三門峽庫區(qū)濕地水體氫氧同位素變化特征研究

王富強(qiáng), 普雋澤, 康萍萍

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

大氣降水、地表水、地下水和土壤水是濕地水循環(huán)中的重要組成部分。自然界中的水由氫、氧兩種化學(xué)元素組成,這兩種化學(xué)元素都存在質(zhì)量不同的同位素[1],穩(wěn)定同位素D和18O可以在不同水體中發(fā)揮十分重要的示蹤作用。杜康等[2]針對(duì)典型黃土丘陵區(qū)不同水體中氫氧同位素的研究發(fā)現(xiàn),不同水體中的氫氧同位素隨時(shí)間變化較大;何明霞等[3]解析白洋淀濕地各水體的氫氧同位素組成特征時(shí)發(fā)現(xiàn),白洋淀地區(qū)水體中的氫氧同位素在枯水期富集、豐水期貧化,水體來源差異和蒸發(fā)作用程度影響著水體中穩(wěn)定氫氧同位素的組成;謝金艷等[4]采用同位素示蹤技術(shù),得出δD值在從淺至深的土壤水中表現(xiàn)出周期變化規(guī)律。林聰業(yè)等[5]依據(jù)采樣結(jié)果,對(duì)拉薩河流域中的氫氧同位素開展研究,探尋不同水體間的補(bǔ)給關(guān)系和時(shí)空變化特征。任行闊等[6]分析研究慕士塔地區(qū)大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素組成,得出其變化特征及相關(guān)關(guān)系。通過調(diào)查研究不同水體中氫氧同位素的分布特征,可以判別不同水體的變化趨勢(shì)和轉(zhuǎn)化關(guān)系。

濕地、森林與海洋生態(tài)系統(tǒng)被稱為三大生態(tài)系統(tǒng),對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定具有重要意義[7]。三門峽庫區(qū)地處黃河中游,是水資源匱乏區(qū),水資源的合理利用已經(jīng)成為推動(dòng)三門峽市發(fā)展的關(guān)鍵因素[8]。三門峽水庫的修建對(duì)于三門峽庫區(qū)濕地的形成和演變有重大影響。三門峽庫區(qū)濕地是一個(gè)多種濕地類型并存且開放統(tǒng)一的復(fù)合型濕地,其中最具代表性的是多泥沙河流濕地,該濕地對(duì)該地區(qū)的水沙平衡、生態(tài)區(qū)域健康等具有重要意義。近年來,由于水資源的過度開采和水體污染,三門峽庫區(qū)濕地資源大幅減少,濕地面積銳減,水體中污染物含量升高[9],濕地生態(tài)系統(tǒng)功能減弱,生態(tài)安全受到威脅。為阻止三門峽庫區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的衰退,探究三門峽水庫特殊運(yùn)行方式下的濕地水文循環(huán)特征和水體間的相互關(guān)系,為濕地的保護(hù)和管理尋找科學(xué)依據(jù)。

文中基于穩(wěn)定同位素技術(shù),對(duì)三門峽庫區(qū)濕地不同水體中的氫氧同位素特征及其空間分布進(jìn)行分析,探究這些水體中氫氧同位素的變化趨勢(shì)和水庫不同運(yùn)行方式下濕地的水循環(huán)過程。

1 研究區(qū)域

1.1 區(qū)域概況

三門峽水庫工程于1960年9月建成并開始蓄水運(yùn)用,作為興建在黃河干流上的第一個(gè)水利工程,數(shù)年來,主要承擔(dān)防汛、發(fā)電等任務(wù)。三門峽庫區(qū)地處陜西、山西、河南三省交界處。庫區(qū)內(nèi)河流濕地長(zhǎng)約110 km、平均寬度3 km,某些區(qū)域最寬可達(dá)6 km,生長(zhǎng)有蘆葦、白茅等植物。三門峽庫區(qū)屬于典型暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年氣溫均值為13 ℃左右,年降水量為400～600 mm,7—9月是降水集中的豐水期[10]。依據(jù)現(xiàn)有水文資料及水庫運(yùn)行規(guī)律可知,7—9月為三門峽水庫泄水期,其余月份為蓄水期。三門峽水庫史家灘水文觀測(cè)站為壩前水文觀測(cè)站,其水位高低對(duì)水庫的正常運(yùn)行及庫區(qū)濕地的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義,結(jié)合史家灘水文觀測(cè)站1974—2017年運(yùn)行水位數(shù)據(jù)可知,4月份水位為一年中最高水位,7月份水位為一年中最低水位。

