鷹潭地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征研究

沈業(yè)杰，彭新華

1. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

鷹潭地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征研究

沈業(yè)杰1,2，彭新華1*

1. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

降水中氫氧穩(wěn)定同位素組成與降水地區(qū)各種氣象因素變化密切相關(guān)。同時(shí)，降水中氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系是水同位素應(yīng)用的主要基礎(chǔ)，對(duì)深入研究降水中水汽來(lái)源，地下水補(bǔ)給等水循環(huán)過(guò)程具有重要意義。根據(jù)江西鷹潭地區(qū)2012年4月至2013年3月大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素組成和氣象資料，研究了該地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系及降水量，溫度等氣象因素對(duì)氫氧穩(wěn)定同位素組成的影響。研究表明，該地區(qū)大氣降水線方程為δD=8.61δ18O+18.34（n=72，R2=0.98），與全球大氣降水線方程（δD=8δ18O+10）相比，鷹潭地區(qū)大氣降水線的斜率和截距均偏大，這與凝結(jié)物在未飽和大氣中降落時(shí)重同位素的蒸發(fā)富集作用有關(guān)，同時(shí)反映了該地區(qū)濕潤(rùn)多雨，降水過(guò)程中受二次蒸發(fā)影響較小的氣候特點(diǎn)。該地區(qū)降水中δD（-113.3‰～7.5‰）、δ18O（-14.9‰～-0.9‰）和氘盈余（3.8‰～23.2‰）變化幅度很大并呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，夏半年（4-9月）δD、δ18O與氘盈余均顯著低于冬半年（10-3月）（P ＜ 0.01），反映出不同季節(jié)降水的水汽來(lái)源及蒸發(fā)條件的差異。對(duì)該地區(qū)降水同位素與降水量和溫度相關(guān)性的分析表明，降水中δ18O與降水量和溫度存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，方程式分別為：y=-0.056x–4.7（R2= 0.39，P＜0.01）和y=-0.203x–2.99（R2= 0.23，P＜0.01），說(shuō)明該地區(qū)降水中氫氧穩(wěn)定同位素存在顯著的降水量效應(yīng)和反溫度效應(yīng)。

氫氧穩(wěn)定同位素；大氣降水；降水量效應(yīng)；氘盈余

降水是水循環(huán)過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在水循環(huán)研究過(guò)程中，降水中氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系是同位素水文學(xué)的核心概念，也是水同位素應(yīng)用的主要基礎(chǔ)，它對(duì)于我們深入了解水循環(huán)過(guò)程及其結(jié)構(gòu)具有重要意義（顧慰祖，2011; 張琳等，2009）。大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素的變化由平衡和動(dòng)力學(xué)同位素分餾機(jī)制導(dǎo)致（Peng等，2004; Yeh等，2011; Zhao等，2011），同時(shí)在水分循環(huán)（如蒸發(fā)，凝結(jié)，水氣轉(zhuǎn)運(yùn)）過(guò)程中也伴隨著分餾作用，從而造成自然界中各種水源（water pools）同位素組成差別很大，所以氫氧穩(wěn)定同位素可以作為理想的天然示蹤劑表征降水到達(dá)土壤，河流和地下含水層，并通過(guò)蒸發(fā)或植物蒸騰返回大氣的循環(huán)路徑。因此，氫氧穩(wěn)定同位素方法廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等領(lǐng)域，在確定水分來(lái)源如植物水分來(lái)源（Asbjornsen等，2007）、地下水補(bǔ)給來(lái)源（Yeh等，2011）、霧來(lái)源（Liu等，2007），研究水分在土壤中運(yùn)動(dòng)（Song等，2009），區(qū)分蒸騰和蒸發(fā)（Yepez等，2005）等方面起著重要作用。

