2015, Vol. 36
土壤水是土壤物质组成的重要肥力因素，不仅是植物生长所必须的生态因子，也是土壤生态系统中物质和能量的流动介质. 土壤水分的主要来源是大气降水、 地下水、 灌溉用水，还有少量的水汽凝结； 土壤耗散的主要途径有土壤蒸发、 植被吸收利用和蒸腾、 水分的渗漏和径流. 而土壤水补给和耗散的过程构成了土壤的水分运移. 前人已经对土壤水运移展开了较多的研究： 郝芳华等[1, 2]利用土壤水运动模型研究干旱半干旱农灌区土壤水和地下水的运移规律，陈有君等[3]利用土壤含水量研究沙地中植被下土壤水分状况,张军等[4]利用P-M修正公式研究了番茄根系层土壤水分的运移规律，张英虎等[5]通过室内土柱穿透性分析研究了鹫峰地区根系和石砾对土壤水运移的影响，吕斯丹等[6]运用ENVIRO-GRO 模型模拟不同灌溉条件下的土壤水分运动. 20世纪70年代稳定性同位素开始应用到生态学领域，并被逐渐引进到土壤水的研究当中，稳定氢氧同位素为有效示踪剂可以有效揭示土壤水的来源、 蒸发和入渗等各种水分运移过程. 国外运用此方法已取得不少研究成果[7, 8]. 在我国，研究者也将此方法利用到不同区域的土壤水的研究当中并且取得了一定成果： 田立德等[9]运用δ18 O研究青藏高原中部土壤水中稳定同位素的变化，发现地下水在青藏高原中部土壤水分活动中的活跃作用； 田日昌等[10]用稳定同位素研究湘西红壤油茶林和玉米地土壤水的运动规律并计算了土壤水的入渗速度； 徐庆等[11]用δD研究了卧龙高山针叶林不同群落土壤水的特征； 陈建生等[12]运用同位素示踪分析了阿拉善沙漠湿沙层的水分来源. 我国此领域的相关研究多集中在干旱半干旱地区和湿润半湿润地区，且多集中在地下水相关的联系方面[13]，而对处在温带季风气候的华北平原地区的小尺度土壤水运移的研究则相对较少. 随着华北平原近年来地下水位下降，地下水已经很少能够自动上升补给土壤水，灌溉水的需求量增大，水资源供需矛盾日益突出，研究市区土壤水分运移已成为合理规划城市水资源的必然选择. 因此，本研究运用稳定氢氧同位素的示踪技术，通过对比分析降水、 灌溉水以及各层土壤水同位素值来分析以石家庄市区为代表的华北平原山前洪积平原土壤水的运移特征，对于掌握市区人工土壤的水分运动机制，解决植被的实际需水、 植被恢复等问题有重要的意义.
1 材料与方法石家庄市地处河北省中南部，位于北纬37°27′～38°47′，东经113°30′～115°20′之间，平均海拔77.9 m. 地貌单元属太行山山前冲洪积平原. 气候属于暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热，春季温和，四季分明； 年平均气温11～14℃，年平均降水量450～550 mm； 受季风气候影响，降水量季节分布差异显著，降水主要集中在夏季(6～8月)占全年降水量的70%左右[14]. 自然植被区划属于暖温带落叶阔叶林带[15]. 采样点的位置是石家庄市南二环河北师大新校区北门口东侧绿化带内(37°59′40″N,114°30′55″E)，范围内主要乔木为杨树，此样地2009年以前为工厂的废弃荒地.
1.2 样品的采集与测试 1.2.1 取样方法在2013年的雨季(5～ 9月)期间于石家庄市南二环绿化带内完成对土壤、 地下水(灌溉水)、 降水样品的采集. 样品共159个，其中土壤样品110个、 地下水(灌溉水)样品5个、 降水样品44个 (其中所有样品都含有3个平行样).
土壤样品的采集采用的是100 cm长的土钻手工钻取，从5月3日开始每月中旬和月底分别取一次，每次采集10个层次，即取样间隔为10 cm. 将其中一份平行样通过烘干称重的方法进行土壤含水量的测定； 将另外样品迅速放入4 mL样品瓶内，密封，分别标注取样日期、 土壤深度并立即进行冷冻； 期间收集的降水、 地下水样品冷藏保存.
