水,在相同層位采集土壤樣品並采用真空蒸餾法提取土壤水。通過樣品的氫氧穩定同位素比值對比分析可知,降水入滲幹燥的土壤過程中土顆粒優先吸附輕同位素,第一個收集的水分具有最正的氫氧穩定同位素比值;真空蒸餾法提取的土壤水是土壤吸濕水和入滲水分的混合,土壤溶液采樣器原位采集的土壤水代表土壤中流動的水分,此水分是土壤中可被有效利用的水分。

關鍵詞: 真空蒸餾提取;原位采集;氫氧穩定同位素比值;土壤水

水分在包氣帶中的運移是一種非常複雜的物理和化學作用過程,受多種應力和多種能量的控製和製約,隨著科學技術的快速發展,越來越多的新方法用於研究包氣帶水分[1]。氫氧穩定同位素(D和18O)是一種天然示蹤劑[2-4],其隨水流一起運動,可以很好地表征包氣帶水分的運移特征,很多學者利用土壤水中穩定同位素來追蹤水在土壤中的輸送過程,提供有關水在包氣帶中的遷移信息[5-10]。然而包氣帶土壤水的氫氧同位素特征受到降雨入滲、土壤蒸發、潛水蒸發等一係列過程的影響,土壤水分蒸發和降水入滲過程與土壤顆粒的性質有密切關係[11-12]

土壤水受降水入滲、蒸發作用等共同影響,對其同位素值的研究有助於了解水分入滲、蒸散發等一些水文循環過程。王仕琴等[13]基於降水、土壤水和地下水的氫氧穩定同位素比值研究了華北平原降水的入滲過程,指出不同降水特征、土壤質地和植被條件下入滲過程是不同的。田日昌等[14]通過土壤水的穩定性同位素值研究了湘西北紅壤丘陵區土壤水的運移特征,同位素分析得出油茶林入滲率受降水量影響明顯,大雨後2~3 d入滲率約為50~ 100 mm/d,之後入滲率明顯減慢,50 cm土層常成為阻隔層,玉米地由於通透性差,入滲率更低。孫曉旭等[15]通過室內試驗模擬研究了蒸發和降水入滲過程水體的氫氧穩定同位素比值變化規律。國外方麵,Hsieh等[16]分析了夏威夷地區從幹旱到濕潤地區一個斷麵的土壤含水率及氧同位素值變化規律,指出由於降水的同位素值偏負於土壤水,在雨季土壤水從表層到深層同位素值不斷增加,而在旱季土壤水同位素值隨著深度的增加是不斷偏負的,並且應用土壤含水率及氧同位素值計算了土壤的蒸散發量。CAREY等[17]對比分析了漢諾威6個地區降水和土壤水中的δ18O,發現在大部分土壤剖麵中淺層土壤水(lt;20 cm)富集δ18O,主要原因是地表水蒸發強烈,深部土壤水(gt;50 cm)同位素數據表明降水通過優勢流方式入滲到土壤深部,成功地區分了土壤中的靜水與動水。Kwang-Sik等[18]研究了韓國濟州島一年之中降水和3個不同深度土壤水的氫氧穩定同位素比值,分析得出土壤水接受年降水的補給,並且即使在炎熱夏季蒸發的影響也可以忽略。

然而土壤水同位素研究最重要的前提條件之一是土壤水的提取問題,提取的精度對於結果有重要影響,必須保證在提取過程中不能改變土體水分的同位素值。提取土壤水的方法主要包括:真空蒸餾法、共沸蒸餾法、吸式蒸滲儀法、離心過濾法等。1995年,Aragus-Aragus 等[19]係統研究了真空蒸餾法提取非飽和帶土壤水,試驗表明,如果98%以上的土壤水分被提取出來,提取水分的同位素值就能夠代表土壤水的值,對於砂樣,加熱溫度為100 ℃時需提取7 h才能保證試驗精度。Landona等[20]對比分析3種方法提取出的砂質土壤水的氫氧穩定同位素比值,得出3種方法提取的水分占土壤總水分的比例不同的結論,並且得出第2種方法提取出的水分同位素含量能代表補給到地下的那部分土壤水的同位素值。Figueroa-Johnson等[21]對比了吸式蒸滲儀法、離心過濾法和共沸蒸餾法提取出的土壤水的氧同位素含量,得出:對於砂土離心過濾和共沸蒸餾法提取出的水分氧同位素值比吸式蒸滲儀法偏負0.025%,對於結構好的土壤氧同位素偏負約0.2%~0.7%,這3種方法有不同的適用範圍。國內方麵,耿清國等[22]對土壤中不同狀態的水分采用離心分離法所需的時間長短和化學組成進行了研究。王濤等[23]對共沸蒸餾、真空蒸餾、離心分離、鋅的微量蒸餾4 種土壤水提取技術進行了簡要介紹,並主要分析了真空蒸餾技術提取土壤水時需要的溫度和時間。目前,真空蒸餾技術被廣泛用來提取土壤水。土壤溶液取樣器也叫吸力測滲儀,用於在土壤剖麵原位收集土壤溶液樣品。取樣器的核心技術是取樣頭部分采用了多孔濾膜,可自動濕潤,它不產生吸附,也能避免交叉汙染。取樣器被安放在土壤的適宜深度,在最小擾動土壤的情況下進行周期性取樣測定。基本的取樣器含有一個多孔陶瓷頭和一個樣品收集管。用真空管或注射器抽出真空後,將采樣器放置在真空下即可進行采樣。這種取樣器具有使用簡單方便、能耗低、不擾動土壤等一係列優點。郝漢舟等[24]采用土壤溶液采樣器(Rhizon-SMS)原位采集了河南平原耕地土壤溶液,研究了重金屬的土水分配行為。張守仁等[25]對比研究了果樹根際土壤取樣分析技術,指出土壤溶液取樣器適合於動態研究溶質運移過程,但采集樣品量有限,並且要求較高的土壤含水量。時祥順等[26]通過設計室內土柱試驗,模擬了土壤水入滲情況,采用土壤溶液采樣器原位采集不同層位的土壤水樣品,研究降水入滲過程中土壤水鹽分的變化規律。本文就目前廣泛采用的2種土壤水提取技術(真空蒸餾提取、土壤溶液取樣器原位采集)進行研究,對比分析不同的取樣方法對土壤水氫氧穩定同位素比值的影響。

