稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用

第!"卷第#期#$$%年&月水土保持学报’()*+,-(./(0-,+12,34*5(+64*7,30(+8(-9!":(9#’)+
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;9<#$$%稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用=
石辉!<#<刘世荣#<
赵晓广%>!9西南师范大学资源环境学院<重庆北碚?$$"!@A#9中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所<北京!$$$B !A
%9西安科技大学地质与环境工程系<西安"!$$?@C
摘要D 稳定性氢氧同位素是广泛存在于水中的环境同位素E 在降水F 地表水F 地下水F 土壤水和植物体内水转化循
环过程中<发生氢氧同位素的分馏<不同的水有不同的氢氧同位素值E 利用这种差异<可研究水分来源F 径流响应
和植物用水<本文综述了这一方面的研究和进展E
关键词D 稳定性氢氧同位素A 水分循环A 水分来源A 径流响应A 植物用水
中图分类号D G &!!9"A H 8#!%9?文献标识码D I 文章编号D !$$B J ##?#>#$$%C $#J $!&%J $?
K L L M N O P Q N R SR T U Q P V M W X Y Z [R \W SP S Z]^Y \W S_‘R Q R L W N SaP Q W [b N [O c M P Q N R S
/d e d )0!<#<f e g /h 0J *(+i #<j d I G k 0,(J i ),+i
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$$$B !A %9/s 0w v ~}s x ~o q 1s o p o ($w x yz x {v |o x }s x ~w p z x (s s v |x (<2|3w x #x |{s v t |~$o ql m |s x m s w x y 4s m n x o p o ($<2|3w x "
!$$?@C K V ‘Q [P O Q D H h 463,5-4h 61*(i 4+,+1(76i 4+06(3(8406,+4+70*(+94+3,-06(3(84<:h 0;h4734+6074-64706360+
7,*0()6<0+16:,34*9H h 410..4*4+3<0+1:,34*6()*;4h ,603606(3(84;(98(6030(+<1)43(3h 406(3(84
.*,;30(+,30(+0+3h 43*,+6.4*,+1;0*;)-,30(+,9(+i 8*4;0803,30(+<6)*.,;4:,34*<i *()+1:,34*<6(0-9(063)*4
,+18-,+3:,34*9H h 4:,34*6()*;4<*)+(..*468(+64,+18-,+3:,34*6()*;4;,+54*464,*;h 4156)60+i3h 464
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9=W Y >R [Z ‘D 63,5-4h 61*(i 4+,+1(76i 4+06(3(84A :,34*;0*;)-,30(+A :,34*6()*;4A *)+(..*468(+64
A 8-,+3:,34*6()*;46
地球上的水分通过蒸发F 凝聚F 降落F 渗透和径流形成水分的循环E 由于水分子的某些热力学性质与组成它的氢F 氧原子的质量有关<因而在水分循环过程中会产生同位素分馏E 由于存在着%种稳定性的氧同位素和两
种稳定性的氢同位素<所以普通的水分子存在B 种不同的同位素组合<即d #!&G >分子量!?C <d #!"G >
分子量!B C <d #!?G >分子量#$C <d @!&G >分子量!B C <d @!"G >分子量#$C <d @!?G >分子量#!C <@#!&G >分子量#$C <@#!"G
>分子量#!C <@#!?G >分子量##C E 由于各种同位素水分子的蒸汽压与分子的质量成反比<因而d #!&G 比@#!?G 的
蒸汽压要高得多<这样蒸发的液体水生成的水蒸气富集d 和!&G <残余水富集@和!?G E 在水分循环过程中导致
了氢F 氧稳定性同位素的分馏<因此可用水中氢F 氧同位素含量的高低研究水分的循环E
!天然降水的氢F
氧同位素关系AA 雨水线同位素分馏可用分馏系数定义D B C r -D r %
>!C
式中D r -是分子-或者-相中重同位素与轻同位素的比值A r %是在%相中的二者比值E
对于某一特定的温度<如果蒸气和液体处于平衡状态<则分馏系数就等于蒸汽压之比E 将天然水的循环可比拟为一个向贮存器凝聚回流的多层蒸馏柱<其中海洋相当于贮存器<两极的冰原相当于柱的最高层E 由于上述B 种组合水分的蒸气压不同<这样从空气团水蒸气中凝聚的水<要比蒸气更富集@和!?G <这样云中的d 和!&G 愈来愈多E 当富含水蒸气的空气团从海洋向内陆移动时<
随着距离海洋的远近不同<降水中的d 和!&G 愈来愈多E !F E
由于自然界中重同位素与轻同位素的比值>分馏系数C 很小<对于水中的氢F 氧同位素组成一般用相对于
/G G 2标准>
标准平均海水C 的千分差表示D =收稿日期D #$$#J !#J #%基金项目D 国家重点基础研究发展规划项目>#$$#5H
!!!@$#C 和国家杰出青年基金项目>%$!#@$%&C 资助作者简介D 石辉<生于!B &?年<
博士后<教授E 主要从事土壤物理F 水土保持方面的研究E 万方数据
!"#$%&"#$’"($)样品’&"#$’"($)*+$,&"#$’"($)-.
