大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨
慕士塔格地区大气水汽氢氧稳定同位素季节内变化特征及影响因素分析
第43卷第2期冰川冻土V〇1.43,N〇.2 2021 年 4 月J O U R N A L O F G L A C I O L O G Y A N D G E O C R Y O L O G Y Apr. , 2021D O I： 10. 7522/j. issn. 1000-0240. 2021.0010R E N Xingkuo, G A O Jing, Y A N G Yulong, et a l.Intra-seasonal characteristics of atmospheric water vapor stable isotopes at Muztagata and i t s climate controls[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021,43(2):33卜341.[任行阔，髙晶，杨育龙，等.慕丨:塔格地区大气水汽氢氧 稳定同位素季节内变化特征及影响因素分析[J].冰川冻土，2021,43(2) :331-341.]慕士塔格地区大气水汽氢氧稳定同位素季节内变化特征及影响因素分析任行阔〃，高晶'，杨育龙h2，陈曼丽\牛晓伟'，赵爱斌1(1.中W科学院青藏高原研究所藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京100101; 2.中M科学院大学.北京100049)摘要：慕士塔格地区位于青藏高原西北部，常年受西风影响为了更清楚地认识西风水汽来源和局地蒸发过程对区域水循环过程的影响，利用2017年7月26日一2017年11月6日和2018年7月30日一2018年12月10日在慕十塔格西风带环境综合观测研究站的监测数据，分析了地表大气水汽氢氧稳定同位素组成和相关局地气象要素的变化特征及其相关关系研究发现：慕士塔格地K水汽中S‘s O、A e x c e s s与局地温度和比湿呈现明显的小时变化，日变化和季节变化；水汽S180值与温度的著正相关关系存:不同时间尺度稳定存在；在小时和日尺度上，水汽#0值与比湿呈现对数关系；后向轨迹追踪表明，西风将西伯利亚和北大西洋及慕士塔格周围地区的水汽传输至观测站点；当水汽自地中海和北大西洋长距离传输至慕士塔格时，水汽#0显著降低可达约7%。
生态水文学中的氢氧同位素分析
生态水文学中的氢氧同位素分析一、生态水文学基础生态水文学是研究地表水和地下水在生态系统中的过程及其生态效应的一门交叉学科。
它紧密结合了生态学、土壤学、气候学、水文学等多学科知识，是理解和管理自然水系统和生态系统的关键。
生态水文学的主要任务是评估水资源开发和利用的生态风险，确定生态保护与水资源利用的平衡点。
氢氧同位素分析在生态水文学中起着至关重要的作用。
氢氧同位素分析可以用来研究水循环、水稳定同位素的来源、改变和在不同地理环境中的分布规律，从而推断出水文地质特征和生态水文环境的演变历程。
二、氢氧同位素分析的原理氢氧同位素分析利用水稳定同位素中的氢原子和氧原子的不同相对丰度，确定不同水样之间的关系。
水稳定同位素分别表现为δD和δ18O，并且比常规微生物探测技术更为敏感和精确。
水的氢氧同位素分布不仅受到各种自然因素的影响，例如降水、蒸发、渗漏等，也受到人为活动等人为因素的影响。
因此，在生态水文学中，氢氧同位素分析可以用来追踪衡量水体和生物之间的互动关系，并进行相关研究。
三、氢氧同位素分析的应用1. 研究地面水循环地球的气候和水文循环以及全球变化要素之间的相互作用是复杂且错综复杂的，而氢氧同位素分析可以用来研究这些过程。
氢氧同位素分析可以直接检测地表水蒸发及水循环的过程。
通过分析δD和δ18O，可以推断蒸发水的重要性，了解水稳定同位素在雨水中的分布规律和地下水水文地质形态的特点，以及水循环的速率和过程。
2. 研究水的来源和变化氢氧同位素分析可以揭示水的来源和变化过程。
例如，在山区、平原、河流、湖泊和草地等不同地理环境中分别采集水样并进行分析，可以了解不同水体的来源及其变化过程。
氢氧同位素分析还可用于分析水与土壤、地下水及大气的相互作用，并推断水的运动方向和热力学变化。
3. 研究河流水生态环境河流是生态系统和水资源系统紧密联系的环节，而氢氧同位素分析则可以用来研究河流水生态环境。
氢氧同位素分析可以揭示河流的水源、流量和水文水质特征，指示河流水的循环和运动趋势，构建河流生态系统的重要网络。
卧龙地区大气降水氢氧同位素特征的研究
Ｓｃｕ ｎＰｏｉｃ ｏ ｕｙ ０ ３ｔ Ｊｎ ０ ５ Ｔ ｅｅｕ ｔ ｎｏ ｅｅｒ ａ ｒｉｅ（ ｉ ａ ｒｖ ｅｆ ｍ Ｊｌ ２０ ｕ ｅ ｏ ． ｈ ｑ ａｉ ｆ ｔ ｉ ｗ ｔ ｎ ＭＷＬ ｎ ｎ ｗｗ ｔ ｎ ｅｅ ｈ ｎ ｒ ｏ ２ ｏ ｍ ｏｃ ｅｌ ）ａ ｄｓｏ ａｅ ｌ ｅｗ ｒ ｒｉ ￥ ＝９ ４３６ １ ９ ． ４ ０＋ ８ ６ ８（ ＝ ．４ ， ＝ ４ Ｐ＜ ．５） ａ ｄ８ ＝ ． ７ ２ ．５ ｒ ０ ９ ３ 凡 ７ ， ００ ， ｎ １ ９ ３ ６６ ０＋３ ．４ ｒ ０ ９ ９ 凡 ＝ １ Ｐ＜ ９ ３ ２ ５（ ＝ ．５ ， ３， Ｏ０ ．５）ｒｓｅｔ ｅ ．Ｔ ｅｌ ｅｈｄｓ ｎｆ ａ ｔ ｉｅｅｃ ｉ ｌ ａ ｍ ｔｏ ｃｗ ｔｒ ｉｅ（ Ｍ ）舳 ＝ ． ６ ６ ０＋ ｅｐｃｉ ｌ ｈ ｎ ａ ｉ ｉｃ ｆ ｒｎ ｅｗｔ ｇｏ ｌ ｅ ｒ ａ ｎ Ｇ ＷＬ ｖｙ ｉ ｇ ｉｎ ｄ ｈ ｂ ｅｉ ｅｌ ８ １５ ９４ ０（ ＝ ．６ 。 ．８ ｒ ０ ９ １ 凡＝２ ， ０ ０ ） ｈ ９ Ｐ＜ ．５ ．Ｔ ｅＭＷＬ ｉ ｓｍ ｒ ａ ｏ ｃ ｅ ｉ ＭＷＬ ｈ ｈｒｃｅ ｓ ｃｏ ｘ ｅｓ ｕ ｍｅ ｗ ｓｃｉ ｉ ｄｗｔ Ｇ ｎ ｎｄ ｈ ＿Ｔ ｅｃ ａａｔ ｔ ｆ ｃｓ ｉ ｒｉ ｅ ｄｕｅ ｕ ｕ ｍ ｒ ｗｎｅ（ Ｗ ｗ ｔｒ ｅｓｎ ａｄｙａｌ ａｄｔａ ｆＭＷＬ ｓｏ ｅ ｈｔｔ ｒｃｐｔ ｉ ｎｅ ｅｔ ｍ ｉ ｓｍ ｅ ． ｉｔ １ ａ ａｏ ） ｅｒ ｔ ｉ ｒ ｎ ｒＯ ｅｓ ｎ ｙｎ ｈ ｏ ｈｗ ｄｔａ ｈ ｐｅｉｉ ｔ ｎ ｉ ｗ ｔ ｅ ａｏ ｎｉ ｒ
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石家庄地区大气降水氢氧同位素特征分析
关 键词 ： 大气降水 ； 氢氧同位素 ； 大气 降水线 ； 同位素效应 ； 石 家庄
中图分类号 ： Ｓ １ ６ １ ． ６ 文献标识号 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ４ ９ ４ ２ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ５— ０ １ １ ６ — ０ ８
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔｈ ｅ ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎ ｉ ｓ ｏ ｔ ｏ ｐｅ ｓ ｉ ｎ ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｐ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ｖ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｅ
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我国北方降水稳定同位素初步分析
我国北方降水稳定同位素初步分析摘要：本文根据全球降水同位素观测网GNIP数据，参照全球大气降水同位素组成的赋存、分布规律，初步总结了北方地区大气降水稳定同位素背景值的基本分布特征和赋存、变化规律。
得出了部分城市的雨水线和全国雨水线，讨论了影响降水同位素组成变化的相关因素；同时通过对北方地区部分城市的温度效应、纬度效应以及雨量效应进行分析，进一步得出影响北方降水稳定同位素的主要因素。
关键词：北方地区；降水同位素；δD；δ18O1、引言稳定同位素是自然水体中的重要组成部分，它们非常敏感地响应环境的变化。
降水是水循环过程中一个重要环节。
不同地区大气降水中氢氧稳定同位素的组成是不同的。
降水同位素的经典模式认为这种同位素值的差别是由于云团的冷凝遵循瑞利分馏的过程。
降水中同位素值的瑞利分馏简化公式如下：δ降水=(δ降水为降水的δD或δ18O值，为云团中剩下蒸汽的百分比，为降水在冷凝温度t时的分馏系数。
根据定义：或δ18O =δDSMOW为标准平均大洋水，常温时>1，从瑞利分馏公式可以看出，δ降水值随着的减少而逐渐变小。
如果云团在赤道附近的洋面上形成后向两极移动，则该云团在不同地区的降水就会表现出不同的δ值，运移的距离愈远，δ值愈负[1]。
2、数据来源及方法本文降水中氧稳定同位素的数据主要来自全球降水同位素观测网GNIP (global network of isotope in precipitation，GNIP；)。
通过GNIP网的数据分析全国雨水线以及北方哈尔滨、天津、石家庄、包头、锦州、长春、太原、烟台八个城市δD和δ18O的关系，得出北方整体降水特征以及各地区在特定地理条件下的独特特征；通过对北方八个城市温度效应、纬度效应、雨量效应以及季节差异的相关性分析，初步总结影响北方整体降水同位素的因子。
3、北方部分城市降水中δD和子δ18O间的线性相关关系研究降水中雨水线特征及其影响因素是同位素水文地球化学的重要基础课题。
04第四章(氢氧同位素)
1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征 3.氢氧稳定同位素的应用
1概 述
1.1 氢、氧同位素的主要地球化学性质
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们 以单质和化合物的形式遍布全球。
冰雪的堆积与融化对海水同位素组成的影响
北极冰的δD值为-160 ‰，δ18O值为-22 ‰ ； 南极雪的δD 值为-440 ‰ ，δ18O为-55 ‰。
当极地有大量冰雪堆积时， 海洋水的同位素组成变重； 若全球冰雪融化，海洋水 的同位素组成变贫。 据计算海水的δ18O将降到 -1‰，δD降到-10‰。
降水线的斜率也是反映分馏程度的一个参数
1965年Craig和Gordon指出，云团的冷凝过程基本上属于平衡过程，没 有明显的动力分馏，分馏系数介于封闭的平衡蒸发和瑞利蒸发之间，因 此，全球降水线的斜率S＝8。
大量的研究证明，海水蒸发形成云团蒸气的过程实际上是一个动力过程， 蒸发速度受水－空气界面的扩散速度控制，而大气中的湿度、风速等因 素都会影响扩散速度。由于氢氧同位素分子有不同的扩散速度，所以得 到的斜率不等于8，而往往在5-6之间。由于受蒸发作用的影响而斜率小 于8。
2.4 地下水
1) 渗入水
不论古代还是现代，由大气降水补给的渗入水的同位素组成与其补给 源的大气降水的同位素组成相近，这是一种普遍的现象。在δD－ δ18O关系图上，数据点都落在世界降水线或地方降水线附近。
利用大气降水的高度效应，可以推测计算地下水补给区的高度和 位置。
穿过起伏较大的大陆边缘加拿大西部山脉降水的δ18O变化
-7.0
-8.0
《氢氧同位素》课件
地球表面水体中的氢氧同位素分布
地球表面水体中的氢氧同位素分布受到 多种因素的影响，如气候、地形、地质
等。
在不同地区和不同水体类型中，氢氧同 位素的分布存在差异。例如，在冰川和 雪水中，氢氧同位素的含量较低；而在 湖泊和河流中，氢氧同位素的含量较高
。
地球表面水体中的氢氧同位素分布对于 研究地球气候变化和地表水循环等方面
02 氢氧同位素的形成与转化
太阳辐射压的影响
太阳辐射压对地球大气层中的气体分子产生作用，使得氢氧同位素在大气中的分布 发生变化。
太阳辐射压对大气中氢氧同位素的影响程度与太阳辐射的强度、波长以及大气层的 厚度等因素有关。
在地球大气层中，太阳辐射压对氢氧同位素的影响较小，但在某些特定条件下，如 极地的高空区域，其影响可能会更加显著。
具有重要意义。
氢氧同位素的转化机制
氢氧同位素在大气、地表水体和地下水体等不同环境中的转化机制存在差异。
在大气中，氢氧同位素的转化主要受到太阳辐射压、温度和湿度等因素的影响；而在地表水 体和地下水体中，氢氧同位素的转化还受到水流、地质构造和生物作用等因素的影响。
了解不同环境中氢氧同位素的转化机制对于研究地球化学循环和水文循环等方面具有重要意 义。
岩石年代测定
氢氧同位素可以用来确定岩石的形成年代。通过分析岩石中矿物和玻璃质中的氢 氧同位素比率，可以推算出岩石的冷却时间和地质年代。
火山岩年代测定
火山岩中的氢氧同位素比率也可以用来确定其形成年代。通过分析火山岩中的矿 物和玻璃质中的氢氧同位素比率，可以了解火山活动的历史和地质年代。
04 氢氧同位素在其他领域的 应用
气候变化研究
通过氢氧同位素技术，深入理解气 候变化的机制和过程，为应对气候 变化提供支持。
水汽同位素
水汽同位素
水汽同位素是指大气中的水汽含量是由不同含氧核素构成的，而每一种含氧核素所占比例也不一样。
水汽同位素是大气科学中被广泛研究和利用的一个重要指标，因为它可以提供关于大气中水汽混合物来源、水汽在大气中的移动路径以及大气中水汽海拔分布等方面的宝贵信息。
水汽同位素是由17种氢同位素组成的，分别是氘（D）、氚（T）、氦（H）和氢氧（HO），它们的比例可以反映大气中水汽来源的变化。
因此，水汽同位素研究是解析大气水汽来源和分布变化的重要手段。
水汽同位素研究可以帮助我们更好地了解大气中水汽的运动路径，可以提供关于大气中水汽海拔分布的重要信息。
此外，水汽同位素也可以用于识别大气中的空气污染物的来源，从而帮助我们更准确地了解空气污染的形成和传播。
水汽同位素研究还可以帮助我们更深入地了解大气环流的特征，从而更好地预报气象。
在水汽同位素研究和气象预报中，水汽同位素也被用于识别大气环流系统，从而实现准确预测。
水汽同位素研究还与大气环境研究密切相关。
