长江中下游平原是我国浅水湖泊分布最集中的地区, 也是中国淡水湖泊最为集中的区域.据统计发现该地区湖泊面积在1 km²以上的共有651个, 其中面积大于100 km²的有18个, 这些湖泊具有洪水调蓄和纳污消减功能^[1].然而, 在人类活动(如建造大坝)和气候变化(如干旱)综合影响下长江中下游地区湖泊功能和江湖关系发生了剧烈变化, 其与中游江湖水系的洪旱灾害间的互馈作用备受关注和争议^[2].长江中下游地区江湖关系变化直接影响着湖泊(如洞庭湖和鄱阳湖)水文情势和水环境容量.因此, 长江与其沿岸湖泊构成的复杂江湖复合生态系统对维持江湖水生生态系统结构、功能的稳定性和生物多样性等具有重要作用^[3].

长江中下游地区湖泊污染、富营养化和江湖关系等热点问题已引起了国内外广泛的关注, 较早研究系统地对该地区湖泊富营养化演变过程与机理分析^{[4, 5]}, 明确了浅水湖泊富营养化的治理不仅要控制外源性营养盐控制, 还要依赖于湖泊内源营养盐的治理, 如水生植被恢复、底泥动力悬浮物营养盐释放控制^{[6, 7]}.稳定同位素技术在示踪水体的来源、演化及不同水体间相互转化关系及污染源方面得到了广泛地应用^[8~12].丁悌平等^[8]开展了长江水氢氧同位素组成的时空格局及揭示了环境指示意义; 梁越等^[9]基于碳氮稳定同位素组成分析较好地识别了鄱阳湖流域蚌湖丰水期的氮污染; 徐敬争等^[10]对太湖湖水同位素开展了长期连续地观测, 并揭示了太湖湖水同位素演变机制; 詹泸成等^[11]的研究发现长江干流九江段河水与鄱阳湖湖水同位素具有明显的季节变化, 其中4月水体中同位素值最大, 8月同位素值最小.尽管过去的研究针对长江流域大气降水-河水-湖水中稳定水同位素及其影响因素开展了大量的研究, 但这些研究主要聚焦于长江中下游某个湖泊或长江干流水同位素变化研究^{[8, 11, 12]}, 而综合研究长江中下游地区多个湖泊和长江干流水同位素的时空变化特征及其控制因素还尚缺.因此, 本文通过对长江中下游丰水期河水和湖水中同位素组成特征及其影响因素分析, 对充分认识研究区大气降水-河水-湖水的相互联系, 以及探讨其水资源状况及其演变趋势具有重要的意义.

长江是我国第一大河, 两岸沃野千里, 湖泊星罗棋布.长江中下游地区(26°N~34°N, 105°E~122°E)的面积约为8×10⁵ km², 占整个长江流域的44.5%.长江中下游地区以浅水湖泊分布为主, 据统计, 1 km²以上的湖泊有651个, 其总面积为16 558 km², 占全国淡水湖泊面积的60%, 其中湖泊大多属于河间洼地湖(如洪湖)、雍塞湖(如龙感湖)、沉溺湖(如网湖)等, 也有构造断陷形成的湖泊(如鄱阳湖), 形成了长江中下游典型的洞庭-江汉、华阳-鄱阳和太湖-三角洲三大湖群, 是世界上独一无二的浅水湖泊群地区.这些湖泊历史上均与长江自然连通, 形成了自然的江、河、湖复合生态系统, 湖泊水体主要受长江各支流汇集补给, 然后又注入长江, 湖泊的换水周期都比较短.这些湖泊具有共同的水文特征：①受长江水位和降水影响, 湖泊水位在年内变化大, 丰水位和枯水位期间湖面发生明显扩展和缩小; ②湖泊水位在很大程度上受长江水位的控制, 长江洪水对湖泊出水有明显的顶托作用, 甚至于长江洪水及营养物质向湖泊倒灌; ③湖底淤泥深厚, 有机质含量高, 主要为近现代的湖相沉积, 淤泥厚度大多在1~2 m.