*+$,/"012&3)!4%&4’5)样品’&4’5)*+$,&4’5)-.*+$,/"01
2&1)
当!"#$和!4为正值时6
表示样品被*+$,标准富集了"#$和47当为负值时6表明样品中的两种同位素比*+$,标准中亏缺8
当水从海洋表面蒸发时6由于53"($具有较高的蒸气压6因而水气中富集了5和"($6
因此海洋上空水蒸气中的!"#$和!4和均为负值8当云中的水蒸气冷凝形成雨滴时6液相中相对富集"#$和46由于"#$和4不断地
由潮湿的空气中优先冷凝6从而使剩余的气相中富集5和"($8这样6当降水不断地进行6空气中!"#$和!4值
逐渐变得更负6而液相和固体降水中的!值也因蒸气中"#$和4的减少而变负-3.8
根据不同地区收集的大量雨水资料分析69:;<=-1.提出了降水样品对*+$,的!"#$和!
4值成线性关系的全球雨水线方程>
!4%#!"#$?"
0&@)公式中截距"0为全球大气降水的平均值6如果截距大于"06
则意味着降水云气形成过程中气A 液两相同位素分馏不平衡的程度偏大6小于"0则表明在降雨过程存在蒸发作用的影响8
我国科学家曾对天然降水中的氢氧同位素组成进行了研究-@.6
在我国东部6大气降水的雨水线方程为>!4%B C #!"#$?(
C (这一结果与全球雨水线相近7同时在东部地区存在纬度效应和海拔效应6随着纬度的升高6!"#$和!4值逐渐
降低6随着海拔升高6!"#$和!4值表现出降低的趋势6海拔每升高"00D 6!"#$和!4值分别下降0
C 12和"C 128对于!4
6由于大气降水的氢氧同位素受纬度效应A 海拔效应和大陆效应的综合影响6因此不同地区的降水有不同的含量6其雨水线接近全球雨水线6但并不相等8部分地区的研究结果也证明了这一点-E .8
3利用稳定性氢氧同位素研究水分来源
由于不同来源的水分有着不同的氢氧同位素组成6因此可利用其同位素含量的差异研究水分的来源89:;<=-(.在研究中性和弱碱性地热水时发现6任何地热区喷出的热水及蒸气的!"#$值是变化不定的6而!4值则保持基本不变6经研究6他认为这是水中的氧同位素和硅酸盐岩石A 碳酸盐岩石中氧逐步平衡的结果6这些水
的来源是大气降水89F ;G H I J -B .研究了海湾地区A
伊利诺斯A 密执安和阿尔伯达采集水样的氢氧同位素6发现这些卤水来源主要是更新世时期的降水6是一种大气降水来源而非海水的衍生物89:;<=-#.在研究红海中部裂谷
的卤水来源时发现6卤水的同位素组成位于红海的海水同位素组成线上6并解决了该卤水的来源问题8
稳定性氢氧同位素除用于地热水A 卤水的来源研究外6还用于浅层地下水的研究8K ;G J L
等人&"M B M )在厄瓜多尔研究了大气降水和河水与浅层地下水的关系8认为浅层地下水是两个水源的不同比例的混合物6每一个水源均有自己的稳定性氢氧同位素成分特征8按浅层地下水!4值的频率分布柱状图解6
查明了频率分布为高偏态6最大频率接近于降水入渗补给的稳定性同位素指标8低频率主要与河水的!4值有关6
据此还计算出了河水补给浅层地下水的比例及范围8+I :=;J H L 等人&"M (()研究了意大利东北部N O I J P I 河流对Q I :<P <;
平原地下水的渗透作用6发现随着河流的距离增加6地下水!"#$值明显增加6
