2019, Vol. 40
2. 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100;
3. 旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室, 西安 710048
, YU Kun-xia1
, LI Zhan-bin1,2 , LI Peng1,3 , ZHAO Bin-hua1 , KE Hao-cheng1 , JIANG Kai-xin1
2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on Loess Plateau, Yangling 712100, China;
3. Key Laboratory of National Forestry Administration on Ecological Hydrology and Disaster Prevention in Arid Regions, Xi'an 710048, China
黄土高原丘陵沟壑区地处我国半湿润向干旱荒漠的过渡地带, 生态环境脆弱、气候干旱少雨且水土流失严重.作为独特的汇水单元, 其水文循环特征对区域水资源的赋存形式和分布特征起着重要作用, 并且随着近年来大面积的生态建设措施(如退耕还草、淤地坝及水库建设)的实施, 研究区下垫面情况已经发生了显著变化[1].
环境同位素技术作为当前研究流域水文工作的有效工具, 能够反映来自不同水汽来源地的水体在水汽输送过程中产生的不同程度的同位素分馏作用, 并对外界环境变化做出灵敏响应[2].故可以通过研究水体的氢、氧同位素组成变化来示踪水体的来源、影响因子以及不同水体间的相互转化关系[3].目前不同水体中氢氧稳定同位素因水汽来源及蒸发分馏所导致的差异性得到重视, 被广泛应用于不同水体示踪研究中[4, 5], 如肖可等[6]研究了藏南干旱地区湖泊及地热水体的18O变化特征, 陈新明等[7]分析了长江干流江水受大陆及高程效应等因素的影响及其氢氧同位素和氘盈余参数的空间变化规律, 董国强等[8]研究了那曲流域降水、河水及湖水稳定同位素的时空分布特征, 姚天次等[9]在岳麓山周边地区研究了降水、地表水、浅层土壤水及浅层地下水间的混合交换作用, 分析了δ18O~δD值与不同水体混合交换过程的关系.可见, 环境同位素技术在研究水体特征、影响因素及补给转化关系中具有重要的作用.
目前同位素技术的研究主要集中在水体同位素特征及转化关系中, 总结发现对于流域水循环分析多集中于单一水体研究, 缺乏对参与水循环的多种水体整体宏观分析.黄土高原近年来大面积的生态治理活动对流域生态水文影响已经初见端倪, 区域水资源循环特征随之会产生相应变化.韭园沟流域作为早期进行生态建设治理的代表型小流域, 分析其不同水体氢氧稳定同位素组成及转化特征有助于建立黄土丘陵沟壑区生态水循环模式, 是评价当地生态建设情况及水资源形成机制的首要工作.因此, 本文以韭园沟为研究对象, 通过实地采集降水、河水及浅层地下水等参与水循环过程的水体样品, 分别对其δ18O、δD组成及氘盈余特征开展研究, 分析其影响因子及时间空间变化, 阐述各水体间补给转化关系, 确定韭园沟流域水体同位素水文特征及其循环规律, 以期为黄土丘陵沟壑区及其它水分限制地区的水资源开发利用、生态环境保护流域水量科学调度及水资源合理配置及利用提供参考.
1 材料与方法 1.1 研究区概况韭园沟流域内采样点位置分布如图 1所示.韭园沟流域属黄土高原黄土丘陵沟壑区第一副区, 是无定河中游一分支流域, 位于E 110°16′~110°26′, N 37°32′~37°38′.流域面积70.7 km2, 主沟长18 km, 流域海拔820~1180 m.地处黄土高原, 为典型的黄土沟壑丘陵地貌, 具有干旱区明显地貌特征：沟道繁多且综合交叉, 导致整体地形破碎, 沟间地占全流域面积约56.6%, 沟谷地占全流域面积43.4%.流域内大部分坡面由厚度30~120 mm的黄绵土全面覆盖, 基岩在河槽及沟道底部部分地方有出露, 由浅灰绿色的砂岩和页岩组成.韭园沟流域属温带半干旱大陆性气候, 多年平均气温9.3℃, 年最低与最高气温分别为-27℃和39℃, 平均日温差为29℃, 日照时数为2615 h, 无霜期150~190 d.据统计, 多年平均降水量为475.1 mm, 降水年际变化大, 年内分配极不均匀, 汛期内7、8、9月降水量占年降水量的64.4%, 且多以暴雨形式出现, 一次暴雨产沙量往往占年产沙量的59.91%以上.为了探索无定河第一支沟水土流失综合治理模式, 大力发展经济, 必须减少入黄泥沙产量.自1953年被选择为水土保持实验点以来, 韭园沟正式开始进行生态治理工作, 主要包括建设水平梯田, 建设骨干淤地坝, 大力推广水力充填筑坝技术等措施.到2009年完成治理度高达75.1%, 生态建设治理程度良好, 治理面积5310 hm2.截止1997年, 坝密度是3.72座·km-2, 建坝(库)、拦泥库容、总库容和已淤地分别263座、2947.5万m3、2200.7万m3和282 hm2, 流域林草面积迅速增加, 乔木林、灌木林、经济林和人工种草面积分别为113.46、309.45、516.03和451.45 hm2[10].
