真空蒸餾提取與原位采集對土壤水氫氧穩(wěn)定同位素值比值的影響

孫曉旭,徐 進(jìn),蘇治國

(1.南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 南京 211167; 2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室,江蘇 南京 210098)

真空蒸餾提取與原位采集對土壤水氫氧穩(wěn)定同位素值比值的影響

孫曉旭1,徐 進(jìn)1,蘇治國2

(1.南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 南京 211167; 2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室,江蘇 南京 210098)

為了研究不同采樣方法對采集的土壤水氫氧穩(wěn)定同位素比值的影響,設(shè)計了室內(nèi)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并采用真空蒸餾法提取土壤水。通過樣品的氫氧穩(wěn)定同位素比值對比分析可知,降水入滲干燥的土壤過程中土顆粒優(yōu)先吸附輕同位素,第一個收集的水分具有最正的氫氧穩(wěn)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。

真空蒸餾提取;原位采集;氫氧穩(wěn)定同位素比值;土壤水

水分在包氣帶中的運移是一種非常復(fù)雜的物理和化學(xué)作用過程,受多種應(yīng)力和多種能量的控制和制約,隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的新方法用于研究包氣帶水分[1]。氫氧穩(wěn)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(xué)者利用土壤水中穩(wěn)定同位素來追蹤水在土壤中的輸送過程,提供有關(guān)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(fā)、潛水蒸發(fā)等一系列過程的影響,土壤水分蒸發(fā)和降水入滲過程與土壤顆粒的性質(zhì)有密切關(guān)系[11-12]。

土壤水受降水入滲、蒸發(fā)作用等共同影響,對其同位素值的研究有助于了解水分入滲、蒸散發(fā)等一些水文循環(huán)過程。王仕琴等[13]基于降水、土壤水和地下水的氫氧穩(wěn)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(zhì)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(wěn)定性同位素值研究了湘西北紅壤丘陵區(qū)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,大雨后2～3 d入滲率約為50～ 100 mm/d,之后入滲率明顯減慢,50 cm土層常成為阻隔層,玉米地由于通透性差,入滲率更低。孫曉旭等[15]通過室內(nèi)試驗?zāi)M研究了蒸發(fā)和降水入滲過程水體的氫氧穩(wěn)定同位素比值變化規(guī)律。國外方面,Hsieh等[16]分析了夏威夷地區(qū)從干旱到濕潤地區(qū)一個斷面的土壤含水率及氧同位素值變化規(guī)律,指出由于降水的同位素值偏負(fù)于土壤水,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(fù)的,并且應(yīng)用土壤含水率及氧同位素值計算了土壤的蒸散發(fā)量。CAREY等[17]對比分析了漢諾威6個地區(qū)降水和土壤水中的δ18O,發(fā)現(xiàn)在大部分土壤剖面中淺層土壤水(lt;20 cm)富集δ18O,主要原因是地表水蒸發(fā)強(qiáng)烈,深部土壤水(gt;50 cm)同位素數(shù)據(jù)表明降水通過優(yōu)勢流方式入滲到土壤深部,成功地區(qū)分了土壤中的靜水與動水。Kwang-Sik等[18]研究了韓國濟(jì)州島一年之中降水和3個不同深度土壤水的氫氧穩(wěn)定同位素比值,分析得出土壤水接受年降水的補(bǔ)給,并且即使在炎熱夏季蒸發(fā)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,提取的精度對于結(jié)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]系統(tǒng)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,對于砂樣,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(zhì)土壤水的氫氧穩(wěn)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(jié)論,并且得出第2種方法提取出的水分同位素含量能代表補(bǔ)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:對于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(fù)0.025%,對于結(jié)構(gòu)好的土壤氧同位素偏負(fù)約0.2%～0.7%,這3種方法有不同的適用范圍。國內(nèi)方面,耿清國等[22]對土壤中不同狀態(tài)的水分采用離心分離法所需的時間長短和化學(xué)組成進(jìn)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(shù)進(jìn)行了簡要介紹,并主要分析了真空蒸餾技術(shù)提取土壤水時需要的溫度和時間。目前,真空蒸餾技術(shù)被廣泛用來提取土壤水。土壤溶液取樣器也叫吸力測滲儀,用于在土壤剖面原位收集土壤溶液樣品。取樣器的核心技術(shù)是取樣頭部分采用了多孔濾膜,可自動濕潤,它不產(chǎn)生吸附,也能避免交叉污染。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(jìn)行周期性取樣測定?；镜娜悠骱幸粋€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后,將采樣器放置在真空下即可進(jìn)行采樣。這種取樣器具有使用簡單方便、能耗低、不擾動土壤等一系列優(yōu)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(shù),指出土壤溶液取樣器適合于動態(tài)研究溶質(zhì)運移過程,但采集樣品量有限,并且要求較高的土壤含水量。時祥順等[26]通過設(shè)計室內(nèi)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(guī)律。本文就目前廣泛采用的2種土壤水提取技術(shù)(真空蒸餾提取、土壤溶液取樣器原位采集)進(jìn)行研究,對比分析不同的取樣方法對土壤水氫氧穩(wěn)定同位素比值的影響。