河水的渗透作用主要发生在东部和南部6呈现高偏态频率分布6最大值’B C 3E R6与当地的降水补给有关6低频率的!"#$值类似于河水的值8
S :I T J 和U ;G F I :&"M B @)研究了新西兰V ;<W I X :;平原V I T ;<
河流侧向渗透对地下水补给的重要性6认为氢氧稳定性同位素技术可用于评价山洪对地下水的补给作用-M .8戴克&"M #0)
用稳定性同位素方法研究了匈牙利大平原第四纪沉积中的地下水6发现第四纪地下水不但有大气降水补给6还有来源于深部地下水的补给-"0.8在
9;F <Y I :J <;到Z L [;\;
的广大区域6每一点次降水的氢同位素组成并不能代表年平均值6其变异高达@0R6地表水和浅层地下水的同位素组成与大气降水密切相关7不同条带的地表水和浅层地下水!4差异明显7在大多数地区6从海岸到内陆每"00W D 的!4值变化在1
2]@E 26表明降水A 径流和蒸发之间有着不同的比例6说明了内陆不同地区的水循环模式不同-"".8
在我国6程汝楠通过采集地表水样A 雨水样A 地下水样6研究了禹城地区的水分循环6发现降水A 河水A 地下水中!4的值差异明显8地下水中的!4值在0]30D 以上为@1C B ]#E C B U ^6
变幅较大73"]1#@D 为"0C M ]3"C B U ^6变幅较小7其中在30D 附近6!4值发生突变6
骤然降低6说明以30D 为界6上下两部分的地下水来源不同8对于上层的地下水6!4值与现代降水和地表水相近6其补给来源主要为大气降水和河水830D 以下部分6其!4值含量明显低于当地现代大气降水和河水6且其空间变化比较稳定7!"#$和!4的关系落在全球@
("水土保持学报第"B 卷　
万方数据
雨水线附近而不是当地河水与该雨水线之间的连线上!表明这层地下水主要是由于过去大气降水入渗补给
的"#$%&尹观等根据氢氧稳定性同位素研究了九寨沟风景区的水分循环!
发现尽管大气降水是九寨沟的主要水分来源!
但是由于大气降水补给到各种水体内的时间’补给源区的高度’补给方式以及地下水库容的大小’水滞留时间和新老水更替周期!导致了各种水体中(#)*和(+存在较大的差异"#,%&
,利用稳定性氢氧同位素研究径流响应过程
降雨径流问题是水文循环的关键组成部分!其研究的主要内容是径流数量和分配的降雨径流关系和单位
线!基础是流量过程线的直接径流划分!一般是采用传统概念的经验划分方法"#-%!
但由于这些方法包含了一些假设!这些假说是否合理!仍有待于进一步研究!稳定性氢氧同位素技术为这些研究提供了新的技术&
顾慰祖利用氚和#)*研究了实验集水区内降雨和径流的响应关系!
发现地表径流必源于本次降雨的概念不明确!其中往往有非本次降雨的水量!在部分年份非本次降雨对径流的贡献高达./01
非饱和带壤中流和饱和带地下径流中必有非本次降雨的水量!与地表径流相似!在次降雨径流过程中有时程变化1对于不同径流组成的流量过程!非本次降雨所占的比重不同&这些研究结果表明了传统的降雨径流相关关系中一一对应假定不
确切!从而对降雨径流经验关系和单位线概念需要重新考虑"#.%&利用#)*和氚作为示踪剂对实验集水区降雨和
地面’地下径流的响应关系进行了研究!识别出属于地表和地下径流的##种产流方式!
