黃土區(qū)生態(tài)建設(shè)對流域不同水體轉(zhuǎn)化影響

趙賓華，李占斌,2，李 鵬，肖 列，常恩浩，張 祎，高 蓓

?

黃土區(qū)生態(tài)建設(shè)對流域不同水體轉(zhuǎn)化影響

趙賓華1，李占斌1,2，李 鵬1※，肖 列1，常恩浩1，張 祎1，高 蓓3

（1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安 710048；2. 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；3.西安市水利規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，西安 710054）

生態(tài)建設(shè)治理能夠顯著改變流域下墊面條件，研究黃土區(qū)生態(tài)建設(shè)治理對流域不同水體轉(zhuǎn)化特征對深刻了解該區(qū)域生態(tài)建設(shè)恢復(fù)具有重要意義。該研究運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)，通過野外采集生態(tài)建設(shè)治理對比流域不同水體水樣樣品，分析不同水體氫氧同位素特征，揭示不同季節(jié)生態(tài)建設(shè)治理對流域不同水體轉(zhuǎn)化影響。結(jié)果顯示：生態(tài)建設(shè)治理流域韭園溝降水同位素較生態(tài)建設(shè)未治理流域裴家峁降水同位素貧化。降水同位素變幅大于河水和井水同位素變幅，河水蒸發(fā)分餾作用強(qiáng)烈而井水較為穩(wěn)定。河水、井水和水庫水的補(bǔ)給來源主要是降水。生態(tài)建設(shè)流域雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，分別與降水量和溫度呈正比和反比關(guān)系。沿著主溝道流程，韭園溝流域和裴家峁流域河水同位素值呈逐漸富集趨勢。旱季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現(xiàn)為降水和井水補(bǔ)給河水，補(bǔ)給比例分別為24.66%、75.34% 和83.81%、16.19%。雨季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現(xiàn)為降水和河水補(bǔ)給井水，補(bǔ)給比例分別為14.75%、85.25% 和48.06%、51.94%。表明生態(tài)建設(shè)顯著改變了流域生態(tài)水文過程，旱季和雨季不同水體間的相互轉(zhuǎn)化過程以及轉(zhuǎn)化比例發(fā)生改變。該研究可為黃土高原生態(tài)建設(shè)對流域生態(tài)水文過程影響研究和生態(tài)環(huán)境建設(shè)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

同位素；流域；降水；生態(tài)建設(shè)；不同水體；旱季雨季；轉(zhuǎn)化比例

0 引 言

水資源缺乏與時(shí)空分布不均是干旱和半干旱地區(qū)所面臨的嚴(yán)峻問題之一，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，合理地開發(fā)利用水資源，其前提是要深入了解水循環(huán)機(jī)理[1]及其變化規(guī)律。中國黃土高原地區(qū)氣候干旱且降雨稀少、生態(tài)環(huán)境極度脆弱、水土流失嚴(yán)重，制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化[2]。同時(shí)，黃土高原是中國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，近年來大面積的退耕還林（草）措施以及淤地壩和水庫建設(shè)的實(shí)施，導(dǎo)致流域下墊面發(fā)生了深刻的變化，生態(tài)建設(shè)已經(jīng)顯著改變了流域的水文循環(huán)過程[3]。因此，研究黃土丘陵區(qū)的生態(tài)建設(shè)對水文循環(huán)過程的改變顯得尤為必要。

環(huán)境同位素是有效的天然示蹤劑，能夠有效地識別和反映流域不同水體特征，是研究水循環(huán)的重要手段。由于蒸發(fā)和凝結(jié)等作用，自然界中的水體在運(yùn)移過程中會產(chǎn)生不同程度的同位素分餾[4]，同位素分餾會導(dǎo)致水中的δD和δ18O發(fā)生同位素富集和貧化，最終使得不同水體同位素具有不同的變化趨勢和特征，因此同位素示蹤方法就成為研究降水、地表水和地下水等不同水體之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的有效手段，特別是在受氣溫和降水的影響使得不同水體之間轉(zhuǎn)化關(guān)系更為復(fù)雜的干旱和半干旱地區(qū)。目前研究主要集中在水體的同位素特征及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，包括降水水汽來源[5-9]、不同水體同位素特征[10-15]、地表水的蒸發(fā)作用[16-17]、地下水的補(bǔ)給[18-20]、同位素沿程變化[2]等方面?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)關(guān)于黃土高原地區(qū)的相關(guān)研究相對較少，同時(shí)黃土高原大面積生態(tài)建設(shè)活動對流域生態(tài)水文過程影響研究還處于初始階段，因此針對黃土高原小流域生態(tài)建設(shè)治理措施，開展流域不同水體分布與轉(zhuǎn)化研究顯得尤為必要。

為深入了解生態(tài)建設(shè)活動對黃土丘陵區(qū)小流域生態(tài)水文過程的影響，本研究以黃土丘陵區(qū)生態(tài)建設(shè)治理對比流域不同水體為研究對象，通過野外實(shí)地取樣，結(jié)合室內(nèi)同位素測試分析，分析生態(tài)建設(shè)治理對比流域不同水體氫氧同位素特征，研究大氣降水中氫氧同位素的溫度效應(yīng)和降雨量效應(yīng)，揭示流域溝道水的氫氧同位素沿程變化特點(diǎn)，量化不同季節(jié)下對比流域各水體補(bǔ)給轉(zhuǎn)化比例，以期為生態(tài)建設(shè)流域的水循環(huán)作用機(jī)理深入研究和生態(tài)環(huán)境建設(shè)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 韭園溝流域

韭園溝流域位于陜西省榆林市綏德縣城東北約5 km，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第1副區(qū)。韭園溝是黃河一級支流無定河左岸的一條支溝道，地理位置110°16′～110°26′E，37°33′～37°38′N。流域總面積為70.7 km2，主溝道長度為18 km，海拔為820～1 180 m，平均比降為1.2%，溝壑密度5.33 km/km2。該流域?qū)儆诘湫偷狞S土丘陵溝壑地貌，流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，地形破碎，土地貧瘠，溝間地約占面積比例為56.6%，溝谷地約占面積比例為43.4%。流域內(nèi)坡面大都由黃土覆蓋，厚度30～120 m，河槽及溝道底部部分地方有基巖露出，巖層多由淺灰綠色的砂巖和頁巖相間組成。根據(jù)韭園溝流域多年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降雨量475.1 mm，降雨年際變化較大且年內(nèi)分布極度不均，汛期（6—9月）降雨量占年降雨量64.4%，且多以暴雨形式出現(xiàn)。多年平均溫度9.3 ℃，無霜期為150～180 d，流域內(nèi)多西北風(fēng)，最大風(fēng)力12.5m/s。

