植被截留對(duì)降水同位素分布的試驗(yàn)研究

謝佳黎 瞿思敏，2 張雄鷹 勾建峰 石 朋，2， 劉金濤， 蘇治國(guó) 陳 浩 李大辰

(1. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 水利工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 南京 210098； 3. 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098; 4. 湖北省宜昌市水文水資源勘測(cè)局， 湖北 宜昌 443000)

植被截留是指流域下墊面植物的枝葉，地表枯落物對(duì)降水的攔截致使降水不能完全到達(dá)土壤表面，而以蒸發(fā)的形式重新回到大氣[1]．定量探究植物截留對(duì)于研究小流域水文循環(huán)機(jī)理具有重要的研究意義．近年來(lái)，隨著同位素示蹤方法廣泛的應(yīng)用于水文學(xué)領(lǐng)域，特別是在流域?qū)涤甑捻憫?yīng)問(wèn)題的定量研究中，為探究植物截留以及降水同位素的時(shí)空變化提供了一種新的研究手段[2]．

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)野外試驗(yàn)來(lái)定量研究林外降水和貫穿降水的時(shí)間以及空間尺度的變化．Allen等[3]通過(guò)對(duì)美國(guó)西部的小流域進(jìn)行長(zhǎng)期的貫穿降水采樣發(fā)現(xiàn)事件中的貫穿降水同位素在空間分布上存在差異，這些差異主要與采樣點(diǎn)處的植被蓄水能力以及出流路徑有關(guān)．徐振等[4]對(duì)川西臥龍自然保護(hù)區(qū)林外降水和亞高山灌叢植被貫穿降水取樣發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)雨水被林冠截留，隨后的蒸發(fā)作用使得貫穿降水同位素相對(duì)豐度富集．瞿思敏等[5]通過(guò)對(duì)梅林流域不同土地利用條件下的林外降水和貫穿降水采樣分析得到貫穿降水同位素相對(duì)于林外降水同位素變化范圍小，這主要與不同土地利用條件下植被類型有關(guān)．

針對(duì)現(xiàn)有的研究很少關(guān)注南方濕潤(rùn)流域的林外降水以及貫穿降水時(shí)空分布不均的問(wèn)題，本文嘗試使用穩(wěn)定同位素對(duì)和睦橋小流域進(jìn)行植物截留對(duì)降水同位素時(shí)空變化的影響進(jìn)行了研究．本文選取2017年6月至7月間兩次梅雨降雨事件的降水資料，通過(guò)采集林外降水和貫穿降水樣品并對(duì)其做同位素分析，探究植物截留對(duì)于貫穿降水穩(wěn)定同位素的影響．

1 研究區(qū)域概況

和睦橋流域(119°47′E，30°34′N)位于太湖流域上游的浙江省德清縣內(nèi)(圖1)，流域面積1.35 km2．流域以低山丘陵為主，流域的西南地區(qū)高程在500～600 m之間，流域出口的高程為160 m．流域受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，多年平均降水量1 580 mm，主要集中在6～8月．多年水面蒸發(fā)量為805 mm，多年月平均氣溫14.6℃，其中最高月平均氣溫25℃出現(xiàn)在7月，最低月平均氣溫1.3℃出現(xiàn)在1月．流域主要巖石覆蓋類型為泥炭系石英砂，土壤類型主要以紅壤、黃壤、巖性土、潮土、水稻土為主，主要植被為毛竹(覆蓋率90%)，基本可以忽略人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)匯流機(jī)制產(chǎn)生影響．

2 水樣采集及分析

流域出口處建有氣象觀測(cè)站，可以自動(dòng)獲取降水，氣溫，濕度，風(fēng)向，風(fēng)速數(shù)據(jù)．降水水樣采集時(shí)間尺度分為日尺度和小時(shí)尺度．日尺度降水水樣分別采集于林外降水和貫穿降水．其中，林外降水采樣點(diǎn)分別布置在流域上游、中游、下游的沒(méi)有竹林覆蓋的空地，貫穿降水采樣點(diǎn)共10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)、沿河流兩岸自上而下布置在中等郁閉度的竹林林下(如圖1所示)．

