植被截留对降水同位素分布的试验研究

谢佳黎 瞿思敏，2 张雄鹰 勾建峰 石 朋，2， 刘金涛， 苏治国 陈 浩 李大辰

(1. 河海大学 水文水资源学院， 南京 210098； 2. 河海大学 水利工程实验教学中心， 南京 210098； 3. 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 210098; 4. 湖北省宜昌市水文水资源勘测局， 湖北 宜昌 443000)

植被截留是指流域下垫面植物的枝叶，地表枯落物对降水的拦截致使降水不能完全到达土壤表面，而以蒸发的形式重新回到大气[1]．定量探究植物截留对于研究小流域水文循环机理具有重要的研究意义．近年来，随着同位素示踪方法广泛的应用于水文学领域，特别是在流域对降雨的响应问题的定量研究中，为探究植物截留以及降水同位素的时空变化提供了一种新的研究手段[2]．

近年来，国内外学者通过野外试验来定量研究林外降水和贯穿降水的时间以及空间尺度的变化．Allen等[3]通过对美国西部的小流域进行长期的贯穿降水采样发现事件中的贯穿降水同位素在空间分布上存在差异，这些差异主要与采样点处的植被蓄水能力以及出流路径有关．徐振等[4]对川西卧龙自然保护区林外降水和亚高山灌丛植被贯穿降水取样发现绝大多数雨水被林冠截留，随后的蒸发作用使得贯穿降水同位素相对丰度富集．瞿思敏等[5]通过对梅林流域不同土地利用条件下的林外降水和贯穿降水采样分析得到贯穿降水同位素相对于林外降水同位素变化范围小，这主要与不同土地利用条件下植被类型有关．

针对现有的研究很少关注南方湿润流域的林外降水以及贯穿降水时空分布不均的问题，本文尝试使用稳定同位素对和睦桥小流域进行植物截留对降水同位素时空变化的影响进行了研究．本文选取2017年6月至7月间两次梅雨降雨事件的降水资料，通过采集林外降水和贯穿降水样品并对其做同位素分析，探究植物截留对于贯穿降水稳定同位素的影响．

1 研究区域概况

和睦桥流域(119°47′E，30°34′N)位于太湖流域上游的浙江省德清县内(图1)，流域面积1.35 km2．流域以低山丘陵为主，流域的西南地区高程在500～600 m之间，流域出口的高程为160 m．流域受亚热带季风气候影响，多年平均降水量1 580 mm，主要集中在6～8月．多年水面蒸发量为805 mm，多年月平均气温14.6℃，其中最高月平均气温25℃出现在7月，最低月平均气温1.3℃出现在1月．流域主要岩石覆盖类型为泥炭系石英砂，土壤类型主要以红壤、黄壤、岩性土、潮土、水稻土为主，主要植被为毛竹(覆盖率90%)，基本可以忽略人类活动对流域产汇流机制产生影响．

2 水样采集及分析

流域出口处建有气象观测站，可以自动获取降水，气温，湿度，风向，风速数据．降水水样采集时间尺度分为日尺度和小时尺度．日尺度降水水样分别采集于林外降水和贯穿降水．其中，林外降水采样点分别布置在流域上游、中游、下游的没有竹林覆盖的空地，贯穿降水采样点共10个观测点、沿河流两岸自上而下布置在中等郁闭度的竹林林下(如图1所示)．

图1 研究区水样采样点位置分布图

采样时间为每天早上8:00，使用30 mL的聚乙烯采样瓶收集水样，记录采样的时间，标号，并且使用生胶带密封，保存在4℃的冰箱中．而小时尺度降水水样采集也分为林外降水和贯穿降水，采样点布置在流域中游位置，每两个小时对采样器的雨水收集1次，具体操作方法与日尺度采样方法相同．

采得的水样在河海大学国家重点实验室用质谱仪(MAT253)进行同位素分析(δD和δ18O)，氘的样本用加有铂催化剂的H2-H2O平衡法得到，氧的样本通过CO2-H2O平衡法得到．δ18O分析的精度为±0.02‰，δ2H为±2‰．测定结果用维也纳标准平均海水值(Vienna standard Mean Oceanic Water, V-SMOW)转化为千分偏差δ值(‰)表示：

(1)

其中R为2H/1H或18O/16O．

3 结果与讨论

3.1 和睦桥大气水线

Craig[6]通过研究全球范围内的降水水样的氢氧稳定同位素组成，发现两者之间存在明显的线性关系即：δ2H=8δ18O+10,随后被定义为全球大气水线(Global Meteoric Water Line)．全球大气水线表达了在全球平均的条件下，水汽从产生到形成降水过程中经历的一系列动力分馏和平衡分馏后稳定同位素δ2H和δ18O之间的线性关系．

由于各地区气候条件、下垫面条件、水汽来源、水汽运移路径以及流域的温度、相对湿度不同，会导致地区之间的大气水线存在差别，即每个地区均有各自的区域大气水线(Local Meteoric Water Line)．区域大气水线对于研究当地地下水的补给以及流域产流机制具有重要的意义．