水汽同位素可以帮助我们了解大气中水汽分布对大气环境的影响，从而为大气环境研究提供宝贵的信息。
水汽同位素的研究对于解析大气环流、气候变化、气候研究和大气环境研究等方面都具有重要作用，这也是为什么水汽同位素研究的重要性要远超其他研究的原因。
总而言之，水汽同位素是大气科学研究中的重要指标，研究其变化可以为解析大气环流、气候变化、气候研究和大气环境研究等方面提供宝贵的信息。
它的重要性不言而喻。
只有通过深入研究，才能更好地了解水汽同位素在大气中所发挥的重要作用。
同位素水文地质学
重庆利用2006年5月至2007年4月期间的δD、δ18O数据，建立了当地大气降水线方程(LMWL): δD =8.73δ18O+ 15.73，相关系数r= 0.97。
相对于全球以及中国大气降水线斜率与截距都偏大。
这是由于该大气降水线的数据建立在次降水的数据基础上，由于“降水量效应”（淋滤效应），即多次降水过程，同位素分馏作用会导致残余水汽中稳定同位素比例持续减轻。
重庆每年11月至第2年4月主要以锋面降水为主，西风气流以及偏北气流带来的亚洲内陆地区的水汽来源于干旱半干旱地区，风速大，蒸发比较旺盛，因此同位素偏重，这在δ18O和d中均有体现。
而在5～ 10月期间，偏南气流的影响显著;特别是在夏季风影响深刻的6～ 9月期间，来自于热带和副热带大洋的温暖潮湿气团给当地带来大量降水，使得降水中的过量氘d值减小。
结论：(1)初步建立了重庆大气降水线方程: δD= 8.73δ18O+ 15.73。
(2)重庆雨水中的稳定同位素值在年内具有明显的季节变化，夏季降水中稳定同位素值比冬季降水中明显偏轻。
夏季海洋性的水汽来源以及水汽由海洋到陆地运移过程中的多次凝结降水是导致这一现象的主要原因。
稳定同位素值最偏重的降水事件出现在春末夏初，表明了由温度、湿度等控制的蒸发作用对重同位素的富集效应。
(3)当地大气降水稳定同位素组成没有体现出温度效应，与温度呈现出一种负相关的关系（与南方一致）但体现出一定的降水量效应。
(4)重庆春季和秋季的降水量占全年降水量的比例可达30%左右，这些非夏季风影响时期的大气降水及其稳定同位素组成对当地全年大气降水稳定同位素的加权平均值有重要影响。
特别是在当夏季出现伏旱天气而导致降水显著减少的年份。
成都1）成都地区大气降水同位素值表现出非常明显的季节变化：夏半年偏负，冬半年偏正，符合季风气候的降水特征。
成都地区是典型的季风影响区，夏季受东亚季风、印度季风的双重影响，来源于海水蒸发的暖湿气团在每年的夏半年形成丰富的季风降水；而由于大巴山的阻挡，本区受冬季风的影响比较微弱，所以冬半年的水汽可能主要来源于当地地表水的蒸发。
稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响
第４０卷第５期２０２０年３月生态学报ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４０，Ｎｏ．５Ｍａｒ．，２０２０基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７１２０３，４１７６１１１５）收稿日期：２０１９⁃０１⁃１７；㊀㊀网络出版日期：２０１９⁃１２⁃１７∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙｍｊｉａｏ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１９０１１７０１４２徐秋娥，刘澄静，角媛梅，肖敏轩，丁银平，张育豪，马帆，张园园．稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响．生态学报，２０２０，４０（５）：１７０９⁃１７１７．ＸｕＱＥ，ＬｉｕＣＪ，ＪｉａｏＹＭ，ＸｉａｏＭＸ，ＤｉｎｇＹＰ，ＺｈａｎｇＹＨ，ＭａＦ，ＺｈａｎｇＹＹ．ＩｍｐａｃｔｓｏｆｓｔａｂｌｅｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｒｅｃｈａｒｇｅｏｆＨａｎｉＲｉｃｅＴｅｒｒａｃｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０２０，４０（５）：１７０９⁃１７１７．稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响徐秋娥，刘澄静，角媛梅∗，肖敏轩，丁银平，张育豪，马㊀帆，张园园云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明㊀６５０５００摘要：稳定氢氧同位素可有效示踪区域降水水汽来源，旱季降水补给对大规模哈尼梯田的持续存在具有重大影响㊂以哈尼梯田世界遗产核心区的全福庄河流域为研究对象，在２０１５年１１月 ２０１６年４月间的旱季期间逐月采集处于不同海拔的７个样点的降水样品４２个，分析其稳定氢氧同位素组成的变化及其影响因子，并利用后向轨迹模型（ＨＹＳＰＬＩＴ）追踪其水汽来源㊂结果表明：１）该区局地大气降水线方程为δＤ＝７．３１δ１８Ｏ＋１９．８（Ｒ２＝０．９４，Ｐ＜０．０１，ｎ＝４２），斜率较全球降水线小而截距偏大，说明研究区有多个水汽来源地㊂２）旱季降水δ１８Ｏ和ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ在前期快速富集，后期δ１８Ｏ富集的速度减缓，ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ则快速降低，体现出水汽来源具有时间差异，但两者在空间变化上不明显㊂３）旱季降水δ１８Ｏ与降水量㊁温度和相对湿度的多元线性回归方程为：δ１８Ｏ＝－０．００２Ｐ－０．８６Ｔ－０．３９Ｈ＋３８．２２（Ｒ２＝０．９６，Ｐ＝０．０５），表明其变化是多因素综合影响的结果㊂４）结合δ１８Ｏ㊁ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ和ＨＹＳＰＬＩＴ模型分析，该区旱季主要有３条水汽来源路径，其中西风南支和局地水汽补给较少，占优势的西南季风除２月份外其余各月占７０％左右㊂５）研究区旱季降水量总体较少，但西南季风在１１月带来的降水为 灌水养田 提供了水源，在４月的降水为 冲水肥田 和 栽插准备 活动提供了必要水源，从而保障了梯田旱季的用水需求㊂关键词：哈尼梯田；稳定氢氧同位素；氘盈余；ＨＹＳＰＬＩＴ模型；水汽来源；降水补给ＩｍｐａｃｔｓｏｆｓｔａｂｌｅｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｒｅｃｈａｒｇｅｏｆＨａｎｉＲｉｃｅＴｅｒｒａｃｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎＸＵＱｉｕｅ，ＬＩＵＣｈｅｎｇｊｉｎｇ，ＪＩＡＯＹｕａｎｍｅｉ∗，ＸＩＡＯＭｉｎｘｕａｎ，ＤＩＮＧＹｉｎｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕｈａｏ，ＭＡＦａｎ，ＺＨＡＮＧＹｕａｎｙｕａｎＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｏｕｒｉｓｍａｎｄＧｅｏｇｒａｐｈｙ，ＹｕｎｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０５００，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｂｌｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｎｄｏｘｙｇｅｎｉｓｏｔｏｐｅｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｔｒａｃｅｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．ＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｒｅｃｈａｒｇｅｈａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＨａｎｉＲｉｃｅＴｅｒｒａｃｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｓｅｌｅｃｔｅｄｔｈｅＱｕａｎｆｕｚｈｕａｎｇＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｉｎｔｈｅｃｏｒｅａｒｅａｏｆＨａｎｉＲｉｃｅＴｅｒｒａｃｅｓＷｏｒｌｄＨｅｒｉｔａｇｅａｓｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎｆｒｏｍＮｏｖｅｍｂｅｒ２０１５ｔｏＡｐｒｉｌ２０１６．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｓｏｔｏｐｅａｎｄｉｔｓｉｍｐａｃｔｆａｃｔｏｒｓ，ａｎｄｕｓｅｄＨＹＳＰＬＩＴｍｏｄｅｌｔｏｔｒａｃｋｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ：１）ｔｈｅＬｏｃａｌＭｅｔｅｏｒｉｃＷａｔｅｒＬｉｎｅｅｑｕａｔｉｏｎｗａｓδＤ＝７．３１δ１８Ｏ＋１９．８（Ｒ２＝０．９４，Ｐ＜０．０１，ｎ＝４２），ｗｉｔｈｓｍａｌｌｅｒｓｌｏｐｅｔｈａｎｔｈｅＧｌｏｂａｌＭｅｔｅｏｒｉｃＷａｔｅｒＬｉｎｅａｎｄｌａｒｇｅｒｉｎｔｅｒｃｅｐｔ．２）Ｔｈｅδ１８Ｏａｎｄｄ⁃ｅｘｃｅｓｓｒａｔｅｒａｐｉｄｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｔｈｅｅａｒｌｙｄｒｙｓｅａｓｏｎ，ｂｕｔδ１８Ｏｒａｔｅｗａｓｓｌｏｗｄｏｗｎｉｎｔｈｅｌａｔｅｐｅｒｉｏｄ，ａｎｄｔｈｅｄ⁃ｅｘｃｅｓｓｒａｔｅｒａｐｉｄｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅｓｈａｄｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｗａｓｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓ．３）Ｔｈｅｍｕｌｔｉｐｌｅｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｏｆδ１８Ｏａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｍｏｕｎｔ，ａｎｄ０１７１㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀ｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎｉｓδ１８Ｏ＝０．００２Ｐ－０．８６Ｔ－０．３９Ｈ＋３８．２２（Ｒ２＝０．９６，Ｐ＝０．０５），ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｓｏｔｏｐｉｃｃｈａｎｇｅｓｗａｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｆａｃｔｏｒｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ．４）Ｔｈｅｂａｃｋｗａｒｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｍｏｄｅｌｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｗｅｒｅｍａｉｎｔｈｒｅｅｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅｒｏｕｔｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ．ＴｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｖａｐｏｒｆｒｏｍＳｏｕｔｈＢｒａｎｃｈｏｆｗｅｓｔｅｒｌｙａｎｄｌｏｃａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔｗｅｒｅｌｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｓｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎｍｏｎｓｏｏｎａｃｃｏｕｎｔｅｄｆｏｒａｂｏｕｔ７０％ｉｎｅｖｅｒｙｍｏｎｔｈｅｘｃｅｐｔＦｅｂｒｕａｒｙ．５）Ｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｍｏｕｎｔｗａｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｍａｌｌｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ，ｂｕｔｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｓｏｕｔｈｗｅｓｔｍｏｎｓｏｏｎｐｒｏｖｉｄｅｄｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｓｆｏｒｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｉｎＮｏｖｅｍｂｅｒ．ＴｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｆｒｏｍｓｏｕｔｈｗｅｓｔｍｏｎｓｏｏｎｎｅｘｔｙｅａｒｗａｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｐｌａｎｔｉｎｇｉｎＡｐｒｉｌ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐｒｏｖｉｄｅｄｎｅｃｅｓｓａｒｙｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｔｅｒｒａｃｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＨａｎｉＲｉｃｅＴｅｒｒａｃｅ；ｓｔａｂｌｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｎｄｏｘｙｇｅｎｉｓｏｔｏｐｅｓ；ｄｅｕｔｅｒｉｕｍｅｘｃｅｓｓ；ＨＹＳＰＬＩＴｍｏｄｅｌ；ｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｕｒｃｅ；ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｒｅｃｈａｒｇｅ利用稳定氢氧同位素追踪降水的水汽来源是国际大气和水文科学的热点领域［１⁃３］㊂降水中稳定氧（Ｏ１８）和氘（Ｄ）同位素是水汽来源的天然示踪剂［４⁃５］，是区域及全球水循环中的一个重要输入项，其丰度与形成时的气象条件及水汽源区的初始状态存在密切联系［３，６］㊂因此，同位素环境效应可作为降水来源的自然示踪剂来反演大气过程［７］，判别不同区域的水汽来源［４，８］，反映区域气候特征［９］，进而深入了解区域水循环过程［１０］㊂目前关于降水稳定氢氧同位素组成及其水汽来源的研究，已在中国的西南地区［１１］㊁西北地区［１２］㊁东北地区［１３］㊁东部沿海地区［１４］㊁青藏高原［１５］等地区展开，这些研究深入探讨了不同区域水汽来源的方向㊁数量等特征，以及季风区与非季风区㊁冬季风与夏季风的水汽来源差异等方面㊂整体上，大区域乃至全国范围的大气稳定氢氧同位素分布特征㊁同位素效应及其输送过程变化规律与机制等已经取得了重要的研究成果［１６⁃２０］㊂但目前的研究，在空间上对北方非季风区水汽来源的研究要多于对南方季风区的研究；在尺度上则缺乏对于小尺度地区的水汽来源及其运移过程的精细研究；在时间上则比较注重对雨季（夏季风）水汽来源的研究而缺乏对旱季（冬季风）的研究㊂在季风区，相比于降水较多的雨季，旱季较少的降水和水汽来源及其区域效应则更应该受到较多的研究和关注㊂哈尼梯田世界文化景观遗产位于我国西南部，属典型的亚热带季风气候区，旱季（１１月 次年４月）降水较少和雨季（５月 １０月）降水较多［２１］㊂研究区内降水水汽来源及其影响因素非常复杂，旱雨季存在明显差异［２２］㊂水作为维系哈尼梯田遗产景观稳定性的关键因素，尤其在降水匮乏的旱季梯田内 灌水养田 和 冲水肥田 等农业生产活动都需要大量水源支持，降水作为哈尼梯田区最主要的补给水源，明晰旱季降水水汽来源㊁循环过程及其影响因素对哈尼梯田的农业生产㊁遗产保护都具有十分重要的作用㊂因此，本研究通过对哈尼梯田区旱季降水稳定氢氧同位素时空变化特征的分析，旨在揭示１）影响旱季降水稳定同位素组成的主要环境因子及其相互关系；２）旱季水汽来源及其比例；３）哈尼梯田区旱季降水对梯田的补给情况及其生态意义㊂１㊀研究区与研究方法１．１㊀研究区研究区位于全福庄河小流域，属于哈尼梯田文化景观遗产核心区的坝达片区［２３］，地处云南省红河哈尼族彝族自治州元阳县㊂经纬度范围在１０２ʎ４３ᶄ１６ᵡ １０２ʎ５０ᶄ３９ᵡＥ㊁２３ʎ５ᶄ２０ᵡ ２３ʎ１３ᶄ１８ᵡＮ之间㊂研究区地处哀牢山南段，属红河一级支流麻栗寨河的源头区为扇形小流域，流域地势南高北低，呈阶梯状逐渐降低，海拔范围在１４５０ ２２６１ｍ之间，相对高度８１１ｍ，面积约１３．９２ｋｍ２㊂区内垂直气候差异明显，１８００ｍ以上为北亚热带气候和温带气候，年均温在１５ħ左右，年均降水量１８００ｍｍ；海拔１８００ｍ以下地区为中㊁南亚热带气候，为梯田主要分布区，年均温为１７ħ，年均降水量１５００ｍｍ㊂旱雨季分明［２４］，雨季降水量１０８９．７ｍｍ，旱季降水量仅为３０７．９ｍｍ，降水的水汽来源与影响降水的因素比较复杂㊂１．２㊀降水样品采集与测试在收集研究区相关资料和前人研究方法的基础上结合研究区实际情况，于２０１５年１１月和１２月至２０１６年１月至４月在研究区按月采集研究区旱季降水，采样点位置通过手持ＧＰＳ确定，所设置的７个样点按海拔梯度分布：样点１（１５００ｍ）㊁样点２（１６８０ｍ）㊁样点３（１７９８ｍ）㊁样点４（１８８９ｍ）㊁样点５（１９５７ｍ）㊁样点６（２００４ｍ）和样点７（２０２４ｍ），共采集有效大气降水样品４２个（图１）㊂采集样品时，先用自制的雨水收集器收集雨水，到该月结束后对桶内收集的雨水进行采集，并记录月降水量㊂收集雨水收集器中雨水样品时，先将１００ｍＬ聚乙烯瓶用雨水清洗３次，迅速灌满，使瓶内无气泡后用密封胶封口，贴好标签㊂气象数据采集来自设立于全福庄中寨（样点３）的ＤＡＶＩＳＶａｎｔａｇ自动气象站，每小时一个数据，具体采集气象数据包括降水量㊁室外温度㊁室外湿度㊁风速㊁风向㊁气压等㊂图１㊀研究区与采样点分布图Ｆｉｇ．１㊀Ｓｔｕｄｙａｒｅａａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓａｍｐｌｉｎｇｓｉｔｅｓ稳定氢氧同位素测试在云南师范大学高原湖泊生态与全球变化重点实验室进行㊂采用ＰｉｃａｒｒｏＬ２１３０⁃ｉ超高精度液态水和水汽同位素分析仪上测定，液态水测试结果的δ１８Ｏ确保精度ʃ０．１ɢ，δＤ确保精度ʃ０．５ɢ，最终分析结果是用相对于维也纳标准平均海洋水（Ｖ⁃ＳＭＯＷ）的千分差表示：δ１８Ｏ＝（ＲＯ－ｓａｍｐｌｅＲＶ－ＳＭＯＷ－１）ˑ１０００ɢ（１）δＤ＝（ＲＤ－ｓａｍｐｌｅＲＶ－ＳＭＯＷ－１）ˑ１０００ɢ（２）式中，ＲＯ－ｓａｍｐｌｅ为水样中稳定氧同位素比率Ｒ（１８Ｏ／１６Ｏ），ＲＤ－ｓａｍｐｌｅ为为水样中稳定氢同位素比率Ｒ（Ｄ／Ｈ），ＲＶ－ＳＭＯＷ为维也纳标准平均海洋水中稳定氧和氢同位素比率Ｒ（１８Ｏ／１６Ｏ）和Ｒ（Ｄ／Ｈ）㊂１９６４年Ｄａｎｓｇａａｒｄ［１］根据Ｃｒａｉｇ［７］得出的全球大气降水线提出并定义了氘盈余值（又称过量参数，简称ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ值），用来反映本地降水与全球降水的稳定氢氧同位素分馏程度㊂ｄ＝δＤ－８ˑδ１８Ｏ（３）１．３㊀数据处理与后向轨迹模型（ＨＹＳＰＬＩＴ）研究区采样点和地形图由地理空间数据域提供的３０ｍˑ３０ｍ的数字高程模型（ＤｉｇｉｔａｌＥｌｅｖａｔｉｏｎＭｏｄｅｌ，ＤＥＭ）在ＡｒｃＧＩＳ１０．０软件中进行制图综合得出㊂稳定氢氧同位素测试结果采用ＳＰＳＳ２０软件进行统计分析，主要分析方法包括相关性分析㊁一元回归分析和假设检验等，分析结果图采用Ｇｒａｐｈｅｒ１２软件制作㊂１１７１㊀５期㊀㊀㊀徐秋娥㊀等：稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响㊀旱季不同时间大气降水水汽的来源轨迹，采用的是后向轨迹模型（ＨｙｂｒｉｄＳｉｎｇｌｅＰａｒｔｉｃｌｅＬａｇｒａｎｇｉａｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＴｒａｊｅｃｔｏｒｙＭｏｄｅｌ，简称ＨＹＳＰＬＩＴ模型）［２５⁃２６］的轨迹模拟结果，该模型是由美国国家海洋和大气管理局（ＮＯＡＡ）的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的用于计算和分析大气污染物输送㊁扩散轨迹，并可以实时预报风场形势㊁研究水汽输送轨迹的专业模型㊂模型运行的初始时间为ＵＴＣ时间０时，高度为５００ｍ（距研究区地面），追踪点为位于研究区样点中间位置的样点３，向后追踪５ｄ，即１２０ｈ，这样即可覆盖连续性降水，还可提高追踪水汽来源的精度㊂同时结合实际情况和前人相关研究对轨迹模拟结果进行聚类分析和ＧＩＳ制图综合，得出旱季大气运动的后向轨迹图㊂２㊀结果与分析２．１㊀降水中稳定氢氧同位素分析２．１．１㊀本地大气降水线依据研究区所采旱季降水稳定氢氧同位素数据，得出研究区局地大气降水线（ＬｏｃａｌＭｅｔｅｏｒｉｃＷａｔｅｒＬｉｎｅ，ＬＭＷＬ）方程为：δＤ＝７．３１δ１８Ｏ＋１９．８（Ｒ２＝０．９４，Ｐ＜０．０１，ｎ＝４２），表明研究区旱季降水的稳定氢氧同位素组成具有极好的相关性（图２）㊂如图２所示，研究区降水稳定氢氧同位素值全部位于全球大气降水线（ＧｌｏｂａｌＭｅｔｅｏｒｉｃＷａｔｅｒＬｉｎｅ，ＧＭＷＬ）上方，且ＬＭＷＬ的斜率７．３１要小于ＧＭＷＬ的斜率８，这表明该区降水来源于具有不同稳定氢氧同位素比率的源地，且降水形成过程中还受到蒸发等其他环境因素的影响，故出现１８Ｏ偏离ＧＭＷＬ的现象㊂此外在局地降水上，旱季降水稳定氢氧同位素值存在明显的月间差异，同位素值呈现出随时间变化而不断富集的趋势，这种趋势在一定程度上也反映了研究区不同月份降水的形成过程存在差异㊂２．１．２㊀大气降水δ１８Ｏ㊁ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ变化特征根据旱季７个样点降水同位素δ１８Ｏ在不同月份的分布情况可知（图３），δ１８Ｏ的变化范围在－８．９７ɢ －０．９２ɢ之间，平均值为－４．４７，总体上旱季δ１８Ｏ富集㊂从时间上看，旱季降水同位素δ１８Ｏ值随旱季的深入逐渐富集，并呈现出旱季前期（１１月至次年１月）和后期（次年２月至次年４月）两个不同的增长阶段㊂其中，在旱季前期降水同位素素δ１８Ｏ值快速富集，变化率为２．６９ɢ／月；在旱季后期降水δ１８Ｏ值富集的速度减缓，变化率为０．６０ɢ／月㊂从空间上看，各月样点降水同位素值差异较小，随海拔变化的情况不明显，这与相对较小的海拔梯度有关㊂图２㊀大气降水δ１８Ｏ和δＤ的关系Ｆｉｇ．２㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎδ１８ＯａｎｄδＤ图３㊀旱季降水δ１８Ｏ和ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ的时间变化㊀Ｆｉｇ．３㊀Ｔｈｅｍｏｎｔｈｌｙｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｄｅｕｔｅｒｉｕｍｅｘｃｅｓｓａｎｄδ１８Ｏｉｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ２１７１㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀㊀㊀从降水同位素ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ值在不同月份的分布情况来看（图３），研究区旱季ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ值范围在１２．４４ɢ ３１．１１ɢ之间，平均值为２２．８７，要明显大于全球ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ值的１０ɢ㊂在旱季氘盈余值随时间的变化也存在两个阶段的特征，在旱季前期ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ不断上升，变化率为３．７１ɢ／月；在旱季后期ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ不断降低，变化率为－４．８０ɢ／月㊂在空间上，各月样点降水ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ值差异较小，随海拔变化的情况不明显㊂２．２㊀影响降水δ１８Ｏ的环境因子将各样点降水稳定氧同位素的月平均值与各环境因子（降水量㊁温度和相对湿度）进行分析，结果见表１和图４㊂表１㊀研究区旱季降水平均δ１８Ｏ与主要环境因子的关系Ｔａｂｌｅ１㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｖｅｒａｇｅδ１８Ｏａｎｄｍａｉｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｆａｃｔｏｒｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ环境因子Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｆａｃｔｏｒ一元回归Ｕｎａｒｙｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ二元回归Ｂｉｎａｒｙｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ方程ＥｑｕａｔｉｏｎＲ２Ｐ方程ＥｑｕａｔｉｏｎＲ２Ｐ降水量Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ／ｍｍδ１８Ｏ＝－０．０３Ｐ－２．３６０．２００．３８δ１８Ｏ＝－０．０１Ｐ２＋０．９８Ｐ－５．８００．２１０．７０温度Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ħδ１８Ｏ＝０．１１Ｔ－５．８６０．０２０．７９δ１８Ｏ＝０．４６Ｔ２－１１．８６Ｔ＋６７．９２０．８２０．０８相对湿度ＲｅｌａｔｉｖｅＨｕｍｉｄｉｔｙ／％δ１８Ｏ＝－０．１７Ｈ＋９．４５０．４９０．３０δ１８Ｏ＝－０．０１Ｈ２＋１．８３Ｈ－６６．０６０．５５０．１２图４㊀旱季降水量㊁温度㊁相对湿度的变化Ｆｉｇ．４㊀Ｃｈａｎｇｅｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ２．２．１㊀大气降水δ１８Ｏ与各环境因子的一元回归分析７个样点降水δ１８Ｏ平均值与降水量㊁温度和相对湿度的一次和二次拟合方程Ｐ值均大于０．０５（表１），表明三者均不是影响降水δ１８Ｏ变化的主要因素㊂这是由于大气降水在凝结过程中，由于旱季相对湿度较低且温度较高，降水分馏以动力过程为主，雨滴在下降过程中经历了二次蒸发过程或雨滴凝结时混入了一定量的局地循环的水汽㊂２．２．２㊀大气降水δ１８Ｏ与各环境因子的多元回归分析通过以上分析，在旱季，各样点旱季降水同位素值与温度㊁降水量和相对湿度的相关性未通过相关系数临界值检验，即旱季降水δ１８Ｏ没有明显的主导性环境因子㊂综合考虑旱季降水同位素δ１８Ｏ与降水量㊁温度和相对湿度各主要环境因子的影响，对旱季降水δ１８Ｏ值与各环境因子做多元回归分析，回归方程为：δ１８Ｏ＝－０．