圖1 研究區(qū)水樣采樣點(diǎn)位置分布圖

采樣時(shí)間為每天早上8:00，使用30 mL的聚乙烯采樣瓶收集水樣，記錄采樣的時(shí)間，標(biāo)號(hào)，并且使用生膠帶密封，保存在4℃的冰箱中．而小時(shí)尺度降水水樣采集也分為林外降水和貫穿降水，采樣點(diǎn)布置在流域中游位置，每?jī)蓚€(gè)小時(shí)對(duì)采樣器的雨水收集1次，具體操作方法與日尺度采樣方法相同．

采得的水樣在河海大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用質(zhì)譜儀(MAT253)進(jìn)行同位素分析(δD和δ18O)，氘的樣本用加有鉑催化劑的H2-H2O平衡法得到，氧的樣本通過(guò)CO2-H2O平衡法得到．δ18O分析的精度為±0.02‰，δ2H為±2‰．測(cè)定結(jié)果用維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水值(Vienna standard Mean Oceanic Water, V-SMOW)轉(zhuǎn)化為千分偏差δ值(‰)表示：

(1)

其中R為2H/1H或18O/16O．

3 結(jié)果與討論

3.1 和睦橋大氣水線

Craig[6]通過(guò)研究全球范圍內(nèi)的降水水樣的氫氧穩(wěn)定同位素組成，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在明顯的線性關(guān)系即：δ2H=8δ18O+10,隨后被定義為全球大氣水線(Global Meteoric Water Line)．全球大氣水線表達(dá)了在全球平均的條件下，水汽從產(chǎn)生到形成降水過(guò)程中經(jīng)歷的一系列動(dòng)力分餾和平衡分餾后穩(wěn)定同位素δ2H和δ18O之間的線性關(guān)系．

由于各地區(qū)氣候條件、下墊面條件、水汽來(lái)源、水汽運(yùn)移路徑以及流域的溫度、相對(duì)濕度不同，會(huì)導(dǎo)致地區(qū)之間的大氣水線存在差別，即每個(gè)地區(qū)均有各自的區(qū)域大氣水線(Local Meteoric Water Line)．區(qū)域大氣水線對(duì)于研究當(dāng)?shù)氐叵滤难a(bǔ)給以及流域產(chǎn)流機(jī)制具有重要的意義．

本文應(yīng)用最小二乘法對(duì)2017年的兩場(chǎng)梅雨降水事件中的18個(gè)大氣降水(林外降水)水樣以及74個(gè)貫穿降水水樣同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，分別求出其大氣降水線，結(jié)果如圖2所示．

從圖2可以看出，林外降水的大氣水線表達(dá)式為δ2H=8.13δ18O+6.06，而貫穿降水的大氣水線表達(dá)式則為δ2H=7.96δ18O+7.27．大氣水線的斜率主要與動(dòng)力學(xué)分餾有關(guān)，而截距主要和D對(duì)于平衡態(tài)的偏移有關(guān)．兩條大氣水線的斜率和截距均比中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)的大氣水線[7]：δ2H=7.46δ18O+0.9偏大，而接近于全球大氣水線．探究其原因主要包括：

1)采樣方法不同．研究中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)的大氣水線通過(guò)對(duì)每個(gè)月降水的加權(quán)平均值進(jìn)行分析，而本文對(duì)于和睦橋流域大氣水線的研究是通過(guò)對(duì)兩次梅雨降水事件中小時(shí)降水以及每日貫穿降水進(jìn)行同位素分析．長(zhǎng)期的降水采樣包括了對(duì)各種降水類型的雨水的混合采集，比如臺(tái)風(fēng)雨，梅雨，對(duì)流雨等等，這些不同的降水類型影響其同位素變化的原因也不盡相同，通過(guò)每月混合水樣的分析忽略了這些事件降水的影響．而本文僅僅只對(duì)梅雨事件的水樣進(jìn)行了分析，目的是探究梅雨的水汽來(lái)源以及植被對(duì)降水同位素的影響，因此得到區(qū)域大氣水線與東部季風(fēng)區(qū)大氣水線存在明顯的差別．

