三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD和δ18O特征及水汽來源

王 婷，高德強，徐 慶＊，靳 翔，張蓓蓓，左海軍

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091；2. 北京禹冰水利勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，北京 100161)

大氣降水是陸地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程的輸入端[1-2]，是地表水、土壤水和地下水等水體的重要補給來源[3]，也是指示氣候變化的關(guān)鍵因子[4-5]。通過監(jiān)測和分析降水中氫氧穩(wěn)定同位素組成，可以有效地示蹤區(qū)域的水汽來源和運動路徑，定量闡明降水在森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)過程中的分配和轉(zhuǎn)化[6-8]。國際上對大氣降水的研究始于20世紀(jì)50年代初期，并于1961年啟動全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)（GNIP），在全球范圍內(nèi)對降水中氫氧穩(wěn)定同位素組成進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測[9]?；谠摼W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，Craig[10]提出全球大氣降水方程（GMWL）：δD =8 δ18O + 10。由于水汽形成及運移過程中降水氫氧同位素的分餾差異，使各地區(qū)大氣降水線與全球大氣降水線的斜率和截距相比存在不同程度的偏移[11]。近年來，我國大氣降水氫氧同位素的研究取得了較大進(jìn)展[12-15]。尤其在長江流域地區(qū)，陸續(xù)開展了基于大氣降水氫氧同位素時空分布特征[16]、大氣降水線方程[17]、水汽來源和大氣降水氫氧同位素組成與環(huán)境因子的關(guān)系[18]等研究。孟玉川等[17]研究得出長江流域大氣降水線為δD = 7.251 δ18O +4.297，云下二次蒸發(fā)效應(yīng)對長江流域大氣降水方程的斜率和截距影響較小。吳華武等[18]研究表明長江流域大氣降水δ18O存在顯著的降水量效應(yīng)、反溫度效應(yīng)和濕度效應(yīng)。但是，前人對長江流域大氣降水氫氧同位素特征研究主要集中在全球降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)GNIP站點城市，對三峽庫區(qū)秭歸段的大氣降水氫氧同位素組成及水汽來源的研究還未見報道。

三峽庫區(qū)秭歸段位于長江中上游，距三峽大壩壩址約2 km，是長江流域氣候變化的敏感區(qū)，也是我國重要生態(tài)屏障和國家戰(zhàn)略性淡水資源庫。受全球氣候變化的影響，極端降水事件對該庫區(qū)影響日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致長江流域洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水土流失嚴(yán)重。加之三峽大壩的建立，使區(qū)域環(huán)境發(fā)生了顯著改變，區(qū)內(nèi)氣候更加復(fù)雜[19-20]?；诖?，本研究通過對三峽庫區(qū)湖北秭歸段2016年9月至2019年8月3個水文年大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素實測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合降水量、溫度等環(huán)境因子，運用HYSPLIT軌跡模型，分析研究區(qū)大氣降水氫氧同位素變化特征和水汽來源，為揭示三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程對氣候變化響應(yīng)機制和減緩長江流域洪澇災(zāi)害的發(fā)生等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)秭歸段（106°50′～110°50′ E，29°16′～31°25′ N）位于湖北省西部，長江兩岸，三峽工程壩上庫首。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.0～18.8 ℃，年均降水量1 000～1 200 mm，干季（11月—次年4月）濕季（5—10月）分明，濕季降水量占全年降水量的70%左右。境內(nèi)山脈起伏，垂直氣候變化明顯。庫區(qū)屬于我國暴雨中心之一，強降水過程導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，并伴有滑坡、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生。研究區(qū)植物資源豐富，森林覆蓋率高，植被以人工林為主，其中馬尾松（Pinus massonianaLamb.）林分布在庫區(qū)酸性或者中性土壤上，柏木（Cupressus funebrisEndl.）林是鈣質(zhì)土壤上的主要森林植被類型，這兩種森林植被類型在庫區(qū)森林中面積最大，伴生有木姜子（Litsea cubeba(Lour.) Pers.）、漆樹（Toxicodendron vernicifluum(Franch.) F. A. Barkl.）等植物，林下植被主要有胡枝子（Lespedeza bicolorTurcz.）、狗脊（Woodwardia japonica(L. f.) Sm.）等。

1.2 降水樣品采集

2016年9月至2019年8月，在湖北秭歸長江三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（110°18′ E，30°37′ N）和秭歸縣九嶺頭林場（110°48′ E，30°58′ N）的空曠地各放置1個雨量筒，在每個雨量筒上放置1個漏斗，漏斗內(nèi)放置乒乓球以防止水分蒸發(fā)，分別采集大氣降水樣品，并將兩個地點每天采集的降水樣品混合（即日降水樣品）。每天上午7:00—8:00用采樣瓶收集大氣降水，并用Parafilm封口膜密封。采集的樣品置于-5～0 ℃冰箱低溫保存，以備測試。降水量、溫度等氣象數(shù)據(jù)由秭歸長江三峽庫區(qū)森林生態(tài)站提供和野外實測獲得，即在各采樣點的空曠地放置自制雨量計和溫度計，每天早7:00和晚19:00，記錄降水量和溫度等氣象數(shù)據(jù)。