００２Ｐ－０．８６Ｔ－０．３９Ｈ＋３８．２２（Ｒ２＝０．９６，Ｐ＝０．０５），式中Ｐ为降水量（ｍｍ），Ｔ为温度（ħ），Ｈ为相对湿度（％），其相关系数为０．９８，说明旱季降水同位素变化是多因素综合影响的结果，局地水汽循环过程显著㊂２．３㊀旱季降水的水汽来源２．３．１㊀氘盈余指示的水汽来源从降水同位素ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ值在不同月份的变化特征来看（图３），旱季氘盈余值随时间的变化也存在两个阶３１７１㊀５期㊀㊀㊀徐秋娥㊀等：稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响㊀４１７１㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀段的特征，在旱季前期ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ不断上升，变化率为３．７１ɢ／月；在旱季后期ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ不断降低，变化率为－４．８０ɢ／月㊂在与环境因子的相关性方面，ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ与温度和相对湿度都有显著的相关性，在０．０５的显著性水平下，ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ与温度和相对湿度相关系数分别为－０．８９，０．８１㊂这说明旱季降水的ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ更能够展现局地环境因子对降水同位素的影响，而与降水量较低的相关性则是由旱季降水较少和影响因素较多造成的㊂从图３可知，可根据ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ变化情况将研究区的水汽来源分为旱季前期和后期两类，旱季前期不断升高的ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ说明研究区水汽来源正逐渐从海洋水汽向大陆水汽转变，降水δ１８Ｏ逐渐富集，整体上呈现出同位素富集的情况；旱季后期ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ逐渐降低则说明的水汽来源又从大陆水汽逐渐转变为海洋水汽，降水δ１８Ｏ虽然没有逐渐贫化，但富集趋势开始变得平缓，这可能与这个时段的降水量偏少有关㊂２．３．２㊀基于后向轨迹模型的水汽来源不同的水汽来源是影响降水同位素组成的关键因素，利用ＨＹＳＰＬＩＴ模型对旱季水汽来源进行轨迹模拟得出旱季大气运动的后向轨迹图（图５），结果如下：在整个旱季，水汽输送主要有西南输送水汽（ＳＷ）㊁西风南支输送水汽（ＳＢ）㊁西风北支输送水汽（ＮＢ）㊁北方冷空气输送水汽（ＮＥ）以及东南太平洋水汽（ＳＥ），此外还有部分局地水汽（Ｌｏｃａｌ）等６个主要水汽来源㊂其中以西南输送水汽最多，约占整个旱季的６７％；其次为西风南支输送水汽，约占整个旱季的１２％；其余水汽贡献比例较少，整体上均小于１０％，但在个别月份略有上升㊂因此，在整个旱季西南水汽和西风南支水汽是研究区主要的水汽来源㊂在旱季各月间，１１月至次年２月，西南输送水汽来源比例逐渐较少，次年３月至４月又逐渐增多，同时西南输送水汽比例又在一定程度上与西风南支和局地水汽比例成反比，这与ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ的分析结果基本一致㊂其中，西风南支输送水汽比例在１１月至次年１月逐渐增加，而次年２月至４月又逐渐减小；局地水汽比例则在次年２月急剧增加，而２月以后又逐渐减少㊂在降水δ１８Ｏ方面，由于旱季前期源于西南输送的海洋水汽逐渐减少，局地水汽和西风南支输送的大陆水汽逐渐增多，δ１８Ｏ也在不断富集；虽然在旱季后期西南季风输送水汽的比例逐渐增加，局地水汽和西风南支输送水汽比例不断减少，但由于降水量较少且相对湿度较高（图５），降水δ１８Ｏ没有出现逐渐贫化的情况，只是富集趋势有所降低㊂这说明，不同水汽来源的水汽也会受到局地环境因素的影响，影响结果大小一定程度上取决于水汽所形成的降水量的大小㊂３㊀讨论３．１㊀旱季大气降水δ１８Ｏ与各环境因子的关系在本研究中，旱季降水同位素值与降水量㊁温度和相对湿度的相关性并不显著，即旱季降水δ１８Ｏ没有明显的主导性环境因子㊂而一般认为降水稳定同位素组成变化受到了水汽凝结时温度㊁水汽输送方式㊁降水的季节变化㊁降水期间的温度和湿度等因素影响［１１］㊂Ｄａｎｓｇａａｒｄ定义了降水中δ１８Ｏ与温度之间存在显著正相关性关系为温度效应，而降水中δ１８Ｏ与降水量之间存在反相关性，将此现象定义为降水量效应［１］㊂田立德㊁刘忠方等［２７］人认为高纬度地区影响降水稳定同位素组成变化的主要是温度因素，而在低纬度热带及亚热带地区则为降水量㊂在季节尺度上，哈尼梯田地区的大气降水稳定氢氧同位素组成具有明显的季节性，旱雨季差异较大，由于雨季平均气温较旱季大，且降水量集中在雨季，旱季与雨季水汽来存在差异，雨季存在明显的温度效应［１］，这与环境同位素的分馏作用主要受制于相变过程中的温度的说法一致［２８⁃２９］，旱季降水量少，旱季没有主导性因子㊂但在年尺度上看，由于季风的控制哈尼梯田区降水多集中在温度较高的雨季，全年降水δ１８Ｏ值存在明显降水量效应［２１］㊂３．２㊀旱季降水水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响章新平等［３０］的研究表明，中国西南地区旱季降水稳定同位素比率和ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ较大，主要受大陆性气团影响，水汽主要来源于西风带的输送和内陆再蒸发水汽的补给㊂本研究的水汽来源分析表明，哈尼梯田区不仅受少量的西风南支和局地水汽补给，更多的是受西南季风的影响，除２月份占比为４３％外，其余月份均占图５㊀研究区旱季水汽来源后向轨迹示意图Ｆｉｇ．５㊀Ｃｌｕｓｔｅｒｏｆｂａｃｋｗａｒｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｆｒｏｍｓｔｕｄｙａｒｅａｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ７０％左右（图５），使１１月和次年４月都出现较多的降水量（图４），从而为哈尼梯田秋末（１１月）的 灌水养田 活动和春初（４月）的 冲水肥田 活动所需的水源提供有效补给㊂在研究区的梯田内，旱季灌水养田时的水深一般为２０ ２５ｃｍ，梯田储水量为０．２５ｍ３／ｍ２［３１］㊂由于旱季灌水养田时田水一般不会排出，且梯田底泥底一般为黏土，透水性弱，因此蒸发是旱季田水损失的主要原因㊂要保证研究区旱季梯田水体的稳定和持续，５１７１㊀５期㊀㊀㊀徐秋娥㊀等：稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响㊀图６㊀旱季降水量和蒸发量Ｆｉｇ．６㊀Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｓｅａｓｏｎ研究区旱季的降水量必须要大于蒸发量㊂根据研究区２０１５ ２０１６年的旱季降水量（４２４．９３ｍｍ）和旱季蒸发量（３９３．２４ｍｍ）计算出的干燥度为０．９３，小于１（图６），研究区在旱季依然达到了湿润地区的指标㊂这说明研究区旱季的降水能够完全保证梯田区旱季灌水养田的需求，保障了旱季哈尼梯田农业生产活动，是实现哈尼梯田千年的可持续发展的关键因素㊂４㊀结论哈尼梯田世界遗产核心区全福庄河流的局地大气降水线方程为δＤ＝７．３１δ１８Ｏ＋１９．８（Ｒ２＝０．９４，Ｐ＜０．０１，ｎ＝４２），δ１８Ｏ和ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ前期均快速富集，后期则是δ１８Ｏ富集速度减缓但ｄ⁃ｅｘｃｅｓｓ快速降低㊂在旱季中，降水δ１８Ｏ与降水量㊁温度和相对湿度等因子方程为δ１８Ｏ＝－０．００２Ｐ－０．８６Ｔ－０．３９Ｈ＋３８．２２（Ｒ２＝０．９６，Ｐ＝０．０５，ｎ＝４２）㊂ＨＹＳＰＬＩＴ模型结果显示旱季主要有西南季风（６７％）㊁西风南支（１２％）和局地水汽（８％）等３个水汽来源，西南季风带来的降水在旱季末期（１１月）为 灌水养田 ，以及次年最干旱月份（４月）的 冲水肥田 和 栽插准备 等梯田农事活动提供了充足的水源保障㊂致谢：云南师范大学高原湖泊生态与全球变化重点实验室对同位素测试给予支持，特此致谢㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］㊀ＤａｎｓｇａａｒｄＷ．Ｓｔａｂｌｅｉｓｏｔｏｐｅｓｉｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．Ｔｅｌｌｕｓ，１９６４，１６（４）：４３６⁃４６８．［２］㊀ＤａｎｓｇａａｒｄＷ．ＴｈｅａｂｕｎｄａｎｃｅｏｆＯ１８ｉｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｗａｔｅｒａｎｄｗａｔｅｒｖａｐｏｕｒ．Ｔｅｌｌｕｓ，１９５３，５（４）：４６１⁃４６９．［３］㊀ＨｏｌｌｉｎｓＳＥ，ＨｕｇｈｅｓＣＥ，ＣｒａｗｆｏｒｄＪ，ＣｅｎｄóｎＤＩ，ＭｅｒｅｄｉｔｈＫＴ．ＲａｉｎｆａｌｌｉｓｏｔｏｐｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｖｅｒｔｈｅＡｕｓｔｒａｌｉａｎｃｏｎｔｉｎｅｎｔ－Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｈｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄｉｓｏｓｃａｐｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＳｃｉｅｎｃｅｏｆｔｈｅＴｏｔａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０１８，６４５：６３０⁃６４５．［４］㊀Ａｒａｇｕáｓ－ＡｒａｇｕáｓＬ，ＦｒｏｅｈｌｉｃｈＫ，ＲｏｚａｎｓｋｉＫ．ＳｔａｂｌｅｉｓｏｔｏｐｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｖｅｒｓｏｕｔｈｅａｓｔＡｓｉａ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｓ，１９９８，１０３（Ｄ２２）：２８７２１⁃２８７４２．［５］㊀李广，章新平，吴华武，张剑明，魏乃琼，黄煌．云南大气降水中δ１８Ｏ与气象要素及水汽来源之间的关系．自然资源学报，２０１４，２９（６）：１０４３⁃１０５２．［６］㊀胡勇博，肖薇，钱雨妃，刘强，谢成玉，张秀芳，张文庆，温学发，刘寿东，李旭辉．水汽源地和局地蒸发对大气降水氢氧稳定同位素组分的影响．环境科学，２０１９，４０（２）：５７３⁃５８１．［７］㊀ＣｒａｉｇＨ．Ｉｓｏｔｏｐｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｓｉｎｍｅｔｅｏｒｉｃｗａｔｅｒｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９６１，１３３（３４６５）：１７０２⁃１７０３．［８］㊀陈曦，李志，程立平，刘文兆，王锐．黄土塬区大气降水的氢氧稳定同位素特征及水汽来源．生态学报，２０１６，３６（１）：９８⁃１０６．［９］㊀章新平，姚檀栋．全球降水中氧同位素比率的分布特点．冰川冻土，１９９４，１６（３）：２０２⁃２１０．［１０］㊀郭政昇，郑国璋，赵培，肖杰．水汽源区变化对黄河中游降水稳定同位素的影响．自然资源学报，２０１８，３３（１１）：１９７９⁃１９９１．［１１］㊀李维杰，王建力，王家录．西南地区不同地形降水稳定同位素特征及其水汽来源．长江流域资源与环境，２０１８，２７（５）：１１３２⁃１１４２．［１２］㊀刘洁遥，张福平，冯起，李宗省，朱艺文，聂硕，李玲．西北地区降水稳定同位素的云下二次蒸发效应．应用生态学报，２０１８，２９（５）：１４７９⁃１４８８．［１３］㊀李小飞，张明军，马潜，李亚举，王圣杰，汪宝龙．我国东北地区大气降水稳定同位素特征及其水汽来源．环境科学，２０１２，３３（９）：２９２４⁃２９３１．［１４］㊀薛积彬，钟巍，赵引娟．广州大气降水中δ１８Ｏ与气象要素及季风活动之间的关系．冰川冻土，２００８，３０（５）：７６１⁃７６８．［１５］㊀田立德，马凌龙，余武生，刘忠方，尹常亮，赵中平，唐威，王瑜．青藏高原东部玉树降水中稳定同位素季节变化与水汽输送．中国科学Ｄ辑：地球科学，２００８，３８（８）：９８６⁃９９２．［１６］㊀ＪｉａＷＸ，ＭａＸＧ，ＸｕＸＴ，ＹｕａｎＲＦ，ＤｉｎｇＤ，ＺｈｕＧＦ．ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｔａｂｌｅｉｓｏｔｏｐｅｉｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖａｐｏｒｓｏｕｒｃｅｓｉｎｔｈｅｅａｓｔｅｒｎＱｉｌｉａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｏｕｎｔａｉｎＳｃｉｅｎｃｅ，２０１８，１５（１０）：２２０７⁃２２１７．６１７１㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀［１７］㊀ＺｈａｎｇＭＪ，ＷａｎｇＳＪ．ＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｓｏｔｏｐｅｓｉｎｔｈｅＴｉａｎｓｈａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓａｓａｋｅｙｔｏｗａｔｅｒｃｙｃｌｅｉｎａｒｉｄｃｅｎｔｒａｌＡｓｉａ．