韭園溝流域土壤類型主要是黃綿土，其質(zhì)地疏松均勻且孔隙較大，易沖刷及侵蝕，侵蝕方式多以水力侵蝕為主。流域開展生態(tài)治理以前，多年平均侵蝕模數(shù)為 1.8萬t/km2。為了探索黃土丘陵區(qū)第一副區(qū)水土流失綜合治理模式，減少入黃泥沙，有效發(fā)展經(jīng)濟(jì)，1953年黃河水利委員會建立綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，并選擇韭園溝流域作為水土保持試驗(yàn)小流域。自此，流域開始進(jìn)行綜合治理，主要包括建設(shè)水平梯田，建設(shè)骨干淤地壩，大力推廣水力充填筑壩技術(shù)等措施。1964年韭園溝流域被列為全國水土保持農(nóng)林牧業(yè)綜合實(shí)施十大樣板工程之一，1982年被列為全國八大片水土流失治理區(qū)無定河治理小流域。實(shí)施生態(tài)建設(shè)以來，流域共有林草面積：喬木林113. 46 hm2、灌木林309. 45 hm2、經(jīng)濟(jì)林516. 03 hm2、人工種草451. 45 hm2。到2009年完成治理面積5 310 hm2，治理度高達(dá)75.1%。截止1997年流域內(nèi)共建壩（庫）263座，布壩密度為3.72座/km2，總庫容2 947.5萬m3，攔泥庫容2 200.7萬m3，已淤地282 hm2[21]。

1.1.2 裴家峁流域

裴家峁流域是無定河左岸的一條支溝道，溝口距綏德縣城4 km，地理位置110°17′～110°23′E，37°28′～37°33′N。流域面積41.5 km2，海拔為789～1 122 m，流域主溝道長度約為11 km，平均比降約為1.22%，溝壑密度為2.69 km/km2。裴家峁流域?yàn)榱横骨鹆甑匦?，坡面主要為黃土覆蓋，沿主溝道兩岸有灰色砂巖分布，溝底為基巖裸露溝床，有地下裂隙水流出。流域溝間地面積為20.4 km2，占流域面積比例為49.1%，溝谷地面積為 21.1 km2，占流域面積比例為50.9%。裴家峁流域與韭園溝流域在地形地貌、土壤、降雨和溝道等方面相相近，但是裴家峁流域治理程度較低，到2007年治理面積僅為4.62 km2，占流域總面積11.7%，流域內(nèi)共建有淤地壩61座，淤地面積35.5 hm2。裴家峁有耕地2 190 hm2，林地517 hm2，草地1 413 hm2（2000年土地利用情況統(tǒng)計(jì)）[21]。

建立裴家峁試驗(yàn)站目的在于深入研究大尺度溝道的水土流失規(guī)律和機(jī)制，為水土保持規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)與韭園溝形成對比，用以了解韭園溝流域的生態(tài)建設(shè)治理效益[21]。

1.2 野外采樣

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

在韭園溝流域中部位置布設(shè)1組小型自動氣象站（HOBO U30 NRC USA），在本研究中主要用于觀測大氣溫度和用于記錄降雨事件發(fā)生時(shí)間和降雨量，氣象觀測頻率設(shè)置為5 min/次。

1.2.2 樣品采集

水樣樣品的采集時(shí)間為2016年1月至2016年12月，河水、井水和水庫水的平均采樣周期為15 d，降水和雪水的采樣頻次為次降水和次降雪。采樣點(diǎn)主要分布在2個(gè)對比流域韭園溝流域和裴家峁流域主溝道以及主溝道附近，研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布如圖1所示。水樣的樣品類型主要包括降水、河水、井水、水庫水和雪水，其中降水采集點(diǎn)2處分別分布在韭園溝流域中部和裴家峁流域上部，如圖1所示。溝道水、井水和水庫水水樣采集時(shí)將樣品瓶伸入水面以下30 cm處，以防止水面蒸發(fā)分餾的影響。將采集到的水樣樣品迅速裝入30 mL的取樣瓶中，并用Parafilm封口膜密封，立即放入便攜式冰箱內(nèi)低溫保存。將采集得到的水樣樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后在 4 ℃下冷藏直至上機(jī)測試。所有樣品均取3次重復(fù)，最終取平均值。

圖1 研究區(qū)地理位置圖與采樣點(diǎn)分布

1.3 數(shù)據(jù)處理

式中sample為水樣中D/H或18O/16O的比率，而VSMOW為VSMOW標(biāo)準(zhǔn)水樣D/H或18O/16O的比率。

基于同位素質(zhì)量守恒定律，可以用穩(wěn)定同位素方法研究徑流來源、徑流分割以及地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化等問題。通過不同水體的同位素值的對比，運(yùn)用二端元模型計(jì)算不同水體來源的比例[22]：

根據(jù)質(zhì)量平衡方程和濃度平衡方程可得二端元混合模型如下：

通過公式（2）和公式（3）得到以下公式（4）和公式（5）：

式中為流量；δ為降水中D或者18O的值；δ為地表水中D或者18O的值；δ為地下水中D或者18O的值。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用運(yùn)用Excel完成，顯著性分析由SPSS21.0完成，所有圖表均運(yùn)用OriginPro 8.5和Adobe Photoshop 7.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水體氫氧同位素統(tǒng)計(jì)特征

