随着气候变暖和人类活动的加剧, 不同区域湖泊生态环境均出现了不同程度的恶化, 其中干旱区湖泊生态系统脆弱, 对气候变化和人类活动干扰更为敏感, 面临的生态环境问题更为严峻^[1].巴尔喀什湖位于中亚干旱区哈萨克斯坦共和国(“哈国”)东南部, 是流域各河流的尾闾湖, 伊犁河是其主要供给河流, 也是跨中哈两国的国际河流, 对巴尔喀什湖水量、水质具有显著影响.伊犁河-巴尔喀什湖流域是世界上最大的湖泊生态系统之一, 湖泊作为流域重要的水源保障, 向来备受关注^[2]. 1969年卡普恰盖水库的建立和伊犁河中下游水资源的过度开发利用, 导致了入湖水量减少、水文过程变化和三角洲生态环境的恶化, 制约了地区的经济和社会发展^[3~5].因此, 客观认识巴尔喀什湖和伊犁河水环境问题以及产生的主要原因, 具有十分重要的理论意义和实践价值.

水化学组成是水体在循环过程中与周围环境长期相互作用的结果, 能够指示水体形成和运移的历史^[6].水体离子组成是水化学性质的重要方面, 自然水体中的离子主要来源于陆地、大气以及人类活动^{[7, 8]}, 分析离子特征的水化学组分能够反映水体离子组成, 识别其控制因素^[9~12].氢氧同位素是水文过程的重要指示剂, 水在循环过程中的蒸发和扩散等作用引起同位素分溜, 造成地表不同水体的同位素组成差别^[13], 通过同位素组成变化可以示踪水体来源及其循环过程^[14~17].因此, 结合氢氧稳定同位素和水化学等相关数据, 可以更好地科学评价水资源质量状况、理解水文地球化学过程, 进而为区域水资源的管理和可持续利用等提供科学依据^{[18, 19]}.

目前, 关于巴尔喀什湖已有的研究主要集中在湖泊水文和湖泊古气候环境演变等方面^{[2, 3, 20~23]}, 龙爱华等^[2]的研究表明1970年以前湖泊水位呈现规律性的变化, 随着伊犁河中游卡普恰盖水库修建和蓄水, 湖泊水位开始下降, 并在20世纪80年代末达到低值.水量和水质是水资源利用的重要影响因素, 流域修建水库、农业生产等人为活动和气候变化影响了湖泊的水量变化, 但同时, 也将伴随着水化学过程的变化, 这些影响必然对区域人类的生产生活构成一定风险.然而, 水化学特性相关研究较少, 且多集中于巴尔喀什湖, 缺乏系统的巴尔喀什湖全流域化学风化和同位素地球化学循环过程研究.

本文通过对哈国境内巴尔喀什湖流域的湖泊、河流水体的水化学和氢氧同位素分析, 研究不同水体的化学和同位素的组成和分布特征及其环境意义, 以期为巴尔喀什湖环境变化研究提供基础.

巴尔喀什湖位于73°20′~79°11′E、45°00′~46°44′N之间, 地处哈国东南部(图 1).巴尔喀什湖面积约1.7×10⁴ km², 湖体呈狭长状, 长约605 km, 平均宽约30 km(最宽处70 km), 中间被乌泽纳拉尔水道隔开, 分为东西两部分, 西湖宽而浅, 为淡水湖, 东湖窄而深, 为咸水湖.流入巴尔喀什湖的固定河流主要有5条：伊犁河、卡拉塔尔河、阿克苏河、列普瑟河和阿亚古兹河, 主要由降水和高山冰雪融水补给, 其中的伊犁河是主要的入湖河流, 入湖径流量占巴尔喀什湖流域地表水资源总量的78%^[20].巴尔喀什湖南岸与东岸广泛分布着固定和半固定的沙漠与盐碱地, 气候较为干旱^[22].

图 1

Fig. 1

图 1 巴尔喀什湖流域水体采样点分布示意 Fig. 1 Sketched geological map of the study area and water sampling sites

伊犁河发源于天山山脉中部, 是跨越中国和哈萨克斯坦的国际河流(图 1).河流全长约1 237 km, 以我国境内的三道河子站和哈萨克斯坦境内的卡普恰盖站为分界点将伊利河分为上、中、下游.伊犁河上游的特克斯河、巩乃斯河和喀什河汇合后始称伊犁河^[3].

