韓振華， 張燕飛， 王慧琪， 焦 瑞， 梁文濤， 紀(jì) 剛

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 呼和浩特 010020)

水資源作為干旱半干旱荒漠化草原區(qū)重要的生境要素[1]，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的重要影響因子。近年來(lái)，隨著全球氣候的變化以及區(qū)域人類活動(dòng)的影響，干旱半干旱區(qū)水資源循環(huán)規(guī)律正逐漸的發(fā)生改變，這些改變對(duì)脆弱的荒漠化草原生態(tài)系統(tǒng)造成巨大的影響，致使荒漠草原大面積退化、沙化和鹽堿化[2-3]。因此，如何深入分析干旱半干旱荒漠化草原區(qū)內(nèi)的水文循環(huán)結(jié)構(gòu)、水體間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，已成為科研人員亟待解決的問題。

圖1 降雨、徑流、蒸發(fā)等值線圖Fig.1 Contour map of rainfall, runoff and evaporation

來(lái)源不同的水體往往具有不一樣的同位素組成，因此同位素示蹤方法一直被視為水體的“DNA”探索[4]。該方法自20世紀(jì)50年代興起以來(lái)[5-7]，已經(jīng)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，作為傳統(tǒng)水文方法的補(bǔ)充，該方法在國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用于青藏高原[8-9]、西北地區(qū)[10-11]、華北地區(qū)[12-15]和南方地區(qū)[16-19]，并且研究成果主要集中在揭示大氣降水同位素分布及水汽來(lái)源[20-22]、河水與地下水中穩(wěn)定同位素變化趨勢(shì)[23-24]、各水體轉(zhuǎn)化運(yùn)移途徑和數(shù)量等地球化學(xué)過程[25-31]、流域水循環(huán)機(jī)理研究[32-33]以及典型植被用水過程[34-36]等方面。但目前為止在干旱半干旱荒漠化草原區(qū)利用穩(wěn)定氫氧同位素進(jìn)行應(yīng)用研究的尚少，因此，本文將在其他區(qū)域研究方法及成果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用同位素示蹤技術(shù)有效分析選取的干旱半干旱荒漠化草原區(qū)的降水、地表水和地下水中同位素分布特征及其時(shí)空變化規(guī)律，揭示出研究區(qū)的水汽來(lái)源、不同水體之間的分布關(guān)系及其循環(huán)補(bǔ)給關(guān)系，進(jìn)而為揭示出研究區(qū)水循環(huán)機(jī)理研究提供基礎(chǔ)依據(jù)，為氫氧穩(wěn)定同位素研究尚處于初級(jí)階段的干旱半干旱荒漠化草原區(qū)增添新的論證，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)和水資源利用進(jìn)行合理調(diào)配提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗(簡(jiǎn)稱“達(dá)茂旗”)行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，北與蒙古國(guó)接壤，西與巴彥淖爾市的烏拉特中旗毗鄰，南與呼和浩特市的武川縣、包頭市的固陽(yáng)縣相鄰，東與烏蘭察布市的四子王旗交界，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°15′～111°25′、北緯41°16′～42°45′，總土地面積17 410 km2(圖1)。達(dá)茂旗地形的總體趨勢(shì)是西南高、東北低，由西南向東北傾斜，中部及西部多山，南部丘陵起伏，東部及北部地勢(shì)平坦，為廣闊波狀高平原。達(dá)茂旗地屬溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷，春季干旱，風(fēng)沙頻繁、風(fēng)力強(qiáng)度大，夏季炎熱。年平均氣溫4.1 ℃，年最高氣溫38 ℃，年最低氣溫-41 ℃，年最大降水量425.2 mm(2003年)，年最小降水量138.4 mm(2009年)，年平均降水量為255.6 mm(1954—2016年)，多年平均水面蒸發(fā)量為1 693.3 mm(E601)，無(wú)霜期90～120 d。

