穩(wěn)定同位素在濕地水文研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

魏佳明 崔麗娟 李偉 雷茵茹 于菁菁 梁釗瑞（1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091）

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穩(wěn)定同位素在濕地水文研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

魏佳明 崔麗娟 李偉 雷茵茹 于菁菁 梁釗瑞
（1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091）

摘 要濕地水文過程對(duì)濕地形成、發(fā)育和演化起到了至關(guān)重要的作用，也是濕地保護(hù)和修復(fù)的關(guān)鍵。穩(wěn)定同位素技術(shù)是濕地水文研究的有效工具，探討了穩(wěn)定同位素技術(shù)在濕地水資源性質(zhì)與來源識(shí)別以及濕地水文循環(huán)研究等方面的應(yīng)用，指出了當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題，如缺乏濕地水文過程的系統(tǒng)性機(jī)理研究等，展望了穩(wěn)定同位素在濕地水文中取樣方法上的創(chuàng)新改進(jìn)與人類干擾對(duì)濕地水文過程影響研究的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞濕地水文；穩(wěn)定同位素；水資源性質(zhì)；水文循環(huán)

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶（Mitsch，2015），水文過程對(duì)濕地形成、發(fā)育和演化起到了至關(guān)重要的作用。水文特征的變化決定著濕地物理化學(xué)環(huán)境，進(jìn)而影響了濕地的生物區(qū)系，濕地生物與物理化學(xué)環(huán)境也在影響著濕地水文特性的演變。三者相互作用，相互影響，形成了一個(gè)穩(wěn)定的濕地生態(tài)系統(tǒng)（陸健健等，2006）。缺少水，濕地生態(tài)系統(tǒng)就不能維持穩(wěn)定，進(jìn)而會(huì)發(fā)生崩潰現(xiàn)象。近幾十年來，人類對(duì)濕地保護(hù)的認(rèn)識(shí)不足，只注重掠奪其豐富的生物資源，使得濕地生態(tài)系統(tǒng)告急（崔麗娟等， 2012），濕地水文過程是濕地形成與發(fā)展機(jī)理研究的重要內(nèi)容，也是濕地保護(hù)和修復(fù)的關(guān)鍵。然而濕地中的水文現(xiàn)象，由于夾雜陸地與水域，并且受到不同類型濕地特性的影響，相較于其他水文過程，完全掌握其規(guī)律更加復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)對(duì)濕地水文學(xué)的研究，多是通過已有水文學(xué)的常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型，分析濕地生態(tài)水文過程的演變，進(jìn)而剖析生態(tài)系統(tǒng)退化的特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制（鄧偉等， 2003），這種基于模型的宏觀研究，主要強(qiáng)調(diào)生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)，沒有從機(jī)理層次深度發(fā)掘濕地水文變化的特性，也沒有足夠重視這種特性對(duì)濕地生態(tài)的決定性影響，缺乏直觀性。近年來，穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)不斷發(fā)展，漸漸成為了一種新興的水文學(xué)研究手段。穩(wěn)定同位素，是指具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的穩(wěn)定無放射性的同一元素的不同核素的互稱（林光輝，2013），其憑借示蹤、整合和指示等諸多功能，越來越成為國(guó)外濕地水文學(xué)者研究的焦點(diǎn)（林光輝，2010），目前在水文學(xué)中常用的環(huán)境同位素有2H、3H（D）、3He、4He、13C、14C、18O、34S、36Cl等（汪集，2002），其中主要以H、O同位素研究居多。Hunt等（1998）就認(rèn)為不同的同位素成分是濕地水文研究的有效工具，能為其他研究提供深層次的認(rèn)識(shí)。他們?cè)ㄟ^對(duì)飽和層2H、18O等水同位素的跟蹤，證實(shí)了人工濕地與自然濕地在水源補(bǔ)給與水循環(huán)上的不同，即自然濕地補(bǔ)給多來源于地下水，而人工濕地水源除了來自地下水外，還來自降水。通過對(duì)毛管邊緣水的研究，推測(cè)了人工濕地的蒸發(fā)速率明顯高于自然濕地。但綜觀國(guó)內(nèi)濕地水文研究，運(yùn)用穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)進(jìn)行濕地水文研究還較少。本文主要就穩(wěn)定同位素在水資源性質(zhì)與來源識(shí)別、水文循環(huán)兩方面的應(yīng)用動(dòng)態(tài)加以綜述，以期該方法能在國(guó)內(nèi)濕地水文研究中廣泛利用。