伊犁河-巴尔喀什湖流域总面积为50.0×10⁴ km², 其中, 哈国境内面积占85%, 中国境内的流域面积占15%^[20].流域从西北向东南逐渐抬升, 东南部的伊犁河谷东、南、北三面环山, 中间为谷地, 具有“三山二盆一谷”的地貌特征, 既阻挡了干热气流, 又可接受湿润水汽, 导致该区形成丰富的降水, 谷地年均降水量约300 mm, 山地年均降水量约500~1 000 mm, 属于温带大陆性干旱气候^{[23, 24]}；中西部为水分耗散区, 年均降水量在135~150 mm之间, 属干旱区大陆性气候^[23].流域气候干旱, 地表蒸发量大, 再加上人类不合理的农业灌溉等水资源利用, 导致该区域沙漠化日趋严重, 目前河流下游沿岸、沿巴尔喀什湖的部分小湖和已干涸的湖边, 盐碱地分布广泛.

依据《水质采样技术指导》(HJ 494-2009)相关内容以及巴尔喀什湖流域水文条件和地貌特征, 在伊犁河干流及其主要支流、湖泊东西部水体及其入湖河流布设采样点. 2018年6月采集了哈萨克斯坦境内巴尔喀什湖流域湖水样品10个、伊犁河水样18个及其他入湖河流水样29个, 2018年7月, 在新疆采集了我国境内的伊犁河水样8个(图 1).在采样的同时, 通过多参数水质分析仪(YSI, EXO2, USA)对水体常规水化学指标进行现场测定；双指示剂滴定法测定HCO₃^-和CO₃^2-, 即分别以酚酞和甲基橙为指示剂, 用酸标准溶液滴定水样, 根据两次滴定消耗酸标准溶液的体积, 分别计算碳酸根和重碳酸根的含量, 相对标准偏差为1.2%.然后将水样经0.45 μm滤膜过滤, 过滤后的部分样品加1 :1的硝酸酸化后保存于塑料瓶内用于阳离子分析；部分的样品装于玻璃瓶中, 并用PARAFILM封口膜进行密封, 用于SO₄^2-、Cl^-和同位素分析.实验室内水体阳离子(Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺和K⁺)浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Prodigy, USA)测定, SO₄^2-和Cl^-浓度由离子色谱仪(Dionex, ICS2000, USA)分析, 测试误差在0.5%以内；氢、氧同位素测定由美国液体水激光同位素分析仪(LGR, DLT-100, USA)完成, 每个样品重复测量6次, 取其平均值, 测试精度分别为1.0‰和0.1‰.

巴尔喀什湖流域不同类型水体的阴、阳离子浓度分析结果见表 1和表 2.巴尔喀什湖水体阴离子浓度的高低顺序为SO₄^2->Cl^->CO₃^2->HCO₃^-, 阳离子浓度的高低顺序为Na⁺>Mg²⁺>K⁺>Ca²⁺, 矿化度平均值为2 527 mg ·L^-1, 最高达4 387 mg ·L^-1(表 1).湖泊东湖水体的阴、阳离子浓度的高低顺序和西部水体离子相似，但东部水体的离子浓度和矿化度普遍较西部水体高.湖泊水体离子浓度标准偏差较大, 反映了较大的空间差异性, 东部湖水的离子浓度和TDS较西部高, 与巴尔喀什湖西部淡水、东部咸水的特征相符.这种现象一方面与伊犁河汇入湖泊西部的稀释作用有关, 另一方面可能与东、西部湖区的降水量、蒸发能力差异有关, 东、西部湖区的年均降水量分别为15.0×10⁸ m³和18.7×10⁸ m³, 年均蒸发量分别为1 018 mm和987 mm^[2].