ＳｃｉｅｎｃｅｓｉｎＣｏｌｄａｎｄＡｒｉｄＲｅｇｉｏｎｓ，２０１８，１０（１）：２７⁃３７．［１８］㊀ＧｕｏＸＹ，ＦｅｎｇＱ，ＷｅｉＹＰ，ＬｉＺＸ，ＬｉｕＷ．ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｓｏｔｏｐｅｓｏｖｅｒｔｈｅＥｘｔｅｎｓｉｖｅＨｅｘｉＲｅｇｉｏｎｉｎＮＷＣｈｉｎａ．ＡｒａｂｉａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１５，８（７）：４３６５⁃４３７８．［１９］㊀ＺｈａｎｇＸＰ，ＬｉｕＪＭ，ＳｕｎＷＺ，ＨｕａｎｇＹＭ，ＺｈａｎｇＪＭ．ＲｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｏｘｙｇｅｎｓｔａｂｌｅｉｓｏｔｏｐｉｃｒａｔｉｏｓｉｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓｉｎＳｏｕｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ．ＳｃｉｅｎｃｅｉｎＣｈｉｎａＳｅｒｉｅｓＤ：ＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００７，５０（４）：５７１⁃５８１．［２０］㊀ＬｉｕＪＲ，ＳｏｎｇＸＦ，ＹｕａｎＧＦ，ＳｕｎＸＭ，ＬｉｕＸ，ＷａｎｇＳＱ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆδ１８ＯｉｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｖｅｒＥａｓｔｅｒｎＭｏｎｓｏｏｎＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒｖａｐｏｒｓｏｕｒｃｅｓ．ＣｈｉｎｅｓｅＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎ，２０１０，５５（２）：２００⁃２１１．［２１］㊀刘澄静，角媛梅，刘志林，刘歆，高璇．哈尼梯田区降水稳定氢氧同位素的旱雨季变化特征及其影响因素．山地学报，２０１８，３６（４）：５１９⁃５２６．［２２］㊀张贵玲，角媛梅，何礼平，刘歆，刘澄静，闫晓景，王梅．中国西南地区降水氢氧同位素研究进展与展望．冰川冻土，２０１５，３７（４）：１０９４⁃１１０３．［２３］㊀章侃丰，角媛梅，刘歆，刘志林，刘澄静，尚升海．基于敏感度⁃主观偏好矩阵的哈尼梯田视觉景观关键区识别．生态学报，２０１８，３８（１０）：３６６１⁃３６７２．［２４］㊀王声跃．云南地理．昆明：云南民族出版社，２００２：６６⁃６７．［２５］㊀ＤｒａｘｌｅｒＲＲ，ＨｅｓｓＧＤ．ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅＨＹＳＰＬＩＴ＿４ｍｏｄｅｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ａｎｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ．ＡｕｓｔｒａｌｉａｎＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＭａｇａｚｉｎｅ，１９９８，４７（４）：２９５⁃３０８．［２６］㊀ＣｏｈｅｎＭ，ＬａｕｒｉｎＲ，ＭａｔｈｅｗｓｏｎＬ，ＭｃＤｏｎａｌｄＪＦ，Ｍｅｙｅｒ⁃ＷｅｆｅｒｉｎｇＤ．ＨＹＳＰＬＩＴｍｏｄｅｌｅｓｔｉｍａｔｅｓｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｏｘｉｃｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓｔｏｔｈｅＧｒｅａｔＬａｋｅｓ（ＡｎＯｖｅｒｖｉｅｗ）．ＡｉｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎＭｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＢｅｒｌｉｎＨｅｉｄｅｌｂｅｒｇ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００２：３０⁃４１．［２７］㊀刘忠方，田立德，姚檀栋，柴旭荣．中国大气降水中δ１８Ｏ的空间分布．科学通报，２００９，５４（６）：８０４⁃８１１．［２８］㊀章新平，姚檀栋．我国降水中δ１８Ｏ的分布特点．地理学报，１９９８，５３（４）：３５６⁃３６４．［２９］㊀ＹｕＷＳ，ＹａｏＴＤ，ＴｉａｎＬＤ，ＭａＹＭ，ＩｃｈｉｙａｎａｇｉＫ．ＷａｎｇＹ，ＳｕｎＷＺ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎδ１８Ｏｉｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｏｒｉｇｉｎｏｎａｓｏｕｔｈ⁃ｎｏｒｔｈｔｒａｎｓｅｃｔｏｆｔｈｅＴｉｂｅｔａｎＰｌａｔｅａｕ．ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ，２００８，８７（２）：１５８⁃１６９．［３０］㊀章新平，刘晶淼，中尾正义，谢自楚．我国西南地区降水中过量氘指示水汽来源．冰川冻土，２００９，３１（４）：６１３⁃６１９．［３１］㊀角媛梅．哈尼梯田自然与文化景观生态研究．北京：中国环境科学出版社，２００９：１⁃１２．７１７１㊀５期㊀㊀㊀徐秋娥㊀等：稳定氢氧同位素示踪水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响㊀。
%BD%8D素水文学-第3讲-大气降水同位素-2011版本
在δ18O-δD图上，当地降水线偏离大气水 线，具有较低的斜率s，这主要取决于相对湿 度。Gonfianfini(1986)建立了这个关系的数学 模型。如图所示，当湿度h值很低，动力蒸发 达到最大值，s值也很低。
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
全球大气降水线
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
H. Craig，1961
大气降水同位素的瑞利分馏
水的蒸发、凝结是大气降水氢氧稳定同位素 分馏的直接过程，也是造成不同水体同位素 组成差异的重要原因。 瑞利模型可用来讨论大气中水汽凝结形成降 水和地表水体的蒸发过程中氢氧稳定同位素 的富集或贫化。它给出了酿酒过程中蒸馏作 用（distillation）使气体分离的数学原理 (Rayleigh,1896) 。
大气降水同位素的时空分布特征
新疆干旱区大气降水同位素最新成果简介
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
大气降水同位素
降水是自然界水循环过程中的一个重要环节，在实现 海水—大气水—降水的相变过程中，氘-氧同位素之 间的内在关系 降水同位素受气候、地理因素影响，具有明显的时空 变化，并且与云团凝结温度、降雨量、高程等地理因 素等有关。 分析大气降水δ18O和δD在不同地区的分布特点， 以及其与各种环境因素之间的因果关系，不仅有助于 定性或定量地解决地下水的起源和成因，区分补给源 区和补给高程等水文学问题，而且也有助于判断水气 来源等气象学研究
American Geochemist 1926-2003
水汽来源和云下二次蒸发对降水同位素的影响
水汽来源和云下二次蒸发对降水同位素的影响水汽来源和云下二次蒸发对降水同位素的影响导语：降水同位素是指降水中所含的不同同位素的比例和组成。
水蒸气是地球上水循环的主要组成部分，而云下的二次蒸发是指降水由云层下降到地面之前经历的再次蒸发过程。
了解水汽来源和云下二次蒸发对降水同位素的影响对于解释降水的形成和变化有着重要的意义。
一、水汽来源对降水同位素的影响水汽来源是决定降水同位素组成的重要因素之一。
不同地区的降水同位素组成不同，这是由于水汽来源的差异。
在地球上，水汽来源有地表蒸发和海洋蒸发两种。
由地表蒸发形成的水汽含有较多的地球表层水体的同位素特征，而海洋蒸发形成的水汽则含有海洋水体的同位素特征。
通过对不同地区的降水样本进行同位素分析，研究者发现：内陆地区的降水同位素比较丰富，主要以重同位素为主，而沿海地区的降水同位素比较单一，主要以轻同位素为主。
二、云下二次蒸发对降水同位素的影响云下二次蒸发是指降水由云层下降到地面之前经历的再次蒸发过程。
在这个过程中，降水会与地面的植被、土壤和地表水体接触，从而可能产生同位素交换和分馏效应，对降水同位素组成产生影响。
研究发现，云下二次蒸发会导致轻同位素的富集，即地表水体中较重同位素相对富集。
这是因为在降水下降过程中，水分由于与地表物质的接触而发生同位素交换，较重的同位素在交换中更容易被吸附。
因此，云下二次蒸发是导致降水同位素组成变化的重要原因之一。
三、水汽来源和云下二次蒸发的综合影响水汽来源和云下二次蒸发是同时起作用的，二者的综合影响决定了降水中同位素的组成。
研究表明，内陆地区的降水同位素主要受到水汽来源的影响，而沿海地区的降水同位素则主要受到云下二次蒸发的影响。
这是因为内陆地区的水汽主要来自地表蒸发，其同位素含量较高；而沿海地区的水汽主要来自海洋蒸发，其同位素含量较低。
此外，旱季和雨季的降水同位素组成也有所差异，这是由于降水的形成过程和水汽来源的变化。
结论：水汽来源和云下二次蒸发是决定降水同位素组成的重要因素。
南京大气降水氧同位素变化及水汽来源分析
稳定 同位素是 自然水 体 的重要 组成 ， 同位素 以不 同
系统地 对 Ｏ和 ６ Ｄ进 行观 测和研 究『 ｌ ０ １ 。此外 ， 一 系列
的 比值 分配到两 种物质或 物相 中的 同位 素分馏 现象 ， 发
生在 自然界水循 环 的每一 个环节 中 。 且非 常敏感地 响应
科学研究［ １ １ ９ 】 对 我 国大 气 降 水稳 定 同位 素 分 布 特 征 、
收 集 降水 中环 境 同位 素 组 成 数 据 以及 相 关 的气 象 要 素 。１ ９ ６ ６年珠 穆 朗玛 峰 的科学 考察 拉 开 了我 国降水
位 素 的研 究 ｆ ５ １ 。１ ９ ６ １ 年 国际原子能机构 Ｉ Ａ Ｅ Ａ（ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ —
ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ａ ｔ ｏ ｍｉ ｃ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ａ ｇ ｅ ｎ ｃ ｙ １ 与 世 界 气 象 组 织
ＷＭＯ（ Ｗｏ ｒ ｌ ｄ Ｍｅ ｔ ｅ ｏ ｒ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ Ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 合作 ， 建 立 全
（ １ ． 南 京信 息工 程大 学大 气科 学学 院 ， 江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ４ ４； ２ ． 扬 州市 气象局 ， 江苏 扬州 ２ ２ ５ ０ ０ ０ ； ３ ． 解放军 ９ ４ ７ ８ ３部 队 ６ １分 队 ， 浙 江 长兴 ３ １ ３ １ １ １ ） 摘 要 ： 研 究结论 有 助 于 了解 南京地 区的水 汽输送 以及 水 汽循 环过 程 。 在全球 大气 降水 同位 素观 测 网（ Ｇ Ｎ Ｉ Ｐ ） 南京 站 点 的 大气 降水 氢 氧 同位 素 资料 基础 上 ， 并 结 合相 关 气 象 资料 ， 分析 了 南京地 区大 气降 水稳 定 同位 素 时间分 布
《氢氧同位素》PPT课件
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4、 生物作用：光合作用、细 菌作用等
6CO2+6H2O
C6H12O6+6HO2
12CO2的化学键比13CO2的容易断开，更容
易进入有机质中。
Epstein(1971)指出，绝大多数的陆生植 物δ13C在-24—-34 ‰之间，水生、沙漠、 泥沼的植物在-6—-19 ‰，水藻、地衣 在-12—-23 ‰。
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第一节 概述
一、同位素分馏
不同的同位素组成的分子之间的相对质量差， 会对分子中原子的振荡、化合物的一系列的 物理常数和热力学函数产生一定成的影响， 因此在物质运动过程中会表现出同位素的分 馏现象。
同位素分馏是指在一个系统中，某元素的同 位素以不同的比值分配到两种物质货物相中 的现象。
因此，根据硅质岩的氧同位素组成可以推断形 成介质的盐度，进而判别形成环境类型。
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O’Neil(1973)对不同环境条件下形成的 硅质岩氧同位素分布范围作了总结，结 果表明，淡水环境中形成的硅质岩， δ18O (SMOW标准，下同)都小于现代海 洋环境形成的硅质岩，δ18O值介于 30‰~35‰之间;而盐度较高的盐湖中 形成的硅质岩，δ18O值可在40 ‰以上。
（一）热力学分馏：
黑河流域中上游地区降水中氢氧同位素研究
黑河流域中上游地区降水中氢氧同位素研究
黑河流域中上游地区降水中氢氧同位素研究
根据黑河流域中上游地区取得的降水水样和气象资料,分析了该区域地区降水线和降水中氘盈余分布特征,为同位素技术在黑河流域水循环研究中的应用提供科学依据.结果表明:受降水再次强烈蒸发同位素动力分馏效应影响,地区大气降水线(LMWL)δD=4.1447δ18O-20.6852(‰)的斜率很低,符合干旱区降水线斜率很低的规律.冬秋两个季节降水线的斜率明显高于春夏季节,氢氧同位素的相关性也远高于春夏季节.降水中氘盈余(d)变化幅度较大,呈现山区高平原低和冬季高夏季低的时空分布规律.