本文应用最小二乘法对2017年的两场梅雨降水事件中的18个大气降水(林外降水)水样以及74个贯穿降水水样同位素数据进行计算，分别求出其大气降水线，结果如图2所示．

从图2可以看出，林外降水的大气水线表达式为δ2H=8.13δ18O+6.06，而贯穿降水的大气水线表达式则为δ2H=7.96δ18O+7.27．大气水线的斜率主要与动力学分馏有关，而截距主要和D对于平衡态的偏移有关．两条大气水线的斜率和截距均比中国东部季风区的大气水线[7]：δ2H=7.46δ18O+0.9偏大，而接近于全球大气水线．探究其原因主要包括：

1)采样方法不同．研究中国东部季风区的大气水线通过对每个月降水的加权平均值进行分析，而本文对于和睦桥流域大气水线的研究是通过对两次梅雨降水事件中小时降水以及每日贯穿降水进行同位素分析．长期的降水采样包括了对各种降水类型的雨水的混合采集，比如台风雨，梅雨，对流雨等等，这些不同的降水类型影响其同位素变化的原因也不尽相同，通过每月混合水样的分析忽略了这些事件降水的影响．而本文仅仅只对梅雨事件的水样进行了分析，目的是探究梅雨的水汽来源以及植被对降水同位素的影响，因此得到区域大气水线与东部季风区大气水线存在明显的差别．

2)下垫面与气候环境．东部季风区的采样点选择位置的自然景观与和睦桥流域存在明显的不同，和睦桥流域主要覆盖竹林植被，而对于东部季风区大气水线的研究因作者的不同研究目的，会有不同的自然地理条件区别．同时本次采样的时间主要集中在6、7月，这时流域的温度和相对湿度较高，降水同位素经历蒸发分馏以及与周围水汽交换现象显著，而长期的降水同位素分析不仅包括此类降水事件，还包括寒冷冬季由二次蒸发得到偏贫化的降水和降雪事件，这也会导致东部季风区大气降水线斜率和截距偏低．

3)降水类型的不同．此次采样的梅雨，主要来源于太平洋湿润的气团，同时由于和睦桥大气水线斜率和截距分别接近于8和10，也说明了此两场降水受海洋水汽的影响．而对于长期东部季风区的采样，降水类型还包括由二次蒸发带来的降水，水汽来源复杂多变．

利用林外降水和贯穿降水同位素数据分别得到的大气水线斜率和截距相差不大，这主要是由于在同一个流域的同一降水事件中，水汽来源、水汽运移路径以及流域气候条件都一致．但是，贯穿降水同位素沿着贯穿降水的大气水线均匀分布，而林外降水主要集中在林外降水的大气水线的右上方，林外降水同位素相较贯穿降水同位素而言更加富集，这主要可能由于林外降水受到的蒸发分馏作用更加明显．

3.2 林外降水和贯穿降水氘盈余

Dansgaard在1964年通过研究降水稳定同位素的关系时引入了“氘盈余”概念用来定性的评价非平衡分馏过程的影响[8]．氘盈余(d-excess)定义为d=δ2H-8δ18O，主要与水汽源地的蒸发条件以及流域气象要素有关，因此影响降水的氘盈余的因素很复杂．本文通过研究两场相同类型的降水的氘盈余值的变化来探究植物截留对降水氘盈余的影响．

和睦桥流域梅雨期间林外降水d值变化的范围：-3.96‰～12.56‰，平均值为4.95‰，而贯穿降水d值的变化范围为：1.62‰～16.4‰，平均值为7.71‰(如图3所示)．林外降水的d值平均值小于全球平均大气水线的d值(10‰)，说明海洋水汽云团在向内陆运移的过程中经历了强烈的蒸发分馏作用．梅雨主要是由于暖锋锋面与冷锋锋面相遇，暖湿气团沿冷锋锋面爬升，随着暖湿云团高度上升，开始出现冷凝致雨现象，下降的雨水经过冷锋控制的干燥空气区域发生明显的蒸发分馏和与空气中的水滴进行同位素交换，使得雨水的d值低于全球大气水线d值[9]．

图3 和睦桥流域梅雨降水事件氘盈余分布

贯穿降水的d值高于林外降水d值，这主要与植被的截留以及强烈的蒸发有关．和睦桥流域竹林密度大，同时梅雨雨强较小，相对较高林冠层的蓄水能力能够将降水开始时段内经历强烈的蒸发而导致d值偏低的雨水截留，并且与随后偏高d值的雨水混合．随着植被冠层蓄水量的增加，一部分冠层的蓄水将树茎润湿后沿着树茎流到地表，另一部分蓄水直接落在地表．本文收集的贯穿降水是后者产生的降水，一系列混合作用使得贯穿降水的d值没有出现小于0的数值，同时相对于林外降水d值来说分布更加集中．