2)下墊面與氣候環(huán)境．東部季風(fēng)區(qū)的采樣點(diǎn)選擇位置的自然景觀與和睦橋流域存在明顯的不同，和睦橋流域主要覆蓋竹林植被，而對(duì)于東部季風(fēng)區(qū)大氣水線的研究因作者的不同研究目的，會(huì)有不同的自然地理?xiàng)l件區(qū)別．同時(shí)本次采樣的時(shí)間主要集中在6、7月，這時(shí)流域的溫度和相對(duì)濕度較高，降水同位素經(jīng)歷蒸發(fā)分餾以及與周圍水汽交換現(xiàn)象顯著，而長(zhǎng)期的降水同位素分析不僅包括此類降水事件，還包括寒冷冬季由二次蒸發(fā)得到偏貧化的降水和降雪事件，這也會(huì)導(dǎo)致東部季風(fēng)區(qū)大氣降水線斜率和截距偏低．

3)降水類型的不同．此次采樣的梅雨，主要來(lái)源于太平洋濕潤(rùn)的氣團(tuán)，同時(shí)由于和睦橋大氣水線斜率和截距分別接近于8和10，也說(shuō)明了此兩場(chǎng)降水受海洋水汽的影響．而對(duì)于長(zhǎng)期東部季風(fēng)區(qū)的采樣，降水類型還包括由二次蒸發(fā)帶來(lái)的降水，水汽來(lái)源復(fù)雜多變．

利用林外降水和貫穿降水同位素?cái)?shù)據(jù)分別得到的大氣水線斜率和截距相差不大，這主要是由于在同一個(gè)流域的同一降水事件中，水汽來(lái)源、水汽運(yùn)移路徑以及流域氣候條件都一致．但是，貫穿降水同位素沿著貫穿降水的大氣水線均勻分布，而林外降水主要集中在林外降水的大氣水線的右上方，林外降水同位素相較貫穿降水同位素而言更加富集，這主要可能由于林外降水受到的蒸發(fā)分餾作用更加明顯．

3.2 林外降水和貫穿降水氘盈余

Dansgaard在1964年通過(guò)研究降水穩(wěn)定同位素的關(guān)系時(shí)引入了“氘盈余”概念用來(lái)定性的評(píng)價(jià)非平衡分餾過(guò)程的影響[8]．氘盈余(d-excess)定義為d=δ2H-8δ18O，主要與水汽源地的蒸發(fā)條件以及流域氣象要素有關(guān)，因此影響降水的氘盈余的因素很復(fù)雜．本文通過(guò)研究?jī)蓤?chǎng)相同類型的降水的氘盈余值的變化來(lái)探究植物截留對(duì)降水氘盈余的影響．

和睦橋流域梅雨期間林外降水d值變化的范圍：-3.96‰～12.56‰，平均值為4.95‰，而貫穿降水d值的變化范圍為：1.62‰～16.4‰，平均值為7.71‰(如圖3所示)．林外降水的d值平均值小于全球平均大氣水線的d值(10‰)，說(shuō)明海洋水汽云團(tuán)在向內(nèi)陸運(yùn)移的過(guò)程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾作用．梅雨主要是由于暖鋒鋒面與冷鋒鋒面相遇，暖濕氣團(tuán)沿冷鋒鋒面爬升，隨著暖濕云團(tuán)高度上升，開始出現(xiàn)冷凝致雨現(xiàn)象，下降的雨水經(jīng)過(guò)冷鋒控制的干燥空氣區(qū)域發(fā)生明顯的蒸發(fā)分餾和與空氣中的水滴進(jìn)行同位素交換，使得雨水的d值低于全球大氣水線d值[9]．

