生態(tài)地質(zhì)水工環(huán)、農(nóng)業(yè)、城市、旅游伊犁河谷大氣降水同位素特征及環(huán)境意義

蔣新華 蘇晨 程中雙

摘? ?要：為研究伊犁谷地降水同位素特征及陸地內(nèi)循環(huán)對(duì)其的影響，為流域水循環(huán)研究提供科學(xué)依據(jù)，于2016年在伊寧、尼勒克和新源氣象站采集降水同位素樣品。采用回歸對(duì)照法，討論降水氘氧穩(wěn)定同位素的影響因素。研究表明，研究區(qū)大氣降水線方程為δD=7.96δ18O+10.37，與全球大氣降水線較接近，水汽主要由西風(fēng)帶輸送;氘氧同位素夏季富集冬季貧化而氘盈余無(wú)規(guī)律變化，由于降水過(guò)程不僅受溫度效應(yīng)，還受到水汽陸地再循環(huán)影響。冬夏季樣品在D-18O關(guān)系圖中分布特征，證明冬夏影響降水同位素本地水循環(huán)因素不同，夏季以云下蒸發(fā)為主。根據(jù)對(duì)氘過(guò)量計(jì)算的夏季降水雨滴蒸發(fā)分?jǐn)?shù)為4.1%～16.2%，再次證明夏季云下蒸發(fā)效應(yīng)明顯，而在冬季云下蒸發(fā)效應(yīng)幾乎不會(huì)發(fā)生。

關(guān)鍵詞：伊犁河谷;大氣降水;氘盈余;二次蒸發(fā)

降水同位素（2H，3H和18O）組成特征是研究水文和氣象過(guò)程及氣候條件的有力工具。大氣降水中的氘氧同位素組成用δ2H和δ18O表示，二者具一定的相關(guān)關(guān)系，全球范圍內(nèi)為：δ2H=8δ18O+d稱為全球大氣降水線（GWML），d稱為氘過(guò)量參數(shù)D-excess[1]。其大小與水汽源區(qū)的濕度、風(fēng)速和最初蒸發(fā)時(shí)海洋表面溫度（SST）有關(guān)，同時(shí)又受降水區(qū)蒸發(fā)與水分內(nèi)循環(huán)的影響[2-4]。蒸發(fā)會(huì)使降水同位素富集，使氘盈余降低，而蒸發(fā)形成的水汽氘盈余值卻很高，可明顯區(qū)別于降水的氘盈余[5-6]，從而有效指示當(dāng)?shù)厮傺h(huán)的氣象環(huán)境[3，6]。

受西風(fēng)帶控制，我國(guó)新疆是世界三大極端干旱區(qū)之一，水資源供需矛盾尤為突出，大氣降水是水資源的基本構(gòu)成部分，是水循環(huán)的輸入項(xiàng)，從根本上決定著一個(gè)地區(qū)水資源的豐富與否。新疆地區(qū)因蒸發(fā)強(qiáng)烈，陸地內(nèi)循環(huán)對(duì)同位素演化的影響十分明顯[2]。我國(guó)自從1966年加入全球降水同位素觀測(cè)（GNIP，Global Network for Isotopes in Precipitation）（IAEA，2017），出現(xiàn)了一系列全國(guó)性和區(qū)域性降水同位素的研究成果[7-8]，但伊犁河谷流域的大氣降水同位素調(diào)查研究仍是空白區(qū)。因此，本文利用在伊犁河谷流域取得的月降水資料和降水中氫氧同位素資料，確定當(dāng)?shù)卮髿饨邓€與降水同位素組成特征，定性水汽來(lái)源與運(yùn)移途徑，為合理利用水資源、提高水資源的利用效率和深入研究流域水循環(huán)規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1? 流域概況與樣品采集

伊犁河谷是中哈跨國(guó)界河谷平原，我國(guó)境內(nèi)位于中國(guó)天山山脈西部，三面環(huán)山。北部為天山北支婆羅科努山及伊連哈比爾尕山，南部為克特綿山、伊什格里克山。河谷平原區(qū)海拔為500～1 500 m，谷底較窄，地形坡度較大。伊犁河谷氣候溫和濕潤(rùn)，屬于溫帶大陸性氣候，具明顯的冷暖干濕交替特征[9]。1960-2018年，年均氣溫9～12℃，年均降雨量217.3～834.6 mm，多年平均蒸發(fā)量945 mm，屬于新疆最濕潤(rùn)的地區(qū)之一。

2016年2月至2016年12月每月末對(duì)伊犁河谷流域的新源、尼勒克和伊寧三個(gè)氣象站采集月混合降水，最后置于500 ml塑料瓶。計(jì)33個(gè)水樣，相當(dāng)于對(duì)每次降水事件進(jìn)行雨量加權(quán)得到的月度均值? ?（圖1）。即：降水穩(wěn)定同位素月均雨量加權(quán)平均值：

