2022, Vol. 43
2. 甘肃省绿洲资源环境与可持续发展重点实验室, 兰州 730070
2. Key Laboratory of Resource Environment and Sustainable Development of Oasis, Gansu Province, Lanzhou 730070, China
氢氧稳定同位素(2H和18O)作为水体的组成部分, 是地表环境中物质和能量传输的重要媒介, 密切参与着自然界化学循环, 因而成为环境示踪领域的重要技术手段[1, 2].在西北干旱区, 水资源是区域可持续发展的重要条件, 对大气降水等环境水体中氢氧稳定同位素的定位监测也越来越受到重视[3~7].通过解析不同气候条件下大气降水氢氧稳定同位素环境影响因素可以促进同位素示踪技术在环境研究中的应用[8~10].然而, 西北干旱区沙漠和高山广布, 目前已开展的降水氢氧稳定同位素监测研究的空间分布不均[11~14], 对不同区域同位素控制因素差异的理解仍有待深化.特别是南疆降水同位素监测记录比较有限, 在需要当地降水同位素作为基准值时可能不得不参考较远观测站点的数据[15], 这显然会带来不小的误差.因此, 加强南疆地区大气降水氢氧稳定同位素的实地监测十分必要, 探究其变化规律及影响因素不仅是认识区域大气水汽来源、地表径流组分和地下水补给和循环的前提[16, 17], 也可以为当地水资源的合理利用提供必要的数据支持[18, 19].
本文以南疆塔里木河流域东部作为研究区, 自天山腹地南下经塔克拉玛干沙漠延伸至昆仑山-阿尔金山北麓选取大气降水氢氧稳定同位素监测点(巴音布鲁克、库尔勒、铁干里克和且末), 涉及不同的气候类型, 具有较好地区域代表性.本研究通过深入了解南疆塔里木河流域东部大气降水氢氧稳定同位素的时空分布特征, 探讨氢氧稳定同位素与水汽来源的联系, 旨在为环境同位素示踪技术在塔里木盆地的应用提供参考.
1 材料与方法 1.1 样品采集与分析塔里木河流域东部深居欧亚大陆腹地(图 1), 属于典型大陆性干旱气候.本文的4个监测站点均分布于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州内, 由北至南分别为巴音布鲁克(87°42′N, 38°09′E, 海拔2 458 m)、库尔勒(86°08′N, 41°15′E, 海拔932 m)、铁干里克(85°33′N, 43°02′E, 海拔846 m)和且末(84°09′N, 40°38′E, 海拔1 247 m).其中, 北部的巴音布鲁克位于中天山山间盆地, 在西风气团影响下, 雨量相对充沛; 库尔勒、铁干里克、且末分别位于天山南麓、塔克拉玛干沙漠东部与南部边缘, 降水稀少.研究区域内主要河流均为内陆河, 除塔里木河干流外, 还有开都河、孔雀河和车尔臣河等[20].
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图 1 研究区概况示意 Fig. 1 Map of the study region |
本研究于2019年6月至2020年9月在巴音布鲁克、库尔勒、铁干里克和且末同步进行事件尺度的大气降水采集, 共获得样品103个, 其中巴音布鲁克降水样品73个, 库尔勒样品13个, 铁干里克样品9个, 且末样品8个.当每次降水结束时, 若为液态样品则立即将降水样品进行封存收集在50 mL的HDPE(高密度聚乙烯)瓶中, 同时用防水胶带进行密封处理, 以最大程度避免蒸发对样品的影响; 若为固态样品或混合态样品则先放置在密封的LDPE(低密度聚乙烯)袋中, 等在室温下完全融化后再装瓶封存.每次封存时将该次采样的时间、地点、降水量等相关指标标注在对应的瓶身, 存放在4℃左右的冷藏环境中, 随后运输至西北师范大学地理与环境科学学院冷藏保存直至实验室分析.与降水样品同步采集的数据还包括气温、相对湿度、露点温度和水汽压等气象参数.