圖3 和睦橋流域梅雨降水事件氘盈余分布

貫穿降水的d值高于林外降水d值，這主要與植被的截留以及強(qiáng)烈的蒸發(fā)有關(guān)．和睦橋流域竹林密度大，同時(shí)梅雨雨強(qiáng)較小，相對(duì)較高林冠層的蓄水能力能夠?qū)⒔邓_始時(shí)段內(nèi)經(jīng)歷強(qiáng)烈的蒸發(fā)而導(dǎo)致d值偏低的雨水截留，并且與隨后偏高d值的雨水混合．隨著植被冠層蓄水量的增加，一部分冠層的蓄水將樹莖潤(rùn)濕后沿著樹莖流到地表，另一部分蓄水直接落在地表．本文收集的貫穿降水是后者產(chǎn)生的降水，一系列混合作用使得貫穿降水的d值沒(méi)有出現(xiàn)小于0的數(shù)值，同時(shí)相對(duì)于林外降水d值來(lái)說(shuō)分布更加集中．

3.3 林外降水和貫穿降水的δ18O時(shí)程變化

林外降水同位素和貫穿降水的同位素在時(shí)間尺度上的變化存在著明顯的差異，總的來(lái)說(shuō)貫穿降水相對(duì)更加貧化(如圖4所示)．在第一場(chǎng)降水事件中，降水開始的6月22日8:00到6月23日17：00，林外降水和貫穿降水的穩(wěn)定同位素δ18O變化趨勢(shì)一致，前者同位素相對(duì)豐度比較富集．影響兩者變化的可能因素是雨強(qiáng)和溫度，主要由于第一個(gè)水樣的采集是早上8:00進(jìn)行，采集的降水水樣是前一天降水的長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)16.2 mm的降水，在這段時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)較小，夜間溫度較低，蒸發(fā)分餾對(duì)降水的影響不明顯，而林外降水的同位素相對(duì)豐度富集可能由于空地相較與林內(nèi)更加通風(fēng)，通風(fēng)的條件下加速了林外降水蒸發(fā)分餾．隨后，在6月24日8:00到6月25日8:00時(shí)段內(nèi)貫穿降水穩(wěn)定同位素顯著低于林外降水同位素，最大偏差9.98‰．這主要是由于雨強(qiáng)和降雨量引起，到25日8：00采樣時(shí)，已累計(jì)降水51.6 mm，明顯出現(xiàn)了雨量效應(yīng)，即隨著降水量的增加，林外降水的同位素相對(duì)豐度逐漸貧化．同時(shí)在已經(jīng)潤(rùn)濕的流域上，適當(dāng)?shù)挠陱?qiáng)能夠在植被層林冠處產(chǎn)生霧氣，而這些霧氣的分布主要集中在竹林區(qū)，而采集林外降水的上方缺少霧氣，這些霧氣限制了林冠雨水的蒸發(fā)分餾．最后的降水事件中貫穿降水和林外降水趨勢(shì)依舊保持一致，林外降水的變化范圍稍大于貫穿降水的范圍．這一時(shí)段主要由于與前一時(shí)段存在接近20個(gè)小時(shí)的無(wú)雨期，在這期間流域仍處于濕潤(rùn)狀態(tài)，但是林冠層的霧氣已基本消散，導(dǎo)致貫穿降水和林外降水又基本保持一致的變化趨勢(shì)．

圖4 林外降水和貫穿降水的δ18O時(shí)程分布

第二場(chǎng)降水事件中，只有第一組水樣的貫穿降水同位素相對(duì)林外降水明顯貧化，這與第一場(chǎng)降水事件有明顯的差別．究其原因可能主要與采樣的時(shí)間有關(guān)，由于和睦橋流域位于山區(qū)之中，人類活動(dòng)擾動(dòng)很小，但是也會(huì)因采樣人員安全問(wèn)題造成夜間無(wú)法進(jìn)行采樣．第二場(chǎng)隨后降水水樣的采集距離第一階段降水發(fā)生有很長(zhǎng)的間隔時(shí)間，貫穿降水水樣發(fā)生更明顯的蒸發(fā)分餾，導(dǎo)致其具有更富集的δ18O．隨后由于雨強(qiáng)較大，蒸發(fā)分餾現(xiàn)象不顯著，林外降水以及貫穿降水穩(wěn)定同位素相對(duì)豐度沒(méi)有明顯的差別，呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)．