而这些产流方式仅有少数遵循常用的+2345定律!多数涉及水分通过水6气界面的特殊土壤水流问题!与+2345定律不相符"#7%&在实
验流域和代表流域对现行流量过程线划分两种径流成分的(#)*环境同位素法的基本假定进行实验检验!
结果表明!由于流域水文系统的同位素条件的复杂性!经常采用的)项基本假定为89#:
基流和地下水以均一的同位素含量表征19$:降雨或融雪水也以均一的同位素含量表征或其变化为已知19,:
本次降水与基流或地下水之间有明显的同位素差异19-:非饱和带对河流流量的贡献可以忽略19.:地表蓄水对河流流量的影响也可忽略197:地表径流同位素含量必与本次降水的含量相同19;:各种水源在汇集过程中的同位素分馏影响忽略不计19):
基于经典的简化产流机制"#;%&其中大多假定是不正确的!
对于天然流域流量过程线使用氢氧稳定性同位素划分两种或两种以上径流组分时!必须具有-项必要条件!才能取得合理的结果"#)%&
-利用稳定性氢氧同位素分析确定植物水分来源
植物中氢的主要来源是水!植物所能利用的水分主要来自降水’土壤水’径流9包括融雪:和地下水&对一般
植物而言!水分在被植物根系吸收和从根向叶移动时不发生氢氧同位素分馏"#<%&因此!
通过分析对比植物体内水分与各种水源的同位素组成!可以确定植物对不同水源利用的选择性&
植物体内水分的(+值是各种水分来源(+的混合物!
根据来源的不同!可按照线性组合混合8(+植物体内水分=>#(+#?>$(+$?>,(+,
?@@9.:式中8(+植物体内水分是植物体内水分的(+1>#!>$!>,分别是不同来源水分中(+所占的分数1(+#!(+$!(+,分
别是不同来源水中的(+值&对于两种水分来源!
则为8(+植物体内水分=A #(+#?9#B >#:(+$97:
公式变换可求得>#为8>#=9(+植物体内水分B (+$:C 9(+#B (+$
:9;:第$种水分来源所占的比例则为9#B >#:&
DE F G H
等"$/%利用这种方法研究了树木I J K L M N O P M N Q R N S T O P 的水分来源!发现树木的根在浅水层之下!降水不能影响它所利用地下水的(+!这样木质部溶液中的(+不受降雨的影响&对地下水位较深地区!U
N V O Q Q R W L X O Q 在雨后主要利用雨水!没有利用地下水1而在地下水位相对较浅地区!雨后U N V O Q Q R W L X O Q
木质部溶液的(+值界于雨水和地下水值之间!说明雨水和地下水均被树木所利用!随着时间的推移!木质部溶液的(+值与
地下水(+值相等!
说明此时主要利用地下水&计算结果表明!对于U N V O Q Q R W L X O Q 树木在地下水位相对较深的地区!在干旱和湿润的夏季分别利用了雨水$/0和,$01而在地下水位相对较浅的地区!这个值为#/0和#70&
Y G 3H 3Z [H 3\和Y ]23G "$#%研究了佛罗里达海岸红树林的用水情况!
发现利用海水的植物体内氢同位素与利用淡水的有显著差异!稳定性氢同位素是研究红树林使用淡水还是海水的有效方法&对于海水和淡水交界处的
海岸植物群落!植物茎中水的+C ^和#)*C #7*与黎明时的叶水势高度相关!
