哈尼梯田水源區大氣降水氫氧同位素特征及水汽來源

普慧梅, 宋維峰,*, 吳錦奎, 王卓娟, 馬菁, 張小娟

哈尼梯田水源區大氣降水氫氧同位素特征及水汽來源

普慧梅1, 宋維峰1,*, 吳錦奎2, 王卓娟3, 馬菁4, 張小娟5

1. 西南林業大學生態與環境學院, 昆明 650224 2. 中國科學院西北生態環境資源研究院, 蘭州 730000 3. 甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司, 蘭州 730030 4. 北京林業大學水土保持學院, 北京 100083 5. 重慶市渝西水利電力建筑勘測設計院, 重慶 402160

基于哈尼梯田水源區2014年6—8月和2015年全年(共15個月)采集的89個事件降水同位素數據, 結合相關氣象資料, 分析了降水中氫氧同位素組成的變化及其影響因子。利用后向軌跡模型(HYSPLIT)追蹤了梯田水源區降水的水汽來源。結果表明: 研究區大氣降水中穩定同位素組成具有明顯季節差異, 濕季(5月—10月)δ D和δ18O貧化,值低; 干季(11月至次年4月)δ D和δ18O值相對偏正,值偏高。區域降水線的斜率和截距均低于全球和中國大氣降水線。降水同位素組成存在一定的降水量效應, 但不存在溫度效應。干季大氣降水的水汽主要來源于西風帶輸送的印度洋水汽以及局地蒸發, 濕季的水汽主要來源于西太平洋和印度洋。

大氣降水; 水汽來源; 氫氧穩定同位素; 過量氘; 哈尼梯田

0 前言

穩定同位素對環境變化非常敏感, 記錄了水循環的整個歷史信息, 因此, 天然水體中的氫氧穩定同位素(δＤ、δ18O)廣泛地應用于研究全球水文循環和氣候變化[1–4]。大氣降水δＤ、δ18O的變化特征有助于了解和認識不同地理區域的大氣水汽來源及循環歷史, 同時可反映天氣氣候和區域自然地理特征[5], 被廣泛應用于水汽源地的示蹤[6,7]、局地水汽循環[8,9]、古氣候重建[10,11]、大氣模型相關參數的優化及天氣預測[12,13]等的研究。近幾十年來, 國內很多地方均展開了對降水δＤ、δ18O組成及其水汽來源的研究, 取得了豐富的成果[14–18]。已有的研究發現, 由于地理和氣候條件的差異, 不同地區大氣降水δＤ、δ18O組成特征的地域差異顯著[18–20]。因此, 多地區原始資料的積累是進一步研究我國大氣降水穩定同位素特征的基礎[1, 5]。作為我國季風區的典型區域, 西南地區地形地貌復雜多樣, 垂直氣候差異明顯, 降水水汽來源及其影響因素非常復雜, 以往的研究證實, 西南地區的水汽包括西風帶水汽、印度洋水汽、孟加拉灣水汽、東南季風水汽等, 降水δＤ、δ18O特征表現出明顯的海洋性氣候[21]。目前有關西南地區降水δＤ、δ18O的研究主要集中于大尺度地區, 而缺乏對小尺度地區水汽來源及其運移過程的精細研究, 特別是對有涵養水源、調節氣候等重要作用的林區的研究相對較少。

分布于云南省紅河哀牢山南段的哈尼梯田, 因其具有“森林—村寨—梯田—河流”四素同構的循環生態系統, 在云南遭遇百年一遇的全省性特大旱災時, 仍能保證了哈尼梯田人工濕地的水流一年四季從不間斷。因此, 本文基于2014年6—8月、2015年全年共15個月89個大氣降水的氫氧同位素樣品實測值, 結合環境因子, 分析了哈尼梯田水源區大氣降水δＤ、δ18O組成及其與氣象要素之間的關系, 深入探討了該區大氣降水的水汽來源和運移過程, 以期為定量研究哈尼梯田區森林-梯田復合生態系統水汽循環和地表水循環過程提供科學依據, 為進一步完善全國乃至全球降水同位素監測網絡數據提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選取了位于元陽縣麻栗寨河流域上游的全福莊小流域水源區為降水采樣站點。全福莊小流域面積約為79.9 hm2, 地理位置為102°45'—102°53' E, 23°03'—23°10' N, 海拔在1 720—2 073 m之間。該地區多年平均氣溫為20.5 ℃, 多年平均降水量為1397.6 mm, 降水主要集中在5—10月, 占全年降雨量的78%。本次取樣點位于全福莊小流域水源區露天空曠位置, 四周無遮擋雨、雪的高大樹木。

