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青藏高原东北部高山环境的水稳定同位素分析

日期: 2020-03-10
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摘要:氢氧稳定同位素作为水分子的组成部分,可以用来描述区域水循环,因为他们可以揭示相关水文过程的信息,包括降水,渗透,蒸发和蒸腾作用。尽管自然丰度低,但其重同位素对气候和水文变化敏感。不同水体的稳定同位素可用于研究水汽输送,植物水源和水分利用模式,土壤水输送和补给机制,径流的形成和汇合,补给源和地下水机制等。因此,稳定同位素在水文和气候研究中很受关注。水文过程会对内陆多山地区的水资源产生影响。为全面调查水循环的重要部分,作者以祁连山为研究对象,于2016年植物生长季(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,其他样品每月采集一次。利用全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100)将植物和土壤样品中的水分提取出来,利用LGR液态水同位素分析仪DLT-100测量δ18O和δ2H以追踪干旱山区水循环的一系列关键参数,提取基线信息,以及研究降水和其他水同位素特征的变化。结果表明:“温度效应”很明显,说明气候干燥;表层土壤水δ18O变化很大,深层土壤水趋于相似,随着土壤深度的增加同位素值逐渐减小。土壤水同位素对降水脉冲的响应具有不同边界。在无降水发生的月份,柠条主要水源为0-30 cm的土壤水,发生降水事件时吸收水源则不同。总之,稳定同位素的研究结果为认识水文过程提供了新的见解,并为了解干旱地区山区的水循环提供了新的手段。


1.本研究的目标

(1)与最常用的方法(普通最小二乘法回归,OLSR)相比,分析不同的大气降水线回归的适用性;

(2)不同样地土壤水同位素剖面变化以及影响因素;

(3)干旱山区植物如何利用不同深度的土壤水,以及不同样地同种植物对土壤水的利用是否相同;

(4)降水,河水和地下水的补给以及(5)从同位素视角研究上述水体的关系。我们从中可以了解不同水体稳定同位素特征以及内部相互作用,为中国以外类似山区水循环过程的研究提供了一个参考。


2.结果

2.1降水的同位素组成

图2显示了利用6种回归方法(OLSR,MA,RMA,PWLSR,PWMA,PWRMA)拟合的3个样地的LMWL。斜率差异表现为乌鞘岭最小,天祝次之,古浪最大。祁连山“降水量效应”不显著,而“温度效应”很明显(表4)。古浪δ18O和温度的相对系数最小,各种回归之间的斜率差异却最大。

青藏高原东北部高山环境的水稳定同位素分析

2.2土壤水的同位素组成

图3显示了生长季0-100 cm土壤水的同位素组成以及含水量变化。由于受到蒸发作用的影响,表层土壤水δ18O富集,变化显著,而深层土壤趋于稳定。随土壤深度的增加,同位素值逐渐减小。

古浪和天祝同位素值的季节性变化比乌鞘岭更显著,反映了降水同位素信息的变化。古浪和天祝夏季(6-8月)土壤水的δ18O高于其它月份,需要注意的是乌鞘岭0-70 cm土壤水的δ18O变化显著,表明了降水渗透到该土壤层。

青藏高原东北部高山环境的水稳定同位素分析

从图4可以看出,三个样地土壤水δ18O和δ2H随月份变化小,而土壤温度变化较大,这表明温度不是影响土壤水同位素的唯一因素,其它因子(例如植物覆盖率)也发挥着作用。

青藏高原东北部高山环境的水稳定同位素分析

2.3地下水和河水的同位素组成

就每个样地而言,河水和地下水δ18O和δ2H的变化趋势基本一致,表明两种水体具有相似的水源(图6)。在大多数月份,河水的同位素值高于地下水,这表明河水由于暴露于空气中而蒸发更多。河水和地下水样品中有交叉点,这表明了水交换和相互供应的关系(古浪和天祝的交点发生在6月,乌鞘岭在8月)。

青藏高原东北部高山环境的水稳定同位素分析

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异的。根据平均值和50%四分位,古浪(图10)柠条吸收的主要水源为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)土层。

乌鞘岭(图11)8月无降水发生,主要水源为0-30 cm土层,与古浪相似。其它月份,虽然有几次降水发生,每个月水源也是不同的:5月为0-30 cm土层,6月每个土层比例相似,7月采样前1天发生降水事件,9月70-100 cm土层。

在无降水发生的月份,天祝(图12)与上述其它两个样地结果一致。其它月份,水分吸收模式发生了变化。5月发生了1次降水事件,每个水源对植物的贡献率相似,6月对0-30 cm土层的吸收比例增加了。7月发生了6次降水事件,每个水源对植物的贡献率相似,但是在9月,发生5次降水事件,植物吸收水源主要为0-30 cm土层。

青藏高原东北部高山环境的水稳定同位素分析

结论:在三个样地,“温度效应”是明显的,表明了蒸发富集。6种回归方法(OLSR,MA,RMA,PWLSR,PWMA,PWRMA)的斜率差异表现为乌鞘岭最小,天祝次之,古浪最大。表层土壤水δ18O的变化很大,深层土壤水δ18O趋于相似。随着土壤深度的增加,同位素值逐渐变小。δ18O和δ2H随月份变化很小,而土壤温度变化明显,这表明温度并不是影响土壤水同位素的唯一因素。不同样地土壤水同位素对降水的响应不同,且他们的土壤层边界是不同的,乌鞘岭的土壤层边界为表层以下20 cm和60 cm,而天祝为40 cm。河水和地下水的δ18O和δ2H变化的一致性表明其水源相似。这两个水体之间的相似性表明了水的交换过程。3个样地降水,河水和地下水之间的关系是有差异的。乌鞘岭和天祝的河水与地下水的水力联系强于古浪。利用3个样地相同植物种(柠条)木质部的同位素数据结合IsoSource模型的结果发现随着月份和样地的变化植物水分利用模式会发生变化,但是在无降水月份中,不同样地之间水分利用模式是相同的,即植物依赖于0-30 cm的土壤水。

青藏高原东北部高山环境的水稳定同位素分析Water Stable Isotopes in an Alpine Setting of the Northeastern Tibetan Plateau.pdf

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