作者：张应华仵彦卿 ZHANG Ying-hua WU Yan-qing 作者单位：张应华,ZHANG Ying-hua(中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京,100101)
仵彦卿,WU Yan-qing(上海交通大学环境科学与工程擎院,上海,200240)
刊名：冰川冻土ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY 年，卷(期)：2009 31(1) 分类号：P426.61+2 关键词：黑河水循环降水同位素。
大气中的水汽来源
大气中的水汽来源
围绕地球的大气层，其主要成分是氮、氢、氧和二氧化碳，另外还有少量的氩、氨、氙、氪、氖、臭氧等气体。
除此以外，大气中还含有一些水汽和固体、液体的微粒杂质。
大气里中水汽并不多，最多时也只占大气的百分之四。
我们在日常生活中经常会觉得空气有时比较潮湿，有时却很干燥，就是因为空气中的水汽有时多、有时少的缘故。
我们用空气湿度的大小来表示大气中所含水汽多少，该物理量可以通过仪器测量出来。
由于地心引力的作用，地面附近空气比较稠密，越往高处，空气越稀薄。
大部分空气聚集在从地面往上大约十公里的这层大气里，而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。
雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的，所以
它们主要产生于大气层的下部。
大气中的水汽主要来自地球表面。
江河湖海
中的水，潮湿的土壤，动、植物中的水分，时刻
被蒸发到空气中。
寒冷地区的冰雪，也在缓慢地
升华。
这些水汽进入大气后，成云致雨，或凝聚
为霜露，然后又返回地面，渗入土壤或流入江河
湖海。
以后又再蒸发（升华），再凝结（凝华）下
降。
因此，在自然界里，水分周而复始地循环着，
并在循环运动中不断改变着自身的状态。
液态的水，可以凝固为固态的冰，也可以蒸发为气态的
水汽；气态的水汽可以凝结为液态的云、雾、雨、
露，也可以凝华为固态的冰晶、雪、霜；而固态
的冰、雪、雹、霜可以融化为液态的水，也可以升华为气态的水汽因而雨、露、霜、雪就是这种水分循环过程中的产物。
水循环的过程。
滇东黔西地下水氢氧同位素特征
滇东黔西地下水氢氧同位素特征张明亮(四川省地质矿产勘查开发局九一五水文地质工程地质队，四丿11眉山620010)摘要：通过大气降雨氫氧同位素进行分析，得出了滇东黔西的大气降水线为8(0)=7.848 8(180)+11.00,地 下水氢氧同位素组成落在滇东黔西大气降雨线附近，说明研究区地下水是由大气降雨补给。
从贵州中部向西云 南昆明，地下水中越来越贫重同位素，显示夏季滇东黔西地区大气自东向西运移的特点。
研究区自东向西地下 水中氧漂移越来越明显，说明自黔西到滇东水岩作用越来越强烈。
研究区就过量系数d 为9.9,显示了淇东黔西 地区不平衡蒸发强烈。
滇■东黔西地区地下水出露高程和6‘9值的关系为8 180(%o)=-0.00259H-5.657,地下水出 露高程与6D 值得关系为8D(%o)=-0.0236H-31.080即在滇东黔西地区海拔毎上升100m,地下水中b ”O 值下 降 0.259%o, 5D 值下降 2.36%o 。
关键词：地下水；氢氧同位素；大气降水；滇东黔西中图分类号：P641.6 文献标识码：A文章编号：1006-0995(2019)02-0508-04DOI : 10.3969刀.issn.1006-0995.2019.03.032氢氧稳定同位素是水体的一种天然示踪剂，已广泛应用于水文地质学、气候学⑴、生态地质学⑵］等 领域。
由蒸发、凝聚、降落和径流等过程形成的水体，在运移过程中发生不同程度的同位素分馆，水中 稳定同位素叱和'll 受气候过程的影响，提供了它们起源的标志特征，对水分的来源具有指示意义，因 此可以通过水体的氢氧同位素组成变化来示踪水循环、判别其来源3】。
水中环境同位素记录了水循环的 过程信息，是研究区域水文循环的理想方法於、5。
前人对氢氧同位素特征做了不少研究卩如，但云贵高原 地区研究相对较少。
云贵高原地理位置特殊，位于二级台阶之上，前人对该区域的地下水同位素特征研 究甚少。
大气降水中氢氧同位素的高程梯度
大气降水中氢氧同位素的高程梯度我对这大气降水中氢氧同位素的高程梯度啊，那可真是有不少的话想说。
你看啊，这大气降水，它就像老天爷撒下的一把神秘的种子，氢氧同位素就藏在这“种子”里。
我每次琢磨这高程梯度，就感觉像是在爬一座看不见顶的山。
这高程一变化啊，氢氧同位素就跟着调皮起来。
我到那些有高山的地儿去考察过，山脚下的空气里都弥漫着一种踏实的味道，那时候看着周围的环境，花草树木都像是在给我讲关于大气降水的故事。
那些树啊，长得郁郁葱葱的，叶子上有时候还挂着刚下过雨的小水珠，在阳光底下亮晶晶的，就像氢氧同位素在跟我眨眼睛呢。
我瞅着那些水珠就想，这里面的氢氧同位素是不是和山顶上的不一样呢？到了半山腰，风呼呼地吹着，吹得我头发乱得像个鸟窝。
我脸上的表情估计也严肃得很，皱着眉头，眼睛紧紧盯着周围的一切。
同行的伙伴有时候会跟我打趣说：“你看你，像个要跟这山过不去的样子。
”我就会回他：“我这是在跟大气降水中的氢氧同位素较劲儿呢。
”这半山腰的大气降水啊，感觉和山脚下就有了点不同，氢氧同位素的比例似乎在悄悄地发生变化，就像一个孩子在慢慢长大，开始有了自己的小脾气。
等好不容易爬到山顶，那风更大了，吹得我都有点站不稳。
我站在那儿，大口喘着气，眼睛望着远方，心里想着这氢氧同位素的高程梯度到底是个啥规律呢？山顶上的大气降水啊，就像是被老天爷特殊照顾过一样，氢氧同位素的情况和山下差别可不小。
我就想象着那些氢氧同位素在不同高程的大气里飘来飘去，它们的形态、数量啥的都不一样，就像不同村子里的人有着不同的方言和习惯。
有时候我在实验室里，对着那些仪器，眼睛都看花了，就盼着能从那些数据里把氢氧同位素在高程梯度上的秘密给揪出来。
那些仪器闪着小灯，滴滴答答响着，就像在跟我对话。
我对着那些数据自言自语：“你们这些氢氧同位素啊，到底在高程变化的时候玩的啥把戏呢？”有时候数据好的时候，我就乐呵，感觉像是找到了宝贝；数据不好的时候，我就耷拉着脑袋，像个斗败的公鸡。
鹰潭地区大气降水中氢氧稳定同位素特征研究
鹰潭地区大气降水中氢氧稳定同位素特征研究沈业杰;彭新华【摘要】降水中氢氧稳定同位素组成与降水地区各种气象因素变化密切相关。
同时，降水中氢氧稳定同位素关系是水同位素应用的主要基础，对深入研究降水中水汽来源，地下水补给等水循环过程具有重要意义。
根据江西鹰潭地区2012年4月至2013年3月大气降水中氢氧稳定同位素组成和气象资料，研究了该地区大气降水中氢氧稳定同位素关系及降水量，温度等气象因素对氢氧稳定同位素组成的影响。
研究表明，该地区大气降水线方程为δD=8.61δ18O+18.34（n=72，R2=0.98），与全球大气降水线方程（δD=8δ18O+10）相比，鹰潭地区大气降水线的斜率和截距均偏大，这与凝结物在未饱和大气中降落时重同位素的蒸发富集作用有关，同时反映了该地区湿润多雨，降水过程中受二次蒸发影响较小的气候特点。
该地区降水中δD （-113.3‰～7.5‰）、δ18O（-14.9‰～-0.9‰）和氘盈余（3.8‰~23.2‰）变化幅度很大并呈现出明显的季节性变化，夏半年（4-9月）δD、δ18O与氘盈余均显著低于冬半年（10-3月）（P<0.01），反映出不同季节降水的水汽来源及蒸发条件的差异。
对该地区降水同位素与降水量和温度相关性的分析表明，降水中δ18O 与降水量和温度存在显著负相关关系，方程式分别为：y=-0.056x-4.7（R2=0.39，P<0.01）和y=-0.203x-2.99（R2=0.23，P<0.01），说明该地区降水中氢氧稳定同位素存在显著的降水量效应和反温度效应。
%TheδD and δ18O composition in precipitation are closely related to local meteorological factors. Meanwhile, being the primary basis of the isotope hydrology, stable isotopes of hydrogen and oxygen composition can be applied in the study of water cycle, such as evaluating sources of water vapor, groundwater recharge, etc. In this study, stable isotopes of oxygenand hydrogen compositions of the precipitation in Yingtan area from April, 2012 to March, 2013 were investigated. According to the isotopes of precipitation, local meteoric water regression lines could be described as: δD=8.61δ18O+18.34 (n=72,R2=0.98). Its slope and intercept were highe r than those of global meteoric water line (δD=8δ18O+10) due to the evaporation and enrichment of heavy isotopes condensation in the unsaturated atmosphere. Large ranges of δD (-113.3‰~7.5‰), δ18O (-14.9‰~-0.9‰) and dexcess values (3.8‰~23.2‰) were found i n precipitation in this region, and the values of δD, δ18O and dexcess in the summer half year (April-September) were significantly lower than those in the winter half year (March-October) (P<0.01), indicating different evaporative conditions and atmospheric water vapor sources between the two seasons. The relationship between δ18O and precipitation amount, temperature could be described as y=-0.056x-4.7 (R2=0.39, P<0.01) and y=-0.203x-2.99 (R2=0.23, P<0.01), indicating the precipitation amount effect and anti-temperature effect of isotopes in precipitation respectively.【期刊名称】《生态环境学报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P101-105)【关键词】氢氧稳定同位素;大气降水;降水量效应;氘盈余【作者】沈业杰;彭新华【作者单位】中国科学院南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏南京 210008; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏南京 210008【正文语种】中文【中图分类】P426.61降水是水循环过程的一个重要环节，在水循环研究过程中，降水中氢氧稳定同位素关系是同位素水文学的核心概念，也是水同位素应用的主要基础，它对于我们深入了解水循环过程及其结构具有重要意义（顾慰祖，2011; 张琳等，2009）。
天津地区大气降水中氢氧稳定同位素特征及影响因素研究