1.2 樣品采集與穩定同位素組分的測定

2014年6—8月、2015年1—12月, 在全福莊小流域水源區露天空曠位置采集降水樣品共89個。降水樣品采集使用簡易的集水裝置: 頂部為直徑10 cm圓形的漏斗, 下面連接一個500 ml的聚乙烯瓶, 為防止水分蒸發, 在漏斗口放置一個乒乓球。每次降雨結束后立即收集水樣, 如果降雨發生在晚上則第二天早上收集。將收集到的水樣由塑料瓶轉入50 ml離心管中, 并立即用Parafilm膜封口, 保存在低溫保溫箱中帶回實驗室后冷藏保存(1—4℃)。文中所涉及的降雨、氣溫等氣象資料均由元陽縣新街氣象站提供。

所有降水樣品在中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈國家重點科學實驗室進行測定分析。使用美國Los Gatos Research (LGR)公司生產的液態水穩定同位素分析儀(型號DLT-100, Los Gatos Research, Mountain View, CA, USA), 采用離軸積分腔輸出光譜技術(off-axis integrated cavity output spectroscopy, OA-ICOS)。分析結果用分析水樣與VSMOW的千分差[22]來表示:

式中,sample為大氣降水樣品中的穩定氫或氧同位素的比率,V-SMOW表示維也納標準平均海洋水中的穩定氧或氫同位素比率。δＤ和δ18O的分析精度分別為±1‰和±0.2‰。

Dansgaard將大氣降水中δＤ、δ18O出現的差值定義為過量氘(), 其值可較直觀的反映該地區大氣降水蒸發、凝結過程的不平衡程度, 常將其作為示蹤水汽來源的參數[23,24], 方程為:

=δＤ? 8×δ18O

1.3 后向軌跡模型HYSPLIT

采用美國國家海洋大氣管理局開發的拉格朗日積分軌跡模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, HYSPLIT https://ready. arl.noaa.gov/HYSPLIT.php) 模擬研究區大氣降水的水汽來源和氣團傳輸途徑: 以研究區中間位置處為軌跡終點, 經緯度坐標為 102°48' E、23°05' N, 初始高度分別為500、1000和1500 m(距研究區地面), 共3個高度層上水汽的后向運動軌跡, 向后追蹤5 d, 即144 h。對2014年6—8月、2015年全所有降水事件做逐日分析; 再結合研究區整個觀測期內δ18O及氘盈余變化, 以此來揭示哈尼梯田水源區降水水汽來源。

2 結果與分析

2.1 大氣降水中氫氧穩定同位素變化特征

研究區大氣降水樣品中δ D、δ18O值的變化如圖1所示, δ D介于-156‰—-14‰之間, 均值為-66.7‰ ± 28.5‰; δ18O介于-24.9‰—-1.5‰之間, 均值為-9.50‰ ± 3.77‰。其值均處于全球、我國及中國西南地區各地[20]大氣降水δ D、δ18O值變化范圍內。大氣降水中δ D、δ18O均值較全球均值(δ D值為-22‰, δ18O值為-4‰)、我國均值(δ D值為-50‰, δ18O值為-8‰)和中國西南地區各地(-96.97‰—-54‰, -11.57‰—-7.26‰)更為偏負, 說明研究區大氣降水中的重同位素在水汽來源到達樣地之前就經歷了一定程度的貧化, 可能原因有兩個: 首先, 哀牢山等高大地形作用, 即來自孟加拉灣水源地的印度洋夏季風越過高大宏偉的無量山、哀牢山后降水量減少而導致降水δ D、δ18O 值發生變化[25]; 其次是瑞利分餾理論, 西南通道上的水汽在向印度中部大陸遷移過程中, 由于不斷形成降水, 降水云團中的水汽不斷減少, 剩余水汽中的δ值也不斷減少; 南海通道上的水汽在經過泰國、老撾等南亞大陸后, 重同位素也有一定的損耗, 因此, 水汽初到云南西部時重同位素已較貧乏, 隨著水汽繼續向東運動, 重同位素也不斷衰竭[26]。