3.4 貫穿降水的穩(wěn)定同位素空間分布

本文選取第一場(chǎng)降水事件6 d的貫穿降水穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)用以探究貫穿降水的穩(wěn)定同位素空間變化，而第二場(chǎng)降水因?yàn)閮H有兩天的貫穿降水同位素?cái)?shù)據(jù)，沒(méi)有很好的代表性．貫穿降水的穩(wěn)定同位素在同一場(chǎng)降水事件中的平均值隨著取樣位置的不同而顯示出明顯的空間變化，δ18O和δ2H分別在-10.44‰～-11.79‰和-75.13‰～-86.02‰之間(見(jiàn)表1)．Brodersen等[10]通過(guò)對(duì)小流域不同位置進(jìn)行貫穿降水采樣，發(fā)現(xiàn)其δ18O的變化范圍最大為3‰，而本文中測(cè)得的δ18O的變化范圍為1.33‰．

表1 和睦橋流域第一場(chǎng)降水事件貫穿降水的穩(wěn)定同位素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

影響貫穿降水同位素的空間變化主要有以下原因：

1)林冠層的影響．采樣裝置的安置雖然都選擇在郁閉度相近的竹林下，然而由于植被的生長(zhǎng)狀況不同，植被的林冠層蓄水能力不同以及其他一系列復(fù)雜的植被截留過(guò)程，都會(huì)導(dǎo)致收集的貫穿降水受到上方植被影響．

2)降水分布不均．和睦橋流域面積1.35 km2，流域面積比較小，但是由于受地形，坡度的影響，雨量以及降水強(qiáng)度的分布十分不均勻．

3)風(fēng)向以及坡向的影響．梅雨降水事件發(fā)生時(shí)都伴隨著微風(fēng)的發(fā)生，由于采樣點(diǎn)的選擇坡向不同，那么在微風(fēng)的作用下，一部分采樣點(diǎn)處于通風(fēng)的位置，有利于水樣的蒸發(fā)分餾，同時(shí)林冠層的蓄水在風(fēng)的作用下會(huì)落到流域表面，這樣通風(fēng)位置采得的水量明顯偏多．

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)和睦橋梅雨事件的降水和貫穿降水的氫氧穩(wěn)定同位素相對(duì)豐度分析，主要得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)擬合林外降水的δ18O和δ2H得到和睦橋流域梅雨事件大氣降水線，其斜率和截距接近全球大氣水線的斜率和截距，說(shuō)明梅雨的主要水汽來(lái)源是海洋．梅雨事件大氣水線的斜率和截距與中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)的大氣水線存在明顯的差別，主要是受采樣方法、下墊面條件、氣候環(huán)境和降水類型的綜合作用．

2)梅雨降水事件中林外降水的d值平均值小于全球平均大氣水線的d值，說(shuō)明海洋水汽云團(tuán)在向內(nèi)陸運(yùn)移的過(guò)程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾．降水事件中的貫穿降水的d值高于林外降水d值，這主要與植被的截留以及強(qiáng)烈的蒸發(fā)有關(guān)．

3)林外降水和貫穿降水的穩(wěn)定同位素在時(shí)間尺度上的變化存在著明顯的不同，總的來(lái)說(shuō)貫穿降水相對(duì)更加貧化，這可能由蒸發(fā)分餾和雨強(qiáng)共同影響．

4)梅雨事件中貫穿降水的同位素相對(duì)豐度展示明顯的空間變化，主要由植物截留以及流域地形共同影響．