天津地区大气降水中氢氧稳定同位素特征及影响因素研究徐涛;刘国东;邢冰【摘要】依据国际原子能机构(IAEA)提供的天津地区1988～ 2001月降雨和同位素资料,分析了该地区大气降水的稳定同位素的组成和变化以及主要影响因素.天津大气降水线与我国东部季风区的局地大气降水线方程较为接近.大气降水同位素组成变化中的温度和降水效应较小,主要受季风以及季节水汽来源不同的影响,有显著的季节效应.【期刊名称】《西南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(040)003【总页数】7页(P421-427)【关键词】大气降水;稳定同位素;水汽源【作者】徐涛;刘国东;邢冰【作者单位】四川大学水利水电学院,成都610065;四川大学水利水电学院,成都610065;四川大学水利水电学院,成都610065【正文语种】中文【中图分类】P339研究大气降水是水文学的重要组成内容, 是研究水文循环过程的重要一环. 水文循环中各变量之间存在着时空变异, 如何更好的确定循环过程中各因素与水分的迁移转化关系也成为了研究的热点. 上世纪50年代开始将同位素的技术运用于解决水文问题, 并形成了一门新兴学科同位素水文学. 国内外的研究显示水体系在演化过程中其内部的规律性变化一般可以通过其中共生的同位素得到表现. 因此, 人们在利用同位素研究水文学问题的时候通常对“配对”的同位素进行分析, 一般常用的同位素组合有:D与的组合、与的组合、和的组合. 应用最为广泛的就是D与的组合.国际原子能机构(IAEA)与世界气象组织(WMO)于1961年共同建立了全球降雨同位素监测网, 对全球不同地区大气降水中的稳定同位素进行了连续的监测. 在长期监测的基础上提出了大气降水稳定同位素组成变化的5种效应: ①温度效应, 即降水中δ值与其冷凝温度的关系, 一般温度减小,值也减小; ②纬度效应, 主要纬度升高, 温度降低,使降水中值也呈降低的趋势; ③大陆效应, 全球范围内的降水水汽主要来自于海水蒸发, 距离海洋越远的内陆降水中值也会减小; ④高度效应, 即海拔增加值降低; ⑤降水量效应, 即降水中的值与降雨量呈负相关. 在上述效应的综合作用下, 全球范围内不同地区的降水水中氢氧稳定同位素组成会略有不同. 本文旨在分析天津地区, 温度、降水量、季节变化以及水汽来源、季风气候与降水稳定同位素的关系, 研究那种因素占主导.由于组成水分子的氢氧同位素具有不同的物理化学特征, 在降水时重同位素首先凝结降落, 而蒸发时则轻同位素优先蒸发, 使其分布在时空上呈现较大差异. 并呈现出3个主要的特征:①与呈线性关系; ②全球大气降水的与值多呈负值; ③值随着距离水汽源的距离的增加而变小.天津市位于华北平原的东北部, 北依燕山, 东临渤海, 属于海河流域下游区域, 属温带大陆性季风型气候区,夏季炎热多雨, 冬季寒冷干燥. 降水量由北向南递减, 多年平均降水量550 ～800mm; 多年平均水面蒸发量1100mm. 监测站位于北纬39°06′00″, 东经117°10′00″, 海拔3米.据胡蓓蓓［1］等人对天津市近50年来降水变化趋势的研究结果,天津市降水量主要集中在夏季, 且呈现出逐年减少的趋势; 区域内的降水及年内、年际分布不均.大气降水线是指大气降水中～间的关系. Craig［5］根据全球的降雨同位素资料首先提出了全球大气降水线方程:δD=8δ18O+10. 不同地区大气降水线会略有变化. 大气降水氢氧同位素组成的变化基本遵循瑞利分馏模式. 水滴形成的过程可视为水汽在云团中达到瞬时的平衡, 经过冷凝后快速分离出来的. 瑞利分馏模式中剩余水体中与之间的关系随温度而变化,并且当温度等于20 ℃时,与会按照全球大气降水线变化. 大气降水线方程中的截距10表示的是全球大气降水的平均值. 当截距小于10时表示降雨过程存在蒸发显著的作用; 当截距大于10时表示水滴形成过程中气、液两相同位素分馏较不平衡. 郑淑慧［3］等根据对中区域内国大气降水同位素资料监测结果的分析, 给出了中国大气降水线方程:,与上述的全球雨水线较接近. 柳鉴容［2］等对东部季风区降水中稳定氢氧同位素进行了分析, 得出了东部季风区的局地大气降水线方程:(R=0.94, n= 274), 该结果与我国大气降水的雨水线方程也较为接近, 但是截距显著减小. 也可以看出降雨过程中的蒸发作用对我国大部分地区的大气降水同位素含量有较大影响.本文利用全球同位素监测网天津站1988年1月—2001年12月的月评价稳定氢氧同位素数据, 采用最小二乘法求得天津大气降水线方程为:= 6.5682+0. 3058 ( R2= 0.8829), 如图1. 由此可知天津大气降水线相对于全球大气降水线和我国大气降水线都有一定的偏移, 但与东部季风区的局地大气降水线方程较为接近.降水中的变化范围为－108.7‰～4.9‰,的变化范围为－14.4‰～1.16‰, 变幅较大, 且有显著的聚集现象, 可知大气降水中和值均较为敏感, 易受到气候环境等因素的影响. 监测时段内降水中与的平均值分别为-50.08‰, -7.66‰.据前述的同位素平衡分馏原理, 伴随着温度逐渐升高, 分馏作用则逐渐减弱, 水汽中D与成分增大, 使水汽所形成的降雨与成分也增加; 而当温度较低时, 则相反. 根据Dansgaard[4]在大西洋沿岸滨海地区的研究成果, 大气降水中与值和温度的线性关系如下:＝0.695t－13.6 ;＝5.6t－100. 郑淑慧[4]等人在我国的京广铁路沿线及附近地区的研究成果, 大气降水的δD 与δ18O 值和温度的线性关系:δ18O ＝0.35t－13;＝2.8t－94.结合同步监测的温度数据, 天津地区大气降水的与值和温度的线性关系为:＝0.1004t－ 8.8924;＝0.6255t－57.522. 相关系数分别为0.1139, 0.0905. 从资料全部监测时段的情况来看, 相关度较小,稳定同位素的组成和含量对温度变化不是很敏感, 影响较小. 但仍然季节上的显著差异, 可见主要原因由于天津独特的地理位臵使其受季节性的综合影响要大于温度效应.Dansgaard［4］的研究成果认为理论上降雨量与与值应呈现负的相关关系.天津地区降雨量与与值回归分析得到的线性关系为:＝-0.0073p－6.788;＝-0.0438p－ 44.511. 相关系数为0.0212, 0.0155. 降水量与δD 与δ18O值呈负相关,但线性关系很差, 降水量的增减对与的影响较小. 但是从季节的角度来看冬季和夏季的降雨效应要更显著些, 可见天津地区冬季和夏季水汽来源的不同对稳定同位素成分的影响要大于降水效应.全球大气降水中的稳定同位素含量大都呈现出夏高冬低的季节性变化. 即季节效应. 季节效应包含了水汽来源、降水量、气温等条件的综合影响. 图2-3是监测时段内逐月与值的变化柱状图, 可以看出与值在年内都成显著的季节性变化.根据气象学季节划分的标准, 将天津地区按照春季3到5月, 夏季6到8月, 秋季9到11月, 冬季12月到次年的2月进行划分, 并将δD 与δ18O值及其与温度和降水量的关系分季节绘制如图4-7.表1中根据图示分季节对比了δD 与δ18O值的分布, 与温度和降水的相关程度. 得出温度、降水量与δD 与温度较低的冬季稳定同位素相对贫化; 而春秋季节值与温度的关系要显著优于夏冬两季.根据谢坤［6］、梁萍［7］等对华北地区夏季水汽来源的分析, 影响天津地区降水的主要水汽源有: 1.来自于孟加拉湾印度洋的水汽源, 在达到南海后转向北上经过东部内陆到达天津地区; 2.来自于日本东面的西太平洋的副热带高压形成的气流将西太平洋的水汽输送至我国东部及沿海地区再转向北与上述的水汽源一起输送到天津,这两个水汽源在输送过程中, 随着沿途水汽不断地凝结降水、和蒸发作用, 水汽源中重同位素优先凝结, 大气降?与不断贫化, 水汽中的同位素含量特征体现纬度效应的影响; 3.来自于中纬度西风带的水汽自蒙古进入天津地区, 由于来自于内陆其水汽中的与本就较少, 使得到达天津的时期中与贫化,其水汽来源也体现了高度效应的影响.冬季受西伯利亚高压控制海陆形成西北季风, 水汽源主要是来自内陆地区的蒸发形成的, 这些水汽源主要是夏季季风所输送进内陆的, 原水汽中与偏低, 再经过蒸发形成的水汽中与进一步降低,在输送过程中随着沿途降雨而断贫化, 因此到达天津地区后水汽中与更贫乏. 春秋两季属于季风交替时期, 季风影响较小, 气候较干燥, 降水主要由局地蒸发形成的水汽源, 干旱地区的水汽源中与偏高;加上天津是滨海城市, 海陆热力差异形成的海陆风也可以将近海域形成的与值较高的水汽源从近海送到内陆沿岸地区, 加之雨滴在降落过程中受到干旱的气候条件影响轻同位素蒸发使得重同位素出现富集, 可能是导致春秋季天津降水中与偏高的主要原因.值在季节上的分布是不同的, 而稳定同位素含量也呈现出春秋两季较为接近且较高, 而夏季次之, 冬季最少. 夏季和冬季稳定同位素含量与降水量的相关关系要显著优于春秋两季. 从季节的角度看温度较高的夏季和经过上述分析对比, 天津大气降水线与我国东部季风区的局地大气降水线方程较为接近. 大气降水同位素组成变化中的温度和降水效应较小, 主要受季风北移南退以及水汽来源不同的影响, 有显著的季节效应.夏季随着太平洋副热带高压的北移, 暴雨较为集中,降水量最多, 与相对较高; 秋季随着副热带高压逐渐减弱南退, 降水量随之逐渐减少, 近海蒸发水汽源占主导, 与偏高;冬季受内陆高压控制, 气候干燥, 雨雪稀少, 内陆季风输送的水汽源与经过一路的降水值偏低; 春季较为干燥, 局地蒸发形成的水汽源与相对偏高.与在季节上的分布变化特征较为明显, 能够在一定程度上反应出其地理和气候特征.【相关文献】[1] 胡蓓蓓, 王军, 许世远, 等. 天津市近50a来降水变化分析[J]. 干旱区资源与环境, 2009, 23(8):71-74.[2] 柳鉴容, 宋献方, 袁国富, 等. 中国东部季风区大气降水δ18O 的特征及水汽来源[J]. 科学通报, 2009, 55(22): 3521-3531.[3] 郑淑蕙, 侯发高, 倪葆龄. 我国大气降水中氢氧稳定同位素研究[J]. 科学通报, 1983(13): 801-806.[4] DANSGAARD W. Stable isotopes in precipitation[J]. Tellus, 1964, 16(6): 436-468.[5] CRAIG H. Isotopic variations in meteoric waters[J]. Science ,1961(133):1702-1703.[6] 谢坤, 任雪娟. 华北夏季大气水汽输送特征及其与夏季旱涝的关系[J]. 气象科学, 2008, 28(5): 508-514.[7] 梁萍, 何金海, 陈隆勋, 等. 华北夏季强降水的水汽来源[J]. 高原气象, 2007, 26(3): 460-465.[8] 刘宏伟, 徐明, 管清浩. 银川地区大气降水中氢氧稳定同位素的变化特征及影响因素分析[J]. 水科学与工程技术, 2012(1): 88-90.[9] 胡海英, 包为民, 王涛, 等. 氢氧同位素在水文学领域中的应用[J]. 中国农村水利水电, 2007, (5): 4-8.[10] 谭忠成, 陆宝宏, 汪集旸, 等. 同位素水文学研究综述[J]. 河海大学学报: 自然科学版, 37(1): 16-21.。
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大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨1 引言氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素是广泛地存在于自然水体中的环境同位素.自然水体通过蒸发、凝聚、降落、渗透和径流等形成水分的循环，且在水分循环过程中产生同位素分馏现象，即较轻的同位素(1H和16O)会先蒸发到气相中，同时较重的同位素(2D和18O)则先凝结到液相.降水是水循环过程中的一个重要环节.大气降水中氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素组成及分布主要受到蒸发和凝结作用的制约，当云中的水蒸汽冷凝形成雨滴时，18O和D不断由潮湿的空气中优先冷凝，当降水不断进行，降水中中重的18O和D不断被淋洗，则表现为降水中δD和δ18O逐渐贫化.大气降水中稳定同位素组成及分布与产生降水水汽来源的初始状态及水汽输送过程发生的变化密切相关，同时，降水中氢氧同位素存在着大陆效应、温度效应、降水量效应和纬度效应等.不同时间和区域大气降水的同位素发生有规律的变化，因此，国内外学者常借助降水中氢氧稳定同位素变化来研究水汽的来源地域、水循环过程的历史信息、天气气候特征等.早在1961年，世界气象组织WMO和国际原子能机构IAEA就已建立全球大气降水同位素观测网络，开始对大气降水中同位素组成进行观测，为研究全球和局地大气环流及循环的机制提供同位素资料数据.我国对降水中氢氧同位素的研究起步较早，大量的研究对大气降水稳定同位素组成与温度、降水量、蒸发等因素进行了探讨分析并建立降水线方程，如我国较干旱的东北地区、西北内陆地区及华北地区，较湿润的西南地区、华东地区和华南地区，这些基础数据为研究水循环特征提供了依据.HYSPLIT后向轨迹模型主要用于降水水汽源的模拟和分析，确定各水汽源的来源和输送路径，特别是基于聚类分析的结果具有较好的可信性，可用于确定不同水汽输送路径的权重比例.厦门地处东南沿海地区，是典型的亚热带季风气候区.虽已有学者对厦门岛内大气降水的同位素分布特征及同位素值与温度、降水量等影响因素的关系进行了比较深入的探讨，积累了重要的原始数据基础，然而观测点主要局限于厦门岛内单个点，对于整个厦门地区的降水同位素情况了解不够全面.此外，对于降水水汽来源及输送路径缺乏模型模拟的分析，而关于水汽来源及输送路径所占的权重比例研究更是未见报道.因此，本研究同步采集厦门地区6个站点的典型月份降水来分析其降水中氢(δD)、氧(δ18O)同位素值的变化特征，同时，利用测定的降水中δD和δ18O 基础数据建立厦门地区大气降水线方程，并分析年尺度和月尺度下降水中稳定同位素值与降水量之间是否存在显著的“降水量效应”.同时，采用HYSPLIT后向模型模拟厦门地区的水汽来源及输送路径，并基于聚类分析的结果探讨不同水汽输送路径的权重比例.2 材料与方法2.1 监测布点本研究在厦门地区共设立6个雨水监测点(图 1)，分别为海沧新阳工业区(缩写XY)、翔安混合区(缩写XA)、洪文商住混合区(缩写HW)、鼓浪屿商住混合区(缩写GLY)、坂头水库区(缩写BT)、小坪森林公园(缩写XP).其中，坂头水库区和小坪森林公园为自然保护区，鼓浪屿作为厦门市重要的旅游区.图1 厦门地区大气降水采样点分布图2.2 样品的采集与贮存降水样品的收集采用智能降水采集器(ZJC-Ⅱ型，杭州恒达公司生产)自动搜集降雨.若一天中有几次降水过程，可合并为一个样品测定;若遇连续几天降雨，则收集当日上午8：00至次日上午8：00的降水，即24 h降水样品作为一个样品进行测定.为避免干沉降的影响，降水结束后0.5 h 内立即取回.采集的样品移入洁净干燥的聚乙烯塑料瓶中，密封保存.样品带回实验室后立即经0.45 μm的混合纤维素滤膜过滤后置于4 ℃冰箱保存待测.所有样品在10 d内完成从采样到分析的全过程.根据厦门沿海地区气象条件的特点，选取采样期降水量多的月份、并且可代表各个季节的典型月份.其中，以2012年12月、2013年4月和7月分别代表冬季、春季和夏季，在6个站位共收集到60个降水样品.2.3 样品的分析降水中氢氧同位素值的测定采用稳定同位素质谱仪(ThermoFisherTM MAT 253)、元素分析仪(ThermoFisherTM Flash 2000)和Con FloⅣ连续流模式同位素质谱仪联用.