1.2 研究區(qū)域的界定

選定的研究區(qū)域?yàn)殇P(guān)水文斷面至三門峽大壩斷面間的多泥沙河流濕地,長(zhǎng)約160 km,如圖1所示,研究區(qū)域內(nèi)包含的城市主要有河南省的三門峽市、陜西省的渭南市和山西省的運(yùn)城市。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

依據(jù)與研究區(qū)域相關(guān)的水文氣象資料,并結(jié)合三門峽庫區(qū)濕地的主要特征及三門峽水庫的運(yùn)行方式和庫區(qū)形成條件,最終確定采集樣品的時(shí)間和地點(diǎn),于2018年4月和8月、2019年1月和7月、2020年6月進(jìn)行水體樣品采集工作。采樣地點(diǎn)如圖2所示。

圖2 野外取樣點(diǎn)位分布

2.1.1 河流水樣品

為避免水體表面其他物質(zhì)的影響[11],在潼關(guān)水文觀測(cè)站、楊家灣控導(dǎo)工程等5個(gè)地方的河道靠近岸邊距離水面10 cm以下的位置,共取得19個(gè)河流水樣品。

2.1.2 地下水樣品

為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,采樣前,抽取地下水靜置5 min左右,以排除抽水管道先前存有的余水[12],在楊家灣控導(dǎo)工程、潼關(guān)水文觀測(cè)站斷面等地方,共取得9個(gè)村莊自打井的地下水樣品。

2.1.3 土壤水樣品

因?yàn)橥寥朗且粋€(gè)不均體,影響檢測(cè)結(jié)果的因素較多,且土壤水不能直接獲得,需要對(duì)含水土壤提取分離后獲得。因此在采集土壤水樣品時(shí),使用專業(yè)取土器分別取10、20、30、40 cm左右深度的庫區(qū)濕地土壤水樣品。在山西西王村、天鵝湖濕地等取得49個(gè)土壤水樣品。

2.2 樣品檢測(cè)

同位素比值用來表征某一元素的重同位素原子與輕同位素原子的豐度之比。由于同位素比值的測(cè)定儀器質(zhì)譜儀中存在同位素分餾,并且在實(shí)踐中,穩(wěn)定同位素在自然界中含量較低,用絕對(duì)量表達(dá)同位素的差異比較困難,難以直接測(cè)量同位素比值,因此通常采用相對(duì)的方法獲取結(jié)果。即將待測(cè)樣品中同位素比值(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素比值)進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果稱為同位素含量,定義如下:水樣中穩(wěn)定同位素18O含量δ18O=18O/16O和同位素D的含量δD=2H/1H的高低采用相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)海洋水(SMOW)的千分差[13-14]來表示:

(1)

式中Rsample為樣品重同位素與輕同位素之比,以Vienna Standard Mean Ocean Water[15]為比值標(biāo)準(zhǔn)Rstandard。全部樣品的穩(wěn)定氫氧同位素分析試驗(yàn)均在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所實(shí)驗(yàn)室完成。樣品檢測(cè)采用高溫裂解元素分析儀,δD和δ18O同位素的檢測(cè)精度分別為±1‰和±0.2‰。

2.3 分析方法

運(yùn)用Excel軟件和SPSS軟件完成樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的整理及δ18O和δD含量相關(guān)關(guān)系擬合分析;選用ArcGIS和Origin 2018完成制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水體穩(wěn)定氫氧同位素總體特征

