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1 林业科学研究 2018,31(3):37 44 ForestResearch DOI: /j.cnki.lykxyj 汤浦水库湿地森林区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源马迎宾 1,2, 徐庆 1, 高德强 1 1, 张蓓蓓 (1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京 ;2. 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心, 内蒙古磴口 ) 摘要 :[ 目的 ] 研究汤浦水库湿地森林区大气降水中的氢氧稳定同位素特征及水汽来源, 为定量阐明降水在会稽山 - 汤浦水库过渡带湿地森林生态系统水文循环过程中的分配和转化规律及绍兴饮水源水质的保护和管理提供科学依据 [ 方法 ] 采集 2015 年 7 月至 2017 年 7 月 2 个水文年 166 个大气降水样品, 利用稳定同位素技术, 分析降水氢氧同位素组成, 并阐明其与环境因子 ( 温度降水量 ) 的关系 ; 采用 HYSPLIT 模型中的后向轨迹法模拟追踪该地区降水气团的运输过程, 判断气团的运移轨迹和水汽来源 [ 结果 ] 汤浦水库湿地森林区大气降水 δd 与 δ 18 O 关系式 :δd =8.36δ 18 O+14.92(R 2 =0.966,n=166,P<0.01); 大气降水中的 δd 值变化范围 ~2.71, 均值 ±27.61 ;δ 18 O 值变化范围 , 均值 ±3.24, 且不同季节的大气降水氢氧同位素值明显不同 ; 过量氘 (d 值 )(12.61 ) 高于全球 d 值的均值 (10 ), 呈现干季高湿季低的现象 ; 大气降水 δd δ 18 O 温度效应不显著, 但降水量效应显著 [ 结论 ] 汤浦水库湿地森林区大气降水线与全球及我国大气降水线有差异, 降水中的 δd δ 18 O 值有明显的季节变化 ; 根据大气降水中的 δd δ 18 O 值 d 值及后向轨迹法模拟结果得出, 汤浦水库湿地森林区干季 (10 月次年 4 月 ) 大气降水的水汽主要来源于内陆地区, 湿季 (5 月 9 月 ) 的水汽主要来源于西太平洋和印度洋关键词 : 大气降水 ; 水汽来源 ; 降水量效应 ; 氢氧稳定同位素 ; 汤浦水库湿地森林区中图分类号 :P426.6 文献标识码 :A 文章编号 : (2018) CompositionofHydrogenandOxygenIsotopeinPrecipitationandSource ApportionmentofWaterVaporintheWetlandForestAreaofTangpu Reservoir,ZhejiangProvince MAYing bin 1,2,XUQing 1,GAODe qiang 1,ZHANGBei bei 1 (1.ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing ,China; 2.ExperimentalCenterofDesertForestry,ChineseAcademyofForestry,Dengkou ,InnerMongolia,China) Abstract:[Objective]Tostudythecharacteristicsofhydrogenandoxygenstableisotopeinprecipitationandthe sourceofregionalatmosphericprecipitationinwetlandforestareaoftangpureservoirandtoprovidereferenceinfor mationforwaterresourceconservationandmanagementbyclarifyingquantitativelythedistributionandtransforma tionofprecipitationintheprocesofhydrologiccycleintheforestecosystem ofthekuaijishan Tangpureservoir transitionzone.[method]inthisstudy,thedataofhydrogen oxygenisotopein166atmosphericprecipitationsam plesobtainedfromjuly2015tojuly2017inthetangpureservoirwetlandforestwereanalyzedbyusingisotopetech nologytoexaminethecompositionofhydrogenandoxygenstableisotopeandtoclarifytherelationshipbetweenthe 收稿日期 : 基金项目 : 林业公益行业专项 ( ) 国家自然基金 ( , ). 作者简介 : 马迎宾 (1988 ), 男, 博士研究生, 工程师主要研究方向 : 稳定同位素生态学 E mail:mayingbin1988@126.com. 通讯作者 : 徐庆 (1964 ), 女, 博士, 研究员主要研究方向 : 稳定同位素生态学 E mail:xuqing@caf.ac.cn.