长江中下游地处亚热带季风气候区, 夏季湿热、冬季干冷, 年均温度为15~20℃, 年降水量大于1 000 mm, 降水主要集中在夏季, 约占全年降水的一半.流域7月年均降水量自流域上游向下游有逐渐降低的趋势, 降雨中心主要分布在四川盆地[图 1(a)]; 7月年均温度自上游向下游呈现逐渐升高的趋势, 长江中下游地区年均气温高于24℃[图 1(b)].

图 1

Fig. 1

图 1 长江流域7月年均降水量和气温变化(1960~2018年) Fig. 1 Annual variations of air temperature and precipitation in July across the Yangtze River watershed from 1960 to 2018

基于长江中下游干流特征, 将干流分成三峡库区、宜昌-城陵矶、城陵矶-湖口和湖口-长江口这4个部分. 2018年7月对长江中下游地区进行水土环境综合考察并收集水体样品, 在长江干流自湖北省巴东县至上海入海口浦东区共收集了103个河水样品, 对长江中下游24个湖泊进行了水样收集, 共135个(图 2), 同时现场采用美国哈希(Hydrolab Datasond 5)便携式多参数分析仪(YSI)测定湖泊温度和pH, 温度和pH的精度分别为±0.2℃和±0.1;水体透明度采用塞氏盘法测定, 其精度为±2 cm, 表 1中给出了每个湖泊面积、深度和海拔等信息.所有河水和湖水均采用30 mL高密度聚乙烯(HDPE)塑料瓶进行收集保存, 取样前用河水或湖水冲洗样品瓶3次, 水样经0.45 μm滤膜过滤后, 迅速装满样品瓶, 并进行冷藏保存(4℃).

图 2

Fig. 2

1.长湖; 2.洞庭湖; 3.大通湖; 4.岳阳南湖; 5.洪湖; 6.黄盖湖; 7.武昌东湖; 8.梁子湖; 9.磁湖; 10.武山湖; 11.鄱阳湖; 12军山湖; 13.珠湖; 14.龙感湖; 15.黄湖; 16.升金湖; 17.菜子湖; 18.巢湖; 19.太平湖; 20.石臼湖; 21.滆湖; 22.太湖; 23.阳澄湖; 24.淀山湖 图 2 研究区和采样点分布示意 Fig. 2 Map of study region and spatial sampling sites

表 1 (Table 1)

表 1 长江中下游地区湖泊属性调查 Table 1 Investigation of lake properties across the middle and lower reaches of the Yangtze River region 湖泊 深度/m 面积/km2 海拔/m 温度/℃ pH 透明度/cm 淀山湖 2.1 63.7 2.5 29.9 8.2 67.5 滆湖 2.5 146.5 3.2 29.6 8.7 19.5 石臼湖 3.4 210 9.3 31.9 8.8 41 阳澄湖 2.0 119 2.8 29.6 8.2 46.9 太湖 2.4 2 425 3.1 30.4 8.3 16.5 菜子湖 3.1 172 11 31.1 8.6 28 太平湖 50.6 88.6 107 30.8 8.8 925 升金湖 2.1 78.5 11.2 32.1 8.6 27.5 巢湖 3.5 769.6 6.2 31.3 8.6 13.8 龙感湖 3.0 316.2 10.9 32.5 8.3 61.3 黄湖 2.6 299.2 9 33.2 8.2 133.8 鄱阳湖 11.8 2 933 21.7 31.6 8.0 76.5 军山湖 5.3 192.5 14 32.1 8.6 128.3 珠湖 3.9 80.8 11.2 32.1 7.6 148.8 大通湖 1.8 114.2 28 30.5 8.6 130 洞庭湖 5.9 2 432.5 33 27.9 7.8 48.6 岳阳南湖 5.1 12 25 29.6 8.7 37.5 黄盖湖 2.2 86 28 28.8 8.2 45 长湖 2.7 129.1 28 29.0 8.4 67 洪湖 2.0 344.4 25 29.4 8.7 46.3 武昌东湖 3.4 34 19.8 30.2 8.6 58.3 梁子湖 3.7 304.3 20 31.4 8.6 88.3 磁湖 2.0 10 18 32.7 8.4 40 武山湖 1.8 16 15 30.5 8.4 26.7

表 1 长江中下游地区湖泊属性调查 Table 1 Investigation of lake properties across the middle and lower reaches of the Yangtze River region

所有水样的稳定氢氧同位素组成均在北京师范大学地理学部水文土壤学重点实验室用LGR液态同位素分析仪(DLT-100, 型号:908-0008)进行测试分析其δ¹⁸O和δ²H组成, 测量的结果均以V-SMOW作为参考标准, 每个样品重复6次, 为了避免记忆效应, 取后4次的平均值, 其δ¹⁸O和δ²H测试的误差分别为δ²H≤1‰(1σ), δ¹⁸O≤0.3‰(1σ).