由圖1可知達(dá)茂旗自北向南降雨量為150～280 mm，屬于典型的干旱半干旱區(qū)。并且，通過由達(dá)茂旗收集的資料可知，達(dá)茂旗有荒漠草原11 327.63 km2，占行政區(qū)總面積的76.53%，但近年來(lái)由于環(huán)境的變化和人類活動(dòng)的影響，到2016年止達(dá)茂旗草原沙退化面積為11 009.8 km2，占草原面積71.51%，其中輕度沙退化面積7 574.07 km2，占沙退化面積68.79%；中度沙退化面積3 202.87 km2，占沙退化面積29.09%；重度沙退化面積232.87 km2，占沙退化面積2.12%，草原生態(tài)正面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

圖2 采樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Sample point distribution map

綜上所述，選取達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗作為干旱半干旱荒漠化草原區(qū)為研究區(qū)。

2 樣品的采集與測(cè)試

為了能得出研究區(qū)范圍內(nèi)不同水體同位素的空間性和時(shí)間性變化特征，自西向東分別選取了研究區(qū)內(nèi)三條主要河流作為研究對(duì)象，基本涵蓋了整個(gè)研究區(qū)，并在三條河流上布設(shè)四個(gè)采樣點(diǎn)(開令河中游、艾不蓋河上游和中游、塔布河中游，詳見圖2)為研究單元進(jìn)行采樣。并且，為滿足取樣的代表性和其可對(duì)比性，本次采樣設(shè)計(jì)主要為針對(duì)同一點(diǎn)不同深度的水樣及同一點(diǎn)不同時(shí)間所采的水樣進(jìn)行分析，于2017年5月—2018年11月期間，按照非汛期(5月)、汛期(8月)和秋冬時(shí)期(11月)三個(gè)時(shí)段分別對(duì)降水、地表水和地下水進(jìn)行采樣，并且降水和雪水樣品采樣需布置固定采樣點(diǎn)，以便于隨時(shí)收集。在采樣時(shí)段內(nèi)共采集降水和雪水樣19個(gè)、地表水水樣20個(gè)及地下水水樣40個(gè)。

所采樣品均由水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試化驗(yàn)分析，采用Los Gatos Research公司的液態(tài)水同位素分析儀，型號(hào)為912-0050，通過激光法進(jìn)行測(cè)定，目前測(cè)定方法及程序均已進(jìn)入成熟階段，測(cè)定過程中遵循儀器內(nèi)指導(dǎo)步驟，能更有效確保測(cè)定精度。主要檢驗(yàn)分析過程如下：水樣送達(dá)實(shí)驗(yàn)分析室后，需在4 ℃冷藏保存；在準(zhǔn)備分析時(shí)，將所采取的各類水樣品，放置于常溫室內(nèi)，并通過0.2 μm的有機(jī)系濾膜，對(duì)水樣品進(jìn)行過濾，去除水樣中摻雜的雜質(zhì)；測(cè)試分析時(shí)需取過濾完成的樣品約0.5 μL至儀器分析瓶中，并且盡量保證所有分析瓶中的樣品量相同，可以有效避免分析時(shí)進(jìn)樣針由于液壓不同而造成分析不穩(wěn)定的現(xiàn)象(圖3)。

圖3 測(cè)試儀器及野外采樣圖Fig.3 Test equipment and field sampling map

測(cè)定結(jié)束后，同位素2H和18O含量分別用δD 和δ18O表示，測(cè)定結(jié)果以相對(duì)維也納標(biāo)準(zhǔn)海水(Vienna standard mean ocean water，VSMOW) 千分偏差δ表示為

(1)

式(1)中：RSA和RST分別為降水樣品和V-SMOW中D/H(18O/16O)的比值，測(cè)定精度為±0.4‰(±0.1‰)。

3 研究區(qū)各水體同位素分布特征

3.1 降水同位素分布特征

3.1.1 研究區(qū)大氣降水方程線

降水是天然水循環(huán)的主要輸入來(lái)源，并且大氣降水方程線對(duì)分析區(qū)域各水體同位素δD和δ18O含量變化至關(guān)重要，使得對(duì)區(qū)域水循環(huán)過程有更深入的了解。