1.3 同位素樣品測試

大氣降水氫氧同位素（δD、δ18O）由清華大學(xué)穩(wěn)定同位素實驗室的MAT 253同位素比率質(zhì)譜儀和Flash 2000 HT元素分析儀測定（δD測定精度為± 1‰，δ18O測定精度為 ± 0.2‰）。測定結(jié)果以相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水（VSOMW）的千分差（‰），即：

式中：δ為氫（氧）同位素的比值，Rs為樣品中2H /1H（或18O /16O），Rd為VSOMW中2H /1H（或18O /16O）。

1.4 水汽來源模型

大氣氣團(tuán)傳輸途徑運用拉格朗日積分軌跡模型（HYSPLIT）的后向軌跡法進(jìn)行模擬，選取垂直方向500、1 000、1 500 m作為模擬的初始高度，以研究區(qū)作為終點，模擬每次降水前144 h內(nèi)水汽運動軌跡。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用相關(guān)分析確定大氣降水δD（δ18O）與降水量、溫度的相關(guān)關(guān)系，線性回歸分析擬合大氣降水δD與δ18O關(guān)系式。用Origin 9.1軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量及氣溫月動態(tài)變化

由2016年9月至2019年8月三峽庫區(qū)氣象資料可知（圖1），該庫區(qū)秭歸段總降水量為2 484.9 mm，其中濕季（5—10月）降水量為1 734.3 mm，約占全年降水總量的70%，干季（11月—翌年4月）降水量為757.5 mm。氣溫變化同降水量變化趨勢一致，表現(xiàn)為夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥的氣候特征。

圖 1 三峽庫區(qū)秭歸段降水量和溫度月動態(tài)變化Fig. 1 The monthly variation of precipitation and temperature in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area

2.2 大氣降水氫氧同位素季節(jié)性變化特征

三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD的變化范圍為-137.34‰～-3.66‰，均值為-51.81‰；δ18O的變化范圍為-18.38‰～-2.90‰，均值為-8.44‰（圖2，表1）?？梢?，該庫區(qū)秭歸段大氣降水δD（δ18O）變化范圍均介于全球[10]與中國[21]大氣降水氫氧同位素變化范圍內(nèi)，均值低于全球及中國大氣降水氫氧同位素均值。

濕季大氣降水的δD和δ18O變化范圍分別為-137.34‰～-3.66‰和-18.38‰～-3.24‰，均值分別為-64.90‰和-9.74‰；干季大氣降水的δD和δ18O變化范圍分別為-131.95‰～-4.10‰和-18.17‰～-2.90‰，均值分別為-30.61‰和-6.33‰（表1）。由此可知，三峽庫區(qū)秭歸段干季大氣降水δD和δ18O富集，而濕季大氣降水δD和δ18O貧化。

圖 2 三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD和δ18O月動態(tài)變化Fig. 2 The monthly variation of precipitation δD and δ18O in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area

表 1 三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水氫氧同位素及環(huán)境因子季節(jié)變化特征Table 1 Seasonal variation characteristics of hydrogen and oxygen isotopes of precipitation and meteorological elements in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area

2.3 大氣降水δD和δ18O的關(guān)系

根據(jù)三峽庫區(qū)秭歸段3個水文年大氣降水δD（δ18O）實測值，采用最小二乘法擬合該地區(qū)大氣降水δD-δ18O的關(guān)系式為：δD =（8.52 ± 0.12）δ18O +（20.11 ± 1.14）（R2= 0.96，p＜ 0.01，n= 186）（圖3）。

研究區(qū)干季大氣降水δD-δ18O關(guān)系式為：δD =（8.43 ± 0.34）δ18O +（22.76 ± 2.29）（R2= 0.90，p＜ 0.01，n= 71）；濕季大氣降水δD-δ18O關(guān)系式為：δD =（8.09 ± 0.11）δ18O +（13.95 ± 0.19）（R2=0.98，p＜ 0.01，n= 115）。濕季大氣降水線的斜率和截距均小于干季（圖3）。

2.4 過量氘（d）季節(jié)動態(tài)變化

三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水過量氘（d-excess）變化范圍為1.52‰～37.76‰，均值為15.72‰，明顯高于全球平均過量氘值（10‰）。研究區(qū)過量氘（d）季節(jié)變化顯著，干季過量氘（d）均值為20.06‰，濕季過量氘均值為13.05‰，濕季過量氘值明顯低于干季（圖4，表1）。降水過量氘（d）的這種季節(jié)變化是季風(fēng)區(qū)氣候的特點之一。