三門峽庫區(qū)濕地5次水體樣品采集結(jié)果如表1和圖3所示。蒸發(fā)作用、含水介質(zhì)等因素對(duì)不同水體中的穩(wěn)定氫氧同位素含量存在不同程度的影響,結(jié)合5次水體樣品采集的結(jié)果(表1和圖3)可以看出:土壤水中的δ18O和δD最為富集,河流水中的次之,地下水中的最為貧化,這是由于較輕的原子會(huì)在河流水和土壤水的強(qiáng)烈蒸發(fā)中發(fā)生分餾,并隨空氣蒸發(fā)而留下較重的δ18O和δD,因此河流水和土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量高于地下水中穩(wěn)定氫氧同位素的含量?？傮w來看,河流水中δ18O和δD的變化幅度最小,水中同位素18O和D含量最為穩(wěn)定;而土壤水中δ18O和δD含量的變化幅度最大,水中同位素18O和D的含量波動(dòng)較大。

表1 三門峽庫區(qū)濕地不同水體中δD和δ18O平均值 ‰

圖3 三門峽庫區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O關(guān)系

3.2 不同水體中穩(wěn)定氫氧同位素的時(shí)空變化特征

3.2.1 時(shí)間變化特征

三門峽庫區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O點(diǎn)位分布如圖4所示。從圖4中總體來看,河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2020年蓄水期的最低,且在三門峽水庫2020年蓄水期,河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量出現(xiàn)了相差較大的極小值,這很有可能是河流水從上游到下游的過程中,受到了水庫用水供給嚴(yán)重不平衡以及自然地理環(huán)境被破壞的影響。

圖4 三門峽庫區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O點(diǎn)位分布

通過對(duì)比圖4(a)中同一地點(diǎn)不同年份的水樣中的穩(wěn)定氫氧同位素含量可發(fā)現(xiàn):潼關(guān)斷面處,河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2020年蓄水期的最低;西王村處,泄水期河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的較2019年的高;楊家灣控導(dǎo)工程處,蓄水期河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的最高,2019年的最低;天鵝湖濕地處,蓄水期河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的最高,2019年的最低;三門峽大壩處,河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,泄水期2019年的最低。

通過對(duì)比圖4(b)中結(jié)果可知,三門峽庫區(qū)濕地所采地下水樣品中,各月份中穩(wěn)定氫氧同位素的含量相差不大;進(jìn)而比較在相同位置3年不同時(shí)期的地下水采樣結(jié)果發(fā)現(xiàn):潼關(guān)水文站內(nèi)水井處,2018年泄水期地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量較蓄水期的高;楊家灣控導(dǎo)工程處,地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期較2019年泄水期的高;辛店村內(nèi)水井處,泄水期地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年較2019的高?？傮w而言,地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量泄水期的較蓄水期的高。這可能與地下水在水庫泄水期時(shí)受到的蒸發(fā)作用更強(qiáng)有關(guān)。

通過對(duì)比圖4(c)中結(jié)果可知,三門峽庫區(qū)濕地土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年泄水期的最高,2019年蓄水期的最低。分析比較不同取樣時(shí)間同一地點(diǎn)的土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量知:天鵝湖濕地處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2019年泄水期的最高,2018年泄水期的和2020年蓄水期的次之,2018年蓄水期的最低;潼關(guān)水文站處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2019年泄水期的和2018年泄水期的次之,2019年蓄水期的最低;西王村處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2018年泄水期的次之,2019年泄水期的最低;三門峽大壩處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2019年蓄水期的最低;楊家灣控導(dǎo)工程處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2018年蓄水期的最低。就總體情況而言,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量泄水期的較蓄水期的高。

3.2.2 空間變化特征

三門峽庫區(qū)濕地水體中δ18O和δD沿程變化如圖5所示。

圖5 三門峽庫區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O沿程變化

由圖5(a)可知,蓄水期三門峽庫區(qū)濕地河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量如下:①2018年、2019年和2020年,δ18O值總體沿程增加;②2018年、2019年,δD值總體沿程減小,2020年δD值總體沿程增加。水庫蓄水時(shí),河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的高于2020年和2019年的,2020年的高于2019年的。結(jié)合史家灘水文觀測(cè)站觀測(cè)到的水位全年變動(dòng)情況,三門峽水庫最高水位出現(xiàn)在2018年水庫蓄水期,說明2018年水庫蓄水期時(shí)的水面面積最大。隨著氣溫逐漸升高,伴隨著強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,水體體積逐漸縮小,氫氧離子含量隨之升高,重同位素富集,促使氫氧同位素含量升高。在泄水期,2018年和2019年,δ18O值和δD值均呈現(xiàn)出沿程先降低后增加的變化趨勢(shì),總體來看均降低。水庫泄水時(shí),河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的高于2019年的。2018年,當(dāng)三門峽水庫處于敞開敞泄的泄水期,濕地水位下降,伴隨著降水增多,使得河流水中的氫氧同位素含量降低。2019年泄水期采集樣品時(shí),降水集中,河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量受到降水量較大影響,導(dǎo)致2019年泄水期水樣品中穩(wěn)定氫氧同位素含量較2018年泄水期同期水樣品中的低。