共收集了2017年5月—2018年11月期間的19個(gè)降水樣品，通過檢測(cè)分析可知：降水樣品中同位素δD的變化區(qū)間為-150.69‰～-26.26‰、δ18O變化區(qū)間為-19.78‰～-1.18‰，δD、δ18O平均值為-69.92‰、-9.52‰，均無(wú)正值。Craig[37]研究得出的全球大氣降水中穩(wěn)定同位素δD的變化介于-300‰～131‰、δ18O變化值介于-54‰～31‰，δD、δ18O平均值為-4‰、-22‰；鄭淑蕙等[38]研究得出中國(guó)大氣降水中穩(wěn)定同位素δD的變化介于-210‰～20‰、δ18O變化介于-24‰～2‰。由上可知研究區(qū)的降水同位素δD和δ18O含量變化范圍均在全球和中國(guó)降水同位素δD和δ18O含量變化范圍內(nèi)，說明所分析的樣品成果可靠。并通過對(duì)研究區(qū)降水同位素δD和δ18O進(jìn)行線性擬合(圖4)，可得研究區(qū)大氣降水線方程(LMWL)：δD=7.22δ18O-1.12 (r=0.96)。

圖4 研究區(qū)大氣降水線Fig.4 Research area atmospheric precipitation line

由圖4可知，研究區(qū)大氣水線的截距和斜率分別為7.22和-1.12，都小于全球大氣降水線δD=8δ18O+10、中國(guó)大氣降水線δD=7.9δ18O+8.2的斜率與截距，這主要是因?yàn)檫_(dá)茂旗海拔較高，且距離海洋較遠(yuǎn)受海洋季風(fēng)影響較小，并且說明研究區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水在下落的過程中經(jīng)過二次蒸餾作用，導(dǎo)致雨水中較輕的同位素分餾，而重同位素發(fā)生富集。

3.1.2 氘盈余(d)分析

氘盈余(d)即δD/δ18O=8時(shí)的截距，是示蹤水汽源區(qū)的一個(gè)重要參數(shù)。

圖5 研究時(shí)段內(nèi)逐月氘盈余(d)Fig.5 Monthly d surplus value during the study period

將在研究時(shí)段內(nèi)各月收集到的降水樣品測(cè)試分析后按照月份和季節(jié)進(jìn)行d計(jì)算(表1、圖5)，可知研究區(qū)內(nèi)大氣降水d=1.02‰～15.35‰，平均值為9.11‰，比世界大部分地區(qū)雨水d(10‰)低，說明研究區(qū)內(nèi)大氣降水水源區(qū)的蒸發(fā)過程較為強(qiáng)烈。并且，根據(jù)d季節(jié)變化過程可知，研究區(qū)內(nèi)夏季d平均值最小為7.16‰，而冬季的d平均值最大為13.13‰，這主要是因?yàn)椋孩傺芯繀^(qū)降水主要集中于夏季，但該時(shí)段氣候干燥炎熱，使降水受到的蒸餾作用較大，進(jìn)而導(dǎo)致d逐漸減小，并在降水最豐沛、氣候最干燥的8月達(dá)到最低。到冬季研究區(qū)降水量最小，氣候寒冷干燥，而降水也在這種不平衡條件下快速蒸發(fā)，使得d達(dá)到最大。②研究區(qū)夏季和冬季d平均值差距較大也說明，研究區(qū)在冬、夏季風(fēng)期間，大氣降水云團(tuán)的來(lái)源有很大的不同，冬季主要受蒙古高壓影響，夏季主要受海洋季風(fēng)的影響。