1 穩(wěn)定同位素在濕地水源性質(zhì)研究中的應(yīng)用

由于濕地在空間上處于交錯(cuò)地帶，進(jìn)而可以認(rèn)為其水的儲(chǔ)存、循環(huán)以及水生生態(tài)系統(tǒng)都具有過渡性。鑒于濕地水文的這種獨(dú)特性，水文過程會(huì)極大程度地影響濕地生物的多樣性（陸健健等，2006），因而探求水文過程的主體，即水資源的來源以及水源的性質(zhì)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)具有極高的價(jià)值。Zhang等（2014）就曾對(duì)三江平原地表水（河流、湖泊和濕地）和地下水的年齡進(jìn)行了探求，分析穩(wěn)定同位素（δ18O，δD）組成后發(fā)現(xiàn)，地下水大多是現(xiàn)代水，即水齡均小于50年。

目前應(yīng)用穩(wěn)定同位素在水文循環(huán)中計(jì)算不同水體的水源問題較為廣泛。Clay等（2014）利用穩(wěn)定同位素（δ18O，δD）的比值，確定英國(guó)Shropshire濕地主要由地下水補(bǔ)給，但隨季節(jié)變化，穩(wěn)定同位素比率顯示降水也對(duì)濕地水補(bǔ)給做出了一定的貢獻(xiàn)。Steinbruch等（2014）也以穩(wěn)定同位素的方法，分析了2006 - 2010年雨季和旱季的泉水、水井、河流和湖泊對(duì)濕地補(bǔ)給的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在旱季湖水為濕地提供了水源，而雨季主要以降水補(bǔ)給為主。

2 穩(wěn)定同位素在濕地水源來源識(shí)別研究中的應(yīng)用

應(yīng)用穩(wěn)定同位素還可以追溯具體濕地水體的來源地以及補(bǔ)給類型，比較不同濕地補(bǔ)給差異。Nyarko等（2010）研究發(fā)現(xiàn)白沃爾特河流域泛濫平原濕地的水蒸氣（18O，D）受撒哈拉沙漠和大西洋氣團(tuán)的影響，并且觀察到Pwalugu地區(qū)的降水和Tindama濕地的水體同位素組成有差異。7 - 9月，水資源的補(bǔ)給主要是降水。其他月份地表水、地下水對(duì)補(bǔ)給起到了交互作用，均對(duì)濕地的水資源補(bǔ)給有貢獻(xiàn)作用。王磊等（2007）也通過分析地表水、地下水水化學(xué)特征的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)濕地地表水明顯受蒸發(fā)濃縮作用和鹽土溶濾作用影響，大氣降水對(duì)地下水補(bǔ)給作用貢獻(xiàn)較小，而湖泊補(bǔ)給則超過了一半，呈現(xiàn)了“二元循環(huán)模式”，即同時(shí)受區(qū)域地下水流和局部地下水流的控制。這種補(bǔ)給上的周期性規(guī)律與差異，往往對(duì)當(dāng)?shù)氐乃难h(huán)與生物生長(zhǎng)具有巨大的意義。Currell等（2014）通過測(cè)定澳大利亞Connewarre湖泊濕地水中的穩(wěn)定同位素（δ18O，δD），證實(shí)了濕地地下水體所含鹽分和穩(wěn)定同位素組分處于濕地地表淡水和海水之間，即淡水注入地下水與近期河流調(diào)整前濕地連接河口時(shí)存留的殘余海水進(jìn)行了混合。進(jìn)而得出如遇雨水流入量增加，淡水滲漏到淺層地下水中的水量也會(huì)驟然增加，這種比例的破壞可能有利于外來蘆葦?shù)纳L(zhǎng)。