1 試驗設計與測試分析

1.1 試驗材料

樣品氫氧穩定同位素比值采用穩定性同位素質譜儀MAT253進行測試,高溫裂解法測定氫同位素,樣品測試精度為0.1%,水平衡法測定氧同位素,樣品測試精度為0.01%。

圖1 試驗裝置實物圖
Fig.1 Experimental equipment

土樣采自南京工程學院校園綠化帶內,采樣深度距表層10~20 cm,自然風幹後,磨碎,經2 mm的篩子篩分,均勻混合裝袋備用。根據GBJ 145—1990《土的分類標準》,試驗所用土樣為粉質亞黏土。

1.2 試驗設計和樣品采集

圖2 Rhizon-SMS土壤溶液采樣器
Fig.2 Soil solution sampler

在距有機玻璃柱頂部10 cm、40 cm、70 cm、100 cm處四周開采樣孔,采樣孔直徑約1.5 cm。柱子的30 cm、60 cm和90 cm處是法蘭連接處。處理後的土樣均勻充填土柱,水分入滲前采集孔全部用塞子塞住,柱子充填完成後,土壤表層距有機玻璃柱頂部5 cm。土壤溶液采樣器(Rhizon-SMS,圖2)通過采樣孔插入土柱中,原位采集土壤水樣品,采樣器型號為19.21.01,5 cm多孔材料插入土壤中,另外一端連接注射器,可以人工抽取土壤水。土柱頂部連續降雨,待土柱底部有水流出時,按照出流順序,依次收集重力出流水樣品7個,封存。入滲結束後,在10 cm、40 cm、70 cm、100 cm這4個層位原位采集土壤水,為了保持水樣的均勻性,每個層位在2個采樣孔同時采樣,然後混合一起裝入瓶中備用。原位采樣結束後,土柱靜置48 h,打開法蘭,分別在土柱原位采樣的4個層位處采集土壤樣品並封存,以備真空蒸餾法提取土壤水。

1.3 真空蒸餾法提取土壤水

真空蒸餾法提取土壤水裝置如圖3所示,土壤水在負壓情況下變成水蒸氣從土壤中揮發出來,采用液氮冷凝水蒸氣。為了便於控製溫度采用水浴加熱(水體沸騰),提取過程中溫度保持不變,經過4次條件試驗(真空蒸餾提取土壤水後的土壤樣品放在105℃烘箱中烘幹8 h,土壤質量沒有損失)得出,水浴加熱情況下,提取120 min,土壤水被完全提取幹淨[15]。提取完全後關閉閥A和閥B,取下液氮,收集的水分常溫下在冷肼慢慢融化,等全部融化後倒入樣品瓶中,封存後放入冰箱。

圖3 真空蒸餾法提取土壤水裝置
Fig.3 Soil water extracting device using vacuum method

1.4 樣品測試分析方法

土壤溶液取樣器原位采集土壤水、真空蒸餾法提取土壤水氫氧穩定同位素比值列於表1,重力水及初始水氫氧穩定同位素比值見表2。

2 結果與討論

試驗選用高110 cm,內徑10 cm的有機玻璃柱作為容器,為了便於破開土柱采集土壤樣品進行真空蒸餾法收集土壤水,設計將110 cm長的有機玻璃柱分成4段,從下往上每一段的長度分別為20 cm、30 cm、30 cm、30 cm,每兩段之間通過法蘭連接。柱子底部是多孔板,使得水分能順利流出。試驗裝置如圖1所示。