本研究中获取的降水样品均在西北师范大学地理与环境科学学院稳定同位素实验室利用T-LWIA-45-EP型液态水同位素分析仪(加拿大ABB-Los Gatos Research公司)进行分析测定.分析前先确认实验室处于干燥阴凉的状态, 尽量确保样品不受室温和空气流动的影响而发生蒸发.将样品瓶从冰柜中取出静置直到与室温相当, 而后将水样放入实验仪器中.设定利用微升注射器将每个样品依次注射6次, 前2次考虑仪器记忆效应舍弃, 将最后4次注射的算术平均值作为最终结果.同位素测试标样为仪器生产商提供的工作标样(LGR Working Standard)#3E(δ2H=-79.6‰±0.5‰, δ18O=-11.04‰±0.15‰)、#4E(δ2H=-49.2‰±0.5‰, δ18O=-7.81‰±0.15‰)、#5E(δ2H=-9.9‰±0.5‰, δ18O=-2.99‰±0.15‰).
分析结果最终表示为相对于维也纳标准平均海洋水(V-SMOW)的δ值, 即[21]:
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(1) |
式中, R表示重同位素与轻同位素绝对丰度之比, 即同位素比率. δ2H和δ18O的测量精度分别为±1‰和±0.3‰.
1.2 后向轨迹模型本研究利用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)与澳大利亚气象署(BOM)研发的混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory model, 即HYSPLIT模型)进行后向轨迹模拟[22, 23]. 该模型模拟采用的气象数据是由美国国家环境预报中心(National Center for Environmental Prediction, NCEP)提供的GDAS(global data assimilation system)数据(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1), 其空间分辨率为1°×1°.采用Meteoinfo结合TrajStat插件将GDAS数据运用到HYSPLIT模式中, 追踪各站点降水日的后向轨迹, 以采样点为轨迹终点, 以1 000 m为起算高度, 起算时间设定为世界协调时00:00.考虑到平流层水汽平均停留时间为10 d左右[24, 25], 因此回溯时间设定为10 d来进行后向轨迹分析.
1.3 浓度权重轨迹法浓度权重轨迹法(concentration weighted trajectory, CWT)是一种通过气流轨迹识别潜在来源的方法, 可将研究结果可视化在网格上来判断源地.基本思路是根据大气降水中的氘盈余日值, 结合对应的后向轨迹, 计算每条轨迹上氘盈余的权重, 从而分析塔里木河流域东部各采样点降水水汽团的潜在源地, 每个网格中均包含了一个加权的水汽氘盈余.其运算公式如下:
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(2) |
式中, cij表示网格上加权水汽氘盈余, k为轨迹数, ck为轨迹k经过网格(i, j)时对应的研究站点水汽氘盈余的大小, Tijk是轨迹k在网格(i, j)上的停留时间, 计算过程中用落在网格内的轨迹k的端点数来替代.
2 结果与讨论 2.1 降水稳定同位素的时空分布塔里木河流域东部降水氢氧稳定同位素时空分布的总体特征表现为南高北低和夏高冬低(表 1和图 2).各采样点夏冬温差较大, 降水集中于夏季, 雨热同期(且末与铁干里克采样期内冬季无降水), 降水中的δ2H与δ18O值在时间变化上具有同步性.将研究区内4个采样点大致分为南北两组, 处于北部山区的巴音布鲁克与库尔勒两地降水氢氧稳定同位素值的波动范围更广泛, 并且无论是算术平均值还是加权平均值都更低, 其中δ2H的最低值均小于-200‰.相比之下, 处于南部地区的铁干里克与且末两地降水氢氧稳定同位素值则偏高.北部的两个采样点中, 库尔勒降水同位素的极值大于巴音布鲁克, 虽然算术平均值近似, 但降水加权后的平均值明显升高.南部的两个采样点中, 且末降水同位素值的算术平均值大于铁干里克, 但加权平均值却更低.
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表 1 塔里木河流域东部各站点降水氢氧稳定同位素值的平均值/‰ Table 1 Averages of stable hydrogen and oxygen isotopic values in precipitation for each station of the eastern Tarim River basin/‰ |
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图 2 塔里木河流域东部各站点降水氢氧稳定同位素值的时间变化 Fig. 2 Temporal variations in stable hydrogen and oxygen isotopic values in precipitation for each station of the eastern Tarim River basin |
塔里木河流域东部降水氘盈余[即d-excess(d); d=δ2H-8δ18O]从季节上看总体表现出夏低冬高的趋势.降水量较多的北部采样点氘盈余平均值较大, 降水量较少的南部采样点氘盈余平均值较小.其中巴音布鲁克氘盈余平均值为10.11‰, 库尔勒平均值为-3.8‰, 铁干里克平均值为-20.37‰, 且末平均值为-8.78‰.铁干里克氘盈余变化范围最大, 最低值与最高值分别出现在2019年6月与2020年6月.塔里木河流域东部的氘盈余较全国氘盈余[26]偏小, 这可能是由于雨滴在降水过程中受云下二次蒸发的强烈影响.