降水样品的采用标准的雨量桶在样地附近宽敞的六层楼顶收集，每次降水结束后立即收集水样测量降水量，冷藏样品. 2013年雨季共收集降水33次.
从石家庄市环卫绿化公司获得灌溉水的基本情况，南二环绿化带每年3月浇一次透水，10 t左右； 4～5月浇一次水,土湿10 cm左右； 6～8月不浇水； 9～10月浇一次水，土湿10 cm左右； 上冻后浇一次水，土湿10 cm左右. 期间分别收集到2013年3月21日、 2013年5月5日、 2013年5月15日、 2014年3月15日的灌溉水样. 由于本研究样地地下水水位是40 m左右不能达到所取土样层，因此文中所讨论的地下水实为使用了地下水的灌溉水.
与取样日期相对应的日均温在History： Weather Underground(http://classic. wunderground.com/history/airport/ZBSJ/2013/4/1/DailyHistory. html?req_city=NA&req_state=NA&req_statename=NA)气象网上进行下载.
1.2.2 样品分析样品的分析全部在河北师大资源与环境科学学院自然地理实验室完成. 土壤含水量通过传统的烘干称重的方法进行测定.土壤水提取采用低温真空蒸馏的方法[16]. 提取出的土壤水分与降水、 地下水样品过滤后经Picarro A0214微型高温裂解模块反应后可去除大部分有机物污染，并通过Picarro L2130-i 超高精度液态水和水汽同位素分析仪进行δD和δ18 O的测定，其误差分别小于0.100‰和0.025‰. 分析得出的δD、 δ18 O是同标准平均海洋水SMOW的千分差.
不同土壤层含水量以及不同深度和日期土壤水δ18 O的差异用SigamaPlot 10.0统计软件进行分析. 各土层土壤含水量随时间的变化和降水中同位素值的变化通过软件Sigmaplot进行分析.
2 结果与讨论 2.1 降水中稳定同位素 δD 和δ18 O的关系及过量氘Craig[17]根据全球降水中氢氧同位素存在的线性关系，通过计算得出全球尺度下二者的关系表达式： δD=8δ18 O+10，并将其定义为大气降水线(MWL). Dansgaard[18]提出了过量氘(deuterium excess)的概念： d=δD-8δ18 O，用来评价样地降水偏离全球大气降水线的程度，d值在全球尺度下为10‰，即全球尺度下大气水线的截距. 过量氘反映了来源降水形成水汽团时的重要信息，以及降水过程中的二次蒸发的条件[19]，因此被比较普遍地运用到降水水汽来源以及降水地气候特征的研究中.
根据2013年和2014年的石家庄降水样品分析结果(图 1): 44个降水样品的δD和δ18 O值分别在-87.59‰～-36.05‰和-11.90‰～7.79‰之间,平均值分别是-47.13‰和-7.19‰. 根据测得的石家庄2013年5月到 2014年5月的降水样品中稳定同位素的值，计算出该地的大气降水线y=6.547x-1.667(R2=0.941，P＜0.001)斜率为6.547，截距为-1.667，斜率略小于全球平均的斜率值，这是由于观测点降水在受到来自太平洋东南季风的影响同时也受到一定局地蒸发的影响. 对该地过量氘的计算其均值为-6.1885‰，过量氘值低于全球的平均过量氘值10‰. 这是由于2013～2014年较大降水量多集中于夏季，降水量虽大但次数有限，且全年单次降水量小但持续时间长的降水过程较多，10 mm以下降水就有24次(表 1)，说明石家庄的大部分水汽来自东南季风，但部分水汽来自局地蒸发且降雨过程中有一定的二次蒸发. 通过对该地区地下水、 分层土壤水中δD～δ18 O分布点与该样地大气降水线进行比较，分析结果表明： 除了降水的δD和δ18 O的值变动范围较大以外，地下水、 土壤水的稳定同位素值分布都较集中，且都位于该地大气降水线右下方，重同位素富集的现象明 显. 地下水和各层土壤水的同位素值都分布在大气降水线附近，比降水同位素值更接近，且灌溉水(地下水)彼此之间十分接近，说明地下水稳定同位素常年较稳定变化极小.