3 穩(wěn)定同位素在濕地水文循環(huán)研究中的應(yīng)用

不論是小尺度的植物個(gè)體水循環(huán)，還是較大尺度的濕地生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)，這些均可以稱為濕地水文過程。濕地水文過程是各種濕地類型形成，維持濕地過程的唯一重要因素（陸健健等，2006），對(duì)于前者，對(duì)氫與氧穩(wěn)定同位素分析能區(qū)分植物利用水分的不同來源，量化植物對(duì)水源的利用程度，對(duì)于濱海濕地潮間帶紅樹植物體內(nèi)水分的來源分析，可以通過穩(wěn)定同位素示蹤手段，進(jìn)而揭示紅樹植物對(duì)濱海特殊生境表現(xiàn)出的適應(yīng)性（馮建祥等， 2013）。濕地植物由于毗鄰水源，具備濕生特性，通過穩(wěn)定同位素的方法能很好地揭示濕地植物對(duì)水資源的利用特征，進(jìn)而探究其如何對(duì)整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。Saha等（2010）使用穩(wěn)定同位素作為示蹤劑探討了高地過渡區(qū)植被與挺水區(qū)植被在水分利用上的不同。研究發(fā)現(xiàn)了木本植物群落的不同水分利用，其中山地硬木群落主要在雨季吸收有機(jī)土壤包氣帶中的截流水分，在旱季轉(zhuǎn)向地下水或地表水的吸收（即區(qū)域水）；而沼澤林則在全年使用區(qū)域水，因而發(fā)現(xiàn)濕地地形小的差異都會(huì)導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)存在較大的差異。

此外，對(duì)濕地大尺度的水文循環(huán)過程的機(jī)理性研究，包括濕地水文循環(huán)周期，濕地水循環(huán)平衡能力，濕地土壤水徑流變化特征，乃至濕地在全球水循環(huán)中的作用。這些研究以往僅停留在模型的預(yù)估上，一些如土壤水的研究依靠近紅外光譜技術(shù)（陳禎， 2010），都不能精確分析水文循環(huán)的全過程。而穩(wěn)定同位素技術(shù)可以根據(jù)不同同位素的同位素比值（δ），從源頭到盡頭跟蹤水資源的整個(gè)過程。Steinbruch等（2014）以穩(wěn)定同位素的方法，發(fā)現(xiàn)每年雨季洪水補(bǔ)給過程對(duì)濕地沉積物的沉積起到了巨大的作用，即改變了水力梯度，減少了雨季的泥沙堆積，增大了排水速度。Zurek等（2014）以穩(wěn)定同位素D為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)濕地蓄水層的向上越流明顯有助于水循環(huán)水平衡。在結(jié)合多種地球物理化學(xué)參數(shù)后建立了流動(dòng)運(yùn)輸模型，證實(shí)了長(zhǎng)期通過開發(fā)區(qū)供水井網(wǎng)絡(luò)抽取地下水，超過最大允許的能力可能會(huì)引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)功能退化。許士國(guó)等（2006）根據(jù)扎龍濕地土壤包氣帶水以及蘆葦?shù)姆€(wěn)定同位素變化，結(jié)合土壤滲透模型，計(jì)算了單位體土壤垂直遷移量，對(duì)后續(xù)濕地垂向水流補(bǔ)給的研究奠定了基礎(chǔ)。

4 研究展望

濕地水文過程是濕地生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定的重要因素，決定著濕地類型的形成與演變。定量描述濕地水文過程與濕地功能、濕地價(jià)值之間的聯(lián)系是當(dāng)前濕地水文研究的難點(diǎn)（王興菊等，2006），以穩(wěn)定同位素方法的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合其他常規(guī)方法，突破以往對(duì)濕地水文過程規(guī)律的“黑箱”描述，精確確定濕地的產(chǎn)流機(jī)制、徑流循環(huán)特點(diǎn)、調(diào)洪蓄洪能力等，是當(dāng)前亟待解決的問題。在研究過程中，建議關(guān)注以下2個(gè)方面。

4.1 水源提取方法的改進(jìn)