2 38 林业科学研究第 31 卷 compositionandenvironmentalfactors(precipitationandtemperature).thesourceandmigrationpathofwaterva porweredeterminedbysimulatingtheairmastransmisionpathwaybasedonbackwardtrajectorymethodofthe HYSPLITmodel.[Result]TherelationalexpresionofδDandδ 18 Oinatmosphericprecipitationinthewetlandfor estareaoftangpureservoirwasδd=8.36δ 18 O+14.92(R 2 =0.966,n=166,P<0.01);thevalueofδDinpre cipitationrangedfrom to2.71,withtheaveragevaluewas ±27.61 ;thevalueofδ 18 O rangedfrom to-1.17,withtheaveragevaluewas-6.34 ±3.24,andthevalueschangedsig nificantlyamongseasons.thevalueofexcesdeuterium(12.61 )washigherthantheglobalaverage(10 ), andaseasonalpaternofexcesdeuteriuminatmosphericprecipitationwithlowvalueinwetseasonandhighvalue indryseasonwasfound.the temperatureefect wasnotobviouswhereasthe precipitationefect existedsignif icantly.[conclusion]themeteoricwaterlineofthewetlandforestisdiferentfromtheglobalmeteoricwaterline andchinameteoricwaterline,thevaluesofδdandδ 18 Oinatmosphericprecipitationfolowsobviousseasonalvari ationinthisarea.theseasonalchangeofthewatervaporsourcesofatmosphericprecipitationisobvious.itiscon cludedthatthemeteoricwatervaporismainlyfromtheinlandareasindryseason(fromoctobertoaprilofthefol lowingyear),whileitmainlycomesfromthewesternpacificandtheindianoceaninwetseason(frommaytosep tember)accordingtohydrogenandoxygenisotopicvalueinprecipitation,excesdeuterium,andtheresultsoftraj ectorysimulation. Keywords:meteoricwater;watersource;precipitationefect;stablehydrogenandoxygenisotopes;wetlandforest areaoftangpureservoir 大气降水会影响陆地水循环中各水体的氢氧稳定同位素组成 [1], 分析其氢氧稳定同位素特征, 可探讨地区大气降水水汽来源及水循环过程 [2-4], 定量阐明降水在森林生态系统水文循环过程中的分配和转化规律 [5-7], 