 | 图 1 石家庄降水和土壤水的δD-δ18 O关系
Fig. 1 Relations between δD and δ18 O of precipitation,soil water at Shijiazhuang City
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 | 表 1 石家庄降水量和降水的稳定同位素
1)
Table 1 Stable hydrogen and oxygen isotope values and the amount of precipitation at Shijiazhuang City
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石家庄市2013～2014年降水中δ18 O和温度和降水量的关系散点分布(图 2)，降水中δ18 O与月均温和月均降水量之间的回归分析的直线方程分别为：
降水中δ18 O与温度呈正相关关系叫做温度效应，降水中δ18 O与降水量呈负相关关系时说明存在降水量效应[20]. 式(1)虽然相关系数较大但由于显示的δ18 O与温度呈负相关关系，所以没有明显的温度效应； 式(2)里降水中δ18 O与降水量呈负相关关系. 由于受夏季风影响，雨季降水主要来自海洋性气团，石家庄稳定同位素的夏季降水量效应明显[21]. 并且，石家庄市2013年雨季降水次数较多且集中，6~9这4个月集中了全年几乎大部分的降水，最多一次降水量超过70 mm，连续降水也较多(表 1). 夏季的降水量足以对土壤进行适当的补给. 另外看出2013年石家庄市大气降水中δ18 O 存在明显的季节性变化,夏季的δ18 O值低,冬季的高,且季节性的变化较大,夏季半年与冬半年平均差值
可达-2.644‰之多. 反映出石家庄2013年受季风气候影响明显，雨季降水主要是东南季风带来的海洋水汽团，湿度较大、 蒸发较弱、 降水量大、 δ18 O随之变低，降水中的δ18 O随降水量的增加而降低(图 3)； 冬季受大陆性气团影响其特征正好相反，再加上2013年12月和2014年1月两个月的空雨期，其反映的季节效应更加明显，从而导致石家庄降水中δ18 O的降水量效应掩盖了温度效应使得温度效应无法体现.
 | 图 2 石家庄降水中δ18 O与温度和降水量的相关散点分布
Fig. 2 Correlation of δ18 O in precipitation with tempreture and precipitation amount in Shijiazhuang City
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 | 图 3 2013~2014年石家庄各月降水量与各月δ18 O平均值关系
Fig. 3 Relationship between monthly rainfall and δ18 O at
Shijiazhuang City from April 2013 to May 2014
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由于氢同位素与氧同位素相比更容易受到外界的影响，从而导致较大的计算结果误差； 并且在以往的研究中氢同位素值的波动较氧同位素值大且波动剧烈，对较长时间的土壤水运移状况的反映有失真实[22]，用氧同位素分析较长时间的土壤水分运移可以得到更为可靠的结果. 因此本研究中对每半个月一次土壤水稳定同位素的分析采用的是δ18 O而非δD.
石家庄市2013年5月到9月不同深度土壤剖面含水量在时间的变化显示6月中旬到8月中旬之间土壤含水量较大，尤其是7月中旬. 虽然6～8月间没有灌溉水源的补给，但是从全年月均降水量来看，6、 7、 8月是石家庄2013年降水量最多的3个月，有效验证了雨季降水对石家庄土壤的补给作用. 与之相比5月到9月不同时期土壤含水量在深度上的变化规律性较差，造成这种变化的原因可能是： ①降水和灌溉水的入渗与土壤水的蒸发过程在土壤中交替进行，土层剖面中δ18 O和相应的土壤含水量之间的关系更趋于复杂. ②本文取样期间土壤含水量分布并不均匀，而目前关于含水率对土壤入渗的影响研究多数是在含水量分布均匀的前提下进行的. ③本研究前期样地有过两次灌溉水的积累加上期间多次降水，导致土壤含水量的变化更为复杂. Bodman等[23]认为在土壤入渗初期随着含水率的增加土壤入渗速率减小，随着时间的延续含水量对入渗的影响变小最终可以忽略[图 4 (a)]. 但是5～9月土壤含水量的均值随深度变化显示，40～70 cm层的含水量较少，均值为16.9%，变化也较稳定. 国内一些研究结果表明土壤平均入渗率与土壤含水率呈负相关的线性关系[24]，照此推测40～70 cm应该有较大的平均入渗速率[图 4 (b)].
