坡地不同尺度上的水分配层次结构：土壤孔隙水同位素特征为其证据

《Journal of Hydrology》：Hierarchical water partitioning across different scales in sloped field: evidenced by soil pore water isotopic signatures

　　•细孔占据了孔隙体积的74.7%，并储存了88%的土壤水分。•从上坡到下坡，δ2H和δ18O的值分别下降了7.45‰和1.64‰。•下坡处孔隙水的d值增加了5.67‰，而随深度增加则增加了9.34‰。中孔的d值最高，这有助于平衡水分的流动性与蒸发损失。引言土壤孔隙水是陆地水循环中的主要储存和输送介质（Vereecken等人，2022），它决定了降水在蒸散、入渗和侧向径流之间的分配情况（Fatichi等人，2020；Bonetti等人，2021）。尽管土壤水分已多次被监测和建模（Romano，2014），但大多数以往研究将其视为整体尺度变量，如容积含水量或重量含水量（Fatichi等人，2020）。这种整体表征方式在试图解析不同孔隙类型中土壤水分的空间异质性时存在不足，因为这些地方的持水时间和生物可利用性可能存在很大差异（Rabot等人，2018；Schlüter等人，2020）。正如“两个水世界”假说所提出的那样（Renée Brooks等人，2010；McDonnell，2014），大孔隙中高度流动的水分（例如>34微米）与微孔隙中紧密结合的水分（例如<6微米）在循环速率及生态功能上存在显著差异（Radolinski等人，2021）。因此，根系吸水、蒸发分馏以及优先流作用并非对整个土壤水分库产生均匀影响，其效应与不同孔径级别中水分的异质分布及连通性密切相关（Sprenger等人，2017）。从更宏观的角度来看，反复的耕作行为、季节性降雨以及侵蚀事件可能会进一步加剧土壤孔隙结构的异质性，从而改变不同土层及地形位置上的孔隙持水时间（Chandrasekhar等人，2018；Chen等人，2021），这主要是由径流和入渗等过程带来的不均衡蒸发分馏和补给率所导致的（Knighton等人，2019；Jarecke等人，2021）。尽管人们普遍认识到区分不同孔隙类型中的土壤水分储存量和可利用性非常重要，但目前仍缺乏一种整体框架来定量识别斜坡田地中不同孔隙域、土层深度及地形位置上的分层水分分配情况。通常情况下，大孔隙是优先流的主要通道，有助于快速实现水分入渗和排出（Beven和Germann，2013），而受毛细力和吸附力影响的微孔隙中的水分则流动性较差，周转速度也较慢，因此可作为重要的储水场所（Wardak等人，2022）。然而，作物能够有效利用的土壤水分量在空间和时间上都具有很大的变异性（Zhao等人，2018），因为作物吸水所需的水势范围一般在-0.03到-1.5兆帕之间（Nasta等人，2023）。这种变异性主要受土壤质地和结构（He等人，2022）、作物种类以及季节变化的影响（J. Liu等人，2023）。例如，质地粗糙或结构不良的土壤往往会使更多水分通过相连的大孔隙流动，从而限制了作物可利用的中孔隙中的水分保留（Rabot等人，2018），而质地细腻或结构良好的土壤则情况相反（De Lima等人，2022；Henrique Novotny等人，2023）。在各种作物中，紫花苜蓿能够利用小麦无法获取的深层孔隙水（Gaiser等人，2012），而大麦则能在比水稻更高的盐度和更低水势的孔隙环境中继续吸水（Reddy等人，2017；Munns等人，2020）。Sprenger等人（2019）还指出，在粉质壤土中，即使有强烈的降雨和较高的土壤湿度，流动水和紧密结合的水也不会很好地混合，很可能是由于冬季/春季的贫同位素雨水缓慢重新湿润了土壤。除了这些固有的土壤和作物特性外，土壤孔隙水循环还受到土壤内部水分再分配的影响，同时也会参与这一过程，这种再分配发生在不同的土层深度和地形位置上（Sprenger等人，2017；Jarecke等人，2021）。例如，在土壤剖面中，上层土壤中的水分会更频繁地与大气发生交换（即通过降雨和蒸发），而深层土壤则通过渗透获得水分，相对孤立，蒸发量较少，因此周转速度也较慢（Floriancic等人，2024）。在不同地形位置上，除了侵蚀导致的土壤颗粒选择性重新分布和孔隙结构变化外（Li等人，2021），局部土壤水循环还更多地受到径流输送和侧向地下水流的影响（Chen等人，2021），这就导致了上坡和下坡位置在补给频率和停留时间上存在系统性差异（Knighton等人，2019）。然而，尽管理论上对此已有相当深入的了解，但我们仍然缺乏定量证据来明确在不同尺度上，土壤孔隙水周转率、入渗、蒸发以及地形重新分配在坡面水循环中所起的相对作用。虽然一些广泛应用的传统物理方法，如土壤水分保持曲线，可以描述土壤水分的能量状态（Pan等人，2019；Zehe等人，2019），但它们在解析水分来源、混合路径以及蒸发分馏历史方面存在局限（Penna等人，2018）。近年来，稳定的氢氧同位素特征值（δ2H和δ18O）得到了广泛应用，因为它们能够在水分移动并与其他圈层发生交换时（如蒸发或冻结）记录下相应的分馏信息（Sprenger等人，2016）。例如，Cao等人（2025）通过比较裸露地表土壤和生物结皮覆盖土壤中提取的总体水分的同位素特征，发现生物结皮覆盖土壤中的δ2H和δ18O值明显更高，从而定量证明了生物结皮导致了土壤水分的强烈分馏。