Picarro L2140-i在降水到地下水同位素信号传输机制中的应用

本研究通过一系列渗透仪土柱实验，探讨降水同位素信号从大气传递至地下水过程中的动态变化及其影响因素。实验结果表明，降水规模、土壤质地、地下水埋深以及土壤蒸发均对于降水同位素信号传递具有重要影响。

降水通过包气带补给地下水是水循环的重要环节，这一过程受介质条件、包气带厚度、降水特征等多种因素共同影响。人类活动和气候变化双重影响下，降水形式正在发生改变，包气带厚度的变动也更加显著，降水到地下水的入渗过程的认识存在很大不足。氘氧同位素是示踪水循环的有效工具，过往研究通常利用降水的同位素均值作为地下水输入项，但降水的同位素信号向地下水的传递机制及其影响因素尚不明确，尤其是对降水事件及入渗后的土壤水同位素的高频率同步监测鲜有报道。

本研究选取了季风区内8组不同土壤类型和深度的降雨测量开展降水和土壤水的同位素监测工作，重点对比暴雨和小降水条件下，两种不同介质（砂砾石和黄土质黏砂）在不同地下水位埋深情景下的土壤水出水量的分布特征及其同位素变化。以30分钟为采样间隔高频采集降水以及渗透仪出流水样，记录水量并留存样品进行同位素分析测试。

(a)在两个降雨事件中，样本的时间δ¹⁸OP变化，以及样本的数量加权平均δ¹⁸O值与(b)强降雨（HR）和(c)小降雨（LR）的累积P之间的相关性。

（a）砂砾石强降水、（b）砂砾石小降水、（c）黄土质黏砂强降水和（d）黄土质黏砂小降水期间及之后每30min间隔出流水δ²H-δ¹⁸O（颜色由浅到深的渐变表示时间趋势）。

本研究使用Picarro L2140-i液体水同位素分析仪在实验室中测量样品的δ¹⁸O（氧同位素）和δ²H（氢同位素）值。这些测量结果以相对于维也纳标准平均海洋水（V-SMOW）的千分率偏差（‰）来表示。其中δ¹⁸O的测量精度为0.1‰，δ²H的测量精度为0.5‰。这种高精度的同位素分析对于研究降水和地下水之间的同位素信号传递及其控制因素至关重要，因为它们可以帮助研究者准确追踪和量化降水事件对地下水补给的影响，以及不同地下水埋藏深度和土壤类型对同位素信号衰减的影响。

Picarro L2140-i作为一种高精度的同位素分析工具，在这项研究中发挥了关键作用，为理解地下水补给过程中的同位素动态提供了重要的数据支持。

根据实验结果和数据分析，我们得出了一些重要结论。首先，土壤质地对于降水同位素信号传递至地下水具有显著影响。不同土壤质地的土柱在同位素信号的传递速率和程度上存在差异。其次，降水规模和埋藏深度也对入渗过程和同位素组成也有重要影响，暴雨事件对入渗过程影响更大。冗余分析表明，降水量是影响出流量变化的最主要因素(~51%，p<0.05)，水位埋深是影响同位素时间变化的关键因素(~52%，p<0.05)。进一步的分析表明，在4个渗透仪中观测到土壤水分与强降雨事件分量的混合，混合比例fP在10%~50%范围内变化，表明强降雨对土壤的有效补给。与当地大气水线平行的样品强调了土壤蒸发的影响。

通过本研究，我们对于降水同位素信号传递至地下水的过程和影响因素有了更全面的认识，对于使用地下水同位素进行古气候研究有指导意义，指出了水位波动在古气候研究中应得到特别关注，蒸发导致的¹⁸O富集在古气候研究中同样也是不可忽视的，并且进一步证实了强降水事件对于地下水同位素组成的影响。未来建议在古气候研究中使用地下水同位素时，考虑到强降雨造成的不成比例补给、过去地下水动力学的混乱波动以及蒸发引起的扭曲等附加限制。