分析过程中采用手动进样，将0.1 μL降水样品注入裂解炉，在高温下形成的水蒸气与填充于裂解炉内的玻璃碳粒在1400 ℃下发生还原反应，形成的H2和CO混合气在He载气(流速100 mL · min-1)的携带下，通过柱温90 ℃、内填0.5 nm分子筛的气相色谱柱分离，然后依次通过Con Flo Ⅳ导入稳定同位素质谱仪的离子源内，实现单次分析中顺序同时测定δD和δ18O.样品的标准样品为国际标样SMOW(标准平均大洋水)，样品测试一定量间隔插入标准样品的测试，用于检测仪器是否稳定，偏差在5%以内可继续进行样品分析.测量精度δD为±0.3‰，δ18O为±0.1‰.2.4 轨迹模式简介本文中气团轨迹模型采用美国海洋大气研究中心空气资源实验室开发的HYSPLIT.模型所使用的气象资料来自美国国家环境预报中的全球再分析资料，可在ftp:///pub/下载.通过HYSPLIT后向轨迹追踪模式来追踪厦门地区大尺度上水汽输送路径，模式分别计算春季、夏季和冬季降水期间每天00：00、06：00、12：00和18：00到达厦门地区的气团轨迹，既可覆盖连续性降水，也可提高追踪水汽来源路径的精确性，并进行聚类分析计算出每组输送路径的比例权重.3 结果与分析3.1 大气降水δD和δ18O的分布特征图 2为厦门地区大气降水氢氧同位素的季节性分布图.厦门地区大气降水δD和δ18O的波动范围较大，δD在-93.61‰~16.14‰范围内波动，平均值为-32.29‰±26.69‰，而δ18O在-11.98‰~0.29‰范围内波动，平均值为-5.40‰±3.13‰.研究表明，我国大气降水δD的范围为-190‰~ 20‰，δ18O的范围为-24‰~2.0‰.与之比较，厦门地区大气降水的δD和δ18O均落在我国大气降水δD值和δ18O值的范围内.1998年厦门岛内大气降水δD值为-108‰~-3.0‰，δ18O值为-14.87‰~-2.17‰，而2004—2006年厦门岛大气降水δD值为-74.7‰~7.3‰，δ18O值为-10.30‰~-0.13‰.比较可知，本文研究期间厦门地区降水中δD和δ18O变化幅度(分别为109.75‰和12.27‰)与1998年厦门岛降水中δD和δ18O的变化幅度(分别为106‰和12.7‰)高度一致，且均高于2004—2006年间厦门岛降水中δD和δ18O的变化幅度(分别为82‰和10.7‰)，反映出本文研究期间和1998年研究期间厦门地区可能经历了极端气候的影响(如2013年的超级台风“苏力”和热带风暴“西马仑”，1998年的第10号台风).图2 大气降水δD和δ18O的分布厦门地区冬、春、夏3个季节δD值分别为-27.83‰±8.77‰、-7.86‰±8.07‰和-61.17‰±4.85‰;而冬、春、夏3个季节δ18O值分别为-5.62‰±1.14‰、-2.18‰±0.80‰和-8.42‰±0.62‰.厦门地区6个采样点δD值和δ18O值均表现出显著的季节性差异，不同采样点降水的δD和δ18O值均表现出春季最高，而夏季最低.厦门地区大气降水的氢氧同位素值呈现出显著的季节特征，这种季节特征主要受到两个方面的影响：一是大尺度上的水汽来源，包括水汽的蒸发来源和水汽在输送过程中同位素所发生的变化;另一方面是区域性的地理因素，其中，包含了温度、降水量、相对湿度、采样点等各项因素的共同作用.研究表明，厦门地区季节变化的主要决定性因素应是季风气候的影响.因此，本文首先利用HYSPLIT模式来模拟厦门地区春、秋和冬季降水期间水汽的输送情况，勾画大气气团在一定时间内的运动路径，从而判断降水水汽的来源和输送途径.后向轨迹聚类图(图 3)中，线条的指向表示水汽的来源，线条的起伏波动表示水汽输送的路径，线条的百分比表示该水汽输送路径占总的输送路径的比重.3.2 后向轨迹分析降水水汽的来源看厦门地区不同降水期间的后向轨迹图.根据后向轨迹的聚类分析，厦门地区夏季降水期间的气团均来自温暖湿润的低纬度地区，主要是南海(36%)和西太平洋地区(64%)，其具有湿度大、蒸发较弱的特点.海洋湿润气团在向大陆移动过程中，沿途气团中的重同位素受到较强的冲刷作用，使得其降水同位素值越来越贫化.由这两类气团带来的大量降水导致了厦门地区夏季降水的δD 和δ18O值最低(分别为-61.17‰±4.85‰和-8.42‰±0.62‰).卫克勤指出，台风中心经过的地区常有大暴雨或特大暴雨，由于气团长距离迁移和降水量效应(即降水中稳定同位素比值与降水量之间存在显著的负相关关系)导致台风雨δ值相当低.2013年7月13日和7月19日，厦门地区先后受到超级台风“苏力”和热带风暴“西马仑”的影响，由于该类气团本身的同位素值偏低并且伴随着大量的降水，因此，该时间段δD和δ18O值表现为全年最低值.“苏力”台风影响期间，厦门地区δD和δ18O最低值分别为-49.86‰和-10.06‰(坂头)，而热带风暴“西马仑”影响期间，δD和δ18O最低值分别为-86.01‰和-11.45‰(坂头).受此类水汽影响，厦门地区夏季δD值(-61.17‰±4.85‰)和δ18O值(-8.42‰±0.62‰)偏低，远低于冬季和春季的δD和δ18O 值.厦门地区冬季降水期间有部分受到来源于北方亚洲大陆的气团输送(4%来自哈萨克斯坦).这一气团经我国蒙古及华北地区，不经湿润的海域直接到达研究区域，气团输送过程中，由于气团干燥，蒸发作用强烈而产生同位素富集，使得蒸发水汽中同位素值偏高;另外，来自西部近地源(华中地区82%)的气团及14%来自俄罗斯的气团在传输过程中先进入东海海域再到达研究区域，从海上带来的较为湿润的水汽对冬季降水同位素值偏低作出贡献.厦门地区冬季δD值(-27.83‰±8.77‰)和δ18O值(-5.62‰±1.14‰)并未表现为年最高值，而低于春季的δD和δ18O值，说明带来低值同位素降水的水汽比带来高值同位素降水的水汽贡献大.春季降水期间气团来源较为复杂多样，有来自于俄罗斯(19%)和我国华北地区(52%)湿度低的冷空气，也有来自于南海及南亚国家湿润气团(28%)的贡献.春季厦门有一场降水的δD和δ18O值最高，分别为δD=5.782‰，δ18O=-0.929‰.厦门地区观测期间受到内陆(西北内陆及俄罗斯)冷气团的影响，由于其空气湿度较小，局地蒸发较快，因而降水中重同位素δD和δ18O富集，导致降水中同位值偏高.厦门地区春季(4月份)降水中同位素值最高，这与蔡明刚的研究结果是一致的.春季同位素值的偏高除了与水汽来源有关，还与雨水在下降过程中受到强烈的二次蒸发作用导致重同位素富集影响有关.厦门地区6个采样点降水的δD和δ18O值春季和夏季无明显的时空分布规律，而冬季表现出随地理位置由北至南逐渐富集的现象(具体地理位置分布见图 1)，即δXP<δBT<δXA<δXY<δHW<δGLY.由图 3后向气团轨迹图可知，冬季影响厦门地区降水气团相对来说较为单一，以内陆的干冷空气为主，因此，局部的地理因素是冬季δD和δ18O值空间规律性的主要影响因素，其中包括气象要素(如降水量、气温、湿度等)及经纬度、海拔高度、采样点的选择等.3.3 厦门地区大气降水线图 4为厦门地区大气降水线.由于水在蒸发和凝结过程中的同位素分馏，使大气降水的δD和δ18O之间存在着线性关系，这一关系用最小二乘法表示，即为大气降水线方程.大气降水线可以较好地反映某一地区的自然地理和气象条件，在解决气候变迁和水汽来源等方面具有明显的优势.由图 4可知，厦门当地大气降水线方程为δD=8.35δ18O+12.52，与Yurtsever提出的全球降水线方程(δD=8.17δ18O+10.56)近似.厦门地区降水线方程的R2=0.906，表明厦门地区降水的δD 和δ18O值有显著的相关性.表 1为国内城市降水线方程汇总表.本文研究期间厦门地区大气降水线方程与蔡明刚和陈锦芳等的方程相比较，截距及斜率略有偏高.但仍可发现，本次降水线与蔡明刚等的研究结果吻合度较高，这可能与两次研究期间，厦门地区均受到台风带来的强降水作用有关，而陈锦芳等研究期间，台风/热带风暴的影响相对较弱.图4 厦门地区大气降水线由于雨滴在降落过程中受到不平衡的二次蒸发作用而引起同位素分馏，降水中同位素值相应地会因蒸发而偏离全球大气降水线/全国大气降水线，从而表现为斜率及截距变小的当地大气降水线.空气相对湿度越低的地区，不平衡蒸发作用越强烈，则大气降水线的斜率和截距越小.由表 1可知，区域分布上，我国大气降水线总体表现为南方地区(主要包括华东、华南和华中地区)大气降水线的斜率及截距大于全球大气降水线/全国大气降水线的斜率及截距，而北方地区(主要包括东北、华北地区)则相反，反映出南方地区空气湿润多雨，北方地区干燥少雨的特点.位于湿润多雨的华南地区的厦门，在本文研究期间及1998年研究期间大气降水线的斜率和截距均高于全球大气降水线，而2004—2006年研究期间在受到二次蒸发作用的影响，大气降水线也有表现为斜率和截距低于全球大气降水线的情况.表1 我国主要城市的降水线方程我国地域辽阔，气候类型复杂多样，大气降水中氢氧同位素及大气降水线常出现一些特别的例子.如干旱、半干旱的西北地区，大气降水线总体表现为斜率及截距都低于全球大气降水线(表 1)，然而平凉、拉萨和银川(表 1)的大气降水线的斜率和截距高于全球大气降水线的斜率和截距，表明这些地区在形成降水的过程中受到温度、蒸发等因素的影响.在形成降水的水汽经过多次蒸发，分子质量小的氢同位素比分子质量大的氧同位素的分馏速度快，因此，在其他条件相同的情况下，降水中δD偏重的程度大于δ18O，表现为这些地区降水的斜率和截距都偏大.湿润温暖的西南地区，大气降水线的斜率及截距总体高于全球大气降水线(如表 1中西南地区的云南腾冲和重庆)，然而位于四川盆地的成都和黄龙大气降水线的斜率及截距表现为低于全球大气降水线的斜率和截距，这与四川盆地的地理位置有关.四川盆地地处西风带越过青藏高原后的背风区，盆地内的降水水汽主要来源于地表水的蒸发，所以降水中δ18O偏正，大气降水线的斜率和截距也就偏小.3.4 大气降水中氘剩余值图 5为厦门地区降水氘剩余值变化趋势，其中，氘剩余值(d值)用方程d=δD-8δ18O来表示.d 值的大小相当于某一地区降水线斜率ΔδD/Δδ18O为8时的截距，可直观地反映该地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度.一般而言，降水水汽来源于空气相对湿度越低的干燥地区，其不平衡蒸发越强烈，d值越高;而相对湿度越大的湿润地区，蒸发作用小，d值则越小.由图 5可知，厦门地区d值波动范围较大，在-5.13‰~32.25‰范围内变化，说明厦门地区降水的水汽来源较为多样，降雨条件较为复杂.厦门地区降水的d值的平均值为10.95‰±1.77‰，略高于全球d平均值(10‰).总体上，厦门地区全年d平均值表现为冬季最高，春季次之，夏季最低，甚至出现负值.综合HYSPLIT轨迹模型的分析，厦门地区d值出现夏低冬高的规律，主要与其水汽来源有关，夏季的水汽气团主要来自西太平洋和南海湿润地区，来自这些地区的气团湿度大、蒸发弱，则d值较低;而冬季则来自于干燥的亚欧大陆、俄罗斯地区，此外还有近地源(华中地区)的影响，来自这些地区的气团湿度小、蒸发大，则d值较高.由图 5还可知，春季降水d值在部分采样点(如XY和GLY)表现出较低值，这可能与春季有一场来自于南海湿润地区气团贡献的降水有关(图 3).理论上，大尺度的水气循环中，厦门地区6个采样点受到相同的水汽源的影响，应表现为相同的d值，而图中表现为不同采样点相同季节d值的差异.这与不同采样点周围环境的差异(如湿度、温度)导致其影响水汽二次蒸发的程度不同，从而表现为不同采样点相同季节d 值的差异.图5 厦门地区降水氘剩余值变化趋势3.5 大气降水量和同位素值相关性图 6为厦门地区大气降水量与同位素值的相关性分析结果.厦门地处东南沿海地区，受季风气候的影响较大.大量的研究表明，厦门地区由于受季风气候影响很大，降水量效应显著，掩盖了温度效应，即温度效应不明显，而降水量效应明显，因此，本研究只对降水量与同位素的关系进行探讨.由图 6可知，年尺度下，厦门地区氢氧同位素与降水量呈显著负相关关系(r分别为-0.477和-0.369，p<0.01)，即降水量效应.这种现象首先与厦门地处东南沿海地区，降水的水汽受到来自海洋的气团影响较大有关，海洋气团具有湿度大、蒸发弱、降水量大、氢氧同位素组成相对较低的特点;此外，厦门地区全年温度变化小、相对湿度大、降水量大，降水过程中空气饱和差容易得到补偿，随着降水的持续，余地蒸发浓缩作用不明显，导致降水同位素组成偏低.而厦门地区7月份降水量与δD值相关性不显著，而降水量与δ18O呈显著的正相关关系(r=0.716，p<0.05).这种月、季尺度出现氢氧同位素和降水量不呈负相关的现象在南京地区(王涛等，.2013)和华北地区等地均出现过.由于本文降水中氢氧同位素值是基于日降水所得的观测数据，因此，更易受到风速、大气稳定度、湿度及水汽来源等短期天气因素的影响，从而表现出反降水量效应的现象.图6 大气降水量与δD、δ18O值的相关性4 结论1)厦门地区大气降水中氢氧同位素组成具有明显季节性差异，其中，夏季降水中氢氧同位素最为贫化，春季降水氢氧同位素相对偏正.这种季节性差异与厦门地区水汽来源有重要的关系，夏季降水气团主要来自于湿润温暖的西太平洋和南海，而春季的气团主要来自于寒冷干燥的亚欧大陆、俄罗斯及我国华北地区.说明水汽来源是影响厦门地区大气降水稳定同位素组成的最重要原因.2)厦门当地大气降水线方程为δD=8.35δ18O+12.52，截距及斜率相较于全球大气降水线(δD=8.1718O+10.56)和全国大气降水线(δD=7.9δ18O+10.56)均略有偏高.汇总我国大气降水线，总体表现为南方地区(主要包括华东、华南和华中地区)大气降水线的斜率及截距大于全球大气降水线，而北方地区(主要包括东北、华北地区)则相反，反映出南方地区空气湿润多雨，北方地区干燥少雨的特点.厦门位于湿润多雨的南方地区，大气降水线一般表现为斜率及截距高于全球大气降水线，在受到二次蒸发作用的影响大气降水线也有表现为斜率和截距低于全球大气降水线的情况.3)厦门地区d值波动范围较大，在-5.13‰~32.25‰范围内变化，说明厦门地区降水的水汽来源较为多样，降雨条件较为复杂.总体上，厦门地区降水中d值表现为夏季低，冬季偏高，这与夏季降水气团来源于较湿润地区，冬季则相对干燥有关.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。