表 1 (Table 1)

表 1 巴尔喀什湖水体主要离子浓度分析 Table 1 Statistics of major components of water samples in Lake Balkhash 水体类型 项目 Ca2+ /meq·L-1 Mg2+ /meq·L-1 Na+ /meq·L-1 K+ /meq·L-1 CO32- /meq·L-1 HCO3- /meq·L-1 Cl- /meq·L-1 SO42- /meq·L-1 TDS /mg·L-1 湖水 (n=10) 最小值 1.13 0.56 0.56 0.05 0.00 1.67 0.18 0.65 198 最大值 3.69 23.37 45.69 2.24 13.34 6.16 27.48 35.28 4 387 平均值 2.18 13.31 24.99 1.14 8.79 4.26 14.43 19.82 2 527 标准差 0.96 7.75 15.79 0.79 4.10 1.45 9.70 11.71 1 412 东部湖水 (n=5) 最小值 1.13 0.56 0.56 0.05 0.00 2.86 0.18 0.65 198 最大值 1.98 23.37 45.69 2.24 13.34 6.16 27.48 35.28 4 387 平均值 1.44 16.99 32.86 1.58 9.73 5.10 19.49 25.37 3 174 标准差 0.43 9.93 19.78 0.96 5.64 1.35 11.96 14.98 1 806 西部湖水 (n=5) 最小值 2.09 7.54 12.77 0.55 6.15 1.67 6.94 11.07 1 439 最大值 3.69 12.29 23.23 0.90 10.00 4.17 12.82 18.31 2 589 平均值 2.92 9.64 17.12 0.71 7.86 3.42 9.37 14.26 1 881 标准差 0.73 1.70 3.81 0.13 1.97 1.08 2.13 2.69 426

表 1 巴尔喀什湖水体主要离子浓度分析 Table 1 Statistics of major components of water samples in Lake Balkhash

表 2 (Table 2)

表 2 伊犁河及其他入湖河流水体主要离子浓度分析 Table 2 Statistics of major components of water samples in rivers from the Lake Balkhash catchment 水体类型 项目 Ca2+ /meq·L-1 Mg2+ /meq·L-1 Na+ /meq·L-1 K+ /meq·L-1 CO32- /meq·L-1 HCO3- /meq·L-1 Cl- /meq·L-1 SO42- /meq·L-1 TDS /mg·L-1 伊犁河 (n=26) 最小值 1.39 0.26 0.12 0.02 0.00 1.00 0.02 0.34 91.3 最大值 4.82 2.12 3.42 0.07 5.26 10.62 2.28 3.11 608 平均值 2.54 1.06 1.15 0.05 1.89 3.61 0.55 1.43 289 标准差 0.88 0.49 0.85 0.02 2.08 2.93 0.52 0.74 133 伊犁河上游 (n=8) 最小值 1.47 0.26 0.12 0.02 0.00 4.53 0.02 0.39 91.3 最大值 2.79 1.35 1.24 0.07 1.20 10.62 0.46 1.52 259 平均值 2.00 0.72 0.55 0.04 0.65 7.30 0.19 0.84 163 标准差 0.51 0.41 0.43 0.02 0.42 2.57 0.17 0.40 61.7 伊犁河中游 (n=11) 最小值 1.39 0.30 0.18 0.03 0.00 1.00 0.06 0.34 127 最大值 4.82 1.74 3.42 0.07 5.00 3.33 2.28 3.11 608 平均值 2.91 1.06 1.29 0.05 2.60 1.85 0.68 1.54 333 标准差 1.17 0.48 1.00 0.02 2.09 0.78 0.71 0.86 146 伊犁河下游 (n=7) 最小值 2.50 1.29 1.31 0.07 0.00 1.25 0.68 1.84 339 最大值 2.63 2.12 2.86 0.07 5.26 3.33 1.05 2.45 475 平均值 2.57 1.43 1.61 0.07 2.18 2.14 0.74 1.94 364 标准差 0.05 0.30 0.55 0.00 2.72 0.86 0.13 0.23 49.2 其他入湖河流 (n=29) 最小值 0.95 0.24 0.14 0.02 0.00 1.11 0.04 0.18 107 最大值 3.55 2.51 4.34 0.10 6.67 3.75 1.39 3.63 604 平均值 2.12 0.89 1.00 0.04 2.01 2.26 0.24 1.05 263 标准差 0.88 0.67 1.02 0.02 2.64 0.80 0.28 1.03 148