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图 1 研究区地理位置及采样点分布示意 Fig. 1 Location of the study area and sampling sites |
本研究诸如气温、降水量及降水发生时间的气象数据主要来源于韭园沟流域中部布设的小型自动气象站(HOBO U30 NRC USA), 频率设置为5 min·次-1.
1.2.2 样品采集本研究水样样品采集时间为2017年1~12月, 采集的样品类型有降水、河水、浅层地下水.降水的采样频次为次降水, 河水、浅层地下水的平均采样周期为15 d.河水采样点分布在韭园沟主河道两侧, 浅层地下水采样点为沿主河道附近的浅井中.采集河水及浅层地下水水样时先用原水将取样瓶及样品瓶润洗3次, 为了防止蒸发分馏作用的影响, 采集水样时将取样瓶伸入水面以下30 cm处, 再迅速装入30 mL的样品瓶中, 不留气泡, 用parafilm封口膜塑封, 贴好标签, 放入便携式冰箱内低温保存, 直至带回实验室上机测试.所有样品测试均取3次重复, 最终取平均值.
1.3 数据分析采集的降水、河水及浅层地下水的同位素测定工作在西安理工大学同位素分析实验室进行, 使用LGR DLT-100液态水同位素分析仪测定水样的氢氧同位素, 精度分别达到0.5‰和0.15‰, 两者均满足测量精度要求, 测定结果遵从张自超等[11]对氢氧稳定同位素分析结果的有效位数规则.测得的样品中的δD和δ18O同位素的含量为V-SMOW(维也纳标准平均海水)的千分差, 表示为δ：
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(1) |
式中, Rsample为水样中D/H或18O/16O的比率; RV-SMOW为VSMOW标准水样D/H或18O/16O的比率.实验标样为美国LGR公司生产的标样#2c、#4c和#5c, δD和δ18O参考值分别为(-123.7±0.5)‰和(-16.24±0.15)‰; (-51.6±0.5)‰和(-7.94±0.15)‰; (-9.2±0.5)‰和(-2.69±0.15)‰.
其中降水中稳定氢氧同位素比率的加权平均值为：
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(2) |
式中, δ为加权平均值; Pi为降水量; δi为其相应的稳定同位素值.
由不同水源地水体稳定氢氧同位素的对比, 结合二端元混合模型[12], 推断水体的水分来源地.通过质量平衡方程和浓度平衡方程可推导出二端元混合模型如下：
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(3) |
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(4) |
通过公式(3)、(4)得到以下公式：
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(5) |
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(6) |
式中, Qs为河水量; Qg为浅层地下水量; Qp为降水量; Cg为浅层地下水中的δD和δ18O同位素均值; Cs为河水中的δD和δ18O同位素均值; Cp为降水量的δD和δ18O同位素均值.
实验数据统计分析采用Excel完成, 显著性分析由SPSS 21.0完成, 所有图表均运用Origin 2018完成.
2 结果与讨论 2.1 大气降水氢氧稳定同位素动态变化 2.1.1 大气降水δD-δ18O关系及时间变化将韭园沟研究区2017年整年降水的雨量加权平均δ18O和δD值进行一元线性回归分析, 发现研究区降水的δ18O和δD呈一元线性关系, 回归方程为δD=6.70δ18O+0.96 (R2=0.94, P＜0.01).对比分析国际原子能委员会提出的全球大气降水线δD=8.17δ18O+10.57[13], 郑淑蕙等[14]提出的全国大气降水线δD=7.9δ18O+8.2 (R2=0.98), 以及贺强等[15]利用GNIP数据建立的黄土高原大气降水线方程δD=7.0δ18O+0.36 (R2=0.92), 将以上不同尺度的降水线方程绘制在图 2.
