一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法技术

本发明专利技术公开了一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法，通过对农田土壤、种植作物及大气水汽取样分析氢氧同位素比值，利用水同位素相变分馏机制模拟得到土壤蒸发水汽和作物蒸腾水汽的同位素比值，计算蒸发水分相变过程的各分量比例，量化得到覆膜条件下各采样时段的土壤蒸发总量占表层土壤水的比例、种植作物蒸腾量与土壤蒸发总量之比，再根据土壤体积含水量数据对土壤蒸发和作物腾发量进行定量评估，能够深入揭示裸土和膜内土壤蒸发及作物蒸腾的微观水分传输转化过程，定量解析水分相变过程的各分量比例，能更客观、真实地反映出土壤的实际蒸发程度、种植作物的实际腾发程度，为农业水资源演变机理研究提供了新技术。提供了新技术。提供了新技术。

【技术实现步骤摘要】
一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法


[0001]本专利技术属于农业水资源领域，尤其涉及一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法。

技术介绍

[0002]土壤蒸发是水文循环中的重要一个环节，也是水量平衡与热量平衡的重要组成因素。正确理解农田土壤蒸发过程对农田
‑
大气系统的水分循环和农业水资源评价与管理等具有重要的意义。在我国西北干旱地区，土壤强烈蒸发，表层土壤水分不断损失会影响种子的发芽和出苗，水分是作物产量的重要限制因子。在干旱、半干旱地区，为了减少土壤蒸发损失，提高作物水分利用率和产量，农田广泛采用覆膜。覆膜条件下表层土壤水分运动的物理过程，如土壤水蒸发和水汽的传输与转化过程的定量研究不足，如何精确量化农田覆膜条件下土壤水运动、作物水分利用及水分传输转化分量等，是农业高效用水领域研究亟待解决的问题。
[0003]稳定同位素技术被广泛应用于水文研究，环境稳定同位素可作为有效的天然示踪剂，尤其氢氧同位素是水本身的组成，测定方法快速简单，成本较低，非常适用于研究水文循环过程。蒸发物理过程影本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，按照试验需求，在作物生育期阶段按一定频次收集膜外裸土和膜内土壤、种植作物样品，同时收集膜外裸土上方、膜内土壤上方及膜上作物周围的大气水汽；测定膜外裸土和膜内土壤水、种植作物水、膜外裸土上方、膜内土壤上方及膜上作物周围大气水汽的平均氢氧同位素比值，同时测定膜外裸土和膜内土壤的表层土壤体积含水率，并计算每个生育期阶段膜外裸土、膜内土壤的表层土壤平均体积含水率；步骤2，根据试验农田的气象要素，包括温度和相对湿度，分析刻画出各采样时段膜内和膜外土壤蒸发状态的非平衡程度；步骤3，基于大气水汽的氢氧同位素比值，分别模拟土壤蒸发水汽和作物蒸腾水汽的同位素比值；步骤4，分别构建膜外和膜内土壤蒸发的同位素估算模型，计算膜外裸土和覆膜条件下土壤蒸发水分相变过程的各分量比例，包括膜外裸土表层土壤水分蒸发形成水汽的比例、覆膜条件下表层土壤水分蒸发形成水汽的比例、覆膜条件下蒸发水汽在膜下形成凝结水的比例和凝结水二次蒸发形成水汽扩散到膜外的比例；步骤5，量化覆膜条件下各采样时段的土壤蒸发总量占表层土壤水的比例、种植作物蒸腾量与土壤蒸发总量之比；步骤6，根据土壤体积含水量数据对土壤蒸发和作物腾发量进行定量评估。2.根据权利要求1所述的一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法，其特征在于，步骤1中收集膜外裸土、膜内土壤和种植作物样品的具体做法：每次采样时，分别在膜外裸土和膜内土壤选取三个采样点，用取土器获取表层0
‑
10cm的土壤；在膜内选取三个种植作物，采取地表以下5cm深度的作物根茎部，并将土样、种植作物分别装入自封袋密封保存；用气体采集袋或多通道大气水汽冷阱分别在膜外裸土上方、膜内土壤上方及膜上种植作物周围收集水汽，并用气体密封袋进行保存。3.根据权利要求1所述的一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法，其特征在于，步骤1中测定膜外裸土和膜内土壤水、种植作物水、膜外裸土上方、膜内土壤上方及膜上作物周围大气水汽的氢氧同位素比值的具体做法是：采用植物土壤水分真空抽提系统提取采集的膜外裸土和膜内土壤、种植作物样品中的水分，提取的所有水分样品密封后并保存于冰箱内，温度控制在4℃左右，然后用液态水同位素分析仪测定膜外裸土和膜内土壤、种植作物、膜外裸土上方、膜内土壤上方及膜上作物周围大气水汽样品中的平均氢氧同位素比值。4.根据权利要求1所述的一种利用氢氧同位素的农田土壤蒸散水汽运移过程的示踪方法，其特征在于，步骤2中，各采样时段膜外和膜内土壤蒸发状态的非平衡程度刻画方法如下：1)计算膜外裸土上方水汽蒸发极限同位素分馏值1)计算膜外裸土上方水汽蒸发极限同位素分馏值其中，h为该采样时段的平均空气相对湿度，δ
A
为裸土上方的大气氢氧同位素组成，α
+
是温度T(℃)的函数；
α
+
(
18
O)＝exp[
‑
7.685/10
‑3+6.7123/(273.15+T)
‑
1666.4/(273.15+T)2+350410/(273.15+T)3])α
+
(2H)＝exp[1158.8(273.15+T)3/10
12
)
‑
1620.1
×
((273.15+T)2/109)+794.84((273.15+T)/106)
‑
161.04/103+2999200/(273.15+T)3]ε
+
是同位素的平衡分离系数，ε
+
＝α
+
‑
1；ε
K
是同位素动力分馏系数，ε
K
(
18
O)＝0.0277(1
‑
h)ε
K
(2H)＝0.0245(1
‑
h)计算膜内水汽蒸发极限同位素分馏值计算膜内水汽蒸发极限同位素分馏值h
′
＝h
×
W2/W1其中，h
′
为该阶段的膜内平均空气相对湿度，δ
′
A
为膜内土壤上方大气的氢氧同位素组成，W1、W2分别为该阶段膜外裸土、膜内表层土壤的平均体积含水率；2)计算膜外裸土上方水汽平衡同位素分馏值δ
S1
、膜内水汽平衡同位素分馏值δ
S2
：δ
S1
＝α
+
×
δ
topsoil1
(1
‑
h+ε
K
)+α
+
hδ
A
+α
+
ε
K
+ε
+
δ
S2
＝α
+
×
δ
topsoil2
(1
‑
h
′
+ε

【专利技术属性】
技术研发人员：万程炜，潘喜才，陈澄昊，丁昕健，姚荣江，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：