從表1和表2可以看出,相同層位的土壤水,真空蒸餾法提取的水分氫氧穩定同位素比值均比原位采集的土壤水值偏負。氫穩定同位素比值偏負在0.4%~1.1%範圍內,氧穩定同位素比值偏負在0.042%~0.169%範圍內。10 cm處的樣品氫氧穩定同位素比值最大,後麵3個層位氫氧穩定同位素比值較接近,說明土壤剖麵水分比較均勻,並且10 cm附近的土壤水可能受到了蒸發的影響,導致氫氧穩定同位素比值偏正。

表1 原位取水樣品氫氧穩定同位素比值數據

Table 1 Stable ratioses of hydrogen and oxygen isotope of in-situ water samples

表2 重力水及初始水氫氧穩定同位素比值數據

Table 2 Stable ratioses of hydrogen and oxygen isotope of gravity water and initial water

圖4 不同方法采集的土壤水、重力出流水和初始水的氫氧穩定同位素比值關係
Fig.4 Stable ratioses of hydrogen and oxygen isotopes of soil water, gravity flowing water and initial water collected by different methods

圖4為不同方法采集的土壤水、重力出流水和初始水的氫氧穩定同位素比值關係圖[27],采用南京地區降水線:δD=8.47δ18O+17.52。從圖4可以看出,重力出流水樣品氫氧穩定同位素比值均比初始水偏正,結合表2中的氫氧穩定同位素比值數據,可知第一個出流水氫氧穩定同位素比值最大,其餘出流水氫氧穩定同位素比值隨著出流水量的增加呈現不斷偏負的趨勢。在出流水樣品中,第一次出流的樣品最先經過整個剖麵的風幹土壤,風幹土壤顆粒僅含有土壤吸濕水,當土柱上方有降水入滲時,土壤顆粒分子仍可以吸附一定的水分子,形成薄膜水層,並引起入滲水分發生同位素分餾[15,19]。同時,可以看出土壤顆粒優先吸附輕的水分子,導致土壤中流動的水分氫氧穩定同位素比值偏正。

圖4中原位采集土壤水的氫氧穩定同位素比值全部落在土柱重力出流水氫氧穩定同位素比值範圍內,而真空蒸餾法提取土壤水的氫氧穩定同位素比值中,第一個樣品由於受到了蒸發的影響,同位素值偏正,落在了土柱重力出流水氫氧穩定同位素比值的範圍內,其餘3個層位的樣品氫氧穩定同位素比值明顯偏負,並且位於初始水氫氧穩定同位素比值的左下方。本試驗所用土樣為風幹壤土,土壤在自然環境下風幹48 h,土壤中含有吸濕水,在土壤顆粒的分子引力作用下,土顆粒吸附空氣中的水分子在其表麵,形成了吸濕水,吸濕水被緊緊地束縛在土粒表麵,接近固態水的性質,不能呈液態流動,也不能被植物根係吸收。孫曉旭等[15]的研究指出,風幹土壤中土壤吸濕水的氫氧穩定同位素比值偏負(氫氧穩定同位素比值分別為-8.14%和-1.034%),本文試驗采用的初始水氫氧穩定同位素比值分別為-4.87%和-0.721%。因此通過氫氧穩定同位素比值的對比分析可以看出,真空蒸餾法提取的土壤水是土壤吸濕水和入滲水分的混合。原位采集土壤水氫氧穩定同位素比值反映土壤剖麵中流動水體的氫氧穩定同位素特征,此方法收集的土壤水更能代表土壤中可有效利用的水分。

3 結 論

通過設計室內土柱試驗模擬水分在包氣帶中的入滲過程,收集了土柱底部的重力出流水,采用2種方法收集土壤水(土壤溶液取樣器原位采集和真空蒸餾法提取)。土柱底部出流水的氫氧穩定同位素比值對比分析得出降水入滲幹燥的土壤過程中,土顆粒優先吸附輕同位素,引起土壤中流動的水分發生同位素分餾,優先流出的水分具有最正的氫氧穩定同位素比值,隨著出流水量的增加出流水氫氧穩定同位素比值呈不斷偏負的趨勢;土壤溶液采樣器原位采集的土壤水氫氧穩定同位素比值落在出流水氫氧穩定同位素比值區域內,真空蒸餾法提取的土壤水氫氧穩定同位素比值明顯比原位采集的土壤水偏負。因為真空蒸餾法提取土壤水時,風幹土壤的吸濕水也一起被提取出來,導致此方法提取的水分氫氧穩定同位素比值偏負。因此可以看出,土壤溶液采樣器原位采集的土壤水代表土壤中流動的水分,此水分是土壤中可被有效利用的水分。


 
(文/小編)
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