流域不同水體的來源和轉(zhuǎn)化過程都不盡相同，通過分析不同水體的同位素特征，可以判別不同水體蒸發(fā)分餾及轉(zhuǎn)化特征。生態(tài)建設(shè)治理流域（韭園溝）和生態(tài)建設(shè)未治理流域（裴家峁）不同水體同位素統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。韭園溝流域不同水體dD同位素均值由大到小依次是降水＞水庫水＞雪水＞河水＞井水，不同水體d18O同位素均值由大到小依次是水庫水＞降水＞河水＞井水＞雪水；裴家峁流域不同水體dD同位素均值由大到小依次是雪水＞降水＞河水＞井水，不同水體d18O同位素均值由大到小依次是雪水＞河水＞井水＞降水（裴家峁沒有水庫，所以水庫水同位素統(tǒng)計(jì)特征情況無）。標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢和均值變化趨勢基本趨于一致，反映了不同水體同位素值的離散程度。韭園溝流域和裴家峁流域降水同位素變化范圍均表現(xiàn)為最大，韭園溝流域dD和d18O同位素值變化范圍為–113.12‰～–9.11‰和–15.37‰～–2.92‰，裴家峁流域dD和d18O變化范圍–97.72‰～–14.01‰和–15.78‰～–3.81‰，其相應(yīng)的變幅分別為104.01‰、12.45‰和83.71‰、11.97‰。

研究區(qū)地處黃土高原西北干旱地區(qū)，雨季溫度高，蒸發(fā)強(qiáng)度大，降雨產(chǎn)生的水汽因高溫條件而蒸發(fā)，水體重同位素富集，同時(shí)由于受季風(fēng)氣候的顯著影響，降水同位素值偏大且同位素組成有較大變幅[23]。降水在補(bǔ)給河水和井水等過程中同位素變幅被削減，主要與非飽和帶和含水層介質(zhì)的物理屬性和水力參數(shù)等有關(guān)，伴隨著補(bǔ)給路徑的延長和滯留時(shí)間的增加，降水同位素變幅越來越小[24]，即降水同位素變化幅度大于河水和井水同位素變幅。同時(shí)河水蒸發(fā)分餾強(qiáng)度較大，而黃土區(qū)土層較厚，地下水埋藏較深，井水較為穩(wěn)定，導(dǎo)致河水同位素均值和變幅大于井水[25]。水庫水同位素較河水和井水同位素富集，主要因其形成的匯水面積大，極大地增加了水面蒸發(fā)作用，從而引起強(qiáng)烈的水體同位素蒸發(fā)分餾作用。

表1 生態(tài)建設(shè)治理和未治理流域不同水體同位素統(tǒng)計(jì)特征

2.2 對比流域不同水體氫氧同位素關(guān)系

1961年，Craig首先統(tǒng)計(jì)計(jì)算了全球大氣降水的dD和d18O關(guān)系，并且得到了擬合方程dD=8d18O+10，即為全球大氣降水線方程[26]。其意義在于揭示了水汽在經(jīng)歷非平衡蒸發(fā)和凝結(jié)過程中的平衡分餾作用下穩(wěn)定同位素比率dD和d18O的關(guān)系，其能夠有效表征流域降水水汽來源和轉(zhuǎn)化過程中受到的混合蒸發(fā)作用。已有研究表明[27]，通過研究不同水體氫氧同位素關(guān)系可以辨別流域不同水體來源及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。圖2和圖3分別為生態(tài)建設(shè)治理流域韭園溝和未治理流域裴家峁不同水體的dD和d18O同位素關(guān)系圖。韭園溝流域的降水同位素?cái)M合線為dD=7.09d18O+1.29，裴家峁流域的降水同位素?cái)M合線為dD=6.71d18O–3.25。與全球大氣降水線相比，研究區(qū)降水同位素斜率和截距均小于全球大氣降水線，說明在水汽運(yùn)輸和降雨形成過程中發(fā)生了分餾和二次蒸發(fā)，主要是雨滴在云底相對干燥的大氣發(fā)生部分分餾的結(jié)果。這與黃土高原地處干旱區(qū)的氣候特征相符合[28]。同時(shí)，韭園溝流域降水?dāng)M合線的斜率和截距均大于裴家峁流域，表明裴家峁流域相比于韭園溝流域在水汽凝聚和降水形成過程中受到了更為強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾作用。

圖2 生態(tài)建設(shè)治理和未治理流域不同水體δD和δ18O關(guān)系

雪水同位素點(diǎn)基本和降水線重合，表明其來源和運(yùn)輸過程相似，但在降水過程中同位素在云底層二次蒸發(fā)引起的同位素分餾作用較降雪明顯，同時(shí)凝華過程中同位素分餾效應(yīng)比大于凝結(jié)過程中的分餾效應(yīng)比。河水同位素位于大氣降水線右下方，說明河水受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾作用[29]。蒸發(fā)分餾作用導(dǎo)致河水中輕同位素優(yōu)先從河水中分離出來，重同位素被富集，使得輕同位素與重同位素間的分餾速率比(αD-1)/(α18O-1)不斷增大，導(dǎo)致河水?dāng)M合線的斜率和截距偏小[30]。水庫水同位素?cái)M合線斜率和截距均小于降水，且接近河水同位素線，表明水庫水也受到了強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾作用。研究區(qū)水庫水屬于河水聚集于淤地壩前形成匯集水面，且和上下主溝道具有良好的貫通性，具有良好的水體交換過程，故水庫水同位素接近于河水同位素。

韭園溝流域和裴家峁流域作為對比流域，二者在地理位置和地形地貌等方面具有高度的相似性。韭園溝降水和雪水同位素?cái)M合線的斜率和截距均大于裴家峁流域，而韭園溝流域河水同位素?cái)M合的斜率和截距均小于裴家峁流域。表明由于大量的生態(tài)建設(shè)活動，諸如林、草植被面積的大幅增加，增加了空氣濕度，使得降水同位素較未治理流域貧化。同時(shí)淤地壩、水庫的實(shí)施，增加了流域水面蒸發(fā)，河水更易受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾作用，而使得河水同位素等較未治理流域富集。

2.3 大氣降水氫氧同位素變化

降水穩(wěn)定同位素受到形成降水的氣象狀況、水汽初始來源地的狀態(tài)及其水汽輸送路徑等因素影響，其具有溫度效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)和降水量效應(yīng)等[30]。通過對2016年韭園溝流域的氣象監(jiān)測資料和降水同位素分析發(fā)現(xiàn)（圖3），旱季（12月—翌年5月）溫度較低而雨季（6—11月）溫度較高，降水主要分布在5—11月。降水同位素dD和d18O波動劇烈，波動范圍分別為–113.12‰～–9.11‰和–15.37‰～–2.92‰。雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，表明同位素受到降水量效應(yīng)和溫度效應(yīng)影響，分別與降水量和溫度呈正比和反比關(guān)系。研究區(qū)雨季降水量占全年的71.6%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，降雨量效應(yīng)會影響雨季降水同位素值；雨滴在離開云團(tuán)后會再經(jīng)歷一次蒸發(fā)，使氫氧穩(wěn)定同位素值增大。這與章新平等[31]研究發(fā)現(xiàn)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素?zé)o論是在天氣尺度還是在季節(jié)尺度下均具有顯著溫度效應(yīng)相一致。研究區(qū)雨季各場降水同位素值差別較大，主要是因?yàn)槲鞅焙祬^(qū)雨季水汽來源主要包括西北水汽通道、南亞季風(fēng)水汽通道以及東亞季風(fēng)水汽通道，導(dǎo)致各場降水的水汽來源及其組成不同，同時(shí)伴隨著不斷的凝結(jié)和蒸發(fā)，最終表現(xiàn)為各場降水穩(wěn)定氫氧同位素值不同[32]。