如圖2所示, 研究期間哈尼梯田水源區降水量比較充足, 且有較明顯的季節變化。根據研究區的氣候特征, 將研究期分為干季(11月至次年4月)和濕季(5—10月)。δ D和δ18O的變化存在明顯的季節性差異(圖1): 干季大氣降水中的δ D、δ18O值分別為-41.6‰ ± 20.2‰和-6.76‰ ± 2.97‰; 濕季大氣降水中的δ D、δ18O值分別為-75.0‰ ± 26.0‰和-10.41‰ ± 3.57‰?？傮w表現為, 干季降水中的δ D、δ18O值高, 濕季的δ D、δ18O值低, 即干季同位素富集, 而濕季同位素相對貧化。造成該研究區降水中δ D、δ18O季節變化的主要原因是降水水汽來源及季節性氣象條件: 在雨季, 降水水汽主要來源于低緯度海洋, 空氣濕度大, 降雨量大且蒸發小, 受沿途降水沖刷作用的影響, δ較小; 在旱季, 受大陸性氣團的影響, 西南地區降水的水汽主要來源于西風帶的輸送和內陸再蒸發水汽的補給, 空氣濕度小, 降水量小且蒸發旺盛, 因此重同位素富集而δ值較大[27]。降水中δ D、δ18O的季節變化普遍存在于中低緯度季風區[28], 胡月[29]等在成都和馬迎賓[30]等在湯浦水庫濕地森林區的研究也得到相同的結果。

圖1 哈尼梯田水源區大氣降水δ D、δ18O和d-excess隨采樣時間的變化

Figure 1 Variation of δ D, δ18O,-excess composition of precipitation along with the change of sampling time in the water conservation area of Hani Terraces

圖2 哈尼梯田水源區降水量、溫度隨采樣時間的變化

Figure 2 Variation of rainfall and temperature along with the change of sampling time in the water conservation forest area of Hani Terraces

2.2 大氣降水中d -excess的變化

根據研究區大氣降水值逐日變化情況(圖1), 發現研究區大氣降水中值偏正, 其變化范圍介于-9.7‰—43.5‰之間, 均值為9.3‰ ± 8.1‰, 低于全球平均值10‰, 并且在89個樣品中有52個樣品的值小于全球平均值, 說明研究區的值總體偏小。在月尺度上, 研究區值差異明顯(圖3) , 觀察期內有9個月的值均低于全球降水的平均值(10‰), 其中5月的最高(23.3‰), 這可能的原因是: 5月份是濕季(雨季)前期, 氣溫高但降水量少, 局地蒸發水汽加入水汽循環而導致降水中的值偏大[31, 32]。研究區大氣降水的值也存在明顯的季節變化(圖3), 其中干季降水中的均值為12.4‰ ± 10.4‰, 高于全球范圍的平均值; 濕季降水中的均值為8.3‰ ± 6.9‰, 低于全球范圍的平均值, 總體呈干季高濕季低的趨勢。降水中的值主要取決于水汽源區的相對濕度: 如果水汽源區的空氣相對濕度降低, 則降水中的值會升高; 反之值降低, 兩者之間為負相關關系[33]。研究區值干季要明顯大于濕季, 這說明濕季的水汽源區沒有干季水汽源區干燥, 該區濕季水汽來源于印度洋和太平洋, 干季受季風氣候影響水汽來源于西風帶輸送和局地蒸發的實際情況也說明了這一點。

圖3 哈尼梯田水源區各月降水中δ18O和d -excess的算術平均值

Figure 3 Monthly arithmetic mean value of δ18O,-excess of precipitation in the water conservation area of Hani Terraces