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图 2 韭园沟研究区全年大气降水线及其比较 Fig. 2 Comparison of precipitation line in Jiuyuangou research area, the Loess Plateau, China and the global |
由于世界范围内局部地区气候环境差异性, δ18O与δD在各局地显示出不同的相关关系, 形成相应的局地大气降水线LMWL, 斜率表示稳定同位素δD和δ18O之间的分馏速率关系, 截距表示D值相对平衡状态时的偏离程度[16].韭园沟研究区的大气降水线斜率和截距均低于全球、全国, 并且与我国黄土高原的大气降水线非常接近.这主要是由于来自不同水源地的水汽在形成频繁且量大的降水过程中, 结合不平衡的二次蒸发[17]构成了一种特殊动力分馏条件下的云团形成过程, 使得在到达地面以前产生重同位素富集, 从而降水线斜率与截距偏低, 同时黄土高原的干旱大陆性季风气候对研究区内大气降水同位素产生了显著的影响.
利用2017年整年内韭园沟研究区采集的降水氢氧稳定同位素数据对该年内降水同位素随时间变化过程进行研究.如图 3所示.整体上看, δD和δ18O均表现出汛期(6~9月)均值高, 分别为(-30.57±6.26)‰和(-5.34±1.02)‰; 非汛期(10~次年5月)均值低, 分别为(-60.44±4.08)‰和(-8.88±0.75)‰的变化特点.且δD和δ18O这两个随时间变化的量在变化过程中保持一定的相对关系, 这说明两者在水汽蒸发凝结下落中变化过程和受影响原因类似.
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图 3 2017年韭园沟研究区年内大气降水同位素变化过程 Fig. 3 Variation of precipitation isotopes in the Jiuyuangou research area in 2017 |
研究区内大气降水δD的变化范围为-100.6‰~24.16‰, δ18O的变化范围为-14.28‰~4.97‰, 各月份之间的大气降水同位素值存在较大的波动, δD和δ18O的变差系数范围为-1.32~-0.07和-1.38~-0.10, 表现为汛期>非汛期, 这可能是由于受到汛期降水水汽来源和路径分歧的影响.黄土高原全年大气降水水汽主要源自两大水汽源地：即西风带输送的大西洋海源水汽以及极地北冰洋地区水汽源地[18].两条水汽来源不仅分别代表了海源和陆源不同性质的水汽, 也代表了汛期非汛期不同的水汽来源.其中汛期水汽输送通道更加复杂, 主要包括以下3条：①沿西风带纬向输入的西北水汽通道; ②沿低纬度的孟加拉湾以东北-亚季风水汽通道的西南走向的S型自南边界经向输入, 翻越青藏高原, 再沿四川盆地北侧到达西北地区的南亚季风水汽通道; ③自西太平洋经东南部的东亚季风水汽通道[19].汛期, 向内陆运移进程当中不同水汽来源地的低纬度水汽在输送过程中大大贫化, 不停被冷却形成降水的同时又不停地凝结着新的水汽, 发生不同程度的二次蒸发过程使局地蒸发的陆源水汽给以补充, 使得汛期各场降水稳定氢氧同位素值偏差值较大, 最终表现为年内降水同位素变幅汛期大于非汛期.
2.1.2 大气降水的同位素效应在黄土丘陵沟壑区, 降水稳定同位素的变化特征与形成降水时的天气物理过程密切相关, 且δ18O更易受外部环境变化影响[20].为研究降水δ18O与各气象要素的关系, 利用公式(2)对2017年整年研究区内大气降水δ18O值进行日雨量加权平均计算, 将得到的δ18O每日雨量加权平均值与日平均气温(T)、降水量(Pi)、风速(WS)和相对湿度(RH)做相关性分析, 依各气象因子变化过程如图 4所示.