表 2 伊犁河及其他入湖河流水体主要离子浓度分析 Table 2 Statistics of major components of water samples in rivers from the Lake Balkhash catchment

伊犁河水体阴离子浓度从大到小依次为HCO₃^->CO₃^2->SO₄^2->Cl^-, 阳离子浓度从大到小依次为Ca²⁺>Na⁺>Mg²⁺>K⁺(表 2).伊犁河不同区域水体主要离子和TDS浓度总体上呈现从上游到下游递增的趋势, 可能是与沿河独特的水文地质条件及地形地貌特征有关, 上游地区的冰雪融水及降水补给较大, 稀释了离子浓度, 导致水体中各离子浓度较低, 中下游地区降水少且蒸发作用强烈, 使得水体在一定程度上蒸发、浓缩；再加上地表大面积暴露, 当地较强的风化侵蚀作用释放大量盐离子并进入水体, 导致水中各主要离子浓度和矿化度升高.流域其他入湖河流水体的阴离子浓度高低顺序为HCO₃^->CO₃^2-＞SO₄^2->Cl^-, 阳离子浓度的高低顺序为Ca²⁺>Na⁺>Mg²⁺>K⁺(表 2).伊犁河和其他入湖河流水体离子浓度顺序较一致, 体现了相似的离子影响因素.

水化学Piper三角图能够体现水体的化学组成特征, 进而可以辨别水体的一般化学特征及其控制单元^{[11, 12, 25]}.图 2为巴尔喀什湖流域不同类型水体主要离子当量浓度的相对比例.湖泊水体的水化学组成分布较为集中, 阴离子以SO₄^2-和Cl^－为主, 分别占阴离子总量的42%和31%, 阳离子以Na⁺为主, 占阳离子总量的60%, 水化学类型为SO₄-Na和Cl-Na型, 表明蒸发作用的影响；卡拉塔尔河入湖口处的水化学类型为HCO₃-Ca型, 可能受河水影响较大.伊犁河水体离子以HCO₃^-和Ca²⁺为主, 分别占阴、阳离子总量的48%和53%, 水化学类型为HCO₃-Ca型.伊犁河从上游到下游, 水样中HCO₃^-在阴离子总量的比例从81%下降到31%, Ca²⁺在阳离子总量的比例从60%下到45%, 而SO₄^2-的比例从9%升高到28%, Cl^-的比例从2%升高到11%, Na⁺的比例从16%升高到28%, 水化学类型逐渐由重碳酸盐型过渡到硫酸化物型、氯化物型, 反映了水化学性质的影响因素发生变化.流域内其他入湖河流的水体阴离子以HCO₃^-为主, 阳离子以Ca²⁺为主, 分别占阴、阳离子总量的41%和52%, 水化学类型是HCO₃-Ca.

图 2

Fig. 2

图 2 巴尔喀什湖流域不同类型水体的水化学Piper图 Fig. 2 Piper trilinear diagram of water in the Lake Balkhash catchment

Gibbs^[26]通过对世界雨水、河水和湖泊等地表水体的水化学组分分析, 将天然水化学成分的来源主要区别为3个, 即大气降水控制型、岩石风化控制型、蒸发-结晶控制型, 而Gibbs图可以定性判断水化学组成来源.由研究区的湖泊和河流水体离子的水化学Gibbs图可知(图 3), 除卡拉塔尔河入湖口处水体外，湖泊水体具有较高的TDS值，Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)比值在0.5~0.8之间，Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比值接近1，优势离子主要落在Gibbs模型上端，处于岩石风化与蒸发结晶区，表明离子主要受蒸发作用影响.除卡拉塔尔河入湖口处样点外的湖泊东部水体的Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)和Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)均值分别为0.97和0.71, TDS均值为3 918 mg ·L^-1, 西部水体的Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)和Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)均值分别为0.62和0.87, TDS均值为1 881 mg ·L^-1, 反映了东部水体较西部水体受到的蒸发作用更强.