2.2 局地大气水线依据降水样本中δ18O和δ2H, 利用普通最小二乘法进行线性拟合, 可以得到地区大气水线:
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(3) |
相对于全国大气水线的斜率(7.48)来看[11], 本研究区域的斜率(6.19)偏低.区域内不同采样点的大气水线存在较大差异(图 3).其中, 大气水线如下.
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图 3 塔里木河流域东部各站点的大气水线 Fig. 3 Local meteoric water lines for each station in the eastern Tarim River basin |
巴音布鲁克为:
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(4) |
库尔勒为:
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(5) |
铁干里克为:
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(6) |
且末为:
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(7) |
斜率反映了δ2H与δ18O分馏速率, 截距则表示δ2H对平衡状态的偏离程度[27].将塔里木河流域东部4个站点的大气水线与全球大气水线(δ2H=8δ18O+10)相比, 均呈现显著的干旱气候特征, 其斜率与截距较小, 表明该地区降水受到蒸发影响较大.其中巴音布鲁克大气水线的斜率(7.01)与截距(3.39)为4个站点中最高, 该地地处中天山山间盆地, 受西风的影响其降水量远大于其他站点, 故该地的蒸发作用对降水中稳定同位素分馏影响较弱.铁干里克大气水线的斜率(4.29)与截距(-14.68)为该4个站点中最低, 虽然该地年均降水量略大于偏南的且末, 但更低的截距说明该采样点采样期内受到局地蒸发影响可能更大, 降水中稳定同位素更多地偏离了平衡状态.从标准差来看也存在南北差异, 北部巴音布鲁克与库尔勒的大气水线斜率标准差不大于0.3, 铁干里克与且末则超过了0.5.
2.3 降水稳定同位素与气象条件的关系在塔里木河流域东部, 大气降水中的δ2H与δ18O对气温变化极为敏感, 当气温升高蒸发加强时, 降水中的δ18O值随之变大; 气温下降时, δ18O值随之变小.各站点降水δ18O与气温均呈现正相关关系(图 4), 这与前人研究得到的我国西北地区降水氢氧稳定同位素与气温呈正相关关系的结论相似[28~33], 但其回归系数在不同地区存在一定程度的空间差异.
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图 4 塔里木河流域东部各站点降水δ18O和气温的关系 Fig. 4 Relationship between δ18O in precipitation and air temperature for each station in the eastern Tarim River basin |
利用塔里木河流域东部所有降水样品, 得出区域尺度上δ18O与气温的回归方程为:
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(8) |
式中, T表示气温.研究区内δ18O与气温相关系数r为0.77, 除了铁干里克外其余采样点相关系数均大于0.7, 且通过了0.05水平的显著性检验.各站点中, 且末降水δ18O受气温影响最为显著, 相关系数为0.86, 其斜率也最大(1.03).
研究区内各站点气温与氘盈余均表现出较弱的负相关关系, 即氘盈余随气温升高而下降.各采样点氘盈余与气温的回归方程如下.
巴音布鲁克:
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(9) |
库尔勒:
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(10) |
铁干里克:
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(11) |
且末:
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(12) |
库尔勒气温和氘盈余的负相关关系最强, 铁干里克相关关系最弱.同时还发现当气温高于20℃时, 负相关关系较明显; 当气温处于0℃左右时, 氘盈余均值在20‰左右浮动, 趋于稳定, 这可能与低温时蒸发影响较弱有关[31, 34].
将所有样品考虑在内, 研究区内降水δ18O与降水量关系并不显著(图 5), r2为0.04, 其中巴音布鲁克r2为0.06, 库尔勒r2为0.02, 铁干里克r2为0.005; 相比之下, 且末降水δ18O与降水量的负相关关系较强, r2为0.48.这可能是由于在夏季出现一次近50 mm的强降水导致降水量效应凸显(图 2), 增强了该地降水δ18O与降水量的负相关关系.