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图 4 韭园沟研究区大气降水δ18O与各气象因子关系 Fig. 4 Relationship between precipitation δ18O and meteorological factors in the Jiuyuangou research area |
结果发现, 在韭园沟研究区中大气降水的δ18O与平均气温(T)、风速(WS)、相对湿度(RH)各个气象因子均存在良好相关性, 且相关性均通过了0.01置信水平上的显著性检验.具体为：大气降水的δ18O与平均气温呈显著正相关, 与风速呈显著正相关, 与相对湿度呈显著负相关, 说明研究区存在较好地温度效应、风速效应以及湿度效应.通过比较3个关系式发现, δ18O与平均气温以及相对湿度之间相关性最大, 风速次之, 这表明研究区降水δ18O受温度、相对湿度和风速影响较为明显.出现此现象的原因是研究区地处黄土高原, 随着空气相对湿度增加蒸发强度减弱, 故降水δ18O值随着相对湿度增大而降低; 降水时云层底部发生二次蒸发过程, 随着温度升高云下二次蒸发强度增大故而降水δ18O值增大; 风速大, 有利于降水中水分子的扩散, 加快了水滴同周围局地蒸发的陆源水汽同位素交换过程, 故随着风速升高降水δ18O值增大[21]. δ18O与降水量之间通过了0.05置信水平上的显著性检验, 但是两者之间相关性较低, 不及平均气温、风速、相对湿度效应显著, 故研究区大气降水δ18O表现出弱降水量效应.这可能是由于降水量和二次蒸发过程具有一定的对应性, 在降水初期, 蒸发过程对降水影响显著, 降水中同位素富集, 随着降水过程的进行, 雨滴所经受的二次蒸发过程逐渐减弱[22], 但在本研究观测期间并非是二次蒸发强度的决定性因素.由于降水样品只采集了一年, 因此结果具有一定的局限性, 仅代表观测期内的研究结果, 今后还需长期观测, 以便进一步研究.
综合考虑以上各个气象因子对研究区大气降水δ18O影响, 将平均气温(T)、降水量(Pi)、风速(WS)和相对湿度(RH)各气象因子与δ18O做多元回归线性分析.
表 1为多元线性回归的方差分析表, 当统计量F=7.855时, P=0.000＜0.01, 说明回归方程通过了显著检验(F检验), 表明建立的多元回归模型具有统计学意义.
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表 1 方差分析 Table 1 Analysis of variance |
从表 2中可得到多元线性回归分析后各变量回归系数估计值、标准误差、t检验值以及P值信息.在显著性水平0.05的情形下, 各个自变量对δ18O的影响显著, 效果理想.
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表 2 回归系数及显著性检验 Table 2 Regression coefficients and test of significance |
得到如下多元线性回归方程：
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多元线性回归分析中的相关性相较于对各个因素单独分析来说有一定提高, 说明研究区大气降水的δ18O并不是单纯由单因素控制, 而是研究区各个气象因子, 如平均气温(T)、降水量(Pi)、风速(WS)和相对湿度(RH)共同作用的结果.
2.1.3 大气降水氘盈余变化特征大气降水氘盈余值是研究大气降水过程及受影响因素的重要参数, 能够反映降水来源、水汽运移规律、以及蒸发降水过程中的分馏规律[23].与大气降水同位素相同, 氘盈余参数同样受到水汽输送过程的相对湿度、风速、降水量以及温度影响. Dansgaard[24]定义了大气降水氘盈余参数公式为d=δD-8δ18O, 该参数主要用来表示水汽蒸发过程中由于同位素动力分馏而偏离平衡分馏的程度.图 5为韭园沟研究区2017年日平均氘盈余参数随时间变化的趋势.非汛期(10月~次年5月), 平均值为(10.52±1.99)‰, 汛期(6~9月)平均值为(8.37±1.42)‰, 表现为非汛期大于汛期.汛期, 来自低纬度的孟加拉湾及太平洋的季风带来了大量的海洋水汽[25], 空气相对湿度大, 降水中稳定同位素偏负, d值偏小; 非汛期, 降水主要来自陆源水汽, 空气相对湿度小, 降水中稳定同位素值偏正, d值偏大.年内平均值为8.82‰, 略小于全球大气降水氘盈余参数平均值(10 ‰).氘盈余参数变化范围是-9.24‰~24.62‰, 年内波动剧烈, 这反映了韭园沟研究区降水水汽来源区以及输送路径的复杂性, 以及降水同位素受多重因素影响的结果.