图 3

Fig. 3

图 3 巴尔喀什湖流域不同类型水体主要离子的Gibbs图 Fig. 3 Gibbs plots of major ions in water samples from the Lake Balkhash catchment

伊犁河水体的Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)比值在0.1~0.6之间, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比值在0.002~0.6之间, TDS值在91.3~608 mg ·L^-1之间, 主要处在岩石风化与蒸发结晶区之间.其中, 上游河水的Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)均值为0.01, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)均值为0.2, TDS均值为163 mg ·L^-1；中游河水的Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)均值为0.18, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)均值为0.3, TDS均值为333 mg ·L^-1；下游河水的Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)均值为0.19, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)均值为0.4, TDS均值为364 mg ·L^-1.伊犁河水体阴、阳离子分布相似, 说明河水优势离子主要受岩石风化作用和蒸发作用共同影响.伊犁河水体主要离子比值(尤其是阴离子比值)和TDS值整体上表现为从上游到下游的递增趋势, 表明影响水体离子的作用逐渐从岩石风化为主转变为蒸发作用为主, 主要与伊犁河不同区域降水、蒸发情况等有关, 伊犁河上游河谷地区降水丰富, 加之天山冰雪融水, 水体离子主要来自碳酸盐类矿物风化；中下游经萨雷耶西克特劳沙漠区后注入巴尔喀什湖, 降水少, 蒸发强烈, 河水经蒸发浓缩, 下游灌溉区以及南岸沙漠与盐碱地大面积地表暴露, 导致当地较强的风化侵蚀作用, 大量盐离子释放进入水体.流域其他入湖河流水体的Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)比值在0.1~0.6之间, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比值在0. 01~0.4之间, TDS值在107~604 mg ·L^-1之间.其主要阴、阳离子分布与伊犁河相似, 处在岩石风化和蒸发作用区, 指示河流水体离子的影响因素相似, 即碳酸盐风化和蒸发过程.

对巴尔喀什湖流域不同类型水体离子空间分布进行主成分分析(PCA, 图 4), 得到两个主成分, 共解释了变量的94.60%方差, 其中主成分1(PC1)解释了75.99%的方差, 主成分2(PC2)解释了18.61%的方差.湖泊水体离子对PC1的贡献度较大, 伊犁河上游水体离子对PC2的贡献度较大.伊犁河中下游水体离子在PC1上的贡献度逐渐增大, 同时在PC2上的贡献逐渐减小；其他入湖河流水体在两个主成分因子上都有贡献.伊犁河上游和湖泊水体离子位于图右上顶端的对角线的两端, 类似于两个“端元”, 而伊犁河中下游和流域其他入湖河流水体位于这两个“端元”之间, 表明不同地理位置的水体离子主要控制因子差异.

图 4

Fig. 4

图 4 巴尔喀什湖流域水体离子空间分布的主成分分析 Fig. 4 Principal component analysis diagram of water samples from the Lake Balkhash catchment

为了进一步探讨水体主要离子与地质背景之间的关系, 对巴尔喀什湖流域不同类型水体主要离子间的关系进行PCA分析, 得到2个主要公共因素[图 5(a)], 共解释了总变量88.90%的方差.第一因子(PC1)的方差贡献率为73.48%, 与大部分离子、TDS之间存在强相关性, 表明这些离子是TDS的主要来源, Na⁺、K⁺、Cl^-、Mg²⁺和SO₄^2-的强相关性表明蒸发作用^[27], 与NH₄⁺的相关性反映了人类活动的影响, 如农业化肥的使用引起NH₄⁺含量升高^[28]；第二因子(PC2)的方差贡献率为15.42%, 与HCO₃^-和Ca²⁺存在较强的相关关系, 反映了碳酸盐溶解作用对水体离子的影响.因子得分在PC1和PC2上的分布情况如图 5(b)所示, 采样点被分为与其地质背景有关的3类.流域湖泊水体离子受PC1的影响较大, 即蒸发作用以及人类活动；伊犁河上游水体离子对PC2的贡献较大, 即碳酸盐风化溶解作用；伊犁河水体离子从上游到中下游在PC1上的贡献逐渐增大, 同时在PC2上的贡献逐渐减小, 表明伊犁河中下游水体受到的蒸发作用、人类活动影响增强；流域其他入湖河流水体离子分布在PC1和PC2上, 反映了蒸发作用、碳酸岩风化溶解作用和人类活动的共同影响.伊犁河中下游地区是重要的农业灌区, 包含8个主要灌区, 面积约为56.87×10⁴ hm², 大规模种植水稻等作物^[29], 农业施肥和灌溉引水等给水环境造成了一定的影响.