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图 5 塔里木河流域东部降水δ18O和降水量的关系 Fig. 5 Relationship between δ18O in precipitation and precipitation amount for each station in the eastern Tarim River basin |
表 2中列出的是塔里木河流域东部降水量与氘盈余的相关性.与δ18O不同, 从整体与区域上都能看出降水量与氘盈余有较弱的正相关关系.相对于其他站点, 降水量与氘盈余的相关系数在且末地区得到了加强(r=0.69).在亚洲中部干旱地区, 由于降水量少, 较强的单个事件对同位素特征常存在较大的影响.
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表 2 塔里木河流域东部各站点降水量与氘盈余的回归系数与相关系数1) Table 2 Slopes and correlation coefficients between precipitation amount and d-excess value for each station in the eastern Tarim River basin |
表 3中依次列出了各采样点相对湿度和水汽压与降水中δ18O和氘盈余的相关性, 降水δ18O与相对湿度之间存在明显的负相关关系, 氘盈余则随着相对湿度的升高而增大, 表现出正相关关系, 这也验证了前人在亚洲中部干旱地区的研究[35~37].通过所有降水样本计算得到δ18O与相关系数的回归方程为:
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(13) |
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表 3 塔里木河流域东部各站点降水δ18O和氘盈余与相对湿度(hr)和水汽压(e)的回归系数和相关系数1) Table 3 Slopes and correlation coefficients between δ18O or d-excess in precipitation and meteorological parameters (relative humidity and water vapor pressure) for each station in the eastern Tarim River basin |
式中, hr表示相对湿度.
氘盈余与相关系数的回归方程:
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(14) |
从式(13)和式(14)中可看出δ18O与氘盈余同相对湿度的相关性都较强, 但与气温的相关性相比偏弱.表 3也可以看出, 铁干里克的δ18O和氘盈余与大气相对湿度关系最弱, 均未通过显著性检验.在各站点降水δ18O与相对湿度的关系中, 且末的相关性最强(r=-0.93), 这可能与采样期内一次强降水事件发生时的大气相对湿度较大有关.在湿润的大气中, 雨滴表面的空气可能已达到饱和或接近饱和, 此时雨滴的蒸发富集作用较轻, 雨滴中稳定同位素变化受到周围大气水汽的影响.当雨滴表面水汽中的稳定同位素比率高于周围大气水汽中的稳定同位素比率时, 稳定同位素组成的净物质迁移由雨滴指向大气, 雨滴中稳定同位素比率减小; 反之, 若净物质迁移由大气指向雨滴, 则雨滴中稳定同位素比率增大[38].
根据采样期内大气降水样品对应的气象要素记录, 各站中巴音布鲁克的平均水汽压最低(8.14 hPa), 其样品对全年时段的覆盖相对完整, 而其他站点则多集中在夏季, 样品对应的水汽压相对较高, 库尔勒为14.57 hPa, 铁干里克为16 hPa, 且末为13.71 hPa.从各站点降水中δ18O与水汽压的关系来看(表 3), 且末呈负相关关系, 其他站点则呈正相关关系, 仅在铁干里克未通过0.05水平的显著性检验.相比之下, 水汽压与降水中氘盈余的相关性则普遍没有通过0.05水平的显著性检验.
2.4 水汽来源分析 2.4.1 后向轨迹模型对水汽来源的指示利用HYSPLIT模型可以辅助判断气团的运动情况, 图 6展示了采样期内有降水的月份各站点后向轨迹模拟结果.总体来说, 塔里木河流域东部的后向轨迹可以分为西方路径、北方路径和南方路径, 尤其以西方路径占主导.青藏高原海拔高, 显著地阻隔了北上的季风水汽, 只有少数夏季的水汽团来自印度洋方向.在西方路径上, 大西洋、地中海以及亚欧大陆上的里海与黑海作为较大的水域都有可能成为水汽的补给来源, 但限于水汽传输距离, 相对较近的水域更有可能成为重要的水汽来源.如果将回溯日数减少, 则距离较近的潜在水源可能更为明显[35, 39].
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图 6 2019~2020年塔里木河流域东部各站点降水月份水汽后向轨迹 Fig. 6 Backward trajectory of water vapor for each station in the eastern Tarim River basin during 2019-2020 |
对上述各站点后向轨迹进一步进行聚类分析可以发现(表 4), 在5~10月巴音布鲁克的西方路径占比约为90%, 其中由西方路径长距离输送抵达的水汽约占18%, 中距离和短距离占比分别约为35%和38%, 该时段气温较高, 地表蒸发旺盛, 局地再循环水汽的贡献较大, 短距离轨迹和北方路径占比都高于气温较低的其他月份.库尔勒、铁干里克与且末的降水水汽路径比例规律与巴音布鲁克相似, 西方路径占主导地位, 明显高于北方路径和南方路径, 在西方路径上的中短距离比例较高.