δw=∑（Pi×δi/P）[………………]（1）

式（1）中：δw——加權(quán)平均值，Pi——月降雨量，δi——相應(yīng)的同位素值，P——年降水總量。

氘氧氚樣品測(cè)試均由自然資源部地下科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，δD和δ18O穩(wěn)定同位素分析分別通過(guò)采用CO2平衡方法和鉻還原方法進(jìn)行前處理制備氣體樣品，然后由氣體同位素質(zhì)譜（MAT-253）測(cè)定，測(cè)試精度分別為±0.1‰和±1.0‰。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 大氣降水穩(wěn)定同位素及氘盈余變化特征

伊寧、尼勒克、新源3個(gè)站點(diǎn)的降水同位素平均δ值總體上呈依次減小趨勢(shì)。從δ18O的變化特征來(lái)看（圖1，表1），新源和尼勒克的變化幅度相近，而伊寧市的變化幅度稍小于前二者，一定程度反映了高程和氣溫不同對(duì)降水同位素的影響。

從季節(jié)性變化來(lái)看，降水的同位素值夏季最大，而冬季最小。伊寧站點(diǎn)δ18O值2月至5月增加，5月到9月震蕩波動(dòng)，9月到12月減少，而尼勒克與新源站點(diǎn)高值點(diǎn)則是出現(xiàn)在5月份（圖1-a），這可能與伊寧站點(diǎn)在夏季受到西風(fēng)帶影響大于其他兩個(gè)站點(diǎn)有關(guān)。

從全區(qū)平均值來(lái)看，河谷平原大氣降水δ18O和 δ2H的算術(shù)平均值分別為-10.8‰和-75.3‰，夏季（5-7月）平均值為-5.9‰和-37‰，冬季平均值（11-2月）為? -17.6‰和-128‰，具夏高冬低特征，符合中高緯度地區(qū)降水同位素的溫度效應(yīng)[5]。降水中夏季氘過(guò)量平均值（10.2‰）略低于冬季年平均值（12.4‰）。表明伊犁河谷全年受西風(fēng)環(huán)流影響，影響程度在冬季高于夏季，且夏季蒸發(fā)也較冬季厲害。氘過(guò)量值也反映了水汽來(lái)源地的環(huán)境：降水中氘過(guò)量值越小，水分來(lái)源地相對(duì)濕度越大，蒸發(fā)越緩慢，而高的氘過(guò)量值則反映了水分來(lái)源地相對(duì)濕度較小，蒸發(fā)快速的特點(diǎn)。

新源、尼克斯和伊寧3個(gè)站點(diǎn)大氣降水穩(wěn)定同位素δD、δ18O和D-excess的季節(jié)分布特征如圖2。δD 和δ18O變化范圍較大，依次是-147～-18和-3.3～? ? -20。3個(gè)站點(diǎn)δ值隨時(shí)間的變化特征一致，最大值出現(xiàn)夏季，最小值在冬季，符合中高緯度地區(qū)降水同位素的溫度效應(yīng)特征[1]。2～5月份δ值逐漸富集，5～10月份震蕩波動(dòng)，10月份到12月份逐漸貧化，是西北地區(qū)典型大陸性氣候年周期變化規(guī)律的反映。D-excess的值變化范圍是3～15.8，整體在10上下波動(dòng)變化。

2.2? 伊犁河谷雨水線

大氣降水線（δ18O和δD的相關(guān)關(guān)系），是水循環(huán)研究的重要方法。它可反映自然地理和氣象條件，為歷史氣候變遷及水汽來(lái)源提供依據(jù)[1，5]。利用最小二乘法分析了伊犁河谷地區(qū)3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的δD與δ18O的關(guān)系，得到伊犁河谷地大氣降水線（LMWL）為：

δD=7.96δ18O+10.37[……………]（2）

伊犁當(dāng)?shù)卮髿饨邓€與全球大氣降水線接近，略偏離西風(fēng)帶主導(dǎo)降水線（δD=7.55δ18O+6.61）[10]。伊犁地區(qū)全年受西風(fēng)帶氣流影響，夏季會(huì)受極地氣團(tuán)輕微影響[11]。圖2中樣品點(diǎn)緊分布于全球大氣降水線兩側(cè)，但冬季樣品，分布在左下角且在GMWL 之上，氘盈余值小于10，同位素較貧化。夏季樣品分布于右上角且在降水線之下，多是夏季樣品，經(jīng)歷了云下蒸發(fā)，而春秋季樣品則分布于冬季和夏季樣品之間。