图 5

Fig. 5

图 5 巴尔喀什湖流域水体离子的主成分分析 Fig. 5 Principal component analysis diagram of major ions in water samples from the Lake Balkhash catchment

不同水样的氢同位素和氧同位素空间分布见图 6, 氢和氧同位素空间分布特征基本一致.湖水氢和氧同位素值变化范围分别为-91.13‰~-18.26‰和-13.96‰~-0.53‰, 均值分别为-30.50‰和-2.69‰；河水氢和氧同位素值变化范围分别为-99.17‰~-71.43‰和-14.52‰~-10.25‰, 均值分别为-84.62‰和-12.40‰.卡拉塔尔河入湖口处的水体氢氧同位素呈现较低值, 除该采样点外的湖东部水体氢氧同位素均值分别为-23.39‰和-1.22‰, 湖西部水体氢氧同位素均值分别为-24.07‰和-1.61‰, 湖泊东部水体氢氧同位素值高于西部水体, 反映了湖泊东西部蒸发强度的差异, 与降水量和蒸发量差异有关.伊犁河水体氢和氧同位素变化范围分别为-89.41‰~-71.43‰和-13.06‰~-10.25‰, 均值分别为-77.94‰和-11.41‰.其中, 上游水体氢和氧同位素变化范围分别为-85.42‰~-71.43‰和-12.73‰~-10.33‰, 下游水体氢和氧同位素变化范围分别为-75.32‰~-71.74‰和-11.48‰~-10.25‰.伊犁河水体的氢和氧同位素值从上游到下游呈现富集趋势, 主要是由于上游河水冰雪融水和雨水补给, 年均径流量较大(143.61亿m³)^[3], 造成上游水体的同位素贫化.而伊犁河中下游的卡普恰盖水库位于阿拉木图境内, 阿拉木图农业灌溉和城市工业、生活用水极大依赖于水库及上游供水, 2008年巴尔喀什湖流域中下游用水量约65×10⁸ m³左右^[29], 耗水量增加导致年径流量减少(46.99亿m³)^[3]；下游河面较宽阔、水流相对缓慢, 蒸发作用强烈；再加上下游农田回水和城市污水排放等影响, 最终导致水中离子浓度升高, 重同位素留存比例增大, 氢氧同位素值升高.伊犁河中游水体同位素值较低可能与该区域支流贫同位素河水汇入有关, 有研究表明河流支流水体氢氧同位素值对干流同位素值的影响较大, 不同支流小流域地理因素影响其稳定同位素组成, 最终影响到干流河水中稳定同位素的变化^{[30, 31]}.流域其他入湖河流水体的氢氧同位素值变化范围分别为-99.17‰~-77.48‰和-14.52‰~-10.94‰, 均值分别为-90.61‰和-13.28‰.整体上, 流域其他入湖河流较伊犁河水体的同位素值低, 湖泊水体的氢氧同位素值高于河流水体, 湖泊水体同位素偏正主要是长期的蒸发浓缩导致, 流域不同区域水体的同位素差异与降水、蒸发作用等差异有关.

图 6

Fig. 6

图 6 巴尔喀什湖流域不同类型水体氢氧同位素值的分布 Fig. 6 Distributions of δD and δ18O values in water samples from the Lake Balkhash catchment