穩(wěn)定同位素方法的精確性決定了其樣品的采集與測(cè)定過程的要求極其嚴(yán)格。尤其是地下水，一般無法直接采集，需要采集深層土壤水、井水來代替（林光輝， 2013），而土壤水的提取技術(shù)又耗費(fèi)時(shí)力，對(duì)水源提取方法進(jìn)行創(chuàng)新，即尋找更為便捷、精確的采樣技術(shù)是目前推廣穩(wěn)定同位素技術(shù)的關(guān)鍵。Koeniger等（2011）總結(jié)了以往不同研究中樣品材料與提取方法的不同，提出了改進(jìn)的真空提取方法（通過隔板插入Valco質(zhì)譜瓶與不銹鋼毛細(xì)管替換提取器），并進(jìn)行了精度的對(duì)比（表1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同方法均有一定的優(yōu)缺點(diǎn)與誤差，使用時(shí)要格外注意。此外，Gralher等（2014）也提出了一個(gè)新的土壤水分同位素分析技術(shù)，即在等溫平衡條件下對(duì)樣本進(jìn)行汽化，該方法相較于以往方法簡(jiǎn)單易行，可有效提高測(cè)量精度。

4.2 濕地水文機(jī)理的系統(tǒng)研究

利用穩(wěn)定同位素技術(shù)進(jìn)行的濕地水文學(xué)研究還處在局部范圍內(nèi)，很少有結(jié)合該技術(shù)進(jìn)行涉及整個(gè)循環(huán)過程的探究，也少有單獨(dú)產(chǎn)流機(jī)制、徑流循環(huán)特點(diǎn)、調(diào)洪蓄洪能力等濕地水文機(jī)理性研究的完整闡述。有關(guān)文獻(xiàn)（Currell et al，2014；Koeniger et al，2011）進(jìn)行了方法的應(yīng)用，得出一些較為常規(guī)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，并沒有驗(yàn)證已有或得出新的水文循環(huán)規(guī)律，僅在展望中提出其可以利用到濕地水文機(jī)理的研究中，但鮮有后續(xù)的相關(guān)文獻(xiàn)出現(xiàn)，研究還較初淺。

表1　不同研究中樣品提取方法和材料的精度對(duì)比

4.3 人類干擾對(duì)濕地水文過程影響的研究

利用穩(wěn)定同位素的溯源性將人類活動(dòng)加入到濕地水文過程的限制性因子中，計(jì)算其貢獻(xiàn)度，對(duì)濕地水文過程的研究提供了新的關(guān)注點(diǎn)（林光輝，2013），另外，在一些已被破壞或亟待修復(fù)的濕地中，還可以示蹤對(duì)濕地產(chǎn)生影響的來源，較為精確地確定影響因子及其影響力，進(jìn)而將其應(yīng)用到濕地水文過程效應(yīng)及其調(diào)控技術(shù)上（崔麗娟等，2011），有利于對(duì)濕地有效評(píng)估與恢復(fù)。

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Present Status and Perspectives of Application of Stable Isotopes in Wetland Hydrology Research

WEI Jia-Ming CUI Li-Juan LI Wei LEI Yin-Ru YU Jing-Jing LIANG Zhao-Rui （Institute of Wetland Research， Chinese Academy of Forestry， The Beijing Key Laboratory of Wetland Ecological Function and Restoration， Beijing 100091）

AbstractWetland hydrological processes have played a vital role in wetland formation， development and evolution. Meanwhile it plays a key role in wetland conservation and restoration. Now， stable isotope has provided an effective tool for a deeper understanding of wetland hydrology. The applications of stable isotope in identification of properties and origin of wetland water， and in studies of wetland hydrologic cycling were discussed. Current problems existing in the applications of stable isotope were identified， e.g. the lack of systematic studies of mechanism of wetland hydrological process. Future directions for innovation and improvement of sampling method in applications of stable isotope were proposed， including studies of impacts of human disturbance on wetland hydrology.

Key wordsWetland hydrology； Stable isotope； Water properties； Hydrologic cycle

doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2016.01.15

收稿日期：2015-10-28

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與評(píng)估技術(shù)研究”（201404305）

作者簡(jiǎn)介：魏佳明（1990-）男，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，碩士研究生，研究方向：濕地生態(tài)。E-mail：weijiaming1990@126.com

通訊作者：崔麗娟（1968-）女，研究員，主要從事濕地生態(tài)研究。E-mail：lkyclj@126.com