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图 5 2017年韭园沟研究区大气降水氘盈余年内变化过程 Fig. 5 Variation of precipitation d-excess in the Jiuyuangou research area in 2017 |
利用2017年整年内韭园沟研究区采集的河水及浅层地下水样品氢氧稳定同位素数据, 对河水及浅层地下水的δD和δ18O进行一元线性回归分析.如图 6所示, 河水和浅层地下水的氢氧同位素之间都表现出显著相关.其中也给出了研究区内大气降水方程线, 其斜率和截距均大于该地区河水及浅层地下水线, 降水同位素点大多位于河水和浅层地下水线左上方, 河水氢氧同位素点平均分布于浅层地下水线两侧, 斜率和截距小于浅层地下水.这是由于三水体间具有紧密联系, 河水和浅层地下水受到更为强烈的蒸发作用影响而导致的, 并且降水是河水、浅层地下水的主要补给来源[26].
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图 6 韭园沟研究区河水、浅层地下水中δD与δ18O的关系 Fig. 6 Relationship between δD and δ18O of river water and shallow groundwater in the Jiuyuangou research area |
为了消除河水同位素时间尺度的影响, 利用2017年韭园沟研究区10个采样点河水同位素年平均值数据, 建立了河水同位素特征与空间因子函数关系, 分析年内河水稳定同位素的空间分布特征, 结果如图 7~9所示.结果表明, 研究区河水中δ18O随海拔高度的增加而降低, 两者具有良好的相关关系, 并通过了0.01置信水平上的显著性检验.高程效应的本质是同位素温度效应或气温高度效应, 数值上用垂直递减率表示, 即同位素气温变化率和气温高度梯度的函数[27].相关性方程为δ18O=-0.0035H-4.8799 (R2=0.53, P＜0.01), 故韭园沟研究区在观测期间内河水中δ18O的垂直递减率为0.35‰·(100 m)-1, 即海拔高度增加1米, δ18O值减少0.0035‰, 此结果与文蓉等[28]在喜马拉雅山地区观测到的河水中δ18O的垂直递减率范围0.11~0.36‰·(100 m)-1是一致的, 大于全球降水δ18O垂直递减率0.28‰·(100 m)-1, 说明河水δ18O存在良好的高程效应.同位素高程效应可以表征出一定水汽来源特征[29], 高程效应越显著, 河水与降水水汽来源地越相近; 高程效应越微弱, 则表现出河水与降水水汽来源的差异性.韭园沟河水具有良好的δ18O高程效应, 说明研究区河水和降水大多来自同一水汽来源地, 即研究区河水很大程度上受到降水补给的影响.
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图 7 韭园沟研究区河水δ18O与海拔相关关系 Fig. 7 Relationship between altitude and δ18O of river water in the Jiuyuangou research area |
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图 8 韭园沟研究区河水氘盈余与海拔相关关系 Fig. 8 Relationship between altitude and d-excess of river water in the Jiuyuangou research area |
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图 9 韭园沟研究区河水中δ18O、d-excess的空间分布 Fig. 9 Spatial distribution of δ18O and d-excess of river water in the Jiuyuangou research area |
由于河水同位素存在一定的高程效应, 故河水中氘盈余参数的空间变化也会呈现一个复杂的变化过程.流域河水氘盈余在观测期间内表现为随高度升高而增大的趋势, 通过了0.01置信水平上的显著性检验, 但两者相关性较低.氘盈余随海拔升高的规律在安第斯山和南极等地也有发现[30].
选取河源为起点, 绘制图 9韭园沟研究区河水δ18O、氘盈余距河源距离的变化特征, 可以看出：在沿程变化上, 河水氘盈余参数值除河口位置外, 均表现出随着距河源距离的增大逐渐降低; 河水的δ18O总体随着距河源距离的增大而富集, 说明河水沿河源至河口流动过程中蒸发效应逐渐增强.但是在流域不同位置个别点水体δ18O值存在突变情况, 在距河源1165 m处的2号点δ18O值突增, 显示其可能经历强烈蒸发过程, 主要是因为该点位于沟道180°拐弯处且位置较低, 不宜与其他水体交换, 造成沟道中水的聚集形成富集重同位素的“老水”.距河源5091 m处的7号点略有降低, 调查发现该点位于距离主沟道较远的高架桥下, 且其位置较高, 故未能受到主沟道河水良好补给, 导致其δ18O值偏低.