判别水循环中各水体水分来源 [8] 通常来自海洋性气团形成的降水 δ 18 O 值低, 而来源于陆地局地蒸发气团的水汽形成的降水 δ 18 O 值高 [9] 不同区域的降水量温度效应差异显著, 在 [10] 中低纬度地区以及季风气候区 [11], 普遍存在降水量效应, 在中高纬度内陆区, 存在温度效应 [12-13] 利用 HYSPLIT 后向轨迹模型可以分析和模拟地区水汽来源及水汽输送路径 [4,7,14-16] 国内学者对不同地区大气降水同位素特征进行研究, 取得了一定成果, 但因降水同位素组成的时空分布差异较大 [7,17-21], 小流域地区研究仍显不足 [7], 加上全球降水同位素监测网络在中国的监测点有限, 监测时间序列不足, 因此不能满足当前科研工作的需要 [22] 汤浦水库位于浙江省境内, 流域内森林资源丰富, 包括水源涵养林水土保持林以及库区上游的湿地森林等本研究分析汤浦水库湿地森林区大气降水中氢氧稳定同位素组成及其季节变化规律, 并对降水量温度等影响其同位素组成的环境因子进行深入探讨, 可对理解该地区的水汽输送以及循环过程有所帮助同时可补充长三角地区降水氢氧同位素组成数据库, 以期为定量研究浙江会稽山 - 汤浦水库过渡区湿地森林生态系统水循环过程以及保护和科学管理饮水源及流域内的森林资源提供科学依据, 为进一步完善全国乃至全球降水同位素监测网络提供理论参考 1 研究区概况汤浦水库处于浙江会稽山脉中, 建在曹娥江下游重要支流小舜江上, 为绍兴市一级饮水源头地区, 坝址 N, E, 库区控制流域集雨面积 460km 2, 流域内植物资源丰富, 森林覆盖率较高, 包括马尾松 (PinusmasonianaLamb.) 林毛竹 (Phyl lostachyedulis(car.)h.delehaie) 林香榧 (Tor reyagrandisfort.etlindl.) 茶 (Cameliasinensis (L.)O.Ktze.) 园等水库入口的水源保护区建有人工湿地生态系统, 主要起到水源入库之前的自净作用, 其中以耐湿耐涝的植物为主, 乔木包括池杉 (Taxodium distichum (L.) Rich.) 河桦 (Betula nigral.) 柳叶栎 (QuercusphelosL.) 北美枫香 (LiquidambarstyracifluaL.) 水紫树 (Nysaaquatica L.) 等该地区属于亚热带季风气候, 气候湿润, 温暖适中, 平均降水量高达 1400mm 年均温 16.5, 无霜期年均 238d 该地区四季分明, 春季 4 5 月,

3 第期马迎宾等汤浦水库湿地森林区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源夏季９月秋季月冬季月次年月９ＨＹＳＰＬＩＴ模拟采用美国国家海洋大气管理局开发的拉格朗日积分轨迹模型ＨｙｂｄｓＰＬＩ材料与方法ｄｙｄｔｊｙｍｄ降水样品采集与测定ＨＹＳＰＬＩＴ模拟大气降水的大气气团传输途径５年月至年月在汤浦水库湿地森和５ｍ个高和过程分别模拟海拔５林区放置个雨量筒分别位于人工针叶林９度层上的水汽的后向运动轨迹追踪时长Ｎ９Ｅ阔叶林９Ｎ数据处理与分析Ｅ外的空旷地及汤浦水库王坛管理处运用Ｅｘ整理数据及作图采用ＳＰＳＳ软９Ｎ５Ｅ上午件分析得到降水线方程用相关分析方法分析环境从各雨量筒采集前一天大气降水并混合立即用采因子降水量温度与降水中的氢氧稳定同位素值样瓶收集并迅速密封共收集个降水样品所之间的相关关系有降水样品低温保存５同时实测采样点的日降水量日平均温度等气象数据所有降水样品送至稳定同位素实验室清华大学地学中心采用ＭＡＴ５同位素比率质谱仪Ｉ结果与分析大气降水中氢氧稳定同位素变化特征汤浦水库湿地森林区个水文年大气降水中的和ＦＨＴ元素分ＲＭＳｍＯ值变化如图所示 δ Ｄ介于５ δ 析仪测定其氢氧稳定同位素组成 δ Ｄ测定精度为之间均值为 ± δ Ｏ介于 ± 测量结果用 δ Ｏ测定精度为 ± ９５之间均值为 ± 相对维也纳标准平均海洋水ＶＳＭＯＷ的千分差汤浦水库湿地森林区降水中 δ Ｏ的均表示值较郑淑蕙等５对我国降水氢氧稳定同位素组成ｍＲｄｄＲｄｄ δ Ｒ式中Ｒｍ为降水样品中氢氧重同位素浓研究 δ Ｏ均值 δ Ｄ值为５ δ Ｏ值为低度Ｒｄｄ为ＶＳＭＯＷ中氢氧重同位素的浓度图汤浦水库湿地森林区大气降水 δ Ｏ降水量温度随采样时间的变化ＦＶｆδ Ｄ δ Ｏｍｆｆｄｍｗｆｍｍｗｄｆｆｔ