1 試驗設(shè)計與測試分析

1.1 試驗材料

試驗選用高110 cm,內(nèi)徑10 cm的有機(jī)玻璃柱作為容器,為了便于破開土柱采集土壤樣品進(jìn)行真空蒸餾法收集土壤水,設(shè)計將110 cm長的有機(jī)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。

土樣采自南京工程學(xué)院校園綠化帶內(nèi),采樣深度距表層10～20 cm,自然風(fēng)干后,磨碎,經(jīng)2 mm的篩子篩分,均勻混合裝袋備用。根據(jù)GBJ 145—1990《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》,試驗所用土樣為粉質(zhì)亞黏土。

1.2 試驗設(shè)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(jī)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。處理后的土樣均勻充填土柱,水分入滲前采集孔全部用塞子塞住,柱子充填完成后,土壤表層距有機(jī)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(xù)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(jié)束后,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,然后混合一起裝入瓶中備用。原位采樣結(jié)束后,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并封存,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(fù)壓情況下變成水蒸氣從土壤中揮發(fā)出來,采用液氮冷凝水蒸氣。為了便于控制溫度采用水浴加熱(水體沸騰),提取過程中溫度保持不變,經(jīng)過4次條件試驗(真空蒸餾提取土壤水后的土壤樣品放在105℃烘箱中烘干8 h,土壤質(zhì)量沒有損失)得出,水浴加熱情況下,提取120 min,土壤水被完全提取干凈[15]。提取完全后關(guān)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,等全部融化后倒入樣品瓶中,封存后放入冰箱。

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

樣品氫氧穩(wěn)定同位素比值采用穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜儀MAT253進(jìn)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%。

2 結(jié)果與討論

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(wěn)定同位素比值列于表1，重力水及初始水氫氧穩(wěn)定同位素比值見表2。

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(wěn)定同位素比值均比原位采集的土壤水值偏負(fù)。氫穩(wěn)定同位素比值偏負(fù)在0.4%～1.1%范圍內(nèi),氧穩(wěn)定同位素比值偏負(fù)在0.042%～0.169%范圍內(nèi)。10 cm處的樣品氫氧穩(wěn)定同位素比值最大,后面3個層位氫氧穩(wěn)定同位素比值較接近,說明土壤剖面水分比較均勻,并且10 cm附近的土壤水可能受到了蒸發(fā)的影響,導(dǎo)致氫氧穩(wěn)定同位素比值偏正。

表1 原位取水樣品氫氧穩(wěn)定同位素比值數(shù)據(jù)

表2 重力水及初始水氫氧穩(wěn)定同位素比值數(shù)據(jù)

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(wěn)定同位素比值關(guān)系Fig.4 Stable ratios 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(wěn)定同位素比值關(guān)系圖[27],采用南京地區(qū)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(wěn)定同位素比值均比初始水偏正,結(jié)合表2中的氫氧穩(wěn)定同位素比值數(shù)據(jù),可知第一個出流水氫氧穩(wěn)定同位素比值最大,其余出流水氫氧穩(wěn)定同位素比值隨著出流水量的增加呈現(xiàn)不斷偏負(fù)的趨勢。在出流水樣品中,第一次出流的樣品最先經(jīng)過整個剖面的風(fēng)干土壤,風(fēng)干土壤顆粒僅含有土壤吸濕水,當(dāng)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,并引起入滲水分發(fā)生同位素分餾[15,19]。同時，可以看出土壤顆粒優(yōu)先吸附輕的水分子,導(dǎo)致土壤中流動的水分氫氧穩(wěn)定同位素比值偏正。