区域降水中的同位素组成呈现一定的地理效应, 包括高程效应、大陆效应和纬度效应^{[12, 19, 32, 33]}, 高程效应是指当海拔高度较高时, 平均气温较低, 降水中的同位素值减少；纬度效应是指随着纬度的升高, 降水中的同位素值降低；大陆效应指当水蒸气汽团从源区被输送经过大陆时, 由于地形作用及温度影响, 同位素组成发生变化, 导致不同地区的降水表现出不同的同位素值, 一般运移距离越远, 同位素值愈负.降水是河水主要补给水源, 其同位素组成影响不同区域河水中氢氧同位素组成.为了解该流域河流水体同位素空间差异的影响因素, 对该流域河流水体的氢氧同位素值与纬度、经度、海拔的相关性进行分析(图 7).结果显示, 河流水体同位素值与采样点纬度的相关性达到显著水平, 与经度(r=-0.13, P>0.05；r=-0.11, P>0.05)、海拔(r=-0.12, P>0.05；r=-0.03, P>0.05)不显著相关.河流水体同位素组成表现了一定的纬度效应, 但大陆效应、高程效应不明显.

图 7

Fig. 7

图 7 流域河流水体氢氧同位素随纬度的变化 Fig. 7 Relationship between δD, δ18O values, and the latitude of river waters in the Lake Balkhash catchment

Craig^[34]在研究北美大陆大气降水过程中, 将氢氧同位素的线性关系(δD=8 δ¹⁸O+10)命名为全球大气降水线(global meteoric water line, GMWL).GMWL仅适用于全球范围, 由于气候和地理参数的变化, 许多区域大气降水线与GMWL不同.黄天明等^[19]根据西部地区相关气象站降水资料计算出中国西部地区大气降水线(local meteoric water line, LMWL)：δD=7.56 δ¹⁸O+5.05, 并认为LMWL斜率偏离GMWL主要是由蒸发作用引起.

除卡拉塔尔河入湖口处的采样点外, 流域湖水氢氧同位素值与哈国东部湖水^[12]相近, 都偏离全球降水线, 并靠近塔吉克斯坦区域蒸发线^[35], 同位素值最为偏正(图 8), 体现了湖泊作为流域低点, 其水体受到较强的蒸发作用；伊犁河和流域其他入湖河流水体氢氧同位素的分布位置相近, 位于降水线附近(图 8), 表明河流同位素组成受到降水影响较大.对河水中的氢氧同位素进行线性回归分析, 得出相应的线性关系(图 8), 伊犁河水体的氢氧同位素关系为：δD=5.7 δ¹⁸O-12.9, 流域其他入湖河流水体氢氧同位素关系为：δD=3.1 δ¹⁸O-49.0.这2个线性方程均不同程度地偏离GMWL, 斜率值都小于降水线(GMWL和LMWL)^{[19, 34]}和哈国东部河水线(7.6)^[12], 但大于塔吉克斯坦区域的蒸发线斜率(5.0)^[35], 表明哈国不同区域河水受到蒸发的影响程度不同, 但蒸发强度相对塔吉克斯坦地区较低.

图 8

Fig. 8

GWML表示全球大气降水线[34], EL表示塔吉克斯坦区域蒸发线[35] 图 8 巴尔喀什湖流域不同水体δD和δ18O的关系 Fig. 8 Plots of δD and δ18O in waters from the Lake Balkhash catchment

氘盈余(d=δD-8 δ¹⁸O)可以较直观地反映地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度, 即蒸发、凝结过程的不平衡程度越强, δD和δ¹⁸O值越偏正, d值越小^{[32, 36]}.湖泊水体d值为-9.02‰, 除卡拉塔尔河入湖口处的采样点外的东部水体d′值为-13.66‰, 湖西部水体d值为-11.21‰；伊犁河水体d值为13.33‰, 流域其他入湖河流水体d值为15.65‰.湖泊水体d值, 尤其是东部水体d′值, 明显小于全球大气降水线的d值(10‰), 表明湖水, 尤其是东部湖水, 受到强烈的蒸发作用导致氢、氧同位素富集.

当水体的氢、氧同位素组成与离子质量浓度、矿化度相关性不明显时, 水体主要受补给来源的影响；当水体的氢、氧同位素组成与离子质量浓度、矿化度相关性显著时, 水体受蒸发作用引起氢、氧同位素的分馏, 使得氢、氧同位素偏重, 相应的离子质量浓度、矿化度等也会升高^[36].湖泊水体同位素, 尤其是东部湖水同位素与大部分水化学指标存在显著相关性(表 3), 表明东部湖水受蒸发作用较强, 不同区域湖水同位素和离子浓度、矿化度相关性差异与伊犁河水入湖和降水量、蒸发程度差异有关.除K⁺和Mg²⁺外, 流域河水体氢、氧同位素组成与离子质量浓度的相关性不明显, 说明河流水体同位素和主要离子组成主要受补给来源的影响, 蒸发作用相对较小.