3.3 林外降水和贯穿降水的δ18O时程变化

林外降水同位素和贯穿降水的同位素在时间尺度上的变化存在着明显的差异，总的来说贯穿降水相对更加贫化(如图4所示)．在第一场降水事件中，降水开始的6月22日8:00到6月23日17：00，林外降水和贯穿降水的稳定同位素δ18O变化趋势一致，前者同位素相对丰度比较富集．影响两者变化的可能因素是雨强和温度，主要由于第一个水样的采集是早上8:00进行，采集的降水水样是前一天降水的长时间的累计16.2 mm的降水，在这段时间内雨强较小，夜间温度较低，蒸发分馏对降水的影响不明显，而林外降水的同位素相对丰度富集可能由于空地相较与林内更加通风，通风的条件下加速了林外降水蒸发分馏．随后，在6月24日8:00到6月25日8:00时段内贯穿降水稳定同位素显著低于林外降水同位素，最大偏差9.98‰．这主要是由于雨强和降雨量引起，到25日8：00采样时，已累计降水51.6 mm，明显出现了雨量效应，即随着降水量的增加，林外降水的同位素相对丰度逐渐贫化．同时在已经润湿的流域上，适当的雨强能够在植被层林冠处产生雾气，而这些雾气的分布主要集中在竹林区，而采集林外降水的上方缺少雾气，这些雾气限制了林冠雨水的蒸发分馏．最后的降水事件中贯穿降水和林外降水趋势依旧保持一致，林外降水的变化范围稍大于贯穿降水的范围．这一时段主要由于与前一时段存在接近20个小时的无雨期，在这期间流域仍处于湿润状态，但是林冠层的雾气已基本消散，导致贯穿降水和林外降水又基本保持一致的变化趋势．

图4 林外降水和贯穿降水的δ18O时程分布

第二场降水事件中，只有第一组水样的贯穿降水同位素相对林外降水明显贫化，这与第一场降水事件有明显的差别．究其原因可能主要与采样的时间有关，由于和睦桥流域位于山区之中，人类活动扰动很小，但是也会因采样人员安全问题造成夜间无法进行采样．第二场随后降水水样的采集距离第一阶段降水发生有很长的间隔时间，贯穿降水水样发生更明显的蒸发分馏，导致其具有更富集的δ18O．随后由于雨强较大，蒸发分馏现象不显著，林外降水以及贯穿降水稳定同位素相对丰度没有明显的差别，呈现出相同的变化趋势．

3.4 贯穿降水的稳定同位素空间分布

本文选取第一场降水事件6 d的贯穿降水稳定同位素数据用以探究贯穿降水的稳定同位素空间变化，而第二场降水因为仅有两天的贯穿降水同位素数据，没有很好的代表性．贯穿降水的稳定同位素在同一场降水事件中的平均值随着取样位置的不同而显示出明显的空间变化，δ18O和δ2H分别在-10.44‰～-11.79‰和-75.13‰～-86.02‰之间(见表1)．Brodersen等[10]通过对小流域不同位置进行贯穿降水采样，发现其δ18O的变化范围最大为3‰，而本文中测得的δ18O的变化范围为1.33‰．

表1 和睦桥流域第一场降水事件贯穿降水的稳定同位素统计结果

影响贯穿降水同位素的空间变化主要有以下原因：

1)林冠层的影响．采样装置的安置虽然都选择在郁闭度相近的竹林下，然而由于植被的生长状况不同，植被的林冠层蓄水能力不同以及其他一系列复杂的植被截留过程，都会导致收集的贯穿降水受到上方植被影响．

2)降水分布不均．和睦桥流域面积1.35 km2，流域面积比较小，但是由于受地形，坡度的影响，雨量以及降水强度的分布十分不均匀．

3)风向以及坡向的影响．梅雨降水事件发生时都伴随着微风的发生，由于采样点的选择坡向不同，那么在微风的作用下，一部分采样点处于通风的位置，有利于水样的蒸发分馏，同时林冠层的蓄水在风的作用下会落到流域表面，这样通风位置采得的水量明显偏多．

4 结 论

本文通过对和睦桥梅雨事件的降水和贯穿降水的氢氧稳定同位素相对丰度分析，主要得到以下结论：

1)通过拟合林外降水的δ18O和δ2H得到和睦桥流域梅雨事件大气降水线，其斜率和截距接近全球大气水线的斜率和截距，说明梅雨的主要水汽来源是海洋．梅雨事件大气水线的斜率和截距与中国东部季风区的大气水线存在明显的差别，主要是受采样方法、下垫面条件、气候环境和降水类型的综合作用．

2)梅雨降水事件中林外降水的d值平均值小于全球平均大气水线的d值，说明海洋水汽云团在向内陆运移的过程中经历了强烈的蒸发分馏．降水事件中的贯穿降水的d值高于林外降水d值，这主要与植被的截留以及强烈的蒸发有关．

3)林外降水和贯穿降水的稳定同位素在时间尺度上的变化存在着明显的不同，总的来说贯穿降水相对更加贫化，这可能由蒸发分馏和雨强共同影响．

4)梅雨事件中贯穿降水的同位素相对丰度展示明显的空间变化，主要由植物截留以及流域地形共同影响．