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青藏高原東北部高山環(huán)境的水穩(wěn)定同位素分析

日期: 2020-03-10
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摘要:氫氧穩(wěn)定同位素作為水分子的組成部分,可以用來(lái)描述區(qū)域水循環(huán),因?yàn)樗麄兛梢越沂鞠嚓P(guān)水文過(guò)程的信息,包括降水,滲透,蒸發(fā)和蒸騰作用。盡管自然豐度低,但其重同位素對(duì)氣候和水文變化敏感。不同水體的穩(wěn)定同位素可用于研究水汽輸送,植物水源和水分利用模式,土壤水輸送和補(bǔ)給機(jī)制,徑流的形成和匯合,補(bǔ)給源和地下水機(jī)制等。因此,穩(wěn)定同位素在水文和氣候研究中很受關(guān)注。水文過(guò)程會(huì)對(duì)內(nèi)陸多山地區(qū)的水資源產(chǎn)生影響。為全面調(diào)查水循環(huán)的重要部分,作者以祁連山為研究對(duì)象,于2016年植物生長(zhǎng)季(5-9月)采集降水,植物,土壤,河水和地下水。每次降雨事件后采集降水,其他樣品每月采集一次。利用全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)(LI-2100)將植物和土壤樣品中的水分提取出來(lái),利用LGR液態(tài)水同位素分析儀DLT-100測(cè)量δ18O和δ2H以追蹤干旱山區(qū)水循環(huán)的一系列關(guān)鍵參數(shù),提取基線信息,以及研究降水和其他水同位素特征的變化。結(jié)果表明:“溫度效應(yīng)”很明顯,說(shuō)明氣候干燥;表層土壤水δ18O變化很大,深層土壤水趨于相似,隨著土壤深度的增加同位素值逐漸減小。土壤水同位素對(duì)降水脈沖的響應(yīng)具有不同邊界。在無(wú)降水發(fā)生的月份,檸條主要水源為0-30 cm的土壤水,發(fā)生降水事件時(shí)吸收水源則不同??傊€(wěn)定同位素的研究結(jié)果為認(rèn)識(shí)水文過(guò)程提供了新的見(jiàn)解,并為了解干旱地區(qū)山區(qū)的水循環(huán)提供了新的手段。


1.本研究的目標(biāo)

(1)與最常用的方法(普通最小二乘法回歸,OLSR)相比,分析不同的大氣降水線回歸的適用性;

(2)不同樣地土壤水同位素剖面變化以及影響因素;

(3)干旱山區(qū)植物如何利用不同深度的土壤水,以及不同樣地同種植物對(duì)土壤水的利用是否相同;

(4)降水,河水和地下水的補(bǔ)給以及(5)從同位素視角研究上述水體的關(guān)系。我們從中可以了解不同水體穩(wěn)定同位素特征以及內(nèi)部相互作用,為中國(guó)以外類似山區(qū)水循環(huán)過(guò)程的研究提供了一個(gè)參考。


2.結(jié)果

2.1降水的同位素組成

圖2顯示了利用6種回歸方法(OLSR,MA,RMA,PWLSR,PWMA,PWRMA)擬合的3個(gè)樣地的LMWL。斜率差異表現(xiàn)為烏鞘嶺最小,天祝次之,古浪最大。祁連山“降水量效應(yīng)”不顯著,而“溫度效應(yīng)”很明顯(表4)。古浪δ18O和溫度的相對(duì)系數(shù)最小,各種回歸之間的斜率差異卻最大。

青藏高原東北部高山環(huán)境的水穩(wěn)定同位素分析

2.2土壤水的同位素組成

圖3顯示了生長(zhǎng)季0-100 cm土壤水的同位素組成以及含水量變化。由于受到蒸發(fā)作用的影響,表層土壤水δ18O富集,變化顯著,而深層土壤趨于穩(wěn)定。隨土壤深度的增加,同位素值逐漸減小。

古浪和天祝同位素值的季節(jié)性變化比烏鞘嶺更顯著,反映了降水同位素信息的變化。古浪和天祝夏季(6-8月)土壤水的δ18O高于其它月份,需要注意的是烏鞘嶺0-70 cm土壤水的δ18O變化顯著,表明了降水滲透到該土壤層。