2.4 溝道水氫氧同位素沿程變化

河水和井水同位素特征能夠有效反映不同水體的蒸發(fā)分餾特性。對比流域（韭園溝流域和裴家峁流域）旱、雨季河水和井水同位素沿程變化如圖4所示。韭園溝流域沿河道流程方向，河水和井水的采樣點(diǎn)分別依次為JR1~JR12（圖4a）和JJ1～JJ3（圖4b），裴家峁流域沿河道流程方向，河水和井水的采樣點(diǎn)分別依次為PR1~PR9（圖4c）和PJ1～PJ3（圖4d）。

沿著主溝道流程，韭園溝流域和裴家峁流域河水同位素值變化趨勢都表現(xiàn)為同位素富集[2,33]，說明河水沿程蒸發(fā)效應(yīng)增強(qiáng)。井水傳輸方向是從流域上游遷移向下 游[2]，同時(shí)井水和河水具有頻繁的交換和互補(bǔ)，所以井水的同位素沿程也呈現(xiàn)富集現(xiàn)象。但是在流域不同位置，個(gè)別點(diǎn)水體氫氧同位素值存在突變情況。韭園溝流域河水JR8同位素值偏高，主要是因?yàn)樵擖c(diǎn)位于水庫上游附近溝道，可能與水庫水發(fā)生著交換而受到水庫水的影響，導(dǎo)致該點(diǎn)水體同位素值偏高。韭園溝流域河水JR10同位素值突然降低，研究發(fā)現(xiàn)在該點(diǎn)存在氫氧同位素貧化的水源輸入，在該處存在一個(gè)支溝，其地理位置較高，基巖裸露達(dá)數(shù)十米之高，由于其裂隙水的輸入，導(dǎo)致JR10同位素值降低。韭園溝流域井水JJ2同位素值有所降低，可能是因?yàn)镴J2號井距離主溝道較遠(yuǎn)，且其位置較高，故其與主溝道中的河水未能產(chǎn)生交換，導(dǎo)致其同位素值較低。裴家峁流域PR3點(diǎn)水體同位素值較高，主要是由于靠近主溝道的道路進(jìn)行施工，在主溝道中有土的堆積，造成溝道中河水的聚集，形成類似小水庫的集水面，大量溝道水被滯留于水庫后，長時(shí)間經(jīng)歷蒸發(fā)分餾作用，逐漸成為富集重同位素的河水[2]。

2.5 不同季節(jié)各水體轉(zhuǎn)化比例

流域不同水體時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行著相互補(bǔ)給和交換，其中大氣降水以匯流的形式補(bǔ)給地表水，以入滲的形式補(bǔ)給地下水，入滲補(bǔ)給的地下水再反過來補(bǔ)給地表水，以維持地表水徑流[25]。不同季節(jié)下流域各水體轉(zhuǎn)化方式和轉(zhuǎn)化比例都不同，結(jié)合公式（4）、（5）計(jì)算生態(tài)建設(shè)治理流域韭園溝和生態(tài)建設(shè)未治理流域裴家峁旱季和雨季降水、河水和井水的相互轉(zhuǎn)化補(bǔ)給比例。本研究采用各水體的18O均值進(jìn)行轉(zhuǎn)化率分析計(jì)算（表2）。

圖3 2016年韭園溝流域溫度、降水量以及同位素變化

圖4 生態(tài)建設(shè)治理和未治理流域旱季和雨季河水和井水同位素沿程變化

表2 生態(tài)建設(shè)治理和未治理流域旱季和雨季不同水體轉(zhuǎn)化比例

旱季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現(xiàn)為降水和井水補(bǔ)給河水。表明在旱季，流域生態(tài)建設(shè)條件對不同水體之間的轉(zhuǎn)化方式?jīng)]有影響，由于缺少降水，導(dǎo)致河水需要降水和井水的補(bǔ)給，以維持河水地表徑流。但是生態(tài)建設(shè)程度對流域不同水體轉(zhuǎn)化比例產(chǎn)生影響。其中，韭園溝流域降水和井水對河水的補(bǔ)給比例分別為24.66%和75.34%，裴家峁流域降水和井水對河水的補(bǔ)給比例分別為83.81%和16.19%。由于生態(tài)建設(shè)增加了流域植被覆蓋，降低了水流傳輸速度，導(dǎo)致旱季降水對河水的補(bǔ)給比例較少而大部分河水徑流都需要井水來補(bǔ)給，即生態(tài)建設(shè)增加了流域地表水向地下水轉(zhuǎn)化。而生態(tài)建設(shè)未治理流域的降水能夠直接補(bǔ)給河水徑流或降至地表經(jīng)地表傳導(dǎo)作用迅速進(jìn)入河道，所以生態(tài)建設(shè)未治理流域的降水補(bǔ)給河水的比例大于生態(tài)建設(shè)治理流域的補(bǔ)給比例。雨季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現(xiàn)為降水和河水補(bǔ)給井水。其中，韭園溝流域降水和井水對河水的補(bǔ)給比例分別為14.75%和85.25%，裴家峁流域降水和井水對河水的補(bǔ)給比例分別為48.06%和51.94%。在雨季，生態(tài)建設(shè)流域的植被能夠有效攔截雨水，降水入滲土壤而長時(shí)間未能下滲至地下深層部位對地下水進(jìn)行補(bǔ)給[34]。生態(tài)建設(shè)未治理流域裴家峁的降水則能直接迅速匯集產(chǎn)生徑流伴隨河水補(bǔ)給地下水。本研究中的河水采樣均是沿著主溝道采樣，井水采樣點(diǎn)大都分布在溝道兩邊，所以河水與井水之間的水力聯(lián)系較為密切，不停地發(fā)生著相互轉(zhuǎn)換。