 | 图 4 石家庄2013年雨季土壤含水量和含水量均值的变化
Fig. 4 Changes of soil water content and its mean values at Shijiazhuang City during the rainy season in 2013
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该研究期间土壤水δ18 O值介于-11.4‰和-4.6‰之间. 不同取样时期土壤水δ18 O随土壤深度的变化显示10～100 cm土壤水的δ18 O 值总体上呈递减的趋势，尤其是10～30 cm变化最大，变化幅度有向下逐渐减小的趋势. 这是由蒸发导致的土壤水重同位素在土壤表层不断富集导致的. 80～100 cm大部分同位素值较稳定，除个别情况外几乎变化不大，并且有逐渐接近灌溉水(地下水)δ18 O均值： -8.581‰的趋势. 有研究认为[25, 26, 27]： 深层土壤水与地下水交换较活跃，而地下水中δ18 O常年较稳定变化不大； 同时降水向土壤入渗的过程中，新水只取代了一部分旧水，导致越向深层土壤水同位素值变化越微小. 本研究中，由于地下水位较低，不存在与地下水的交换情况. 土壤水δ18 O在6月15日和7月15日的80 cm处以及7月30日的100 cm处分别出现了3个较小的值，尤其是7月30日的值，8月15日不同深度土壤水中δ18 O的值最为接近差值最小. 原因是： 80 cm为该样地土壤分层的交接处，容易造成积水，而8月上旬在没有灌溉水的情况下降水量也较少，只有8月1日降水量在20 mm以上，土壤有半个月的时间没有较大量水源补给，旧水可以充分地混合(图 5).
 | 图 5 石家庄市2013年雨季土壤水δ18 O随深度的变化
Fig. 5 Spatial Changes of soil waterδ18 O
at Shijiazhuang City during the rainy season in 2013
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土壤水中δ18 O的时空分布对记录土壤的补给水由地表向地下入渗的过程，以及受蒸发作用土壤水或地下水向上运移过程有良好指示作用. 由于受降水、 灌溉水、 土壤水的蒸发、 旧水和新水的混合等因素的影响，土壤水的δ18 O值分布虽然复杂但也存在一定的规律性. 本研究期间5～9月10～70 cm的土壤水同位素受到以上几种因素的混合作用比较明显. 曾有研究发现干旱半干旱地区和红壤区持续干旱时段30 cm以上土壤水由于受蒸发的影响[7]，土壤水稳定同位素会随深度增加而减少(图 6). 图 6中5月的3次取样δ18 O值在10～30 cm处随深度减少得非常明显，而40～100 cm的值却非常接近且都位于-8.5‰左右，这一数值正好十分接近灌溉水(地下水)的δ18 O均值(-8.581‰). 表明5月土壤水受蒸发作用的蒸发深度位于10～40 cm左右，原因是5月前期经历长时间的春旱降水稀少，天气干燥，5月期间有过多次降水，但除了5月26日22 mm外其余几次降水量都不足1 mm(表 1)，且5月中旬虽有过灌溉，水量也极其有限，土湿不到10 cm，40～100 cm的土壤水自从3月分浇的一次透水后还未受其他的影响. 6月和7月由于月降雨量分别达到140 mm和180 mm以上，土壤水分运移以降水入渗为主，蒸发作用表现得不明显. 8月9月随着降水量逐渐减少表层又出现明显的蒸发效应，即8月的10～20 cm和9月的10～30 cm、 10～40 cm，可见40 cm以上蒸发作用明显，40 cm为雨季土壤水蒸发达到的最大深度.