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表 4 塔里木河流域东部各站点大气水汽路径占比/% Table 4 Proportion of atmospheric water vapor paths for each station in the eastern Tarim River basin/% |
2.4.2 浓度权重轨迹法对水汽来源的指示
浓度权重轨迹法需将所研究的站点及轨迹覆盖到的周边区域格网化, 若轨迹太少则会影响研究结果, 因此图 7展示了降水较多的6~9月塔里木河流域东部各采样点水汽浓度权重轨迹.与后向轨迹模拟的结果大致类似, 研究区内各站点降水气团均主要来源于中纬度西风带, 距离降水采样点越远的气团中的氘盈余越趋于稳定状态, 这使得利用氘盈余结合浓度权重轨迹法追踪水汽源成为可能.离采样点越近, 氘盈余变化越频繁, 也说明氘盈余受局地水汽再循环影响较大.研究区面积较广, 北部的巴音布鲁克与库尔勒采样点的水汽团源地偏西, 而位于研究区南部的采样点铁干里克和且末的水汽团源地更偏向西北方.
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色块数值表示氘盈余, 单位: ‰·m-3 图 7 2019~2020年的6~9月塔里木河流域东部各站点水汽浓度权重轨迹分析 Fig. 7 CWT analysis of water vapor for each station in the eastern Tarim River basin from June to September during 2019-2020 |
图 8是研究区内各采样点回溯48 h的后向轨迹模拟的降水水汽来源, 可以看出巴音布鲁克6月偏北路径相对较多, 7月和8月则更多地来自于西方路径.对照图 7(a)中的水汽浓度权重轨迹, 巴音布鲁克附近氘盈余偏高, 向周围逐渐递变, 而从西部传输而来的水汽氘盈余偏低.巴音布鲁克位于天山中部的山间盆地, 西风带来的水汽形成相对丰富的降水, 湿度较大, 氘盈余在此处较高.
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图 8 2020年6~8月各采样点水汽后向轨迹分析 Fig. 8 Backward trajectory of water vapor for each station in the eastern Tarim River basin during June to August in 2020 |
在库尔勒和铁干里克(图 8), 受到局地地形的影响, 局地短距离路径十分明显, 此时气温较高水体蒸发强烈, 局地水汽循环对该地降水贡献较大.与图 7(b)对比来看, 库尔勒氘盈余偏低, 其西侧的少数格点则略高, 这种变化有可能是受到了库尔勒附近的博斯腾湖等地表水体的影响; 图 7(c)中铁干里克西侧氘盈余较高, 空气较铁干里克更湿润, 而东侧地区则水汽含量更少, 有零星的氘盈余低值.在且末(图 8), 水汽更多地受到南疆东南部的影响, 外来水汽的影响可能进一步降低.图 7(d)中, 且末地处沙漠边缘, 气温较高, 湿度低, 对应的氘盈余也低.
3 结论(1) 塔里木河流域东部各采样点降水中氢氧稳定同位素值在空间上整体呈现南高北低的趋势, 在季节变化上表现为夏高冬低的特点.研究区降水中氘盈余比全国氘盈余均值小, 局地大气水线斜率呈现显著的干旱气候特征, 各采样点大气水线的斜率与截距均较小.
(2) 塔里木河流域东部大气降水中δ18O与气温呈现正相关关系, 但在不同采样点存在相关系数和同位素温度梯度的差异, 而氘盈余与气温表现出较弱的负相关关系. δ18O与相对湿度有较明显的负相关关系, 氘盈余则与相对湿度的正相关关系较强.
(3) 研究区大气降水受到西方水汽路径控制, 中短距离传输路径比例较大.通过浓度权重轨迹法发现, 距离降水采样点越远的气团中的氘盈余越趋于一个稳定状态, 离采样点越近则浓度变化越频繁, 说明氘盈余受局地水汽再循环影响较大.
致谢: 感谢新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州气象局业务科以及库尔勒市气象局、且末县气象局、和静县巴音布鲁克气象站和尉犁县铁干里克气象站对本项目采样工作的大力支持.
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