3 討 論

大氣降水是地球系統(tǒng)中流域水循環(huán)過程中不同水體的來源，降水的氫氧同位素組分存在明顯的季節(jié)性變化，由于所處地理位置，環(huán)境狀況以及下墊面情況的不同所引起的蒸發(fā)分餾作用的不同會造成不同水體氫氧同位素空間分布的差異。同時(shí)，降水的氫氧同位素組成變化能夠直接造成地表水、地下水和水庫水等不同水體同位素值發(fā)生變化[35]。黃土丘陵區(qū)身處氣候干旱的內(nèi)陸地區(qū)，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使得降水重同位素富集[1]，大氣降水線相比于全球大氣降水線有一定程度的偏移，體現(xiàn)了黃土高原的干旱氣候特征。同時(shí)，大氣降水在降落形成地表水、入滲進(jìn)入土壤形成土壤水，亦或繼續(xù)下滲最終經(jīng)過長時(shí)間的遷移和轉(zhuǎn)化形成地下水。韭園溝和裴家峁作為生態(tài)建設(shè)治理和未治理對比流域，二者在地理位置，地形地貌以及氣象條件等方面具有高度的相似性。通過研究發(fā)現(xiàn)，韭園溝流域河水同位素?cái)M合的斜率和截距均小于裴家峁流域的同位素?cái)M合斜率和截距，原因是韭園溝流域自20世紀(jì)50年代以來大量的生態(tài)建設(shè)活動，諸如淤地壩、水庫和退耕還林（草）等措施的實(shí)施，極大地改變了流域生態(tài)水文過程，增加了流域的蒸散發(fā)作用，流域不同水體更易受強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，使得河水同位素等較生態(tài)建設(shè)未治理流域更加富集。即生態(tài)建設(shè)對小流域水資源分布與不同水體轉(zhuǎn)化關(guān)系產(chǎn)生了深刻的影響作用。

流域的降水、河水和井水等各種不同水體之間的關(guān)系往往非常密切[15]，對比不同水體之間的同位素組成，可以探究不同水體之間的相互轉(zhuǎn)化和補(bǔ)給關(guān)系[36-37]。本研究區(qū)地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，受季節(jié)性降雨和強(qiáng)烈蒸發(fā)作用的影響，不同水體之間隨時(shí)發(fā)生著相互轉(zhuǎn)化和補(bǔ)給交換。不同季節(jié)各個(gè)水體的轉(zhuǎn)化方式和轉(zhuǎn)化比例都不同，通過研究發(fā)現(xiàn)無論是在旱季還是雨季，生態(tài)建設(shè)治理流域韭園溝和生態(tài)建設(shè)未治理流域裴家峁的不同水體間的轉(zhuǎn)化方式相同。在旱季，降水和井水補(bǔ)給河水；雨季，降水和河水補(bǔ)給井水。但是對比流域不同水體互相轉(zhuǎn)化比例卻不同。在旱季，生態(tài)建設(shè)治理流域的降水補(bǔ)給比例小于未治理流域的降水補(bǔ)給比例；反言之，井水對河水的補(bǔ)給比例治理流域大于未治理流域。主要是因?yàn)楹导颈緛砭陀晁∩?，同時(shí)生態(tài)建設(shè)活動增加了流域植被覆蓋，降低了水流傳輸速度[2,38]，導(dǎo)致生態(tài)建設(shè)流域旱季河水的補(bǔ)給需要更多的井水來補(bǔ)給。相反，生態(tài)建設(shè)未治理流域的降水能夠直接補(bǔ)給河水徑流，所以生態(tài)建設(shè)未治理流域的降水補(bǔ)給河水的比例大于生態(tài)建設(shè)治理流域的補(bǔ)給比例。在雨季，生態(tài)建設(shè)治理流域降水對生態(tài)建設(shè)治理流域的降水補(bǔ)給比例小于未治理流域的降水補(bǔ)給比例。生態(tài)建設(shè)流域大面積的植被能夠有效攔截雨水，增加降水入滲，同時(shí)淤地壩和水庫等水利工程措施能夠攔截河水從而能夠有效補(bǔ)給流域地下水。而生態(tài)建設(shè)未治理流域裴家峁的降水則能直接迅速匯集產(chǎn)生徑流伴隨河水補(bǔ)給流域地下水。生態(tài)建設(shè)措施的實(shí)施對小流域不同水體轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了一定影響，改變了研究區(qū)不同季節(jié)的各個(gè)水體間相互轉(zhuǎn)化補(bǔ)給比例。綜上所述，生態(tài)建設(shè)顯著改變了流域生態(tài)水文過程。

4 結(jié) 論

通過野外采集對比流域不同水體的水樣，分析黃土區(qū)生態(tài)建設(shè)小流域不同水體氫氧同位素特征，揭示流域生態(tài)建設(shè)對不同水體轉(zhuǎn)化方式和轉(zhuǎn)化比例影響，得出以下結(jié)論：

1）降水同位素變化幅度大于河水和井水同位素變幅。河水受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾作用，井水相對較為穩(wěn)定。生態(tài)建設(shè)治理流域韭園溝降水線為dD=7.09d18O+1.29，未治理流域裴家峁降水線為dD=6.71d18O-3.25。

2）韭園溝流域雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，分別與降水量和溫度呈正比和反比關(guān)系。沿著主溝道流程，韭園溝流域和裴家峁流域河水同位素值變化趨勢表現(xiàn)為同位素富集。

3）通過模型計(jì)算不同季節(jié)不同水體補(bǔ)給轉(zhuǎn)化比例發(fā)現(xiàn)，旱季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現(xiàn)為降水和井水補(bǔ)給河水，補(bǔ)給比例分別為24.66%、75.34% 和83.81%和16.19%。雨季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現(xiàn)為降水和河水補(bǔ)給井水，補(bǔ)給比例分別為14.75%、85.25% 和48.06%和51.94%。生態(tài)建設(shè)措施的實(shí)施對小流域水資源分布與不同水體轉(zhuǎn)化關(guān)系產(chǎn)生了影響，改變了研究區(qū)不同季節(jié)各水體間相互轉(zhuǎn)化補(bǔ)給比例。