大氣降水中δ18O和δD遵循很好的線性關(guān)系：δD=8δ18O+10。這種線性關(guān)系被稱為全球大氣降水線（GMWL）。事實(shí)上，GMWL是全球平均水平，在不同地區(qū)測(cè)得的大氣降水線有不同程度的偏移，這一偏移反映出各地大氣降水云氣形成時(shí)，水汽來(lái)源及降水云氣在運(yùn)移過(guò)程中環(huán)境條件的變化所導(dǎo)致的氣、液相同位素分餾的不平衡程度的差異（張應(yīng)華等，2006）。例如，在西雙版納：δD=7.96δ18O+8.67（Liu等，2005）；在半干旱區(qū)的黃土高原：δD=7.57δ18O+3.9（Liu等，2011）; 在西北干旱地區(qū)：δD=7.42δ18O+1.38（Liu等，2009）。Dansgaard首先描述了影響降水中同位素差異的四個(gè)因素：高度，緯度，離岸距離，降水量。本質(zhì)上都受逐漸變化的溫度控制，因?yàn)槿蛩h(huán)包括海表蒸發(fā)和水汽輸送、冷凝，沿著水汽的傳輸路徑，離海岸越遠(yuǎn)，緯度、高度越高，溫度越低，此時(shí)溫度對(duì)降水中氫氧穩(wěn)定同位素的影響起了主要作用（Dansgaard，1964; 陳中笑等，2010）。

區(qū)域降水由于特定的氣候條件往往偏離GMWL，Dansgaard首先定義了氘盈余（dexcess）的概念：dexcess=δD-8δ18O，表示水汽蒸發(fā)過(guò)程中因同位素的動(dòng)力分餾過(guò)程而偏離平衡分餾的程度或局地降水穩(wěn)定同位素偏離GMWL的程度（陳中笑等，2010）。氘盈余受水汽源區(qū)空氣相對(duì)濕度、海表溫度、風(fēng)速等因素影響，廣泛用于表征水汽來(lái)源。事實(shí)上，氘盈余不僅有助于確定水汽來(lái)源，當(dāng)結(jié)合不同的水源（土壤水，地下水和降水等）的氫氧穩(wěn)定同位素組成，水勢(shì)等其它參數(shù)時(shí)，還可以對(duì)季節(jié)性降水對(duì)地下水的補(bǔ)給，降水在土壤中的平均滯留時(shí)間等進(jìn)行研究（Kabeya等，2007; Lee和Kim，2007）。值得注意的是，對(duì)于降水線δD=aδ18O+b，由于斜率a往往不等于8，因此氘盈余和截距b并不相同（顧慰祖，2011）。

降水是大氣圈和水圈之間物質(zhì)與能量交換過(guò)程中最積極的因子，降水同位素組成是隨時(shí)間和空間變化的，對(duì)降水中δD和δ18O的檢測(cè)可為應(yīng)用同位素技術(shù)研究現(xiàn)在和過(guò)去氣候條件下的水文循環(huán)提供背景數(shù)據(jù)（顧慰祖，2011）。自1961年以來(lái)，在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界氣象組織（WMO）共同努力下，開始運(yùn)行全球降水同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)（GNIP，Global Network for Isotopes in Precipitation），迄今已在全球建立了800多個(gè)降水取樣站（吳華武等，2011）。在GNIP全球降水同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)中，各降水取樣站的同位素監(jiān)測(cè)資料為月均值，不能代表天氣尺度下降水中穩(wěn)定同位素的變化，因此有必要對(duì)天氣尺度下降水中穩(wěn)定同位素變化進(jìn)行研究（薛積彬等，2008）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)西北干旱區(qū)（Liu等，2009; 李小飛等，2012）、東部季風(fēng)區(qū)（柳鑒容等，2009）、青藏高原（章新等，1996）等區(qū)域的大氣降水穩(wěn)定同位素特征及其影響因素、水汽來(lái)源等進(jìn)行了深入的研究。然而我國(guó)地形氣候各異，降水穩(wěn)定同位素在時(shí)間上和空間上具有很大的差異性，因此對(duì)更廣泛地區(qū)的降水同位素研究有助于全面了解中國(guó)降水同位素的特點(diǎn)，也有利于為該地區(qū)的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文根據(jù)2012年4月至2013年3月鷹潭降水中δD與δ18O及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，探討了鷹潭地區(qū)大氣降水線及大氣降水中δD、δ18O與相關(guān)氣象要素之間的關(guān)系。由于降水中δD與δ18O有很好的相關(guān)性，為避免分析結(jié)果冗余，本文中的數(shù)據(jù)分析主要以δ18O為例。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

