生态地质水工环、农业、城市、旅游伊犁河谷大气降水同位素特征及环境意义

蒋新华 苏晨 程中双

摘   要：为研究伊犁谷地降水同位素特征及陆地内循环对其的影响，为流域水循环研究提供科学依据，于2016年在伊宁、尼勒克和新源气象站采集降水同位素样品。采用回归对照法，讨论降水氘氧稳定同位素的影响因素。研究表明，研究区大气降水线方程为δD=7.96δ18O+10.37，与全球大气降水线较接近，水汽主要由西风带输送;氘氧同位素夏季富集冬季贫化而氘盈余无规律变化，由于降水过程不仅受温度效应，还受到水汽陆地再循环影响。冬夏季样品在D-18O关系图中分布特征，证明冬夏影响降水同位素本地水循环因素不同，夏季以云下蒸发为主。根据对氘过量计算的夏季降水雨滴蒸发分数为4.1%～16.2%，再次证明夏季云下蒸发效应明显，而在冬季云下蒸发效应几乎不会发生。

关键词：伊犁河谷;大气降水;氘盈余;二次蒸发

降水同位素（2H，3H和18O）组成特征是研究水文和气象过程及气候条件的有力工具。大气降水中的氘氧同位素组成用δ2H和δ18O表示，二者具一定的相关关系，全球范围内为：δ2H=8δ18O+d称为全球大气降水线（GWML），d称为氘过量参数D-excess[1]。其大小与水汽源区的湿度、风速和最初蒸发时海洋表面温度（SST）有关，同时又受降水区蒸发与水分内循环的影响[2-4]。蒸发会使降水同位素富集，使氘盈余降低，而蒸发形成的水汽氘盈余值却很高，可明显区别于降水的氘盈余[5-6]，从而有效指示当地水汽再循环的气象环境[3，6]。

受西风带控制，我国新疆是世界三大极端干旱区之一，水资源供需矛盾尤为突出，大气降水是水资源的基本构成部分，是水循环的输入项，从根本上决定着一个地区水资源的丰富与否。新疆地区因蒸发强烈，陆地内循环对同位素演化的影响十分明显[2]。我国自从1966年加入全球降水同位素观测（GNIP，Global Network for Isotopes in Precipitation）（IAEA，2017），出现了一系列全国性和区域性降水同位素的研究成果[7-8]，但伊犁河谷流域的大气降水同位素调查研究仍是空白区。因此，本文利用在伊犁河谷流域取得的月降水资料和降水中氢氧同位素资料，确定当地大气降水线与降水同位素组成特征，定性水汽来源与运移途径，为合理利用水资源、提高水资源的利用效率和深入研究流域水循环规律奠定基础。

1  流域概况与样品采集

伊犁河谷是中哈跨国界河谷平原，我国境内位于中国天山山脉西部，三面环山。北部为天山北支婆罗科努山及伊连哈比尔尕山，南部为克特绵山、伊什格里克山。河谷平原区海拔为500～1 500 m，谷底较窄，地形坡度较大。伊犁河谷气候温和湿润，属于温带大陆性气候，具明显的冷暖干湿交替特征[9]。1960-2018年，年均气温9～12℃，年均降雨量217.3～834.6 mm，多年平均蒸发量945 mm，属于新疆最湿润的地区之一。

2016年2月至2016年12月每月末对伊犁河谷流域的新源、尼勒克和伊宁三个气象站采集月混合降水，最后置于500 ml塑料瓶。计33个水样，相当于对每次降水事件进行雨量加权得到的月度均值   （图1）。即：降水稳定同位素月均雨量加权平均值：

δw=∑（Pi×δi/P）[………………]（1）

式（1）中：δw——加权平均值，Pi——月降雨量，δi——相应的同位素值，P——年降水总量。

氘氧氚樣品测试均由自然资源部地下科学与工程实验室测试，δD和δ18O稳定同位素分析分别通过采用CO2平衡方法和铬还原方法进行前处理制备气体样品，然后由气体同位素质谱（MAT-253）测定，测试精度分别为±0.1‰和±1.0‰。

2  结果与分析

2.1  大气降水稳定同位素及氘盈余变化特征

伊宁、尼勒克、新源3个站点的降水同位素平均δ值总体上呈依次减小趋势。从δ18O的变化特征来看（图1，表1），新源和尼勒克的变化幅度相近，而伊宁市的变化幅度稍小于前二者，一定程度反映了高程和气温不同对降水同位素的影响。

从季节性变化来看，降水的同位素值夏季最大，而冬季最小。伊宁站点δ18O值2月至5月增加，5月到9月震荡波动，9月到12月减少，而尼勒克与新源站点高值点则是出现在5月份（图1-a），这可能与伊宁站点在夏季受到西风带影响大于其他两个站点有关。

从全区平均值来看，河谷平原大气降水δ18O和 δ2H的算术平均值分别为-10.8‰和-75.3‰，夏季（5-7月）平均值为-5.9‰和-37‰，冬季平均值（11-2月）为  -17.6‰和-128‰，具夏高冬低特征，符合中高纬度地区降水同位素的温度效应[5]。降水中夏季氘过量平均值（10.2‰）略低于冬季年平均值（12.4‰）。表明伊犁河谷全年受西风环流影响，影响程度在冬季高于夏季，且夏季蒸发也较冬季厉害。氘过量值也反映了水汽来源地的环境：降水中氘过量值越小，水分来源地相对湿度越大，蒸发越缓慢，而高的氘过量值则反映了水分来源地相对湿度较小，蒸发快速的特点。