不同的植物主要利用海水或淡水一种水源!只有极少种类植物茎中水的同位素组界于海水和淡水之间!是他们不同比例的混合"$$%&
+2]_‘Z 和a E b H 3F Z \H 3"$,%以河流旁边的树木为什么不用河水为题研究了河岸植物的水分利用状况!发现当地雨水的(+值冬季为B$
//0!夏季为B$/0!但河水则基本稳定在B#$#0&树木木质部溶液分析发现!对.7#第$期石辉等8稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用　万方数据
于非河岸生境的小树主要利用土壤水!靠近河流的小树主要利用河水"对于大树!无论是否生长于河岸!#$值与地下水相同!与河水存在差异!表明大树的水分吸收最活跃的区位在土壤的较深层次%由于当地河流的河道
经常随洪水而改道!
且水位不稳定!如果树木要在经常性干旱环境中存活下来!需具备有利于利用地下水的潜能!这解释了河岸树木不利用河水这一现象的原因%在地中海气候生态系统中!利用稳定性氢氧同位素研究发
现!水生植物&’()**+,-(*(和&’./.0.12/.(在干湿循环中主要通过地下水满足需求!除非地下水深达345以
下时才不用地下水"在炎热的夏季!地表土壤干旱增加深层土壤水和地下水的利用"在湿润的冬季!植物主要利
用上层土壤水"
地下水的利用程度主要取决于地下水位高低!表层土壤有效含水量!根系分布状态和最大根长6789%
在荒漠地区!春季多年生植物#$的值没有明显差异!
与冬季降水相似!这说明植被在早春利用的主要是冬季的降水%到了夏季!一年生植物和肉质植物只利用夏季降水!而草本和木本多年生植物可同时利用夏季降水和深层土壤储水!其含水量的:;<和=><来自于夏季降水%深根系多年生植物体内水分的#$值与泉水相
似!表明这些植物主要利用地下水和土壤水!基本不利用夏季降水67=9%?@A B B A C D 和E @B F G A H I F G 67J 9的研究同样表
明!幼年植物更多地依赖夏季降水!而成年树木均不利用表层土壤水分!主要利用深层土壤水分%在夜晚!植物根系将深层吸收的水分在表层分泌出来!提高表层土壤的含水量!在随后的白天被植物所利用!称为根系提水
作用K @L M G N O B A P B A Q R S 67>9!一些田间和实验室研究提供了部分证据!但尚未完全证实提水现象67T 9%U N B M V F B B
和W A P @N G M D 67:9利用稳定性氢氧同位素研究了这一现象!浅根系)X Y 2Z [Y 2\]+^+Y *2Y -\茎木质部的#$值说明含有它所不能吸收到的深层地下水!这主要是由于深根系的)Y *+\.^.^*Y .]+,*(*+
将吸收的地下水在地表层吐出!)X Y 2Z [Y 2\]+^+Y *2Y -\则从地表层吸收利用这些水分!证实了根系提水作用的存在%$N V D _H 6349采用稳定性氢
氧同位素不仅证实了根系提水作用的存在!而且发现提水作用不仅在干旱半干旱存在水文周年性亏缺的地区存在!在相对湿润地区具有水分间歇式亏缺的地区也同样存在"对于表层浅根植物!深根植物根系提水是它水
分的一个重要来源"
深根植物提水量可显著改善表层植物的水分状况%水资源问题是人类社会面临的一个严峻问题!而水文循环则是合理利用水资源的基础!稳定性氢氧同位素技术的应用则为水文循环研究提供了新的手段%但当前有关稳定性氢氧同位素的应用!主要是针对水文循环中的大气降水‘地表水‘地下水‘土壤水和植物水某一方面进行研究的!没有将水文循环过程作为一个统一的整体!在包含整个a 五水转化b 过程研究中的应用尚未开展%将稳定性氢氧同位素技术与a 五水转化b 相联系!可解决水文循环中的一些重大关键问题和生产实践问题%如通过研究降水‘土壤水‘地下水‘洪峰径流‘基流和植物体内水分的氢氧同位素的组成!可进一步认识植被主要利用的是降水‘土壤水‘地下水还是径流"河川径流基流的主要来源是次降水还是地下水"以及上述水分之间的转化关系如何c 这些问题的解决!可深化对水文循环的认识!解决干旱半干旱区植被建设中的生态需水‘土壤干层‘植被恢复等关键性科学问题!为西部的生态环境建设提供科学的依据%
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