由于不同孔隙类型将水分固定在土壤颗粒表面所需的能量不同（Oerter等人，2014），大气水汽交换的速率以及动力学分馏的强度在不同孔径级别之间也可能存在显著差异（Gaj和McDonnell，2019）。因此，δ2H和δ18O组成是一种可靠的手段，可用于定量追踪不同土壤孔隙类型中的水分循环路径（Mueller等人，2014；Sprenger等人，2018），进而了解其在土壤剖面和坡面尺度上的作用。Bowers等人（2020）通过将同位素“轻水”和“重水”依次混合到均质的沙质壤土中，模拟干燥和再湿润过程，首次记录了在高张力条件下每天抽取的水池中水分的长时间混合过程。Dusek和Vogel（2024）也认为孔隙水的同位素组成受复杂的孔径效应影响，但他们只是基于土壤整体同位素模式以及吸附作用和孔径依赖性的同位素分馏理论进行间接推断。除了δ2H和δ18O之外，氘过量值（d值）也被广泛用于分析非平衡动力学分馏和水文混合过程（Dansgaard，1964），比如沿土壤剖面的蒸发痕迹和水分混合历史（Hamani等人，2024）。尽管d值可以提供补充信息，帮助了解蒸发分馏和水文历史的相对差异，但由于其操作难度较大，目前还难以像在野外条件下那样单独获取并确定不同孔隙类型/深度/位置中土壤水分的δ2H和δ18O特征值。中国东北部的黑土区以起伏的地形为特征（Liu等人，2023）。由于寒冷的气候条件（Liu等人，2021）以及较高的土壤有机质含量（Wang等人，2022），该地区的土壤形成了结构紧密、孔隙层次复杂的体系（Peng等人，2024）。然而，作为中国的粮仓，反复的耕作行为以及季节性侵蚀事件已经系统性地改变了土壤孔隙结构，进而影响了整个土壤剖面及不同坡面位置上的土壤水分补给路径和持水行为（Li等人，2021；Zhu等人，2023；Yuan和Fan，2024）。因此，为了解析斜坡田地中不同尺度上的复杂土壤水循环，我们从一处典型的起伏坡地上不同深度的不同位置采集了土壤样本。通过对单个土壤样本进行高速离心处理，我们逐步分离出了五种不同大小孔隙中的土壤水分，从而能够实际测量并定量比较这些孔隙水中δ2H和δ18O的变化情况。我们的研究目标为：（1）定量识别五种不同孔径级别中土壤水分的同位素差异，探讨不同孔隙类型的蒸发分馏和持水时间差异；（2）确定土壤深度和坡面位置如何影响土壤孔隙水的空间分布，进而解析斜坡田地中不同尺度上的分层水分分配过程。研究区域本研究区域位于中国黑龙江省嫩江县的合山农场，属于河北流域范围内（东经125°15′45.71″–125°20′46.79″，北纬48°59′03.71″–49°02′35.70″），是中国东北部黑土区具有代表性的农业流域（Wang等人，2024；图1a）。河北流域的面积约为28.0平方公里，由九个较小的子流域组成（Wang等人，2023）。该地区海拔在317至399米之间，地貌以长而平缓的地形为特征。未受干扰土壤芯中的孔径组成与孔隙水分布土壤孔径组成和孔隙水分布在不同坡面位置和土层深度上存在显著差异（图3）。总体而言，微孔和细孔在孔隙系统中占主导地位，占总孔隙空间的51.6%至91.0%。孔隙水也主要集中在这些较小的孔隙中（<6微米），这些孔隙共同占据了大约83.5%的總孔隙水。在土壤剖面中，大孔隙的占比通常随深度增加而减少，而较小孔径级别的孔隙则逐渐增加。孔隙结构与孔隙水填充决定了土壤水分储存的物理基础微孔和细孔中储存的水分比例过高（占总空间的51.6%–91.0%，而占总水量的83.5%）（图3），这表明未受干扰土壤中的大部分水分并非储存在那些较粗且导水性较强的孔隙中，而是储存在具有更强毛细作用和基质保持力的较小孔隙中。这一现象与孔径大小对土壤水分保持能力的控制机制相符（Jarvis，2007；Rabot等人，2018），即大孔隙在土壤水分保持中的作用似乎更为重要。结论为了探究孔隙类型、土壤深度和坡面位置如何共同影响土壤水分的分配和同位素分馏，我们分别提取了不同大小孔隙中的土壤水分，并比较了其在不同深度和坡面位置上的δ2H、δ18O和d值。微孔和细孔占据了总孔隙空间的51.6%–91.0%，并储存了约83.5%的提取出的水分。δ2H和δ18O值在较细的孔隙中呈现富集趋势，同时这些孔隙中的d值也最高。CRediT作者贡献声明李金卓：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，研究调查，正式分析，数据整理。李献文：写作——审阅与编辑。李默：写作——审阅与编辑。刘刘：写作——审阅与编辑。魏晓荣：写作——审阅与编辑。胡亚贤：写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。未引用参考文献Liu等人，2024a，Liu等人，2024b，Liu等人，2023a，Liu等人，2023b，Liu等人，2024c。利益冲突声明作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。致谢本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD1502000）和中国国家自然科学基金（42477373，52279049）的资助。李金卓|李献文|李默|刘刘|魏晓荣|胡亚贤