2.3 降水線特征

基于哈尼梯田水源區2014年6—8月、2015年全年(15個月)的大氣降水δ D、δ18O實測值, 利用最小二乘法擬合得出該區全年、干季和濕季大氣降水線(圖4)。哈尼梯田水源區大氣降水線為δ D=(7.29± 0.22) δ18O + (2.60±2.22) (2=0.928,<0.01,=89), 干季大氣降水線方程: δ D=(6.13 ± 0.66) δ18O - (0.18 ± 4.87)(2=0.811,<0.01,=22), 濕季大氣降水線方程: δ D=(7.07 ± 0.21) δ18O - (1.41 ± 2.33)(2=0.945,<0.01,=67)。研究區全年大氣降水線(LMWL)與全球大氣降水線(GMWL): δ D=8 δ18O + 10和我國大氣降水線(CMWL): δ D=7.9 δ18O + 8.2[34]相比, 其斜率和截距均偏小。大氣降水線的斜率反映了δ D 與δ18O分餾程度的差異, 與降水形成時的溫濕度及外部條件(如水汽來源等)有關, 而截距則表示δ D相對于平衡狀態的偏離程度, 與同位素分餾作用相關, 且與溫度的關系較大[35]。有研究指出, 在一些溫暖地域的夏季, 由于雨滴下落過程中的蒸發, 降雨量效應會使得大氣降水線的斜率和截距降低[36]。孟玉川等[37]研究指出小降雨事件有明顯的云下二次蒸發現象, 并且伴隨著強烈的同位素動力分餾效應, 從而導致降水線的斜率和截距變小。研究期內收集的89個降雨樣品中, 有58個降雨樣品是來自降雨量≤10 mm的小降雨事件, 因此認為雨滴降落時受到了嚴重的二次蒸發影響, δ D發生了不平衡分餾, 從而導致斜率和截距偏低。此外, LMWL的斜率小于8一定程度上反映了該區降水來源于具有不同穩定氫氧同位素比率的源地[38]?？偟膩碚f, 研究區降水線斜率和截距偏小的情況, 說明了該區降水來源于具有不同穩定氫氧同位素比率的源地, 且降水形成過程中還受到蒸發等其他環境因素的影響, 從而導致18O偏離GMWL和CMWL。

與GMWL相比, 研究區濕季和干季大氣降水線的斜率和截距也都偏小, 濕季大氣降水線的斜率略大于干季, 這是由于濕季降雨量較大, 持續降雨使大氣中水汽含量趨于飽和或過飽和, 水汽壓變大, 云下二次蒸發減弱, 同位素分餾效應也減弱; 干季大氣降水線的截距相比于濕季偏大, 說明研究區干季的水汽團形成時濕度較低, 動力分餾作用強[29]。

2.4 降水δ18O與環境因子的關系

降水量和溫度在一定程度上會影響降水中同位素的含量, 降水中穩定同位素比率與溫度之間存在顯著正相關關系為溫度效應, 而降水中穩定同位素比率與降水量之間存在負相關關系, 即為降水量效應[39]。將研究區降水的δ18O值與日均氣溫()和降水量()與進行相關性分析(表1), 全年降水δ18O值與降水量和氣溫均呈顯著的負相關關系, 這說明研究區全年降水δ18O值存在一定的降水量效應, 而沒有明顯的溫度效應。通常來說, 溫度效應主要存在于中高緯度地區, 而對于低緯度及部分中緯度地區, 由于受到季風氣候影響, 降水的氫氧同位素的溫度效應可能被抑制和掩蓋[40]。研究區年平均溫度變化范圍小, 濕季空氣濕度大, 降雨量充足且連續, 且地處亞熱帶季風氣候區, 受高溫高濕的影響, 降水過程中云下雨滴再蒸發而產生的δ18O富集作用較輕, 從而導致降水中δ18O的溫度效應被降雨量效應掩蓋而無法體現[41, 42]。然而, 同處于西南地區的昆明、騰沖、蒙自三個地區大氣降水中δ18O的變化都不僅具有顯著的降水量效應, 而且還有顯著的溫度效應[43]。但研究區降水δ18O溫度效應不明顯的情況與麗江[44]、上海[45]和香港[46]地區的研究結果相似。