[1] 郭巧玲，熊新芝，姜景瑞. 窟野河流域不同水體同位素及水化學(xué)特征分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2016，30(2)：237－242. Guo Qiaoling, Xiong Xinzhi, Jiang Jingrui. Analysis of Isotopic and Hydrochemical Charicteristics of Different Waters in Kuye River Basin[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(2): 237－242. (in Chinese with English abstract)

[2] 王賀，李占斌，馬波，等. 黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征：以韭園溝流域?yàn)槔齕J]. 中國水土保持科學(xué)，2016，14(3)：19－25. Wang He, Li Zhanbin, Ma Bo, et al. Characteristics of waters transformation in the hilly and gully regions of the Loess Plateau: A case study of the Jiuyuangou Watershed[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2016, 14(3): 19－25. (in Chinese with English abstract)

[3] 常恩浩，李鵬，張鐵鋼，等. 旱季雨季對黃土丘陵退耕區(qū)植被根系分布及水分利用的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(24)：129－138. Chang Enhao, Li Peng, Zhang Tiegang, et al. Root systems distribution and water use pattern of vegetation from abandoned croplands during dry and wet season in Loess Hilly Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 129－138. (in Chinese with English abstract)

[4] 宋獻(xiàn)方，劉鑫，夏軍，等. 基于氫氧同位素的岔巴溝流域地表水—地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，17(1)：8－20. Song Xianfang, Liu Xin, Xia Jun, et al. Interactions between surface water and groundwater in Chabagou Catchment using hydrogen and oxygen isotopes[J]. Journal of Basic Science And Engineering, 2009, 17(1): 8－20. (in Chinese with English abstract)

[5] 朱建佳，陳輝，鞏國麗. 柴達(dá)木盆地東部降水氫氧同位素特征與水汽來源[J]. 環(huán)境科學(xué)，2015(8)：2784－2790. Zhu Jianjia, Chen Hui, Gong Guoli. Hydrogen and oxygen isotopic compositions of precipitation and its water vapor sources in Eastern Qaidam Basin[J]. Environmental Science, 2015(8): 2784－2790. (in Chinese with English abstract)

[6] 馬潛，張明軍，王圣杰，等. 基于氫氧同位素的中國東南部降水局地蒸發(fā)水汽貢獻(xiàn)率[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展，2013，32(11)：1712－1720.Ma Qian, Zhang Mingjun, Wang Shengjie, et al. Contributions of moisture from local evaporation to precipitations in Southeast China based on hydrogen and oxygen isotopes[J]. Progress in Geography, 2013, 32(11): 1712－1720. (in Chinese with English abstract)

[7] 胡菡，王建力. 云南地區(qū)大氣降水中氫氧同位素特征及水汽來源分析[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ，2015(5)：142－149. Hu Han, Wang Jianli. On Characteristics of hydrogen and oxygen isotope in precipitation in Yunnan and analysis of moisture sources[J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition), 2015(5): 142－149. (in Chinese with English abstract)

[8] 胡海英，黃華茂，楊健文. 香港地區(qū)降水氫氧同位素多尺度演變特征分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) ，2014，47(5)：577－584. Hu Haiying, Huang Huamao, Yang Jianwen. Multi time scale variation of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation under changing environment in Hong Kong area[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2014, 47(5): 577－584. (in Chinese with English abstract)

[9] 章新平，劉晶淼，田立德，等. 亞洲降水中δ18O沿不同水汽輸送路徑的變化[J]. 地理學(xué)報(bào)，2004，59(5)：699－708. Zhang Xinping, Liu Jingmiao, Tian Lide, et al. Variations of δ18O in precipitation along vapor transport paths over Asia[J]. Acta Geographica Sinica, 2004, 59(5): 699－708. (in Chinese with English abstract)

[10] 李廣，章新平，宋松，等. 中國不同水體中δD與δ18O研究進(jìn)展[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，32(4)：132－138. Li Guang, Zhang Xinping, Song Song, et al. Research progress of δD and δ18O in different water bodies in China[J]. Journal of Meteorology and Environment, 2016, 32(4): 132－138. (in Chinese with English abstract)

[11] 楊玉忠，吳青柏，贠漢伯. 北麓河多年凍土區(qū)降水及河水穩(wěn)定同位素特征分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(6)：778－785. Yang Yuzhong, Wu Qingbai, Yun Hanbo. Characteristic analysis of stable isotope variation in precipitation and rivers in Beilu River permafrost region[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(6): 778－785. (in Chinese with English abstract)

[12] 焦艷軍，王廣才，崔霖峰，等. 濟(jì)源盆地地表水和地下水的水化學(xué)及氫、氧同位素特征[J]. 環(huán)境化學(xué)，2014(6)： 962－968.Jiao Yanjun, Wang Guangcai, Cui Linfeng, et al. Characteristics of hydrochemistry and stable hydrogen,oxygen isotopes in surface water and groundwater in Jiyuan Basin[J]. Environmental Chemistry, 2014(6): 962－968. (in Chinese with English abstract)

[13] 姚俊強(qiáng)，劉志輝，郭小云，等. 呼圖壁河流域水體氫氧穩(wěn)定同位素特征及轉(zhuǎn)化關(guān)系[J]. 中國沙漠，2016，36(5)： 1443－1450.Yao Junqiang, Liu Zhihui, Guo Xiaoyun, et al. Characteristics of water stable isotopes (18O and2H) in the Hutubi River Basin, Northwestern China[J]. Journal of Desert Research, 2016, 36(5): 1443－1450. (in Chinese with English abstract)

[14] 胡可，陳洪松，聶云鵬，等. 桂西北喀斯特峰叢洼地降水氫氧穩(wěn)定同位素的季節(jié)變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(5)：53－62. Hu Ke, Chen Hongsong, Nie Yunpeng, et al. Characteristics of seasonal variation of deuterium and oxygen-18 isotope composition of precipitation in karst peak-cluster depression area, northwest Guangxi of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(5): 53－62. (in Chinese with English abstract)

[15] 黃一民，宋獻(xiàn)方，章新平，等. 洞庭湖流域不同水體中同位素研究[J]. 地理科學(xué)，2016(8)：1252－1260. Huang Yimin, Song Xianfang, Zhang Xinping, et al. Stable water isotopes of different water bodies in the Dongting Lake Basin[J]. Scientia Geographica Sinica, 2016(8): 1252－1260. (in Chinese with English abstract)

