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 帆,张园园

云南师范大学旅游与地理科学学院, 昆明 650500

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]。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]。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]。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]、西北地区[12]、东北地区[13]、东部沿海地区[14]、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、数量等特征,以及季风区与非季风区、冬季风与夏季风的水汽来源差异等方面。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、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]。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。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。

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]。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]。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、循环过程及其影响因素对哈尼梯田的农业生产、遗产保护都具有十分重要的作用。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。

1 研究区与研究方法

1.1 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。经纬度范围在102°43′16″—102°50′39″E、23°5′20″—23°13′18″N之间。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—2261 m之间,相对高度811 m,面积约13.92 km2。区内垂直气候差异明显,1800 m以上为北亚热带气候和温带气候,年均温在15 ℃左右,年均降水量1800 mm；海拔1800 m以下地区为中、南亚热带气候,为梯田主要分布区,年均温为17 ℃,年均降水量1500 mm。旱雨季分明[24],雨季降水量1089.7 mm,旱季降水量仅为307.9 mm,降水的水汽来源与影响降水的因素比较复杂。

1.2 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(1500 m)、样点2(1680 m)、样点3(1798 m)、样点4(1889 m)、样点5(1957 m)、样点6(2004 m)和样点7(2024 m),共采集有效大气降水样品42个(图1)。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。收集雨水收集器中雨水样品时,先将100 mL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。气象数据采集来自设立于全福庄中寨(样点3)的DAVIS Vantag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、室外温度、室外湿度、风速、风向、气压等。

图1 研究区与采样点分布图Fig.1 Study area and distribution of sampling sites

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。采用Picarro L2130-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±0.1‰,δD确保精度±0.5‰,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：

(1)

(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)。

1964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。

d=δD-8×δ18O

(3)

1.3 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30 m×30 m的数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)在ArcGIS 10.0软件中进行制图综合得出。稳定氢氧同位素测试结果采用SPSS 20软件进行统计分析,主要分析方法包括相关性分析、一元回归分析和假设检验等,分析结果图采用Grapher 12软件制作。

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(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,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、扩散轨迹,并可以实时预报风场形势、研究水汽输送轨迹的专业模型。模型运行的初始时间为UTC时间0时,高度为500 m(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5 d,即120 h,这样即可覆盖连续性降水,还可提高追踪水汽来源的精度。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。

2 结果与分析

2.1 降水中稳定氢氧同位素分析

2.1.1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(Local Meteoric Water Line, 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)。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(Global Meteoric Water Line, 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。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。

2.1.2大气降水δ18O、d-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-8.97‰—-0.92‰之间,平均值为-4.47,总体上旱季δ18O富集。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。其中,在旱季前期降水同位素素δ18O值快速富集,变化率为2.69‰/月；在旱季后期降水δ18O值富集的速度减缓,变化率为0.60‰/月。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。

图2 大气降水δ18O和δD的关系Fig.2 Relationship between δ18O and δD

图3 旱季降水δ18O和d-excess的时间变化 Fig.3 The monthly variation of deuterium excess and δ18O in precipitation during the dry season

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12.44‰—31.11‰之间,平均值为22.87,要明显大于全球d-excess值的10‰。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3.71‰/月；在旱季后期d-excess不断降低,变化率为-4.80‰/月。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。

2.2 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、温度和相对湿度)进行分析,结果见表1和图4。

表1 研究区旱季降水平均δ18O与主要环境因子的关系

图4 旱季降水量、温度、相对湿度的变化Fig.4 Change of precipitation, temperature and relative humidity during the dry season

2.2.1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、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。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。

2.2.2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、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。综合考虑旱季降水同位素δ18O与降水量、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(℃),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。

2.3 旱季降水的水汽来源

2.3.1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段的特征,在旱季前期d-excess不断上升,变化率为3.71‰/月；在旱季后期d-excess不断降低,变化率为-4.80‰/月。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-0.89,0.81。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。

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。

2.3.2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)、西风南支输送水汽(SB)、西风北支输送水汽(NB)、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。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。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。

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。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。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。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。

图5 研究区旱季水汽来源后向轨迹示意图Fig.5 Cluster of backward trajectory from study area during the dry season

3 讨论

3.1 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、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。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、水汽输送方式、降水的季节变化、降水期间的温度和湿度等因素影响[11]。Dansgaard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]。田立德、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。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。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]。

3.2 旱季降水水汽来源对哈尼梯田降水补给的影响

图6 旱季降水量和蒸发量Fig.6 Precipitation and evaporation during the dry season

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。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70%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。在研究区的梯田内,旱季灌水养田时的水深一般为20—25 cm,梯田储水量为0.25 m3/m2[31]。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。要保证研究区旱季梯田水体的稳定和持续,研究区旱季的降水量必须要大于蒸发量。根据研究区2015—2016年的旱季降水量(424.93 mm)和旱季蒸发量(393.24 mm)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。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。

4 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。在旱季中,降水δ18O与降水量、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)。HYSPLIT模型结果显示旱季主要有西南季风(67%)、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。

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。