從干濕季來看, 濕季降水δ18O值與溫度呈顯著正相關, 說明研究區濕季降水δ18O值具有明顯的溫度效應, 而δ18O值與降水呈顯著負相關, 說明研究區濕季降水δ18O值也存在降水量效應; 在干季, 降水同位素δ18O值與降水量呈負相關關系, 與溫度呈負相關關系, 但相關性均不顯著。根據降水同位素的溫度效應和降水量效應特征可知, 溫度越高同位素值越偏正, 而降水量越大同位素值則越偏負[22]。研究區在雨熱同期的氣候特征影響下, 濕季一直保持著相對較高的降水量及其所造成的高相對濕度, 兩者在季節內差異并不明顯, 但研究區的溫度卻因為雨季的深入而存在一定差異, δ18O值隨時間變化的溫度梯度達到1.47‰℃-1[47]。研究區的大氣降水δD、δ18O組成具有明顯的季節性, 干濕季差異較大, 由于濕季平均氣溫較干季大, 且降水量集中在濕季, 干季與濕季水汽來存在差異, 濕季存在明顯的溫度效應[39]。這也解釋了研究區降水中δ18O的溫度效應被降雨量效應掩蓋而無法體現的結果。

2.5 水汽來源分析

由于同一季節的水汽團軌跡相似, 文中只給出了8次典型降水事件(干、濕季各４個不同強度降水水汽來源軌跡可以發現, 在觀測期內, 研究區的大事件)氣團軌跡圖(圖5), 由 HYSPLIT 模型模擬的氣降水水汽來源主要是東南季風和西南季風攜帶的海洋性水汽、局地蒸發水汽和西風帶輸送水汽, 其中干季以西南輸送水汽最多, 濕季以東南季風和西南季風攜帶的海洋性水汽為主。結合研究期內降水中的氫氧同位素特征, 可以具體推斷: 在干季, 水汽主要來源于西風帶的輸送以及短途水汽補充, 由于西風帶攜帶的水汽在傳輸過程中發生的降水過程少, 重同位素沖刷不嚴重, 再者西風帶攜帶的水汽主要來源于內陸湖泊及其他臨近水域的蒸發, 從而導致最終降水中的δ18O富集, 干季降水期間研究區降水中δ18O和-excess的平均值分別為-6.76‰、12.4‰。在濕季, 受阿拉伯海、孟加拉灣以及西太平洋熱帶氣旋帶來的水汽影響, 研究區產生大量降水, 但是由于這些水汽經過了遠距離的運輸, 水汽中的δ18O被嚴重沖刷, 最終導致降水中δ18O貧化, 濕季降水期間研究區降水中δ18O和-excess的平均值分別為-10.41‰、8.3‰, 明顯低于季風期間降水中δ18O和-excess平均含量, 這也充分證明了降水中δ18O的組成變化對不同水汽來源有明顯的指示作用。

圖4 哈尼梯田水源區大氣降水中δ D、δ18O的關系

Figure 4 The correlation of δ D and δ18O of precipitation in the water conservation area of Hani Terraces

表1 降水δ18O 值與降雨量和氣溫的相關性統計

注:為顯著性, 黑體字表示通過了0. 05的顯著性檢驗,為皮爾遜相關系數。

3 討論與結論

目前關于西南地區降水水汽來源的研究也表明: 西南地區濕季降水主要來自孟加拉灣的西南水汽輸送和西太平洋的偏東向水汽輸送[48, 49], 干季水汽主要來源于西風帶的輸送以及短途水汽補充[43], 但由于中國西南地區屬典型季風氣候區, 且地處印度洋夏季風和太平洋夏季風交匯區域[50, 51], 其水汽來源及影響降水的因素非常多。李廣等[43]研究表明, 在海拔200 m、300 m高空, 水汽主要來源于孟加拉灣、阿拉伯海以及南海等海域; 而在海拔4500 m 高空, 水汽主要來自于西風帶的輸送以及沿途水汽的補充。研究區干濕季的降水水汽來源與其他西南地區的研究結果一致, 但缺乏對不同時間段、高空不同氣壓層以及不同水汽來源對降水的貢獻率大小做定量化研究。