降水樣品取自于江西省鷹潭市中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站劉家站墾殖農(nóng)場(chǎng)三分場(chǎng)小流域（116o55’E，28o15’N），該地屬中亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有雨量充沛、光照充足、四季分明的特點(diǎn)。年均降水量1795 mm，年均蒸發(fā)量1229 mm，年均氣溫17.8 ℃。

1.2 水樣采集及分析

采用簡(jiǎn)易雨水收集裝置（500 mL塑料瓶連接直徑10 cm漏斗，漏斗上放置乒乓球以防止水分蒸發(fā)）收集雨水（Wang等，2010）。每次降水結(jié)束后立即收集，如果降水發(fā)生在晚上則第2天早上收集。將雨水裝入螺紋瓶中，用封口膜密封瓶口并放置于冰箱保存。提取的水樣采用LGR液態(tài)水同位素分析儀（美國(guó) Los Gatos Research（LGR）公司，型號(hào)：908-0008）測(cè)定。氫氧穩(wěn)定同位素組成常用δ表示，δ是指樣品的同位素比值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素比值的千分值（parts per thousand，per mil，‰）。

其中Rsample表示樣品中重輕同位素豐度之比；Rstandard表示標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的重輕同位素豐度之比，一般采用維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW）作為標(biāo)準(zhǔn)物。

研究期內(nèi)共采集72個(gè)降水樣品，并對(duì)降水量進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。降水時(shí)的氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站。

2 結(jié)果與討論

2.1 鷹潭大氣降水線方程

圖1 鷹潭地區(qū)大氣降水中δD和δ18O的關(guān)系Fig.1 Relationship between δD and δ18O in the precipitation in Yingtan

從圖1可以看出，鷹潭地區(qū)降水中氫氧穩(wěn)定同位素值變化幅度較大：δD從-113.3‰到7.5‰，δ18O從-14.9‰到-0.9‰。相比于我國(guó)大氣降水中的δD（-210‰～20‰）和δ18O（-24‰～2.0‰）（鄭淑蕙等，1983），鷹潭大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素含量在其范圍之內(nèi)。大氣降水中δD和δ18O之間的關(guān)系對(duì)于研究水循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定同位素的變化具有重要意義，根據(jù)δD和δ18O數(shù)據(jù)（圖1）求得鷹潭大氣降水線方程為：δD=8.61δ18O+18.34（n=72，R2=0.98）。相比于全球降水線方程δD=8δ18O+10（Craig，1961）與我國(guó)大氣降水線方程δD= 7.9δ18O+8.2（鄭淑蕙等，1983），該方程無(wú)論在斜率還是截距上均偏大，這與凝結(jié)物在未飽和大氣中降落時(shí)重同位素的蒸發(fā)富集作用有關(guān)（趙家成等，2009）。一般而言，大氣越干熱，大氣降水線的斜率越小，與此同時(shí)，大氣降水線的截距也越小，反之則偏大（章新等，1996）。鷹潭大氣降水線方程反映了該地區(qū)濕潤(rùn)多雨，降水過(guò)程中受二次蒸發(fā)影響較小的氣候特點(diǎn)。

