亚热带季风森林中蒸发蒸腾各组成部分的差异性季节变化模式及其驱动机制

《Journal of Hydrology》：Differential seasonal patterns and driving mechanisms of evapotranspiration components in a subtropical monsoon forest

水稳定同位素交换分馏对土壤非饱和带同位素组成的影响及一维数值模型研究。 细、中、大孔隙分异，临界带动态，同位素交换分馏模型，δ1?O与δ2H时空变化，孔隙尺度水-气界面交换，土壤水同位素数据解释优化。

　　
该研究聚焦于在孔隙空间离散化的三维一维数值模型中整合稳定同位素交换分馏效应，重点探讨其如何影响土壤水同位素组成时空演变。研究基于德国吕贝克应用科学大学长期观测数据，构建包含1.8米深度的土壤垂向分层模型，将孔隙系统细分为细孔隙（直径≤10微米）、中孔隙（10-63微米）和粗孔隙（>63微米）三类，通过动态耦合水热传输与同位素分馏过程，揭示不同孔隙尺度下的同位素分馏机制及其对观测数据解释的影响。

**研究背景与理论创新**
传统土壤水运移模型多采用均质化处理，忽略孔隙尺度差异对同位素分馏的调控作用。该研究突破在于引入"储层控制稳定同位素交换分馏"（RIE）机制，该理论由Ingraham和Criss（1993）提出，强调不同储层（孔隙）间通过气态水相的交换实现同位素均衡化。研究团队通过微CT和NMR技术获取的孔隙三维结构数据，建立动态孔隙激活/失活机制，使模型能够实时追踪不同孔隙尺度下的水-气界面交换过程。这种孔隙分辨化的建模方法首次将RIE分馏效应与Richards方程结合，突破传统模型将孔隙视为均质混合体的局限。

**方法学突破**
研究构建了包含水热耦合传输的三维一维模型，创新性地将孔隙空间离散化处理。具体技术路线包括：
1. **孔隙分级建模**：依据土壤物理特性将孔隙划分为细、中、粗三类，每类孔隙设定独立的水动力学参数（如持水能力、渗透率）和同位素质点交换系数。
2. **动态孔隙状态追踪**：采用事件驱动算法实时监测孔隙水饱和度，当某类孔隙饱和度低于激活阈值（模型设定为0.1）时自动进入"失活"状态，终止该孔隙的同位素交换与运移。
3. **分馏机制耦合**：将Craig-Gordon分馏模型（考虑温度依赖的动力学分馏与热力学平衡分馏）嵌入孔隙尺度交换过程，建立每类孔隙的表面-体积比（S/V）参数库。通过实验数据标定，细孔隙S/V值达0.8 m?1，中孔隙0.3 m?1，粗孔隙0.1 m?1，反映不同孔隙尺度下表面接触面积与储水体积的差异化特征。
4. **多物理场耦合算法**：创新性地将热力学模型（温度场计算采用傅里叶定律修正）与同位素传输模型（基于达西-菲克多孔介质传输理论）进行嵌套求解，时间步长设置为1小时，空间分辨率达2.5厘米（因采用八层土壤分 compartment模型）。

**关键发现与机理阐释**
1. **分层孔隙的分馏效应差异**：
- 细孔隙（<10μm）因高S/V值（0.8 m?1）成为主要分馏界面，夏季蒸发导致δ1?O富集达±5.0‰，冬季降水注入使信号恢复平衡态
- 中孔隙（10-63μm）因中等S/V值（0.3 m?1）呈现波动性分馏，其δ1?O信号变化幅度（±3.0‰）显著小于细孔隙，但能放大深层孔隙的信号扰动
- 粗孔隙（>63μm）因低S/V值（0.1 m?1）分馏效应较弱，主要受大气降水和深层渗流控制

2. **临界带分馏特征**：
研究揭示存在深度约60-80厘米的"临界分馏带"，该区域细孔隙与中孔隙的交换速率达0.17 mm/h（模型计算值），显著高于非临界带（0.05 mm/h）。在此带内，RIE分馏导致同位素信号年变幅从未考虑时的±8‰降低至±3‰，且相位滞后达3-5个月，反映垂向传输的延迟效应。

3. **时间尺度分馏规律**：
- 短期（日尺度）：分馏效应可忽略，同位素信号主要反映降水事件
- 中期（周-月尺度）：细孔隙主导分馏，δ1?O年富集度达4.2‰
- 长期（年尺度）：粗孔隙通过季节性循环（年蒸发量964mm）产生跨层分馏，形成稳定年际信号差（δ1?O年际标准差1.8‰）

**数据验证与模型性能**
研究采用2018-2022年连续观测数据验证模型：
1. **同位素匹配度**：模型输出与实测δ1?O年际波动（标准差2.1‰）吻合度达92%，未考虑RIE时误差达35%
2. **空间剖面特征**：1.0米深度处δ1?O-δ2H双参数图显示，考虑RIE后同位素轨迹偏离GMWL（ Craig 1961标准线）幅度从±3.5‰降至±1.2‰，符合观测到的"土壤水同位素均质化"现象
3. **验证指标**：NSE（ Nash-Sutcliffe效率）达0.91，KGE（Kling-Gupta效率）0.85，表明模型能准确模拟年际变化（R2=0.83）和季节相位差（滞后系数0.67）

**应用价值与改进方向**
1. **污染溯源改进**：通过分离孔隙尺度同位素信号，可精确识别污染物迁移路径。例如，2021年夏季的硝酸盐污染事件，模型显示其同位素分馏特征主要源自中孔隙的蒸发分馏（贡献度61%）
2. **模型扩展性**：当前处理单层土壤（0-1.8m），未来可扩展至多层异质土壤（如耕作层与母质层交替结构）
3. **参数优化空间**：表面-体积比参数对模型输出敏感度达0.73（蒙特卡洛模拟），需结合μ-CT反演技术获取更精确的孔隙表面参数

**理论意义**
研究证实RIE分馏存在显著的尺度依赖性：当孔隙直径差>3个数量级（如细孔隙与粗孔隙）时，分馏效应可导致同位素组成差异达±5‰/年。这一发现修正了传统认为分馏效应随孔隙细化而增强的认知，揭示中孔隙在分馏过程中的桥梁作用。

该研究为同位素示踪技术在土壤水文中的应用提供了新的方法论框架，特别在半干旱地区（年降水<500mm）和深层土壤（>1m）的水分运移解析中具有重要指导价值。后续研究可结合原位光谱技术，实现分钟级同位素信号追踪，完善模型的时间分辨率。