 | 图 6 不同月份的土壤水δ18 O
Fig. 6 δ18 O of soil water in different monthes
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从6月开始便出现了土壤水同位素随深度增加而增大的情况，这种情况分别在6~9月都有表现，这是由降水入渗推动混合水向下移动引起的. 但是6～9月不同取样期间稳定同位素δ18 O增大的深度却是不同的，分别是： 6月的10～20 cm，7月的10～40 cm、 20～30 cm，8月的20～60 cm、 20～50 cm，9月的30～70 cm、 40～70 cm. 每半个月的连续取样基本上形成了一个δ18 O沿土壤剖面峰值在徘徊中不断向下推进的情况，土壤水有活塞式补给的特点，与有关实验研究发现的60 cm厚度土层储水能力不足相类似[28]. 期间分别在6月15日和7月15日的80 cm处出现了异常小的值，并形成明显的拐点，且期间每个月80 cm处都容易形成拐点，同位素值相对周围低(图 6). 原因可能是： ①6月上旬的6月7日、 6月9日分别降38.8 mm和42.5 mm的水，7月上旬7月1日、 7月9日、 7月10日的降水量分别为20.5、 22、 71 mm，降水次数多，降水量大，多次新旧水充分混合后向下移动到达土壤质地分界线的80 cm后长期积累所致. ②80 cm以上根系发达，是杨树根系吸收根的分布层，有可能有较大空隙的存在，通透性较好[29]. 降水随优先通道快速到达此层.
5个月中7月的降水量最大，总量达到180 mm以上，降水的δ18 O月加权均值最小，为-8.87‰，5、 6、 8、 9月降水的加权均值分别为-4.831‰、 -6.779‰、 -6.856‰、 -6.059‰. 7月70 cm以上土壤水同位素值是大于降水的，表明7月土壤受前期降水形成的混合水的影响最明显(图 6).
3 结论(1)通过2013～2014年收集的降水建立了石家庄市区大气降水线： y=6.547x-1.667(R2=0.941，P＜0.001，n=44)，过量氘均值为-6.1885，过量氘值偏低. 说明影响石家庄降水形成的水汽大部分来自海洋，还有一部分是局地蒸发形成的，且降水过程之中有一定的云下二次蒸发作用. 土壤水稳定同位素较降水普遍重同位素富集.
(2)2013年石家庄市降水主要集中在了6~9这4个月，降雨量达491.7 mm，降水是石家庄土壤水的主要来源，灌溉水则主要在雨季前期有缓解干旱的辅助作用，且雨季的降水量足以对土壤进行适当补给. 不同季节的大气降水中的δ18 O的变动幅度较大，有明显的季节效应的存在.
(3)石家庄市土壤水δ18 O随深度变化较土壤含水量规律性更明显. 从总的变化情况来看，10~100 cm土壤水稳定同位素的δ18 O值呈递减的趋势，受降水入渗和蒸发的影响，在土壤表层10～40 cm的波动变化大，随深度向下波动变小并不断接近灌溉水(地下水)的δ18 O. 雨季的蒸发深度最深达40 cm左右，40～70 cm土壤水分运移呈现由上而下活塞式的补给特征，有较大的平均入渗速率，80 cm以下土壤水较稳定.
(4)土壤水δ18 O随土壤深度和日期的变化情况反映了降水的入渗与土壤水的蒸发之间的互相平衡，记录了降水、 灌溉水、 土壤水的蒸发、 旧水和新水的混合等因素的影响. 5、 8、 9月相较于6、 7月蒸发作用更明显，6、 7月由于降水丰富土壤水降水的入渗表现更明显，7月土壤受前期降水形成的混合水的影响最明显. 并且，取样期间基本上形成了一个δ18 O峰值沿土壤剖面在徘徊中不断向下推进的情况，反映了降水的入渗、 蒸发和新旧水混合的相互作用.
(5)利用稳定同位素的示踪研究华北地区城市典型土壤水分的运移规律可以为人们揭示更多土壤内部的水情信息，对依据降水的情况种植时宜生长的植被、 安排合理的灌溉次数和灌溉水量有重要的参考价值，是合理利用市区水资源较为可行的方法.
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