过量氘(d-excess=δ²H-8×δ¹⁸O)是水体中δ¹⁸O和δ²H组成的重要指标, 降水中d-excess值大小与形成降水水汽源地气象条件(温度、相对湿度和风速)、雨滴在降落过程中蒸发富集作用等有关, 而地表水中d-excess值可较直观地反映水体蒸发富集程度和水体间补给来源^[13].

长江中下游地区复杂的河湖系统, 水体交换关系多变, 水利工程兴建对流域水文过程产生了较大的影响, 三峡大坝的建立影响了江湖的补排关系与泥沙交换, 明显改变了长江沿岸湖泊的水情.然而, 河水中同位素组成时空变化在一定程度上能较好地指示地下水和降水同位素组成变化^{[14, 15]}, 河水同位素时空变化往往受不同水源的补给和蒸发富集作用共同影响.从图 3可以看出, 长江水中δ¹⁸O值的变化范围为-11.8‰~-5.2‰, 平均值为-9.4‰, 且自三峡库区至下游呈现逐渐增大[图 3(a)], 这与前期研究结果较为一致^{[8, 16]}.张亚男等^[16]同样发现丰水期长江水同位素含量沿着径流方向逐渐增加, 而丁悌平等^[8]基于多年长江水氢氧同位素组成变化具有相似的变化规律.中国大气降水同位素组成变化由内陆地区向沿海地区、由高原地区向平原地区呈不断富集趋势, 而降水是流域丰水期河水主要来源之一, 因此长江干流河水同位素空间变化与降水同位素变化密切相关.

图 3

Fig. 3

图 3 长江水中δ18O和d-excess值的空间变化 Fig. 3 Spatial variations of δ18O and d-excess values in the Yangtze River

长江水中d-excess值的波动范围为7.6‰~18.3‰, 平均值为12.3‰, 而d-excess值自三峡库区至下游地区变化规律不明显[图 3(b)], 有些河段河水d-excess值呈现高低值相间的变化特征, 这可能与不同河段河水受不同程度的蒸发富集和水体交换的共同影响.长江水中δ¹⁸O极大值和d-excess的极小值主要分布在长江三角洲地区, 这也表明该水域水体中同位素蒸发富集效应较为明显.

三峡库区和宜昌-城陵矶段长江水中δ¹⁸O和δ²H值差异不显著, 在宜昌-城陵矶段河水中δ¹⁸O和δ²H值变化受三峡大坝调蓄方式影响, 因此该河段长江水中δ¹⁸O和δ²H值与三峡库区长江水中δ¹⁸O和δ²H值具有相对一致性.在长江中下游湖泊密布, 分布着三大湖泊群(洞庭-江汉湖群、鄱阳-华阳湖群及太湖-长江三角洲湖群)^{[7, 17]}, 这些湖泊水补给长江, 而往往湖水中同位素值大于长江水(图 4和图 5), 吴敬禄等^[17]研究长江中下游水体同位素发现湖泊水同位素δ值明显偏高于长江水, 这可能是直接导致城陵矶-湖口段(δ¹⁸O_平=-9.6‰和δ²H_平=-64.7‰)及湖口-长江口段(δ¹⁸O_平=-8.8‰和δ²H_平=-57.6‰)长江河水中δ¹⁸O和δ²H值差异明显主要原因之一.河水d-excess平均值在不同河段中差异性不明显(图 4), 表明各河段河水中¹⁸O和²H分馏速率的相对差异较小^[18].