2.5 大氣降水δD（δ18O）與降水量和溫度的關(guān)系

圖 3 三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD和δ18O的關(guān)系Fig. 3 Relationship between δD and δ18O of precipitation in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area

將三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水中δD（δ18O）分別與降水量（P）建立線性回歸方程，得到P-δD的關(guān)系為：δD =（-0.88 ± 0.24）P+（-38.41 ± 4.47）（R2= 0.05，p＜ 0.01，n= 186）；P-δ18O的關(guān)系為：δ18O =（-0.09 ± 0.02）P+（-7.04 ± 0.52）（R2=0.04，p＜ 0.05，n= 186）。由表2可知，在年尺度上，三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD（δ18O）與降水量（P）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出降水量效應(yīng)；在季節(jié)尺度上，濕季降水量效應(yīng)顯著，而干季降水量效應(yīng)不顯著。

圖 4 三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水過量氘（d）月動態(tài)變化Fig. 4 Monthly variation of d -excess of precipitation in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area

表 2 三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD（δ18O）與降水量和溫度相關(guān)性統(tǒng)計 Table 2 Correlation coefficients between δD (δ18O) and precipitation and temperature in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area

將秭歸段大氣降水中δD（δ18O）分別與溫度（T）建立線性回歸方程，得到T-δD的關(guān)系為：δD =（-1.80 ± 0.28）T+（-24.23 ± 4.87）（R2= 0.18，p＜ 0.01，n= 186）；T-δ18O的關(guān)系為：δ18O =（-0.17 ± 0.03）T+（-5.84 ± 0.58）（R2= 0.12，p＜0.01，n= 186）。由表2可知，在年尺度上，大氣降水δD（δ18O）與溫度（T）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出反溫度效應(yīng)；濕季和干季δD、δ18O與溫度相關(guān)性不顯著。

2.6 降水水汽來源軌跡模型模擬

為進(jìn)一步探究三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水水汽來源，選取該地區(qū)3個水文年內(nèi)干季和濕季共6場典型降水事件（干季和濕季各選擇3場不同量級降水事件），利用HYSPLIT水氣團(tuán)軌跡模型對降水氣團(tuán)的運移路徑進(jìn)行模擬。HYSPLIT模擬結(jié)果顯示（圖5），濕季大氣降水氣團(tuán)主要來自于西太平洋、印度洋及我國南海，干季大氣降水氣團(tuán)主要來自于亞歐大陸內(nèi)部及局地的水汽蒸發(fā)。

圖 5 三峽庫區(qū)秭歸段典型降水事件水汽軌跡模擬Fig. 5 Trajectory map of air mass in typical rain events in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area

3 討論

3.1 大氣降水δD與δ18O的關(guān)系

三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD與δ18O的線性關(guān)系及長江流域季風(fēng)區(qū)多個城市（長沙[8]、武漢[22]、重慶[23]、南京[24]）大氣降水線的斜率和截距大于中國大氣降水線（δD = 7.9δ18O + 8.2）[21]，反映出這些地區(qū)大氣降水水汽輸送類型相似，且在一定程度上受到海洋水汽的影響。同時，本研究得到的三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水δD和δ18O的關(guān)系式的斜率和截距略大于長江流域季風(fēng)區(qū)多個城市[22-24]，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能有以下兩方面：（1）該研究采樣點位于湖北省秭歸縣三峽庫區(qū)，受該庫區(qū)長江水分的蒸發(fā)和長江兩岸較高森林覆蓋率的影響，空氣相對濕度較大，雨滴降落過程中受云下二次蒸發(fā)效應(yīng)影響較小，斜率和截距偏大[25]；（2）三峽庫區(qū)秭歸段地理位置及地形差異導(dǎo)致斜率和截距與其他城市相比存在一定程度的偏移，研究區(qū)海拔變化較大，區(qū)內(nèi)山區(qū)、丘陵相間，極易形成局地性降水[26]。

3.2 降水量效應(yīng)和溫度效應(yīng)

大氣降水中的氫氧同位素與其蒸發(fā)過程條件、分餾凝結(jié)過程、水汽傳輸形式與局地降水量、溫度等氣象要素密切相關(guān)[27]。我國降水氫氧同位素組成主要受降水量效應(yīng)和溫度效應(yīng)控制[28]。在年尺度上，三峽庫區(qū)秭歸段降水量效應(yīng)顯著；在季節(jié)尺度上，只有濕季有降水量效應(yīng)，這可能與秭歸段全年大部分降水均發(fā)生在濕季有關(guān)。研究區(qū)降水量效應(yīng)與同處在我國長江流域季風(fēng)區(qū)的武漢[22]、重慶[23]等地研究結(jié)果一致。這可能由以下兩方面原因造成：首先，庫區(qū)秭歸段濕季降水充沛，空氣飽和差很容易補償，雨水下落過程中不易蒸發(fā)，出現(xiàn)較低的δ值，從而引起顯著的降水量效應(yīng)。其次，中緯度季風(fēng)區(qū)降水中氫氧同位素具有明顯的降水量效應(yīng)[29]，而三峽庫區(qū)秭歸段、武漢及重慶等均屬于中緯度季風(fēng)區(qū)。