圖4中原位采集土壤水的氫氧穩(wěn)定同位素比值全部落在土柱重力出流水氫氧穩(wěn)定同位素比值范圍內(nèi),而真空蒸餾法提取土壤水的氫氧穩(wěn)定同位素比值中,第一個樣品由于受到了蒸發(fā)的影響,同位素值偏正,落在了土柱重力出流水氫氧穩(wěn)定同位素比值的范圍內(nèi),其余3個層位的樣品氫氧穩(wěn)定同位素比值明顯偏負(fù),并且位于初始水氫氧穩(wěn)定同位素比值的左下方。本試驗所用土樣為風(fēng)干壤土,土壤在自然環(huán)境下風(fēng)干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面,形成了吸濕水,吸濕水被緊緊地束縛在土粒表面,接近固態(tài)水的性質(zhì),不能呈液態(tài)流動,也不能被植物根系吸收。孫曉旭等[15]的研究指出,風(fēng)干土壤中土壤吸濕水的氫氧穩(wěn)定同位素比值偏負(fù)(氫氧穩(wěn)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(wěn)定同位素比值分別為-4.87%和-0.721%。因此通過氫氧穩(wěn)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(wěn)定同位素比值反映土壤剖面中流動水體的氫氧穩(wěn)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(jié) 論

通過設(shè)計室內(nèi)土柱試驗?zāi)M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(wěn)定同位素比值對比分析得出降水入滲干燥的土壤過程中,土顆粒優(yōu)先吸附輕同位素,引起土壤中流動的水分發(fā)生同位素分餾,優(yōu)先流出的水分具有最正的氫氧穩(wěn)定同位素比值,隨著出流水量的增加出流水氫氧穩(wěn)定同位素比值呈不斷偏負(fù)的趨勢;土壤溶液采樣器原位采集的土壤水氫氧穩(wěn)定同位素比值落在出流水氫氧穩(wěn)定同位素比值區(qū)域內(nèi),真空蒸餾法提取的土壤水氫氧穩(wěn)定同位素比值明顯比原位采集的土壤水偏負(fù)。因為真空蒸餾法提取土壤水時,風(fēng)干土壤的吸濕水也一起被提取出來,導(dǎo)致此方法提取的水分氫氧穩(wěn)定同位素比值偏負(fù)。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。

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《水利水電科技進(jìn)展》征訂啟事

(郵發(fā)代號：28-244， CN 32-1439/TV， ISSN 1006-7647， 雙月刊，A4開本)

《水利水電科技進(jìn)展》由河海大學(xué)主辦，是中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD)核心期刊、全國中文核心期刊、中國科技核心期刊和RCCSE核心期刊。曾先后被評為中國高校百佳科技期刊、中國高校優(yōu)秀科技期刊、全國水利系統(tǒng)優(yōu)秀期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊和江蘇省優(yōu)秀期刊。主要刊登水科學(xué)、水工程、水資源、水環(huán)境、水管理方面的科技論文，主要欄目有水問題論壇、研究探討、工程技術(shù)、專題綜述、水管理、國外動態(tài)等，適合水科學(xué)、水工程、水資源、水環(huán)境領(lǐng)域的科研、工程、管理人員以及大專院校師生閱讀。

《水利水電科技進(jìn)展》由郵局發(fā)行，郵發(fā)代號：28-244，2018年每期定價15元，全年6期共計90元?？稍谌珖鞯剜]局訂閱，也可直接向編輯部訂閱。

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Effectsofvacuumdistillationextractionandin-situcollectionmethodsontheratioofhydrogenandoxygenisotopeofsoilwater

SUNXiaoxu1,XUJin1,SUZhiguo2

(1.SchoolofEnvironmentalEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China;2.SchoolofEarthSciencesandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

To study the effects of different collection methods on hydrogen and oxygen isotope values of soil water, a laboratory experiment is designed to model the rainfall infiltration behavior, and the water outflow from the bottom of the soil column is collected. In this experiment, soil waters at depths of 10 cm, 40 cm, 70 cm and 100 cm are collected and this collection method is termed as in-situ collection method. On the other hand, soil samples at the same depths are taken out with the soil waters being collected using vacuum distillation extraction method. The comparison results between D and18O values show that during the process of rainfall infiltration in the dry soil sample, the light isotopes are preferentially adsorbed by soil particles, and the outflow water collected first has the most positive hydrogen and oxygen isotope values. The soil water extracted by the vacuum distillation method is composed of moisture-absorbing water of the air-dried soil and the water infiltrated into the unsaturated zone. The soil water collected by the in-situ soil solution sampler represents the water flowing in the soil and could be effectively used.

vacuum distillation extraction; in-situ collection; ratio of hydrogen and oxygen isotopes; soil water

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.06.005

2016-12-20

南京工程學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動基金(YKJ201327)

孫曉旭(1983—),女,江蘇徐州人,講師,博士,主要從事同位素水文學(xué)、水污染控制工程研究。E-mail:hjsunxiaoxu@njit.edu.cn

P597

A

1000-1980(2017)06-0503-06