图 4

Fig. 4

不同小写字母表示差异显著(P < 0.05), 相同字母表述差异不显著(P>0.05) 图 4 不同河段长江水中δ18O、δ2H和d-excess值变化 Fig. 4 Variations of δ18O, δ2H, and d-excess in Yangtze River water between different river segments

图 5

Fig. 5

图 5 长江中下游地区湖泊水中δ18O、δ2H和d-excess值变化 Fig. 5 Variations of δ18O, δ2H, and d-excess in lake waters across the middle and lower reaches of Yangtze River region

长江中下游地区主要以浅水湖泊分布为主(表 1), 其中太平湖和鄱阳湖深度>10 m, 丰水期不同湖泊间透明度差异明显, 以太平湖透明度最好(925 cm), 该地区湖水温度均在27.9~33.2℃之间, 以鄱阳-华阳湖群中黄湖、龙感湖等湖泊水体温度偏高; 长江中下游湖泊pH值在空间上没有明显差异, 均在7.6~8.8之间, 属中性水.这些调查结果与刘瑞秋等^[19]对长江中下游地区湖泊水质调查结论较为一致.

长江中下游地区湖水中δ¹⁸O和δ²H值具有较大波动范围(图 5), δ¹⁸O值变化范围为-7.5‰~-1.8‰, 平均值为-3.9‰; δ²H值变化范围为-48.6‰~-15.2‰, 平均值为-33.1‰.在所有湖泊中, 位于长三角的淀山湖和大通湖同位素值最大, 洞庭湖和鄱阳湖同位素值偏小, 吴敬禄等^[17]同样发现在长江中下游地区所有湖泊水中洞庭湖水中同位素值最小(-8.0‰).长江与鄱阳湖、洞庭湖直接相通, 两湖的水情直接受制于长江水情变化的影响, 水位较高, 鄱阳湖和洞庭湖同位素组成受长江水补给影响.过去研究同样发现在雨季鄱阳湖和洞庭湖对长江水同位素组成影响比较明显, 洞庭湖补给长江贡献比例达83%^[20].自鄱阳湖往下游湖水中δ¹⁸O和δ²H值偏大, 这表明气温较高, 湖水受到强烈的蒸发作用.从淀山湖到巢湖湖泊水中d-excess值偏小(< 0‰), 而从龙感湖到武山湖湖水中d-excess值偏大(>0‰), 这也说明了湖泊水同位素在空间上受到不同强度的蒸发富集作用, 另外还表明从淀山湖到巢湖水体交换受长江影响较小.Yuan等^[18]在青藏高原上开展了30个湖泊水体同位素调查，发现湖水中d-excess为负值, Wu等^[21]发现由于较强的蒸发作用和较长的滞留时间青海湖湖水中d-excess值也为负值.

基于湖泊水中δ¹⁸O和d-excess值聚类分析将长江中下游地区湖泊分成2组(图 6), 第1组包括洞庭湖-江汉和华阳-鄱阳湖, 第2组是太湖-三角洲湖群.第1组其位于长江中游地区, 受三峡工程影响明显, 长江与湖泊间水体交换复杂, 丰水期间两湖地区湖泊和长江水位较高, 湖水δ¹⁸O值要偏小、d-excess值偏大于第2组湖水; 第2组湖泊群主要位于长江下游地区, 湖泊蒸发强烈, d-excess值为负值, 该分组结果与长江中下游湖泊成因划分相一致^[22].

图 6

Fig. 6

图 6 基于长江中下游地区湖泊水中的δ18O和d-excess值聚类分析 Fig. 6 Cluster analysis of lakes based on the δ18O and d-excess in lake waters across the middle and lower reaches of the Yangtze River region

Craig^[23]首次通过分析全球不同地理位置的地表水、地下水和降水中δ¹⁸O和δ²H关系, 并把全球降水中δ¹⁸O和δ²H关系称为大气降水线(GMWL: δ²H=8×δ¹⁸O+10), 可用来识别地表水和地下水的相互联系.表 2给出的长江中下游地区大气降水线斜率和截距在空间上具有明显差异, 主要受制于不同区域的气象条件如温度、水汽来源和蒸发条件.周毅等^[24]基于全球降水同位素监测网络(GNIP网站)降水同位素数据得到了长江流域大气降水线(δ²H=7.41×δ¹⁸O+6.04), 其斜率和截距都要小于GMWL, 而且要小于基于逐次降水事件单站点大气降水线的斜率和截距, 如宜昌^[25]、武汉^[26]、长沙^[27]和安庆^[28](表 2).长序列日尺度大气降水同位素数据较好地揭示局域气候环境条件, 跟踪天气尺度下水循环过程, 而在月尺度上这些信息往往被掩盖.另外, 长江流域区域气象与地貌条件复杂多样, 河湖再蒸发水汽对区域降水的影响也可能直接造成流域大气降水线截距和斜率偏小.