2.3? 溫度效應(yīng)及雨量效應(yīng)

西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，溫度效應(yīng)顯著，其同位素-溫度梯度（斜率）在0.13～0.68 之間[12-14]。前述已知，? δ18O 與δ2H 的相關(guān)性較強(qiáng)，以δ18O 為例進(jìn)行分析。伊寧、尼勒克和新源3個(gè)站點(diǎn)全年δ18O與溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)r分別為0.92，0.67，0.77，? 圖3-a），溫度梯度依次為0.5‰/°C，0.31‰/°C， 0.42‰/°C。尼勒克與新源海拔相對(duì)較高，所以δ18O與溫度相關(guān)性較伊寧弱。

Dansgaard 經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)δ18O 和降水量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，降水量越大，δ18 O 值越小，稱為降雨量效應(yīng)[1]，其與云下蒸發(fā)和與環(huán)境水蒸汽的交換有關(guān)。伊寧、尼勒克及新源，降水中的δ18O 并未隨降水量增大而顯著貧化（圖3-b），說(shuō)明在全年尺度上不存在降水量效應(yīng)，符合在內(nèi)陸區(qū)通常降水量效應(yīng)不顯著，但在雨季（夏季），伊寧表現(xiàn)出微弱雨量效應(yīng)。

2.4? 氘盈余與水汽再循環(huán)

二次蒸發(fā)效應(yīng)能夠?qū)邓凰禺a(chǎn)生明顯變化，如云下蒸發(fā)和水汽再循。云下蒸發(fā)也稱雨滴蒸發(fā)，該過(guò)程會(huì)使氘盈余降低[15-17]。水汽再循環(huán)是指水汽從陸地表面蒸發(fā)導(dǎo)致氘盈余升高。這兩個(gè)過(guò)程均會(huì)導(dǎo)致降水穩(wěn)定同位素氘氧富集。

二者計(jì)算參數(shù)涉及眾多[6]，較難求解，可依據(jù)具體情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)行半定性計(jì)算[18-20]。據(jù)此云下蒸發(fā)效應(yīng)和水汽再循環(huán)效應(yīng)在降水中的比率可由式（3）、（4）得出：

Ef（%）= （d-diw）/-1.1[……………]（3）

Rf（%）= （d-diw）/（devap-diw）[…………]（4）

diw=0.52T+11.6[…………][…]（5）

式（3）中：d——樣品氘盈余（d-excess）;diw ——水汽來(lái)源方向上風(fēng)點(diǎn)氘盈余，可由未發(fā)生再循環(huán)和云下蒸發(fā)的山區(qū)降水代替。式（4）中：devap——指夏季陸地蒸發(fā)蒸汽氘盈余，由最新調(diào)查的全區(qū)地表水氘盈余均值得出，為14.06‰。

新疆地區(qū)對(duì)于未發(fā)生水汽再循環(huán)和云下蒸發(fā)的降水樣品而言，有近似相同的氘盈余-溫度相關(guān)關(guān)系[18]，可由式（5）獲得，能夠代表水汽來(lái)源初始降水的氘盈余。計(jì)算的夏季云下蒸發(fā)比為4.1%～16.2%，且在夏季達(dá)到最高，與氘盈余變化相關(guān)性較好? ? ? ? ?（表2），這是因?yàn)樵葡抡舭l(fā)過(guò)程與溫度和濕度相關(guān)[2]，在高溫度和低濕度條件下，會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)的云下蒸發(fā)效應(yīng)[21]。因此在干冷的冬季，低溫高濕度條件下，計(jì)算出的蒸發(fā)比為負(fù)數(shù)，表明未發(fā)生云下蒸發(fā)效應(yīng)。圖1中氘盈余在冬季基本大于10，表明冬季云下效應(yīng)微弱。那么導(dǎo)致冬季降水氘氧穩(wěn)定同位素貧化的主要原因是同位素的溫度效應(yīng)，而氘盈余能夠很好地反映云下蒸發(fā)作用強(qiáng)度。

3? 結(jié)論

（1） 伊犁河谷大氣降水穩(wěn)定同位素特征受西風(fēng)帶氣流和局地水汽再循環(huán)作用的共同影響。呈夏季高，冬季低的現(xiàn)象，夏季受溫度效應(yīng)和云下蒸發(fā)作用影響，使大氣降水δD和δ18O值較小，氘盈余偏小，而在冬季溫度效應(yīng)為主要影響因素，δD和δ18O值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，氘盈余偏小;

（2） 研究區(qū)大氣降水線方程為δD=7.96δ18O+10.37（R2=0.99），接近全球降水線，斜率偏小和截距偏大，說(shuō)明主要受控于單一水汽來(lái)源，又受水汽再循環(huán)的影響;

（3） 根據(jù)氘盈余，計(jì)算出云下蒸發(fā)占降水的比率，認(rèn)為伊犁河谷在夏季發(fā)生了較強(qiáng)的云下蒸發(fā)效應(yīng)，而在冬季云下蒸發(fā)效應(yīng)很微弱，幾乎不會(huì)發(fā)生。水汽再循環(huán)的存在使伊犁河谷冬夏降水同位素差異更大，一定程度表明環(huán)境的冷熱干濕程度。

參考文獻(xiàn)

[1]? ?Dansgaard，W.Stable isotopes in precipitation[J].Tellus，1964，16（4）：437-468.