表1 各月氘盈余計(jì)算結(jié)果表

3.2 地表水同位素分布特征

在2017年5月—2018年11月期間共采集研究區(qū)地表水河流樣品20個(gè)，其中開令河流域5個(gè)樣品、塔布河流域5個(gè)樣品、艾不蓋河上游和中游各五個(gè)樣品，根據(jù)這些樣品對(duì)研究區(qū)地表水水體中環(huán)境同位素的變化特征及時(shí)空轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究。

3.2.1 地表水同位素隨時(shí)間的變化特征

根據(jù)所采集樣品的檢測(cè)結(jié)果，可知研究區(qū)內(nèi)河流水體中環(huán)境同位素δD的變化范圍為-75.95‰～-61.21‰，平均值為-69.97‰，變化幅度為14.74‰；δ18O的變化范圍為-9.86‰～-7.13‰，平均值為-8.87‰，變化幅度為2.73‰，可見河流水體中δD和δ18O隨時(shí)間的整體變化幅度較小，詳見圖6。

3.2.2 地表水同位素隨空間變化的變化特征

根據(jù)本次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在三條河流中選取了四個(gè)采樣點(diǎn)并對(duì)各斷面的同位素進(jìn)行分析，并且將每條河流的五次采樣結(jié)果分別編號(hào)為1、2、3、4、5進(jìn)行作圖比較。從圖7、圖8可以看出：

(1)由變化數(shù)據(jù)可知三條河流的四個(gè)采樣點(diǎn)處同位素δD和δ18O隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相同，但在研究區(qū)整個(gè)范圍內(nèi)艾不蓋河上游采樣點(diǎn)、艾不蓋河中游采樣點(diǎn)以及開令河流域采樣點(diǎn)地表水同位素δD和δ18O含量基本相似無(wú)明顯變化，而塔布河流域地表水同位素δD和δ18O含量富集，主要是因?yàn)椋孩購(gòu)膱D1中的年降水量來(lái)看，該處年降水量最大，受經(jīng)過二次蒸餾作用影響的降水補(bǔ)給量最大；②從采樣點(diǎn)處的地貌來(lái)看，采樣點(diǎn)周邊環(huán)山降水能有效形成徑流并匯入到采樣點(diǎn)附近，有效補(bǔ)給量較大。

圖6 研究區(qū)地表水δD和δ18O隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.6 The relationship between δD and δ18O of surface water in the study area with time

圖7 研究區(qū)各河流水體δD的變化規(guī)律Fig.7 The variation law of δD in each river water of the study area

圖8 研究區(qū)各河流水體δ18O的變化規(guī)律Fig.8 The variation law of δ18O in each river water of the study area

(2)艾不蓋河上游同位素δD和δ18O含量較中游同位素δD和δ18O含量低，主要是因?yàn)橹杏螀^(qū)河流補(bǔ)給量大以及中游處為河谷平原蒸發(fā)強(qiáng)度大所致。

(3)開令河地表水同位素含量最貧化，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域緯度較高、氣溫低，蒸發(fā)小。

3.3 地下水同位素分布特征

研究區(qū)內(nèi)的地下水樣品均為淺層地下水，在2017年5月—2018年11月期間共采集研究區(qū)地下水樣品40個(gè)，其中開令河流域10個(gè)樣品、塔布河流域10個(gè)樣品、艾不蓋河上游和中游各10個(gè)樣品，根據(jù)這些樣品對(duì)研究區(qū)地下水水體中環(huán)境同位素的變化特征及時(shí)空轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究。

3.3.1 地下水同位素在時(shí)間上的變化規(guī)律分析

為探明研究區(qū)地下水同位素含量隨時(shí)間的變化規(guī)律，根據(jù)樣品采樣時(shí)間及研究區(qū)降水特點(diǎn)，將6—8月定為雨季，其他月份為旱季，并在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的基礎(chǔ)圖上分別進(jìn)行δD-δ18O擬合(圖9)，通過不同季節(jié)的擬合曲線，探究二者間的關(guān)系。

圖9 地下水同位素含量隨時(shí)間分布的變化規(guī)律Fig.9 The variation of groundwater isotope content with time distribution