表 2 (Table 2)

表 2 长江中下地区大气降水线方程 Table 2 Local meteoric water line in the middle and lower reaches of the Yangtze River region 研究区 大气降水线 δ18O/‰ δ2H/‰ 数据来源 文献 宜昌 δ2H=8.45×δ18O+11.6, R=0.98 -7.0 -47.6 降水事件 [25] 武汉 δ2H=8.13×δ18O+8.18, R=0.97 -4.6 缺测 降水事件 [26] 长沙 δ2H=8.45×δ18O+17.7, R=0.99 -6.6 -38.4 降水事件 [27] 安庆 δ2H=8.16×δ18O+11.7, R=0.99 -7.2 -47.6 降水事件 [28] 南京 δ2H=8.49×δ18O+17.7, R=0.98 -8.4 -55.0 GNIP [29] 庐山 δ2H=8.4×δ18O+14, R=0.98 -5.0 -28.2 降水事件 [30]

表 2 长江中下地区大气降水线方程 Table 2 Local meteoric water line in the middle and lower reaches of the Yangtze River region

基于河水中δ¹⁸O和δ²H分析得到长江中下游河水线方程为δ²H=7.59×δ¹⁸O+8.45(图 7), 其斜率和截距均偏大于长江流域大气降水线^[24], 通常来说, 河水线方程的斜率和截距都要小于当地大气降水线(表 2), 这主要由于降水补给于河水后, 受到不同程度的蒸发富集作用, 此研究结果符合水循环过程中同位素变化规律.周毅等^[24]得到的长江流域大气降水线是基于整个流域GNIP月尺度降水同位素数据分析得到, 而在月尺度上降水同位素信息掩盖了降水事件同位素变化信息, 这也可能是造成大气降水线斜率截距偏低的主要原因.另外, 发现湖泊群1(洞庭湖-江汉和华阳-鄱阳湖)的湖水线的斜率要小于湖泊群2(太湖-三角洲湖群), 但湖泊群2湖水线的截距要明显小于湖泊群1, 这表明长江中下游地区湖泊水中同位素经历了不同程度蒸发富集作用, 而湖泊群2中斜率偏大可能是由于湖水中¹⁸O和²H在蒸发富集过程中经历了不成比例动力分馏^[18]; 另外, 湖泊群2处于长江下游地区, 河网分布复杂, 人类活动影响明显，如跨区域调水工程、“灌江纳苗工程”, 改变了河湖的连通性, 这也可能直接改变了该地区湖泊水同位素组成.因此, 针对该地区河网连通的复杂性, 应加强降水-河湖同位素采样研究工作, 将更好地揭示该地区长江中下游地区降水-河水-湖水的水力联系.

图 7

Fig. 7

图 7 河水和湖水中δ18O和δ2H关系 Fig. 7 Correlation between δ18O and δ2H in river and lake water

(1) 长江水中δ¹⁸O和δ²H值自三峡库区向下游长江口逐渐增大, 此变化规律与流域大气降水同位素空间变化趋势相一致, 湖口至长江口段及城陵矶-湖口段长江水δ¹⁸O和δ²H值与三峡库区和宜昌-城陵矶段河水δ¹⁸O和δ²H值具有显著差异, 且明显高于三峡库区和宜昌-城陵矶段.

(2) 基于湖泊水中δ¹⁸O和d-excess值聚类分析的结果，长江中下游湖泊主要分为湖泊群1(洞庭湖-江汉和华阳-鄱阳湖)及湖泊群2(太湖-三角洲湖群), 且湖泊群2的湖水δ¹⁸O和δ²H值偏大于湖泊群1.

(3) 在所有湖泊中, 淀山湖和大通湖同位素值最大, 洞庭湖和鄱阳湖同位素值偏小, 这主要由于长江与鄱阳湖、洞庭湖直接相通, 两湖的水情直接受制于长江影响, 水位较高, 鄱阳湖和洞庭湖同位素组成受长江水影响明显.