2.3 流域不同水体间联系研究区不同水体间时刻都在进行着相互补给与交换, 降水落到地面后一部分通过坡面漫流直接汇入河流, 另一部分在山坡沟壑入渗, 补给浅层地下水, 下渗的浅层地下水在下层岩石表面汇流并通过裂隙口与河水相互转化, 补给地表径流, 形成良好的流域水循环过程[31].降水作为流域水循环过程中水体的主要来源, 由于水汽来源、输送路径、气候变化及下垫面情况不同, 其氢氧同位素产生不同程度的蒸发分馏作用, 表现出不同的氢氧同位素特征, 造成参与水循环过程的其他不同水体氢氧同位素特征值的差异性[32].通过对比不同水体间同位素组成, 可以探究不同水体间的转化补给关系.
考虑到汛期(6~9月)和非汛期(10~次年5月)降水分布对水体转化比例的影响, 对研究区观测期内水体转化规律进行汛期、非汛期分别分析.利用汛期非汛期各水体δ18O均值结合公式(5)、(6)计算韭园沟在观测期间内降水、河水和浅层地下水的相互转化比例, 如表 3所示.
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表 3 韭园沟研究区非汛期和汛期不同水体转化比例 Table 3 Conversion ratio between different water bodies during the non-flood season and the flood season in the Jiuyuangou research area |
从计算结果来看, 在非汛期, 韭园沟研究区表现为降水和浅层地下水补给河水, 补给比例分别为46%和54%;在汛期, 表现为河水和降水补给浅层地下水, 补给比例分别为60%和40%.考虑到韭园沟流域自上个世纪五十年代开始大力开展生态治理保护工作, 到2009年完成治理度已经高达75.1%, 随着诸如淤地坝、水库和退耕还林还草等生态建设措施的实施, 流域生态水文循环过程发生显著改变[33].在非汛期, 降水量偏少, 生态活动增加了地表植被覆盖度, 降低了降水补给河水的传输速度, 故而非汛期河水受降水的补给比例偏少需要更多浅层地下水联合补给; 在汛期, 降水量大, 韭园沟大面积的生态建设植被有效拦截降水, 增加地面积水进而产生更多降水入渗量, 有效补给浅层地下水, 同时多项生态建设措施(水库、淤地坝)实施能够有效拦截河水, 增加河水入渗浅层地下水量.综上所述, 韭园沟研究区“降水-河水-浅层地下水”间具有良好转化关系, 生态建设措施的实施对小流域不同水体转化产生了一定影响.
3 结论(1) 韭园沟研究区大气降水线为δD=6.70δ18O+0.96 (R2=0.94, P＜0.01), 河水线方程是δD=3.63δ18O -32.93 (R2=0.70, P＜0.01), 浅层地下水线方程是δD=5.81δ18O-15.31 (R2=0.94, P＜0.01).河水点落在了LMWL线右下角并且平均分布浅层地下水线两侧, 说明研究区河水受到降水的良好补给, 和浅层地下水联系密切并受到更为强烈的蒸发作用.
(2) 研究区大气降水的δ18O值受到气温、风速、相对湿度及降水量共同影响, 多元线性回归分析结果为δ18O=1.759T-0.245 Pi+37.168WS-0.133·RH-69.215 (R2=0.69, P＜0.01);河水δ18O表现为随着距河源距离的增大而富集, 随着海拔高度的递增而降低, 后者相关性方程为δ18O=-0.0035H-4.8799 (R2=0.53, P＜0.01).
(3) 通过二端元混合模型分析韭园沟降水、河水及浅层地下水氢氧同位素特征, 明确三者在非汛期的补给关系为降水和浅层地下水补给河水, 补给比例分别为46%和54%;在汛期为河水和降水补给浅层地下水, 补给比例分别为60%和40%.说明韭园沟研究区降水-河水-浅层地下水全年间具有良好转化关系, 生态建设措施的实施对小流域不同水体转化产生了一定影响.
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