2.2 大氣降水δ18O和dexcess的季節(jié)變化

圖2給出了鷹潭地區(qū)大氣降水中δ18O和dexcess隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，可以看出，降水中δ18O和dexcess呈現(xiàn)很大的波動(dòng)，δ18O從-14.9‰到-0.9‰，dexcess值介于3.8‰～23.2‰之間，平均值為13‰，與世界大部分地區(qū)雨水dexcess值（10‰左右）相比略高。為了揭示δ18O和dexcess季節(jié)變化的特點(diǎn)，我們將全年分成兩個(gè)時(shí)段，4-9月代表夏半年，10月-次年3月代表冬半年。結(jié)果表明，夏半年δ18O值（-7.67‰）顯著低于冬半年δ18O值（-5.38‰）（表1），這是季風(fēng)區(qū)降水的明顯特點(diǎn)，原因在于冬夏季節(jié)降水的水汽來(lái)源及蒸發(fā)條件不同。對(duì)dexcess的分析表明，降水中夏半年平均dexcess值（11.20‰）顯著低于冬半年平均dexcess值（17.21‰）（表1）。由于東亞季風(fēng)的影響，dexcess值有明顯的季節(jié)性差異，旱季較高，雨季較低（Lee和Kim，2007; Yeh等，2011）。dexcess值大小同時(shí)也反映了水汽源地情況：降水中dexcess值越小，水分來(lái)源地相對(duì)濕度越大，蒸發(fā)越緩慢，而高的dexcess值則反應(yīng)了水分來(lái)源地相對(duì)濕度較小，蒸發(fā)快速的特點(diǎn)（Lee和Kim，2007）。

2.3 大氣降水δ18O的降水量效應(yīng)

圖2 鷹潭大氣降水中δ18O（a）與dexcess（b）的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonally variation of δ18O (a) and dexcess(b) in precipitation in Yingtan

表1 不同季節(jié)降水中δ18O和dexcess比較的t檢驗(yàn)結(jié)果Table1 The t-test result of δ18O, dexcessin precipitation seasonally

降水量效應(yīng)是指隨著降水量的增大，雨水中氫氧穩(wěn)定同位素組成呈現(xiàn)貧化趨勢(shì)的現(xiàn)象，即降水中δD和δ18O值與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其形成機(jī)制主要取決于形成降水的3個(gè)過(guò)程：水汽源區(qū)的蒸發(fā)條件、水汽的傳輸過(guò)程和降水時(shí)的冷凝程度（薛積彬等，2008）。鷹潭地區(qū)降水中δ18O與降水量的關(guān)系見圖3，其線性回歸方程為：y=-0.056x–4.7，R2=0.39（P＜0.01）?？梢钥闯?，隨著降水量的增大，δ18O值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降水δ18O與降水量之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出顯著的降水量效應(yīng)。這種現(xiàn)象在中低緯度海洋或季風(fēng)區(qū)，尤其在亞洲季風(fēng)區(qū)很明顯，與大氣環(huán)流的變化以及水汽來(lái)源有關(guān)。

2.4 大氣降水中δ18O的溫度效應(yīng)

溫度效應(yīng)指氫氧穩(wěn)定同位素組分與溫度成正相關(guān)關(guān)系的現(xiàn)象，氣溫對(duì)降水中穩(wěn)定同位素產(chǎn)生作用的主要機(jī)制是：地面溫度在一定程度上與上空降水云團(tuán)的冷凝溫度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，而后者與降水的δ18O有直接關(guān)系，因此氣溫越低，降水中同位素的分餾系數(shù)越大，從而降水中δ18O越低（張琳等，2009）。鷹潭地區(qū)降水中δ18O與氣溫的關(guān)系見圖4，其線性回歸方程為：y=-0.203x-2.99，R2=0.23（P＜0.01）。公式表明δ18O隨氣溫的升高而逐漸貧化，二者存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出明顯的反溫度效應(yīng)。這是由于溫度效應(yīng)主要存在于高緯度地區(qū)（柳鑒容等，2009; 章新平等，2006）。鷹潭位于中低緯度季風(fēng)區(qū)，由于該地區(qū)降水量效應(yīng)較為明顯，有時(shí)會(huì)掩蓋溫度效應(yīng)，從而觀察不到溫度效應(yīng)。

圖3 鷹潭大氣降水中δ18O與降水量的相關(guān)性分析Fig. 3 Correlation analysis of δ18Oin precipitation with precipitationamount in Yingtan

圖4 鷹潭大氣降水中δ18O與溫度的相關(guān)性分析Fig. 4 Correlation analysis of δ18O in precipitation with temperature in Yingtan