青藏高原東北部高山環(huán)境的水穩(wěn)定同位素分析

從圖4可以看出,三個(gè)樣地土壤水δ18O和δ2H隨月份變化小,而土壤溫度變化較大,這表明溫度不是影響土壤水同位素的唯一因素,其它因子(例如植物覆蓋率)也發(fā)揮著作用。

青藏高原東北部高山環(huán)境的水穩(wěn)定同位素分析

2.3地下水和河水的同位素組成

就每個(gè)樣地而言,河水和地下水δ18O和δ2H的變化趨勢(shì)基本一致,表明兩種水體具有相似的水源(圖6)。在大多數(shù)月份,河水的同位素值高于地下水,這表明河水由于暴露于空氣中而蒸發(fā)更多。河水和地下水樣品中有交叉點(diǎn),這表明了水交換和相互供應(yīng)的關(guān)系(古浪和天祝的交點(diǎn)發(fā)生在6月,烏鞘嶺在8月)。

青藏高原東北部高山環(huán)境的水穩(wěn)定同位素分析

2.4植物水分吸收模式

不同月份,同一植物的水分吸收模式是有差異的。根據(jù)平均值和50%四分位,古浪(圖10)檸條吸收的主要水源為30–70 cm(5月), 0–30 cm(6月),70–100 cm(7月),0–30 cm(8月),和0–30 cm(9月)土層。

烏鞘嶺(圖11)8月無(wú)降水發(fā)生,主要水源為0-30 cm土層,與古浪相似。其它月份,雖然有幾次降水發(fā)生,每個(gè)月水源也是不同的:5月為0-30 cm土層,6月每個(gè)土層比例相似,7月采樣前1天發(fā)生降水事件,9月70-100 cm土層。

在無(wú)降水發(fā)生的月份,天祝(圖12)與上述其它兩個(gè)樣地結(jié)果一致。其它月份,水分吸收模式發(fā)生了變化。5月發(fā)生了1次降水事件,每個(gè)水源對(duì)植物的貢獻(xiàn)率相似,6月對(duì)0-30 cm土層的吸收比例增加了。7月發(fā)生了6次降水事件,每個(gè)水源對(duì)植物的貢獻(xiàn)率相似,但是在9月,發(fā)生5次降水事件,植物吸收水源主要為0-30 cm土層。

青藏高原東北部高山環(huán)境的水穩(wěn)定同位素分析

結(jié)論:在三個(gè)樣地,“溫度效應(yīng)”是明顯的,表明了蒸發(fā)富集。6種回歸方法(OLSR,MA,RMA,PWLSR,PWMA,PWRMA)的斜率差異表現(xiàn)為烏鞘嶺最小,天祝次之,古浪最大。表層土壤水δ18O的變化很大,深層土壤水δ18O趨于相似。隨著土壤深度的增加,同位素值逐漸變小。δ18O和δ2H隨月份變化很小,而土壤溫度變化明顯,這表明溫度并不是影響土壤水同位素的唯一因素。不同樣地土壤水同位素對(duì)降水的響應(yīng)不同,且他們的土壤層邊界是不同的,烏鞘嶺的土壤層邊界為表層以下20 cm和60 cm,而天祝為40 cm。河水和地下水的δ18O和δ2H變化的一致性表明其水源相似。這兩個(gè)水體之間的相似性表明了水的交換過(guò)程。3個(gè)樣地降水,河水和地下水之間的關(guān)系是有差異的。烏鞘嶺和天祝的河水與地下水的水力聯(lián)系強(qiáng)于古浪。利用3個(gè)樣地相同植物種(檸條)木質(zhì)部的同位素?cái)?shù)據(jù)結(jié)合IsoSource模型的結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著月份和樣地的變化植物水分利用模式會(huì)發(fā)生變化,但是在無(wú)降水月份中,不同樣地之間水分利用模式是相同的,即植物依賴于0-30 cm的土壤水。

青藏高原東北部高山環(huán)境的水穩(wěn)定同位素分析Water Stable Isotopes in an Alpine Setting of the Northeastern Tibetan Plateau.pdf

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