4 林业科研究期间日降水量值显示汤浦水库湿地森林学研究表汤浦水库湿地森林区四季大气降水氢氧稳定同位素组成变化区降水量比较充足且有较明显的季节变化图干季月次年月大气降水中的 δ Ｏ值５ ± 和５ ± 分别为ＴｂＶｆδｄ δｏｍｆｆｗｆｗｄｆｆＴ湿季５９月大气降水中的 δ Ｏ值分别为 ± ５干季降水５ ± ９和中的 δ Ｏ值高湿季的 δ Ｏ值低这种现象第卷春季Ｓ夏季Ｓｍｍ秋季Ａｍ冬季ＷＤ ± ５５± ５ ± ５ ± δ ± ９ ± ± ± Ｏ δ 普遍存在于中低纬度季风区降水水汽来源不同及蒸发的季节性差异均会造成这种现象汤浦水库汤浦水库湿地森林区大气降水过量氘值ｄ值湿地森林区大气降水中的 δ Ｏ值的季节变化规季节变化明显图从图中可以看出ｄ值在５律为春季冬季秋季夏季图表年月至年月及年月至年５大气降水中过量氘值的变化月处于峰值区域５９月的ｄ值低于或接近全球范Ｄｄ将大气降水中 δ Ｏ出现的差值定为过量氘ｄ值方程为ｄ δ Ｄ δ Ｏ全球范本研究区ｄ值为比全围的平均值球平均值高月次年月ｄ值高于全球范围的平均值围的平均值有研究表明湿度较高的地区生成的水汽气团形成降水的ｄ值低反之ｄ值高９研究区湿季５９月降水中的ｄ值均值９干季月次年月降水中的ｄ值均值５图降水过量氘动态变化ＦＴｆｄｘｆ汤浦水库湿地森林区大气降水线基于汤浦水库湿地森林区５个月的大气降水氢氧稳定同位素实测值进行线性回归图Ａ得出该地区大气降水 δ Ｄ和 δ Ｏ的线性关系式为 δ Ｄ δ Ｏ９Ｒ９Ｐ该地区干季大气降水 δ Ｄ和 δ Ｏ的线性关系式图Ｂ为 δ Ｄ δ ＯＲ９Ｐ湿季大气降水 δ Ｄ和 δ Ｏ的线性关系式为 δ Ｄ δ ＯＲ９５９Ｐ全球大气降水线ＧＭＷＬ为 δ Ｄ δ Ｏ该地区ＬＭＷＬ的斜率和截距９都较ＧＭＷＬ大干季降水 δ Ｄ和 δ Ｏ关系式方程截距比ＧＭＷＬ大而湿季降水线方程的截距与ＧＭＷＬ相近

5 第期马迎宾等汤浦水库湿地森林区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源图汤浦水库湿地森林区大气降水中 δ Ｏ的关系ＦＴｆδ Ｄｄδ Ｏｆｗｄｆｆｔ汤浦水库湿地森林区个季节的大气降水 δ Ｄ δ ＯＰ５Ｐ和δ Ｏ的线性关系式为春季 δ Ｄ δ Ｏ该区大气降水 δ Ｏ和降水量的负相关５Ｒ９５Ｐ夏季 δ Ｄ关系显著说明该地区降水量效应显著将汤浦水库湿地森林区降水 δ Ｏ与对应温５Ｐ秋 δ Ｏ９Ｒ９季 δ Ｄ９δ Ｏ５Ｒ９９Ｐ度Ｔ数据进行线性拟合得到 δ ＤＴ冬季 δ Ｄ δ ＯＲ９５５Ｐ δ ＯＰ该地区个季节的关系式方程中夏Ｔ５５Ｐ５可见该区季的截距较ＧＭＷＬ小春秋冬季均比ＧＭＷＬ大且降水 δ Ｏ值与温度显著负相关说明该地区温冬季最大春秋两季相近度效应不显著反温度效应显著后向轨迹分析降水水汽的来源讨论为进一步验证氢氧稳定同位素组成及过量氘值浙江汤浦水库湿地森林区大气降水中的 δ Ｄ指示汤浦水库湿地森林区大气降水水汽来源的可靠性在采样周期内共挑选了次典型降水事件干 δ Ｏ变化范围分别介于５湿季各次降水事件利用ＨＹＳＰＬＩＴ模型中的后９５向轨迹模拟降水气团运移过程及来源从图可以我国５大气降水氢氧稳定同位素值变化范围内看出研究区湿季大气降水水汽来源主要是西太平洋地区及印度洋图ｂｄ沿途降水次数较多到达研究区后由于重同位素持续被淋洗导致降水中 δ Ｏ值贫化在干季降水水汽主要来源于内陆地区图ｆ沿途降水较少其水汽中重稳定同位素淋洗作用较小因此水汽到达研究Ｏ值普遍较高区形成的降水中 δ ５降水氢氧稳定同位素与降水量温度的关系降水中氢氧同位素值与降水量的负相关性称为降水量效应这是由于经历多次降水的同一来源水汽在输送过程中由于同位素的分馏导致氢氧同位Ｄ素值偏轻汤浦水库湿地森林区降水中的 δ Ｄ δ Ｏ与对应降水量Ｐ数据进行线性拟合得到 δ ＰＰ之间其值均处于全球及Ｏ均值较大气降水中 δ 全球均值 δ Ｄ值为 δ Ｏ值为更为Ｄ值为５ δ Ｏ值为偏负较我国均值 δ 更为偏正说明降水中的重同位素经历了一定程度的淋洗贫化大气降水中的 δ Ｏ均值春季冬季５秋季夏季５９这种规律与附近的南京上５海地区相近５干季月次年月大气降水中的 δ Ｏ值５５比湿季５９月大气降水中 δ Ｏ值５高造成该森林区降水中 δ Ｏ季节变化的主要原因是降水水汽来源及季节性气象条件符合中低纬度季风区的普遍规律９

6 林业科学研究第卷注ｂｄ为湿季次典型降水事件降水量分别为９ｍｍｆ为干季降水水汽气团轨迹模拟降水量分别为５９ｍｍ红色蓝色绿色分别代表５５ｍ高度上气团轨迹Ｎｂｄｆｗｆｗ９ｍｍｙｆｆｗｆｗ５９ｍｍｙＴｄｂｄｍｊｙｄｆ５ｍｍ５ｍｙ图汤浦水库湿地森林区部分降水水汽气团轨迹模拟ＦＴｊｙｍｆｗｄｆｆｔ

7 第 3 期马迎宾, 等 : 汤浦水库湿地森林区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源 43 汤浦水库湿地森林区大气降水线 (LMWL) 为 : δd=8.36δ 18 O+14.92(R 2 =0.966,n=166,P< 0 01), 斜率和截距均比全球大气降水线 ( 斜率 8, 截距 10) [32] 和我国大气降水线 ( 斜率 7.9, 截距 8.2) [25] 高 ; 该地区大气降水线方程的斜率与截距较接近福州 [31] 南京大气降水线 [31,35], 表明汤浦水库湿地森林区的大气环流与福州南京地区相似 ; 与鼎 [7] 湖山自然保护区大气降水线相比, 汤浦水库湿地森林区的降水线方程的斜率和截距都较大, 这是由于广东鼎湖山地区台风较多, 而台风期间的 δd 和 δ 18 O 的线性方程的斜率和截距较小 [36] 该地区四季大气降水线与南京 [35] [37] 上海略有不同, 研究区位于浙江会稽山东南麓, 而南京和上海属于平原区 [17] 域陈衍婷将我国各地区的大气降水线进行汇总发现, 我国华东大气降水线的斜率及截距比全球大气降水线大, 汤浦水库湿地森林区 ( 华东 ) 大气降水线的斜率截距高于全球降水线, 符合其研究成果, 反映了该区域湿润多雨的气候特征过量氘 (d) 表示水汽蒸发过程中存在不平衡的程度, 可将其作为示踪水汽来源的参数 [38-39] 汤浦水库湿地森林区降水的 d 值干季偏高 (15.24 ), 湿季偏低 (9.71 ), 符合季风区过量氘的季节变化 : 夏半年低冬半年高 [4,20,40-41] d 值变化与水汽来源有密切关系 [17,42], 湿季, 汤浦水库湿地森林区的降水水汽主要来源于相对湿度较大的西太平洋印度洋,d 值较低 ; 干季其降水水汽主要来自相对湿度较低的内陆地区, 降水过程中蒸发作用较强,d 值较高 HYSPLIT 模型的后向轨迹模拟分析降水水汽来源的结果进一步验证了氢氧稳定同位素技术指示该地区大气降水水汽来源的可靠性汤浦水库湿地森林区大气降水 δd δ 18 O 值与降水量显著负相关 (P<0.01), 存在降水量效应, 这与其地处中低纬度的东南沿海地区有关根据章新平等的研究 [31,43], 降水量效应往往会出现在低纬度沿海地区或海岛, 这些地区的降水水汽来源主要是中低纬度的西太平洋及印度洋, 由于同一水汽连续形成降水, 降水中重同位素持续被淋洗导致贫化, 形成降水量效应 [4,7,17,44] 汤浦水库湿地森林区降水充沛, 不存在温度效应, 甚至出现反温度效应, 有研究表明, 温度效应会被强烈的降水量效应掩盖 [17,26,45-47] 5 结论 (1) 浙江汤浦水库湿地森林区大气降水线为 δd =8.36δ 