3 結(jié)論

本文研究了鷹潭地區(qū)大氣降水中氫、氧穩(wěn)定同位素組成特征及其與降水量、溫度等氣象因素的關(guān)系，結(jié)果表明：

1）鷹潭站的大氣降水線方程為δD=8.61δ18O+18.34（n=72，R2=0.98），相比于全球降水線，鷹潭地區(qū)大氣降水線斜率和截距均偏大，這與雨滴在未飽和大氣中降落時(shí)重同位素的蒸發(fā)富集作用有關(guān)，反映了該地區(qū)濕潤(rùn)多雨，受二次蒸發(fā)影響較小的氣候特點(diǎn)。

2）鷹潭地區(qū)大氣降水的δD、δ18O和dexcess具有明顯的季節(jié)性差異，夏半年δD、δ18O與氘盈余均顯著低于冬半年（P ＜ 0.01）反映了冬夏季節(jié)降水的水汽來(lái)源及蒸發(fā)條件不同。

3）鷹潭地區(qū)大氣降水中δ18O與降水量和溫度均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，δ18O與降水量方程為：y=-0.056x–4.7，R2=0.39（P＜0.01）；δ18O與溫度的方程為：y=-0.203x-2.99，R2=0.23（P＜0.01），表明該地區(qū)降水中氫氧穩(wěn)定同位素存在顯著的降水量效應(yīng)和反溫度效應(yīng)。

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第二，東道國(guó)制度在發(fā)揮中國(guó)OFDI經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)效應(yīng)時(shí)有著重要的作用。根據(jù)回歸結(jié)果，只有東道國(guó)制度質(zhì)量越過(guò)拐點(diǎn)，中國(guó)作用于“一帶一路”沿線國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的直接投資活動(dòng)才能夠促進(jìn)東道國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，否則，這一相互作用將嚴(yán)重阻礙東道國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但由于中國(guó)目前對(duì)“一帶一路”國(guó)家的直接投資活動(dòng)有相當(dāng)比例集中在東道國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，若想這部分投資收到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果，必須重視東道國(guó)制度的作用。

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Stable isotopes of hydrogen and oxygen in the precipitation of Yingtan

SHEN Yejie1,2, PENG Xinhua1*
1. State Key Lab of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Nanjing 210008, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The δD and δ18O composition in precipitation are closely related to local meteorological factors. Meanwhile, being the primary basis of the isotope hydrology, stable isotopes of hydrogen and oxygen composition can be applied in the study of water cycle, such as evaluating sources of water vapor, groundwater recharge, etc. In this study, stable isotopes of oxygen and hydrogen compositions of the precipitation in Yingtan area from April, 2012 to March, 2013 were investigated. According to the isotopes of precipitation, local meteoric water regression lines could be described as: δD=8.61δ18O+18.34 (n=72，R2=0.98). Its slope and intercept were higher than those of global meteoric water line (δD=8δ18O+10) due to the evaporation and enrichment of heavy isotopes condensation in the unsaturated atmosphere. Large ranges of δD (-113.3‰～7.5‰), δ18O (-14.9‰～-0.9‰) and dexcessvalues (3.8‰～23.2‰) were found in precipitation in this region, and the values of δD, δ18O and dexcessin the summer half year (April-September) were significantly lower than those in the winter half year (March-October) (P＜0.01), indicating different evaporative conditions and atmospheric water vapor sources between the two seasons. The relationship between δ18O and precipitation amount, temperature could be described as y=-0.056x–4.7 (R2=0.39, P＜0.01) and y=-0.203x–2.99 (R2= 0.23, P＜0.01), indicating the precipitation amount effect and anti-temperature effect of isotopes in precipitation respectively.

hydrogen and oxygen isotope; precipitation; precipitation amount effect; deuterium excess

P426.61

A

1674-5906（2014）01-0101-05

沈業(yè)杰，彭新華. 鷹潭地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(1): 101-105.

SHEN Yejie, PENG Xinhua. Stable isotopes of hydrogen and oxygen in the precipitation of Yingtan [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 101-105.

“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2011BAD31B04）；中科院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目

沈業(yè)杰（1985年生），男，博士研究生，主要從事同位素水文學(xué)研究。E-mail: yjshen@ issas.ac.cn

*通訊作者：彭新華，E-mail: xhpeng@issas.ac.cn

2013-08-21