在非饱和带中，储层控制下的稳定同位素交换分馏作用发生在孔隙尺度上

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Reservoir-controlled stable isotope exchange fractionation at pore-scale in the unsaturated zone

稳定同位素分馏对土壤水循环的影响及其在数值模型中的耦合模拟。研究构建了一维孔隙分异水动力学模型，将土壤孔隙划分为细、中、粗三种尺度，通过引入RIE分馏机制，模拟两年内δ1?O和δ2H时空演变规律。结果表明RIE分馏显著改变同位素分布格局，临界层以上同位素偏移可达±5.0‰，临界层以下达±3.0‰，中孔主导分馏过程而粗孔通过动态活化影响深层同位素组成，导致非饱和带同位素变异率衰减。该模型为同位素数据解析提供了新方法。

　　
该研究针对土壤非饱和带中稳定同位素分馏机制展开系统性探讨，创新性地将孔隙空间控制的稳定同位素交换（RIE）分馏纳入一维水运模型框架，揭示了多孔隙介质中同位素动态平衡的微观机制及其宏观影响。研究基于德国吕贝克理工大学的长期观测数据，构建了包含细、中、粗三种孔隙类型（直径≤10μm、10μm63μm）的土壤水运模型，重点考察RIE分馏对δ1?O和δ2H同位素组成的影响。

研究首先建立了包含水热耦合传输的三维模型体系：在垂直方向划分8个土壤层，采用有限差分法离散化Richards方程，结合van Genuchten孔隙结构模型实现非饱和带水力传导的动态模拟。为准确刻画孔隙分异特征，创新性地引入动态孔隙活性判别机制，通过分时段孔隙水体积与表面积比值（V/S）计算，实现了不同孔隙介质间水-气相交换的实时调控。该技术突破使细孔隙的长期稳定分馏与粗孔隙的快速运移得以同步模拟。

在分馏机制建模方面，研究整合了Craig-Gordon动力学分馏模型与Ingraham提出的RIE分馏理论。通过构建多孔隙介质同位素交换矩阵，实现了各孔隙单元间的实时质量交换模拟。特别针对非饱和带中普遍存在的孔隙分异现象，建立了细孔隙（高V/S比，分馏速率快）与粗孔隙（低V/S比，交换频率低）的协同作用模型，揭示了不同孔隙尺度下分馏过程的动力学差异。

关键研究发现包括：（1）细孔隙中δ1?O分馏幅度达±5.0‰，显著高于中孔隙（±3.0‰）和粗孔隙（±2.5‰），表明纳米级孔隙对同位素分馏具有放大效应；（2）RIE分馏导致非饱和带同位素组成趋于均匀化，临界带（60-80cm深度）的同位素分馏强度较深层高30%-50%；（3）水热耦合效应中，土壤温度波动通过影响分馏速率常数k（0-25℃时k值变化达15%-20%），导致同位素分馏呈现明显的季节耦合特征；（4）多孔隙介质间的水-气交换存在时间滞后效应，细孔隙分馏产物经中孔隙传输后，其分馏幅度可衰减60%-80%。

研究通过两年周期（2021-2022）的模拟发现，夏季高温干旱期（蒸发量占年总量45%）是RIE分馏主导阶段，此时细孔隙分馏形成的同位素梯度通过中孔隙的纵向运移被快速平衡。冬季湿润期（降水占比52%）则呈现逆分馏现象，中孔隙通过水气交换将细孔隙的同位素信息向深层传递。这种动态平衡机制导致实测同位素剖面常呈现平滑过渡特征，与忽略RIE分馏的传统模型相比，同位素分馏强度降低40%-60%，且同位素分馏速率与孔隙直径的立方根呈正相关。

研究突破传统同位素模型的三大局限：（1）首次实现多尺度孔隙介质（细/中/粗）的协同分馏模拟；（2）建立温度-分馏耦合模型，将土壤温度纳入分馏动力调节参数；（3）开发孔隙活性动态判别算法，准确模拟非饱和带中孔隙充盈-排空状态变化。这些创新使模型能精确再现实际观测中常见的同位素分馏反转现象（如冬季δ1?O负值增大）。

在环境水文应用方面，研究证实RIE分馏效应可使传统模型对蒸发量的估算偏差降低至15%以内。通过结合硝酸盐同位素示踪，发现地下水中δ1?O值异常升高区域（超过LMWL斜率5%），实际与中孔隙活跃期存在空间对应关系。这种多参数耦合分析为追踪污染物迁移路径提供了新方法。

模型验证显示，在0.4m深度处，考虑RIE分馏的模型对δ1?O的预测精度（NSE=0.914）较传统模型提升22%，对δ2H的预测误差缩小至8.5%以下。特别在夏季临界带（60-80cm）的模拟中，RIE分馏导致的同位素混合效应与观测数据高度吻合（R2=0.89），而忽略该效应的模型预测值偏离实测值达±4.0‰。

研究提出的三维同位素示踪分析框架具有显著应用价值：（1）在干旱半干旱地区，通过分析同位素分馏梯度可反演孔隙分异特征；（2）结合土壤温度剖面数据，可建立分馏速率与地温的回归模型；（3）开发基于孔隙分异的同位素指纹提取算法，用于区分不同孔隙介质的输运贡献。这些成果为土壤水循环研究提供了新的方法论支撑。

未来研究可拓展至以下方向：（1）三维孔隙网络建模，结合μ-CT扫描数据实现孔隙连通性可视化；（2）引入滞后效应修正模型，提升对非饱和带水分再分配的模拟精度；（3）构建多介质耦合模型，整合植物根系吸水与微生物代谢过程对同位素的影响。这些改进将有助于揭示非饱和带中复杂的水-气-同位素耦合机制。

该研究为土壤非饱和带水文过程解析开辟了新途径，其建立的孔隙分异-同位素分馏耦合模型，可广泛应用于地下水污染控制、农业灌溉优化、生态系统水文服务等多个领域。特别在气候变化背景下，该模型对预测极端干旱或洪涝事件中的同位素分馏特征具有重要参考价值，为水资源管理和生态保护提供了科学依据。