溫度也是影響降水氫氧同位素組成的主要因素之一[30-31]。在年尺度上，研究區(qū)大氣降水與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即反溫度效應(yīng)。這種現(xiàn)象在長江流域[18]等地均有報道。已有研究表明，反溫度效應(yīng)主要與研究區(qū)所處緯度有關(guān)[11]。研究區(qū)位于中低緯度季風(fēng)區(qū)，濕熱的氣候使雨滴降落過程中蒸發(fā)分餾不顯著，長江蒸發(fā)水汽與地面蒸發(fā)水汽增加了降水量，在某種程度上，降水量效應(yīng)抑制和掩蓋了溫度效應(yīng)，使其呈現(xiàn)出反溫度效應(yīng)。

3.3 過量氘（d）及HYSPLIT對大氣降水水汽來源的指示作用

大氣降水中過量氘（d）與水汽源地的氣象條件密切相關(guān)，因此，d值可以作為指示地區(qū)大氣降水水汽來源有效指標(biāo)[2]。以往的研究表明，水汽源地相對濕度是過量氘（d）季節(jié)變化的主要驅(qū)動因素[32]。研究區(qū)過量氘存在明顯的季節(jié)變化，干季d均值（19.47‰）顯著高于濕季d均值（12.76‰），這與李維杰[33]在我國西南地區(qū)的貴陽、重慶、成都等地研究結(jié)果一致，符合我國季風(fēng)影響區(qū)域的降水特點。這可能由于庫區(qū)濕季期間降水主要來源于海洋水汽凝結(jié)，空氣濕度大，因此d值較?。欢杉窘邓饕獊碜杂趦?nèi)陸水汽蒸發(fā)，空氣濕度小，水汽源區(qū)在不平衡條件下經(jīng)歷了快速蒸發(fā)過程，因此d值較大。此外，d值的變化規(guī)律與HYSPLIT模擬的水汽來源較為一致，可見，地區(qū)大氣降水氫氧同位素特征能為識別其水汽來源提供有效信息。

HYSPLIT模擬結(jié)果顯示，三峽庫區(qū)秭歸段干季和濕季水汽來源存在明顯差異。在干季，該庫區(qū)降水主要受大陸性季風(fēng)控制，降水氣團(tuán)主要來自高緯度西風(fēng)帶輸送的亞歐大陸內(nèi)部及局地水汽的蒸發(fā)補給，降水量小，空氣濕度較低，因此，降水δD和δ18O富集。而在濕季，隨著東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)于5月中旬在我國沿海地區(qū)登陸，大量濕潤、蒸發(fā)較弱的海洋氣流向內(nèi)陸推進(jìn)，降水量明顯增加，大氣降水δD和δ18O表現(xiàn)出明顯的下降趨勢；遠(yuǎn)距離海洋水汽輸送到三峽庫區(qū)過程中，δD和δ18O不斷冷凝而優(yōu)先從水汽中分離出來，致使δD和δ18O逐漸貧化。由此可見，本研究區(qū)大氣降水δD（δ18O）的周期性季節(jié)變化與水汽來源密切相關(guān)。此結(jié)果與同處長江流域季風(fēng)區(qū)的武漢[22]、重慶[23]、長沙[8]等地結(jié)果一致。

4 結(jié)論

（1）三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水氫氧同位素關(guān)系式為：δD = 8.52 δ18O + 20.11（R2= 0.96，p ＜0.01，n = 186），反映出三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水在一定程度上受到海洋水汽的影響。

（2）三峽庫區(qū)秭歸段大氣降水過量氘（d）具有明顯的季節(jié)變化，主要與水汽來源季節(jié)性差異密切相關(guān)。濕季水汽主要受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)所攜帶海洋水汽的影響，過量氘（d）值較低；干季大氣降水氣團(tuán)主要來自于亞歐大陸內(nèi)部及局地的水汽蒸發(fā)，過量氘（d）值較高。

（3）不同時間尺度下，影響三峽庫區(qū)秭歸段降水氫氧同位素變化的環(huán)境因子存在差異。年尺度上，主要受“降水量效應(yīng)”和“反溫度效應(yīng)”影響。在季節(jié)尺度上，降水量是濕季降水氫氧同位素值變化的主要影響因素。