新源、尼克斯和伊宁3个站点大气降水稳定同位素δD、δ18O和D-excess的季节分布特征如图2。δD 和δ18O变化范围较大，依次是-147～-18和-3.3～    -20。3个站点δ值随时间的变化特征一致，最大值出现夏季，最小值在冬季，符合中高纬度地区降水同位素的温度效应特征[1]。2～5月份δ值逐渐富集，5～10月份震荡波动，10月份到12月份逐渐贫化，是西北地区典型大陆性气候年周期变化规律的反映。D-excess的值变化范围是3～15.8，整体在10上下波动变化。

2.2  伊犁河谷雨水线

大气降水线（δ18O和δD的相关关系），是水循环研究的重要方法。它可反映自然地理和气象条件，为历史气候变迁及水汽来源提供依据[1，5]。利用最小二乘法分析了伊犁河谷地区3个观测站点的δD与δ18O的关系，得到伊犁河谷地大气降水线（LMWL）为：

δD=7.96δ18O+10.37[……………]（2）

伊犁當地大气降水线与全球大气降水线接近，略偏离西风带主导降水线（δD=7.55δ18O+6.61）[10]。伊犁地区全年受西风带气流影响，夏季会受极地气团轻微影响[11]。图2中样品点紧分布于全球大气降水线两侧，但冬季样品，分布在左下角且在GMWL 之上，氘盈余值小于10，同位素较贫化。夏季样品分布于右上角且在降水线之下，多是夏季样品，经历了云下蒸发，而春秋季样品则分布于冬季和夏季样品之间。

2.3  温度效应及雨量效应

西北内陆干旱地区，温度效应显著，其同位素-温度梯度（斜率）在0.13～0.68 之间[12-14]。前述已知，  δ18O 与δ2H 的相关性较强，以δ18O 为例进行分析。伊宁、尼勒克和新源3个站点全年δ18O与温度呈显著正相关关系（相关系数r分别为0.92，0.67，0.77，  图3-a），温度梯度依次为0.5‰/°C，0.31‰/°C， 0.42‰/°C。尼勒克与新源海拔相对较高，所以δ18O与温度相关性较伊宁弱。

Dansgaard 经观测发现δ18O 和降水量存在显著的负相关关系，降水量越大，δ18 O 值越小，称为降雨量效应[1]，其与云下蒸发和与环境水蒸汽的交换有关。伊宁、尼勒克及新源，降水中的δ18O 并未随降水量增大而显著贫化（图3-b），说明在全年尺度上不存在降水量效应，符合在内陆区通常降水量效应不显著，但在雨季（夏季），伊宁表现出微弱雨量效应。

2.4  氘盈余与水汽再循环

二次蒸发效应能够对降水同位素产生明显变化，如云下蒸发和水汽再循。云下蒸发也称雨滴蒸发，该过程会使氘盈余降低[15-17]。水汽再循环是指水汽从陆地表面蒸发导致氘盈余升高。这两个过程均会导致降水稳定同位素氘氧富集。

二者计算参数涉及众多[6]，较难求解，可依据具体情况进行简化，进行半定性计算[18-20]。据此云下蒸发效应和水汽再循环效应在降水中的比率可由式（3）、（4）得出：

Ef（%）= （d-diw）/-1.1[……………]（3）

Rf（%）= （d-diw）/（devap-diw）[…………]（4）

diw=0.52T+11.6[…………][…]（5）

式（3）中：d——样品氘盈余（d-excess）;diw ——水汽来源方向上风点氘盈余，可由未发生再循环和云下蒸发的山区降水代替。式（4）中：devap——指夏季陆地蒸发蒸汽氘盈余，由最新调查的全区地表水氘盈余均值得出，为14.06‰。

新疆地区对于未发生水汽再循环和云下蒸发的降水样品而言，有近似相同的氘盈余-温度相关关系[18]，可由式（5）获得，能够代表水汽来源初始降水的氘盈余。计算的夏季云下蒸发比为4.1%～16.2%，且在夏季达到最高，与氘盈余变化相关性较好         （表2），这是因为云下蒸发过程与温度和湿度相关[2]，在高温度和低湿度条件下，会带来较强的云下蒸发效应[21]。因此在干冷的冬季，低温高湿度条件下，计算出的蒸发比为负数，表明未发生云下蒸发效应。图1中氘盈余在冬季基本大于10，表明冬季云下效应微弱。那么导致冬季降水氘氧稳定同位素贫化的主要原因是同位素的温度效应，而氘盈余能够很好地反映云下蒸发作用强度。

3  结论

（1） 伊犁河谷大气降水稳定同位素特征受西风带气流和局地水汽再循环作用的共同影响。呈夏季高，冬季低的现象，夏季受温度效应和云下蒸发作用影响，使大气降水δD和δ18O值较小，氘盈余偏小，而在冬季温度效应为主要影响因素，δD和δ18O值呈现增加的趋势，氘盈余偏小;

（2） 研究区大气降水线方程为δD=7.96δ18O+10.37（R2=0.99），接近全球降水线，斜率偏小和截距偏大，说明主要受控于单一水汽来源，又受水汽再循环的影响;

（3） 根据氘盈余，计算出云下蒸发占降水的比率，认为伊犁河谷在夏季发生了较强的云下蒸发效应，而在冬季云下蒸发效应很微弱，几乎不会发生。水汽再循环的存在使伊犁河谷冬夏降水同位素差异更大，一定程度表明环境的冷热干湿程度。

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