通過圖9中對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果。

(1)在雨季，地下水同位素分布趨勢(shì)線(y=5.29x-22.35)更加靠近當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(y=7.22x-1.12)，地下水與大氣降水間的關(guān)系較為緊密，這是由于在夏季地下水用水量較大，加速了降水與地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給，導(dǎo)致地下水中δD和δ18O的含量與大氣降水、地表水中δD和δ18O的含量發(fā)生混合。

(2)在旱季，地下水中δD～δ18O組成的趨勢(shì)線(y=5.07x-25.09)斜率為5.07，小于雨季的擬合線斜率5.29，這主要是由于在旱季地下水主要接受經(jīng)過二次蒸餾的雨水和經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間蒸餾作用的地表水的補(bǔ)給，同位素較富集。

3.3.2 地下水同位素在空間上的變化規(guī)律分析

為探明研究區(qū)不同區(qū)域之間地下水體中同位素δD和δ18O的變化規(guī)律，在2017年5月—2018年11月之間共進(jìn)行了7次采樣，根據(jù)同位素測(cè)試結(jié)果，繪制圖10、圖11。

圖10 不同采樣點(diǎn)地下水D含量分布圖Fig.10 Groundwater D content distribution map at different sampling points

圖11 不同采樣點(diǎn)地下水18O含量分布圖Fig.11 Groundwater 18O content distribution map at different sampling points

從圖10、圖11可以得出如下結(jié)果。

(1)研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)地下水同位素δD和δ18O隨空間變化的幅度不大，基本相似。但從同位素富集程度來(lái)看艾不蓋河中游采樣點(diǎn)處地下水中同位素δD和δ18O含量明顯高于其他三處，主要是由于在干旱半干旱區(qū)強(qiáng)烈的蒸發(fā)氣候和不同程度的人為開采，不僅會(huì)使地表水發(fā)生富集，而且也會(huì)對(duì)不同深度的淺層地下水造成影響，使地下水同位素富集。而艾不蓋河中游采樣點(diǎn)處，地下水位埋深較淺，受蒸發(fā)作用影響強(qiáng)烈，而且采樣點(diǎn)周邊為城區(qū)，地下水資源開發(fā)利用量較大，當(dāng)人為開采改變地下水位時(shí)，富集同位素的降水和地表水在較短的流動(dòng)時(shí)間和距離范圍內(nèi)可對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，因此該處地下水中同位素δD和δ18O含量較高。

(2)開令河處地下水同位素含量偏貧化，主要因?yàn)槭芫暥刃?yīng)影響該處地下水補(bǔ)給源降水和地表水的同位素含量貧化，并且該處地下水埋深較深，地下水可能主要為降水及降雪長(zhǎng)時(shí)間的下滲形成。

3.4 研究區(qū)降水-地表水-地下循環(huán)水轉(zhuǎn)換關(guān)系分析

通過將各采樣點(diǎn)采集檢測(cè)所得降水、地表水和地下水的同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到研究區(qū)降水-地表水-地下水分布關(guān)系圖(圖12)。

(1)圖12中地表水和地下水的δD和δ18O均在研究區(qū)內(nèi)大氣降水的δD和δ18O變化范圍內(nèi)。并且均散落于當(dāng)?shù)卮髿饨邓匠叹€下方，說明研究區(qū)域內(nèi)地表水和地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為降水，而且降水在補(bǔ)給過程中受到當(dāng)?shù)貜?qiáng)烈蒸發(fā)的影響。

(2)圖12中可以看出塔布河采樣點(diǎn)處地表水同位素含量最富集而開令河采樣點(diǎn)處地下水同位素含量最貧化，與前文分析一致。而艾不蓋河上游和艾不蓋河中游處采樣點(diǎn)地表水與地下水同位素含量分布卻比較集中，屬于交叉分布，這說明這些區(qū)域地表水和地下水除去大氣降水補(bǔ)給外，地表水與地下水轉(zhuǎn)換頻繁互相補(bǔ)給。