由圖5(b)可知,水庫蓄水期時(shí)地下水中穩(wěn)定氫氧同位素含量沿程減小,在水庫泄水期該含量沿程略增加。這是由于地下水遠(yuǎn)離地面,不能直接受到大氣降水的補(bǔ)給,只受到較小的蒸發(fā)作用,且地下水的構(gòu)成極其復(fù)雜,穩(wěn)定氫氧同位素含量的沿程分布特征也存在差異,加之三門峽庫區(qū)濕地地下水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),導(dǎo)致三門峽庫區(qū)濕地地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量出現(xiàn)水庫蓄水期沿程減小,泄水期沿程增加的趨勢(shì)。

由圖5(c)可知:2018年蓄水期土壤水中δ18O和δD呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì);2018年泄水期、2019年蓄水期、2019年泄水期和2020年蓄水期的土壤水樣品中的δ18O和δD呈現(xiàn)波動(dòng)變化,總體呈降低的趨勢(shì)。在泄水期和蓄水期,三門峽庫區(qū)濕地的土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量總體均呈現(xiàn)出沿程降低的趨勢(shì),這可能與土壤水的存在形式多樣及這些水體間會(huì)發(fā)生不同程度的混合有關(guān)。

3.3 不同水體中δD和δ18O的相關(guān)關(guān)系

CRAIG H[16]研究了全球的降水樣品,發(fā)現(xiàn)δD和δ18O間存在著一定線性關(guān)系。DANSGAARD W[17]在經(jīng)過相關(guān)具體研究分析之后,首先提出了氘盈余這一觀點(diǎn),用d表示,計(jì)算公式為:d=δD-8δ18O。大氣降水與蒸發(fā)水汽凝結(jié)是否平衡穩(wěn)定可以用氘盈余d來判斷,判斷的依據(jù)是d值越偏正且越小,則說明該地區(qū)降水與蒸發(fā)的不平衡程度越大,反之,d值偏負(fù)且其絕對(duì)值越大,說明該地區(qū)降水與蒸發(fā)的不平衡程度就越小。尹觀等[18]在研究不同水體間的運(yùn)移過程時(shí),把氘盈余引入生態(tài)水文研究中,并作為一項(xiàng)判斷標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)如果某一地區(qū)的大氣降水線可以確定,其氘盈余d的值也能經(jīng)大氣降水線方程逆推計(jì)算后確定,且不受相關(guān)地理因素和人為因素的影響。

不同水體氘盈余d值計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知,不同水體中的氘盈余d值是有差異的,d河流水>d地下水>d土壤水,河流水雖然可能同時(shí)受到降水和蒸發(fā)的作用,但總體來看,河流水中的同位素18O和D含量是最穩(wěn)定的,地下水中的次之,土壤水中的最不穩(wěn)定。

表2 不同水體中的氘盈余d值

對(duì)于某一個(gè)確定的研究區(qū)域,大氣降水線表示的是該地區(qū)降水中δD和δ18O的線性方程關(guān)系,徐學(xué)選等[19]根據(jù)1961—2001年間GNIP對(duì)全國(guó)324對(duì)和全球3 281對(duì)大氣降水氫氧同位素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到全球大氣降水線(δD=7.977δ18O+9.126(n=3 281,R2=0.988))、全國(guó)大氣降水線(δD=7.887δ18O+8.609(n=324,R2=0.976))。