[16] 馬斌，梁杏，靳孟貴，等. 華北平原典型區(qū)水體蒸發(fā)氫氧同位素分餾特征[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2015，26(5)：639－648. Ma Bin, Liang Xing, Jin Menggui, et al. Characteristics of fractionation of hydrogen and oxygen isotopes in evaporating water in the typical region of the North China Plain. Advances in Water Science, 2015, 26(5): 639－648. (in Chinese with English abstract)

[17] 孫曉旭，陳建生，史公勛，等. 蒸發(fā)與降水入滲過程中不同水體氫氧同位素變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(4)：100－105. Sun Xiaoxu, Chen Jiansheng, Shi Gongxun, et al. Hydrogen and oxygen isotopic variations of different water bodies in evaporation and rainfall infiltration processes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(4): 100－105. (in Chinese with English abstract)

[18] 沈業(yè)杰，高磊，彭新華. 基于氘盈余分析季節(jié)性降水對淺層地下水的補(bǔ)給：以鷹潭孫家農(nóng)田小流域?yàn)槔齕J]. 土壤，2015，47(2)：394－399. Shen Yejie, Gao Lei, Peng Xinhua. Evaluation of shallow groundwater recharge from seasonal precipitation using deuterium excess method: A case of Sunjia Agricultural Watershed, Yingtan[J]. Soils, 2015, 47(02): 394－399. (in Chinese with English abstract)

[19] 張清寰，齊識，馬金珠. 甘肅梨園河流域地下水來源及其水化學(xué)特征[J]. 干旱區(qū)研究，2012，29(5)：898－906. Zhang Qinghuan, Qi Shi, Ma Jinzhu. The sources and hydrochemical properties of groundwater in the Liyuan River Basin, Gansu Province[J]. Arid Zone Research, 2012, 29(5): 898－906. (in Chinese with English abstract)

[20] Xu, Xuexuan, Zhao, Jiaona, Zhang, Xiaoni. Hydrological cycle research by D &18O tracing in small watershed in the loess hilly region[J]. International Soil & Water Conservation Research,2013, 1(3): 75－82.

[21] 高海東. 黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝道治理工程的生態(tài)水文效應(yīng)研究[D]. 楊凌：中國科學(xué)院大學(xué)，2013. Gao Haidong. Hydro-ecological Impact of the Gully Erosion Control Works in Loess Hilly-gully Region[D]. Yangling: The University of Chinese Academy of Sciences, 2013. (in Chinese with English abstract)

[22] 張兵，宋獻(xiàn)方，張應(yīng)華，等. 第二松花江流域地表水與地下水相互關(guān)系[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2014，25(3)：336－347.Zhang Bing, Song Xianfang, Zhang Yinghua, et al. Relationship between surface water and groundwater in the second Songhua River basin[J]. Advances in Water Science, 2014, 25(3): 336－347. (in Chinese with English abstract)

[23] 王銳，劉文兆，宋獻(xiàn)方. 黃土塬區(qū)土壤水分運(yùn)動的氫氧穩(wěn)定同位素特征研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2014，28(3)：134－137. Wang Rui, Liu Wenzhao, Song Xianfang. Study on soil water dynamics on Loess Tableland based on stable hydrogen and oxygen isotopes[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(3): 134－137. (in Chinese with English abstract)

[24] 張應(yīng)華，仵彥卿，溫小虎，等. 環(huán)境同位素在水循環(huán)研究中的應(yīng)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(5)：738－747.Zhang Yinghua, Wu Yanqing, Wen Xiaohu, et al. Application of environmental isotopes in water cycle[J]. Advances in Water Science, 2006,17(5): 738－747. (in Chinese with English abstract)

[25] 王琦. 基于氫氧同位素的黃土區(qū)小流域水資源轉(zhuǎn)化與水傳輸研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2015. Wang Qi. Study on Transformation of Water Resources and Transmission on Hydrogen and Oxygen Isotope on Small Watershed in Loess Area. [D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2015. (in Chinese with English abstract)

[26] Craig H. Isotopic variations in meteoric waters[J]. Science, 1961, 133(3465): 1702.

[27] 宋夢媛，李忠勤，金爽，等. 托木爾峰青冰灘72號冰川流域同位素特征及徑流分割研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29(3)：156－160.Song Mengyuan, Li Zhongqin, Jin Shuang, et al. Characteristics of water isotopes and hydrograph separation in the Glacier No.72 of Qingbingtan, Tomur Peak[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2015, 29(3): 156－160. (in Chinese with English abstract)

[28] 李小飛，張明軍，李亞舉，等. 西北干旱區(qū)降水中δ18O變化特征及其水汽輸送[J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(3):711-719. Li Xiaofei, Zhang Mingjun, Li Yaju, et, al. Characteristics of δ18O in precipitation and moisture transports over the arid region in Northwest China[J]. Environmental Science, 2012, 33(3):711-719. (in Chinese with English abstract)

[29] 王賀，李占斌，馬波，等. 黃土高原丘陵溝壑區(qū)流域不同水體氫氧同位素特征-以紙坊溝流域?yàn)槔齕J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2016(4)：85－90. Wang He, Li Zhanbin, Ma Bo, et al. Characteristics of Hydrogen and oxygen isotopes in different waters of the Loess Hilly and Gully Region[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016(4): 85－90. (in Chinese with English abstract)

[30] 吳華武，章新平，李小雁，等. 湘江流域中下游長沙地區(qū)不同水體中δ18O、δD的變化[J]. 地理科學(xué)，2014，34(4)：488－495. Wu Huawu, Zhang Xinping, Li Xiaoyan, et al. The Variations of δ18O and δD in Different Water Bodies of Changsha Region, Middle-and-Low Reach of the Xiangjiang River[J]. Scientia Geographica Sincia, 2014, 34(4): 488－495. (in Chinese with English abstract)

[31] 章新平，姚檀棟，田立德，等. 烏魯木齊河流域不同水體中的氧穩(wěn)定同位素[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2003，14(1)：50－56. Zhang Xinping, Yao Tandong, Tian Lide, et al. Stable oxygen isotope in water mediums in Urumqi River basin[J]. Advances in Water Science, 2003, 14(1): 50－56. (in Chinese with English abstract)