圖12 研究區(qū)降水-地表水-地下水采樣點(diǎn)同位素含量分布關(guān)系Fig.12 Precipitation-surface water-groundwater sampling point isotope content distribution

4 結(jié)論

(1)水體中穩(wěn)定同位素δD和δ18O的不同，可以反演出區(qū)域的水循環(huán)的過程信息，被認(rèn)定為水體“DNA”，可為研究區(qū)域水文循環(huán)過程提供良好的方法和途徑，而且近年來(lái)同位素示蹤技術(shù)得到了快速的發(fā)展，作為一種新的研究手段為探明干旱半干旱荒漠化草原區(qū)的水循環(huán)過程提供了探索途徑。

(2)研究區(qū)大氣降水方程線(δD=7.22δ18O-1.12)的斜率和截距均低于全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)和全國(guó)大氣降水線(δD=7.9δ18O+8.2)的斜率與截距，這主要是因?yàn)檫_(dá)茂旗海拔較高，且距離海洋較遠(yuǎn)受海洋季風(fēng)影響較小，并且說明研究區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水在下落的過程中經(jīng)過二次蒸餾作用，導(dǎo)致雨水中較輕的同位素分餾，而重同位素發(fā)生富集。并且通過對(duì)研究區(qū)降水氘盈余(d)分析可知，研究區(qū)在冬、夏季風(fēng)期間，大氣降水云團(tuán)的來(lái)源有很大的不同，這說明研究區(qū)采樣點(diǎn)所在的流域在冬、夏季風(fēng)期間大氣降水來(lái)源存在有不同的源區(qū)，冬季主要受蒙古高壓影響，夏季主要受海洋季風(fēng)的影響。

(3)研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水同位素含量隨時(shí)間變化較小，而空間上塔布河的地表水同位素含量最富集以及開令河地下水同位素最貧化，整體上呈自西向東同位素含量由貧化到富集的趨勢(shì)，即開令河流域同位素含量<艾不蓋河上游同位素含量<艾不蓋河中游同位素含量<塔布河流域同位素含量，并且由其分布關(guān)系圖可知，研究區(qū)地表水和地下水的補(bǔ)給源主要為降水，部分地區(qū)地表水與地下水轉(zhuǎn)換頻繁相互補(bǔ)給。

(4)以目前水循環(huán)規(guī)律研究尚少的典型干旱半干旱荒漠化草原區(qū)達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗為研究區(qū)，選取了區(qū)域內(nèi)主要河流為研究對(duì)象，并在主要河流上選取了研究單元布設(shè)采樣點(diǎn)，通過同位素示蹤技術(shù)對(duì)研究區(qū)中的降水-地表水-地下水各水源氫氧穩(wěn)定同位素δD和δ18O組成特征及分布關(guān)系進(jìn)行分析研究，對(duì)研究區(qū)的“三水”來(lái)源進(jìn)行了一定的分析，得出了“三水”之間的一定循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律，可為揭示研究區(qū)水文循環(huán)和補(bǔ)給來(lái)源提供基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)及水資源優(yōu)化配置提供理論指導(dǎo)，促使水資源薄弱的牧區(qū)各水源合理、高效、可持續(xù)利用的發(fā)展模式的盡快形成。但干旱半干旱荒漠化草原地區(qū)水分來(lái)源有可能是多方面的，所以如果能進(jìn)行改進(jìn)完善，使同位素示蹤技術(shù)可以應(yīng)用于“五水轉(zhuǎn)化”(降水、地表水、地下水、土壤水、植物水)相關(guān)聯(lián)的研究中，那么將可以進(jìn)一步解決干旱半干旱荒漠化草原區(qū)水循環(huán)中的一些重大關(guān)鍵問題和生產(chǎn)實(shí)踐問題，這也正是牧區(qū)科研人員亟待解決的問題。