哈尼梯田水源區的局地大氣降水線方程為δ D= (7.29 ± 0.22)δ18O + (2.60 ± 2.22)(2=0.928,<0.01,=89), 其斜率和截距均低于全球及中國大氣降水線。δ D、δ18O值季節變化明顯, 干季同位素富集, 而濕季同位素貧化, 這與中國季風區干濕季水汽來源差異有關。降水同位素組成存在一定的降水量效應, 但溫度效應幾乎不存在, 降水量效應掩蓋了溫度對降水同位素值的影響。干季降水水汽主要來源于西風帶輸送的印度洋水汽以及局地蒸發, 濕季水汽來源于東南季風和西南季風攜帶的海洋性水汽, 降水中值的變化與水汽來源的季節變化相吻合, 呈現干季高濕季低的變化趨勢, 表明降水中值的變化主要受水汽來源的影響。

注: a、b、c、d 為干季4 次典型降水事件, 降水量分別為15.0, 11.0, 7.3, 14.5 mm; e、f、g、h 為濕季降水水汽氣團軌跡模擬, 降水量分別為39.8、56.0、24.5、22.9 mm。紅色、藍色、綠色分別代表500、1000、1500 m高度上氣團軌跡。

Figure 5 The air trajectory simulation of partial precipitation event in the water conservation area of Hani Terraces

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Characteristics of δD and δ18O in the precipitation and evaporation sources in the water conservation area of Hani Terraces

PU Huimei1, SONG Weifeng1,*, WU Jinkui2, WANG Zhuojuan3, MA Jing4, ZHANG Xiaojuan5

1. College of Ecology and Environment, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China 2. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 3. Gansu Transportation Planning Survey and Design Institute Co., Ltd., Lanzhou 730030, China 4. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China 5. Chongqing Yuxi Surveying and Design Institute of Water Conservancy Electric Power and Architecture, Chongqing 402160, China

Based on the stable isotopes data of 89 event precipitation samples collected from June to August 2014 and the whole year 2015(15 months in total) and related meteorological statistics data in the water conservation forest area of Hani Terraces, the variation of2H and18O components in precipitation and its impact factors were analyzed. By using HYSPLIT model, the moisture sources of precipitation were tracked. The results indicated that an obvious seasonal variation of the2H and18O components in precipitation existed. The values of δD, δ18O andwere relatively more depleted or lower during the wet season (from May to October), whereas those values were relatively richer or higherduring the dry season (from November to next April). The slope and intercept of the Local Meteoric Water Line (LMWL) were both lower than those of the Global Meteoric Water Line (GMWL) and the Chinese Meteoric Water Line (CMWL). The precipitation effect of δ18O in precipitation exhibited to some extent while no temperature effect existed in this area. The results from the HYSPLIT model showed that the meteoric water vapor was mainly from the Indian Ocean conveyed by the westerly and local evaporation in dry season, while was from the western Pacific and the Indian Ocean in wet season.

meteoric water; moisture sources; hydrogen and oxygen stable isotopes; D-excess; Hani Terrace

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.006

S715.1

A

1008-8873(2022)02-050-09

2020-04-25;

2020-05-18

國家自然科學基金項目(41371066, 41771084); 云南省自然科學基金重點項目(202001AS070042)

普慧梅(1990—), 女, 云南楚雄人, 博士研究生, 主要從事森林水文和土壤學研究, E-mail: puhuimei54@163.com

通信作者:宋維峰(1967—), 男, 博士, 教授, 主要從事生態環境工程和森林水文學研究, E-mail: songwf85@126.com

普慧梅, 宋維峰, 吳錦奎, 等. 哈尼梯田水源區大氣降水氫氧同位素特征及水汽來源[J]. 生態科學,2022, 41(2): 50–59.

PU Huimei, SONG Weifeng, WU Jinkui, et al. Characteristics of δD and δ18O in the precipitation and evaporation sources in the water conservation area of Hani Terraces[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 50–58.