[32] 柳鑒容，宋獻(xiàn)方，袁國富，等. 中國東部季風(fēng)區(qū)大氣降水δ18O的特征及水汽來源[J]. 科學(xué)通報(bào)，2009(22)：3521－3531.Liu Jianrong, Song Xianfang, Yuan Guofu, et al. Characteristics of δ18O in precipitation over Eastern Monsoon China and the water vapor sources. Chinese Science Bull, 2009(22): 3521－3531. (in Chinese with English abstract)

[33] 王亞俊，宋獻(xiàn)方，馬英，等. 北京東南郊再生水灌區(qū)不同水體氫氧同位素特征及成因[J]. 地理研究，2017，36(2)：361－372. Wang Yajun, Song Xianfang, Ma Ying, et al. Characterizing the hydrogen and oxygen isotopic compositions of different waters at reclaimed water irrigated district in southeast suburb of Beijing[J]. Geographical Research, 2017, 36(2): 361－372. (in Chinese with English abstract)

[34] Huang Tianming, Pang Zhonghe. Groundwater recharge and dynamics in northern China implications for sustainable utilization of groundwater[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2013(7): 369–372.

[35] 王仕琴，宋獻(xiàn)方，肖國強(qiáng)，等. 基于氫氧同位素的華北平原降水入滲過程[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2009，20(4)：495－501. Wang Shiqin, Song Xianfang, Xiao Guoqiang, et al. Appliance of oxygen and hydrogen isotope in the process of precipitation infiltration in the shallow groundwater areas of North China Plain[J]. Advances in Water Science, 2009, 20(4): 495－501. (in Chinese with English abstract)

[36] 胡玥，劉傳琨，盧粵晗，等. 環(huán)境同位素在黑河流域水循環(huán)研究中的應(yīng)用[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2014，29(10)：1158－1166. Hu Yue, Liu Chuankun, Lu Yuehan, et al. Application of environmental isotopes in understanding hydrological processes of the Heihe River Basin[J]. Advances in Earth Science, 2014, 29(10): 1158－1166. (in Chinese with English abstract)

[37] Martinez Jorge, Raiber Matthias, Cox Malcolm E. Assessment of groundwater–surface water interaction using long-term hydrochemical data and isotope hydrology: Headwaters of the Condamine River, Southeast Queensland, Australia[J]. Science of the Total Environment, 2015, 536(3): 499－516.

[38] Négrel Philippe, Petelet-Giraud Emmanuelle, Millot Romain. Tracing water cycle in regulated basin using stable δ18O–δ2H isotopes: The Ebro river basin (Spain)[J]. Chemical Geology, 2016, 422: 71－81.

趙賓華，李占斌，李 鵬，肖 列，常恩浩，張 祎，高 蓓.黃土區(qū)生態(tài)建設(shè)對流域不同水體轉(zhuǎn)化影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(23)：179－187. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.023 http://www.tcsae.org

Zhao Binhua, Li Zhanbin, Li Peng, Xiao Lie, Chang Enhao, Zhang Yi, Gao Bei.Effects of ecological construction on transformation of different water bodies in typical watershed on Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 179－187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.023 http://www.tcsae.org

Effects of ecological construction on transformation of different water bodies in typical watershed on Loess Plateau

Zhao Binhua1, Li Zhanbin1,2, Li Peng1※, Xiao Lie1, Chang Enhao1, Zhang Yi1, Gao Bei3

(1.710048,;2.712100,; 3.710054,)

In order to reduce soil erosion and improve ecological environment, the Chinese government implemented the Grain for Green Project in 1999, in which numerous croplands were converted to grasslands, forestlands, or free land for natural plant succession. The ecological construction not only significantly changes the vegetation cover conditions of the watershed, but also changes the hydrological processes of the watershed. In order to understand the changes of ecological and hydrological processes under different ecological construction conditions, 414 water samples were collected in the governance river basin of Jiuyuangou Watershed and 300 water samples were collected in the natural river basin of Peijiamao Watershed, which are sub basins of Wuding River. The water samples included precipitation, river water, well water, reservoir water and snow water. Each water samples had three replicates. Based on stable isotope technology, the hydrogen and oxygen isotope characteristics were analyzed in different water samples. The effects of ecological construction on water transmission process and transformation characteristics between different water bodies in different seasons were also evaluated in this research. The results showed that the amplitude of precipitation isotope values were greater than the river water and well water isotope values. In addition, the river water and reservoir water had stronger evaporation fractionation than other water samples and well water was relatively stable. The local meteoric water line wasdD=7.09d18O+1.29 in the governance river basin of Jiuyuangou watershed anddD=6.71d18O-3.25 in the natural river basin of Peijiamao watershed. The slope and intercept of the local meteoric water line in Jiuyuangou watershed was greater than that in Peijiamao watershed. The water supply source of river water, well water and reservoir water were mostly from precipitation. At the same time, precipitation and snow water had similar sources. During the dry season (from December to June), the temperature was low and during the wet season (from July to November), it was high, and the precipitation was mainly distributed in June to November. The isotope values were low in the wet season, and dry season isotope values were high. The isotope values were positively correlated with the precipitation, and negatively correlated with the temperature. The isotope values of river water and well water showed a similar trend of variation, which became enrichment with the main channel flow. The oxygen isotope value was used to calculate the supply ratio of precipitation, river water and well water in dry season and wet season. In dry season, precipitation and well water supplied river water, and the supply ratio was 24.66%, 75.34% and 83.81%, 16.19%, respectively. In wet season, well water was supplied by precipitation and river water, and the supply ratio was 14.75%, 85.25% and 48.06%, 51.94%, respectively. Ecological construction had significantly changed the ecological and hydrological processes. The acceleration of ecological construction had a significant impact on the transformation of different water bodies in the river basin of Loess Plateau. The present research could provide technical support and theoretic foundation for the study of ecological and hydrological processes and ecological environment protection on the Loess Plateau.

isotopes; watersheds; precipitation; ecological construction; different water bodies; dry and wet season; supply ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.023

X143;P343.9;P597

A

1002-6819(2017)-23-0179-09

2017-05-10

2017-07-14

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0402404，2016YFC0402406-ZT2）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41330858）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41471226）

趙賓華，博士生. 主要從事水土保持與生態(tài)水文方面研究。 Email：zbh20080810@126.com

李 鵬，教授，博士生導(dǎo)師. 主要從事水土保持與生態(tài)建設(shè)方面研究。Email：lipeng74@163.com