[2]? ?孔彥龍.中國(guó)大氣降水氘盈余及西風(fēng)帶控制區(qū)的水汽再循環(huán)研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2013.

[3]? ?李小飛，張明軍，王圣杰，等.黃河流域大氣降水氫、氧穩(wěn)定同位素時(shí)空特征及其環(huán)境意義[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87（2）：269-277.

[4]? ?吳方濤，曹生奎，曹廣超，等.青海湖高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素特征[J].高原氣象，2018（4）：1025-1032.

[5]? ?Craig， H. ，Gordon， L.Deuterium and Oxygen-18 variation in the ocean and the marine atmosphere[C].In：Stable Isotopes in Oceanographic Studies and Paleotemperatures（ed.E.Tongiorgi） Spoleto， Italy， pp.1965，9-130.

[6]? ?Froehlich K，Kralik M，Papesch W，et al.Deuterium excess in precipitation of Alpine regions-moisture recycling[J].Isotopes in Environmental and Health Studies，2008，44（1）：61-70.

[7]? ?黃一民，章新平，唐方雨，等.長(zhǎng)沙大氣降水中穩(wěn)定同位素變化及過(guò)量氘指示水汽來(lái)源[J].自然資源學(xué)報(bào)，2013，28（11）：1945-1954.

[8]? ?Liu J，Song X，Yuan G，et al.Stable isotopic compositions of precipitation in China[J].Tellus B：Chemical and Physical Meteorology， 2014，66（1）： 22567.

[9]? ?Shukla S，Wood A W.Use of a standardized runoff index for characterizing hydrologic drought[J].Geophysical Research Letters， 2008，35（2）：226-236.

[10] 程中雙，張永波.不同水汽源控制下的降水同位素分布特征[J]. 勘察科學(xué)技術(shù)，2015，1：25-31.

[11] 李捷，龐忠和，孔彥龍，等.北疆大氣降水水汽源識(shí)別及其對(duì)地下水補(bǔ)給的指示意義[J].科技導(dǎo)報(bào)，2016（18）：118-124.

[12] 袁瑞豐，李宗省，蔡玉琴，等.干旱內(nèi)陸河流域降水穩(wěn)定同位素的時(shí)空特征及環(huán)境意義[J].環(huán)境科學(xué)，2019，（5）：2122-2131.

[13] Tian L，Yao T，MacClune K，et al.Stable isotopic variations in west China： A consideration of moisture sources[J].Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 2007，112（D10）.

[14] 黃天明，聶中青，袁利娟.西部降水氫氧穩(wěn)定同位素溫度及地理效應(yīng)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22（8）：76-81.

[15] Gonfiantini R，Roche M A，Olivry J C，et al.The altitude effect on the isotopic composition of tropical rains[J].Chemical Geology， 2001， 181（1）：147-167.

[16] Liu Z，Tian L，Yao T，et al.Seasonal deuterium excess in Nagqu precipitation： influence of moisture transport and recycling in the middle of Tibetan Plateau[J].Environmental Geology，2008，55（7）： 1501-1506.

[17] Pang Z，Kong Y，F(xiàn)roehlich K，et al.Processes affecting isotopes in precipitation of an arid region[J].Tellus，2011，63（3）：352-359.

[18] Peng T R，Wang C H，Huang C C，et al.Stable isotopic characteristic of Taiwan's precipitation： A case study of western Pacific monsoon region[J].Earth and Planetary Science Letters，2010，289（3-4）：357-366.

[19] Kong Y，Pang Z，F(xiàn)roehlich K.Quantifying recycled moisture fraction in precipitation of an arid region using deuterium excess[J]. Tellus B： Chemical and Physical Meteorology，2013，65（1）.

[20] 劉潔遙，張福平，馮起，等.西北地區(qū)降水穩(wěn)定同位素的云下二次蒸發(fā)效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，29（5）：1479-1488.

[21] Zhang M，Wang S.A review of precipitation isotope studies in China：Basic pattern and hydrological process[J].Journal of Geographical Sciences，2016，26（7）：921-938.