表 3 (Table 3)

表 3 巴尔喀什湖流域不同水体的化学参数和同位素相关性分析1) Table 3 Correlations between δD, δ18O and hydrochemical parameters in waters from the Lake Balkhash catchment 水体类型 同位素 TDS Ca2+ Mg2+ Na+ K+ CO32- HCO3- Cl- SO42- 东部湖水 (n=5) δD 0.88* -0.41 0.88* 0.87 0.85 0.94* 0.890* 0.86 0.88* δ18O 0.89* -0.44 0.90* 0.88* 0.86 0.94* 0.90* 0.87 0.89* 西部湖水 (n=5) δD 0.77 0.12 0.83 0.76 0.70 0.92* -0.14 0.83 0.67 δ18O 0.78 0.19 0.85 0.79 0.75 0.88* -0.07 0.85 0.72 伊犁河水 (n=26) δD -0.05 -0.27 0.30 -0.01 0.42* 0.04 0.17 -0.19 0.07 δ18O 0.07 -0.13 0.41* 0.13 0.49* 0.13 0.16 -0.08 0.18 湖泊东南部卡拉 塔尔河河水(n=18) δD -0.25 -0.22 -0.25 -0.28 0.48* 0.30 -0.06 -0.11 -0.33 δ18O 0.39 0.39 0.33 0.37 0.59** 0.34 0.13 0.37 0.33 湖泊东部阿克苏河、 列普瑟河河水(n=11) δD 0.15 0.09 -0.13 -0.20 0.41 0.23 -0.05 -0.16 -0.25 δ18O -0.02 -0.09 -0.23 -0.26 0.49 -0.05 0.18 -0.24 -0.28 1)*表示在0.05水平上显著相关, **表示在0.01水平上极显著相关

表 3 巴尔喀什湖流域不同水体的化学参数和同位素相关性分析1) Table 3 Correlations between δD, δ18O and hydrochemical parameters in waters from the Lake Balkhash catchment

(1) 巴尔喀什湖流域湖泊水体中阴离子以Cl^-和SO₄^2-为主, 阳离子以Na⁺为主, 水化学类型为SO₄-Na和Cl-Na；河流水体离子以Ca²⁺和HCO₃^-为主, 水化学类型为HCO₃-Ca.伊犁河从上游到下游呈现由重碳酸盐型过渡到硫酸化物型、氯化物型的趋势, 表现为Na⁺和SO₄^2-、Cl^-浓度的明显升高.湖泊水体的主要离子浓度明显位于Gibbs模型的蒸发作用区；河流水体的离子分布在蒸发和岩石风化区之间, 其中伊犁河主要离子从上游到下游向蒸发控制带偏移.PCA分析结果表明, 湖水离子组成与蒸发岩风化溶解、人类活动有关, 伊犁河上游水体离子受碳酸岩溶解作用影响, 伊犁河中下游和其他入湖河流水体的离子组成受蒸发岩风化溶解、人类活动和碳酸岩溶解作用影响, 反映了水化学影响因素的空间差异.

(2) 湖泊水体氢氧同位素组成位于全球大气降水线和哈萨克斯坦地区蒸发线之间, 氘盈余明显小于全球降水线, 反映了较强的蒸发作用导致的水体同位素富集；河流水体的氢氧同位素位于全球大气降水线附近, 表明降水对同位素组成的影响.此外, 伊犁河流域水体的氢氧同位素值在空间分布上表现为从上游到下游的富集趋势, 与沿途降水、蒸发等的差异有关.

(3) 巴尔喀什湖流域不同水体化学参数与同位素相关分析表明, 河流水体的氢氧同位素组成与各离子相关性不显著, 东部湖水的同位素组成与大部分离子存在显著相关性, 反映了湖泊水体受到强烈的蒸发作用影响.