因三門峽市地處西安市和鄭州市交界之處,對(duì)比三門峽市、鄭州市、西安市3個(gè)地區(qū)的緯度、氣候等影響大氣降水的主要因素,可以看出3個(gè)地區(qū)都屬于溫帶季風(fēng)氣候,其年降水量相差不大,且年降水量集中分布時(shí)間段基本相同,都集中于夏季,因此可以選用高建飛等[20]所收集的鄭州站與西安站的大氣降水?dāng)?shù)據(jù),去推求當(dāng)前研究區(qū)域的大氣降水線(LMWL),得到研究區(qū)域大氣降水線為δD=6.71δ18O-6.07。

再對(duì)三門峽庫區(qū)濕地的河流水、地下水和土壤水樣品中的δ18O值和δD值進(jìn)行擬合,得到這3種水樣中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系的線性方程分別為:δD=6.342δ18O-2.873(n=19,R2=0.967),δD=4.928δ18O-19.425(n=9,R2=0.944),δD=6.390δ18O-3.588(n=49,R2=0.898)。三門峽庫區(qū)濕地水體中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系如圖6所示。

圖6 三門峽庫區(qū)濕地水體δD與δ18O相關(guān)關(guān)系

由圖6可以看出:全球、全國(guó)大氣降水線的斜率和截距高于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的,這是因?yàn)檠芯繀^(qū)域地處內(nèi)陸,降水較少,并受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用;河流水和土壤水中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系的線性方程斜率和截距相近,且均小于3條大氣降水線的斜率與截距,表明河流水和土壤水受到一定的蒸發(fā)作用,并且在受到大氣降水補(bǔ)給時(shí)出現(xiàn)了程度不一的同位素富集情況。地下水中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系的線性方程的斜率和截距與其他水體中的相比最小,受較強(qiáng)的蒸發(fā)作用,與大氣降水、河流水和土壤水關(guān)系密切。降水落到地面,一部分供給動(dòng)植物生長(zhǎng),另一部分會(huì)直接補(bǔ)給河流水和土壤水,再經(jīng)土壤層下滲,間接補(bǔ)給地下水。從大氣降水到土壤水,δD和δ18O相關(guān)關(guān)系線性方程的相關(guān)系數(shù)在逐漸變小,表明隨著大氣降水的不斷滲透,不同水體之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

以三門峽庫區(qū)濕地為研究區(qū)域,結(jié)合5次野外采樣收集的水庫蓄水期和泄水期穩(wěn)定氫氧同位素?cái)?shù)據(jù),分析了庫區(qū)濕地大氣降水、河流水、地下水和土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素的組成特征及其時(shí)空變化特征,利用SPSS等軟件探究了這些水體中δ18O和δD的相關(guān)關(guān)系,并推測(cè)庫區(qū)濕地不同水體間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系,得出以下主要結(jié)論:

1)三門峽庫區(qū)濕地中,土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量最為富集,河流水中的次之,地下水中的最為貧乏。

2)三門峽庫區(qū)濕地各水體中穩(wěn)定氫氧同位素特征為:河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量在水庫蓄水期時(shí)2018年的較2020年的和2019年的高,在水庫泄水期時(shí)2018年的較2019年的高;地下水中穩(wěn)定氫氧同位素含量在水庫蓄水期時(shí)的低于泄水期時(shí)的;土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量在水庫泄水期的較蓄水期的高。不同水體中穩(wěn)定氫氧同位素含量在不同水庫運(yùn)行時(shí)期呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì),蓄水期時(shí),河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì),地下水和土壤水中的呈總體減小的趨勢(shì);泄水期時(shí),河流水和土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量呈現(xiàn)總體減小的趨勢(shì),地下水中的呈總體增加的趨勢(shì)。

3)對(duì)三門峽庫區(qū)濕地內(nèi)河流水、地下水和土壤水中的δ18O與δD值進(jìn)行線性回歸擬合,得到各類水體中δ18O與δD的相關(guān)關(guān)系方程分別為:δD=6.342δ18O-2.873(n=19,R2=0.967),δD=4.928δ18O-19.425(n=9,R2=0.944),δD=6.390δ18O-3.588(n=49,R2=0.898)。不同水體之間存在不同程度的轉(zhuǎn)換,且均受到大氣降水的補(bǔ)給。