18 O+14.92(R 2 =0.966,n=166,P<0.01) 4 个季节大气降水线不同, 干季和湿季的大气降水线方程差异显著, 反映了氢氧稳定同位素组成对研究区气象条件的季节差异的响应比较明显 (2) 汤浦水库湿地森林区降水中的 δd δ 18 O 值 : 春季 ( )> 冬季 ( )> 秋季 ( )> 夏季 ( ), 干季偏高 (-5.73 ), 湿季偏低 (-7.02 ), 季节变化明显 ; 过量氘 (d) 值高于全球平均值, 具有明显的季节变化, 湿季低于全球平均值, 干季高于全球平均值干季降水水汽主要来源于相对干燥的内陆地区, 湿季降水水汽主要来源于湿度较高的西太平洋印度洋, 反映了氢氧稳定同位素组成与水汽来源关系密切 (3) 大气降水中的氢氧稳定同位素组成与日平均降水量呈显著负相关, 表现出明显的降水量效应, 温度效应不显著参考文献 : [1] 顾慰祖. 同位素水文学 [M]. 北京 : 科学出版社,2011: [2] 何元庆, 姚檀栋, 杨梅学, 等. 玉龙山白水 1 号冰川区大气降水 - 冰雪 - 水文系统内 δ 18 O 研究的新结果 [J]. 冰川冻土,2000,22 (4): [3]AmesburyM J,CharmanDJ,Newnham RM,etal.Canoxygen stableisotopesbeusedtotrackprecipitationmoisturesourceinvas cularplant dominatedpeatlands?[j].earthandplanetaryscience Leters,2015,430: [4] 李广, 章新平, 许有鹏, 等. 滇南蒙自地区降水稳定同位素特征及其水汽来源 [J]. 环境科学,2016,37(4): [5] 刘鑫, 宋献方, 夏军, 等. 黄土高原岔巴沟流域降水氢氧同位素特征及水汽来源初探 [J]. 资源科学,2007,29(3): [6]JouzelJ,DelaygueG,LandaisA,etal.Waterisotopesastoolsto documentoceanicsourcesofprecipitation[j].waterresourcesre search,2013,49(11): [7] 高德强, 徐庆, 张蓓蓓, 等. 鼎湖山大气降水氢氧同位素特征及水汽来源 [J]. 林业科学研究,2017,30(3): [8] 边俊景, 孙自永, 周爱国, 等. 干旱区植物水分来源的 D 18 O 同位素示踪研究进展 [J]. 地质科技情报,2009,28(4): [9] 杨梅学, 姚檀栋, 田立德, 等. 藏北高原夏季降水的水汽来源分析 [J]. 地理科学,2004,24(4): [10]DansgaardW.Stableisotopesinprecipitation[J].Telus,1964, 16(4): [11] 章新平, 关华德, 张新主, 等. 利用稳定同位素大气水平衡模式模拟降水中 δ 18 O 的分布 [J]. 冰川冻土,2014,36(5): [12]KohnM J,WelkerJM.Onthetemperaturecorelationofδ 18 Oin modernprecipitation[j].earthandplanetaryscienceleters,

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第 39 卷第 2 期西南大学学报 ( 自然科学版 ) 2017 年 2 月 Vol.39 No.2 JournalofSouthwestUniversity (NaturalScienceEdition) Feb. 2017 DOI:10.13718/j.cnki.xdzk.2017.02.018 贵州安顺与重庆北碚大气降水中 δd 和 δ 18 1 O 特征分析毛庆亚 1, 王建力 1,3,