达尔罕茂明安联合旗地表水-土壤水-地下水同位素含量时空分布特征分析

韩振华，张燕飞，王慧琪，纪 刚，梁文涛，焦 瑞

(水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020)

水资源作为干旱半干旱荒漠化草原区重要的生境要素[1]，是区域生态系统健康可持续发展的重要影响因子[2,3]。而来源不同的水体往往具有不一样的同位素组成，因此同位素示踪方法一直被视为水体的“DNA”探索[4]。该方法自20世纪50年代兴起以来[5-7]，已经得到长足的发展，作为传统水文方法的补充，在水循环方面主要用来揭示水的来源及水体转化运移途径和数量等[8-14]地球化学过程，并且该方法在国内已广泛应用于青藏高原[15,16]、西北地区[17,18]、华北地区[19-22]和南方地区[23-25]，并且研究成果主要集中在揭示大气降水同位素分布及水汽来源[26-28]、河水与地下水中稳定同位素变化趋势[29,30]、各水体转化运移途径和数量等地球化学过程[8,10,31-36]、流域水循环机理研究[37,38]以及典型植被用水过程[39-41]等方面。但目前为止在干旱半干旱荒漠化草原区利用稳定氢氧同位素进行应用研究的尚少，因此，本文将在其他区域研究成果基础上，应用同位素示踪技术有效分析干旱半干旱区达茂旗地表水、土壤水和地下水中同位素分布特征及其时空变化规律，揭示出研究区的不同水体之间的分布关系及其循环补给关系，进而为确定各水体的成因和演化机制研究提供基础依据，为同位素研究尚处于初级阶段的干旱半干旱区增添新的论证，为区域生态建设和水资源利用进行合理调配提供科学指导。

1 样品的采集与测试

达尔罕茂明安联合旗(后文简称达茂旗)行政区划隶属于内蒙古自治区包头市，总土地面积为1.741 万km2(东经109°15′～111°25′、北纬41°16′～42°45′)。达茂旗地形的总体趋势是西南高，东北低，由西南向东北倾斜，中部及西部多山，南部丘陵起伏，东部及北部地势平坦，为广阔波状高平原。达茂旗地属温带大陆性干旱气候，春季干旱，夏季炎热，冬季寒冷，风沙频繁，风力强度大。年平均降水量为255.6 mm(1954-2016年)，多年平均水面蒸发量为1 693.3 mm(E601)。

为了能得出研究区范围内不同水体同位素的空间性和时间性变化特征，自西向东分别选取了研究区内3条主要河流作为研究对象，基本涵盖了整个研究区范围，并在3条河流上布设4个采样点(开令河中游、艾不盖河上游和中游、塔布河中游)为研究单元进行采样(见图1)。在2017年5月-2018年11月期间，按照非汛期(5月)、汛期(8月)和秋冬时期(11月)3个时段分别对降水、地表水、土壤水和地下水进行采样，其中降水样品采样需布置固定采样点，以便于随时收集，其他各水体取样点选取固定位置采样(见图1)。在采样时段内，降水进行了4次采样，采集到水样14个、地表水进行了5次采样，共采集水样20个、土壤水进行了5次采样，共采集了水样101个、地下水进行了6次采样，共采集水样32个。

所采样品均由水利部牧区水利科学研究所国家重点实验室进行测试化验分析，并应用铬还原和CO2-H2O平衡法对水体的氢氧同位素分别进行预处理，结果采用VSMOW标准，δD和δ18O的分析精度分别为±0.2‰和±0.1‰。

图1 采样点分布图Fig.1 Sample point distribution map

2 研究区各水体同位素含量时空变化特征

2.1 研究区降水同位素含量分析

降水是天然水循环中水资源的主要输入因子，并且大气降水方程线对分析区域各水体同位素δD和δ18O含量变化至关重要，可使我们对区域水循环过程有更深入的了解。本研究共收集了14个降水样品，其中开令河采样点3个样品、艾不盖河上游采样点2个样品、艾不盖河中游采样点4个样品、塔布河采样点5个样品。通过检测分析可知：降水样品中同位素δD的变化区间为-150.69‰～-26.26‰、δ18O变化区间为-19.78‰～-1.18‰，δD、δ18O平均值为-69.92‰和-9.52‰，均无正值。Craig等[42]研究得出的全球大气降水中稳定同位素δD的变化介于-300‰～131‰、δ18O变化值介于-54‰～31‰，δD、δ18O平均值为-4‰和-22‰、郑淑蕙等[43]研究得出中国大气降水中稳定同位素δD的变化介于-210‰～20‰、δ18O变化值介于-24‰～2‰。由上可知研究区的降水同位素δD和δ18O含量变化范围在全球和中国降水同位素δD和δ18O含量变化范围内，说明所分析的样品成果可靠。并通过对研究区降水同位素δD和δ18O进行线性拟合(见图2)，可得研究区大气降水线方程(LMWL)：

δD=7.2 δ18O-1.12 (r=0.96)

(1)

图2 研究区大气降水线Fig.2 Research area atmospheric precipitation line

由图2和研究区大气降水方程线可知，研究区大气水线的截距和斜率分别为7.22和-1.12，该值都小于全球大气降水线δD=8 δ18O+10、中国大气降水线δD =7.9 δ18O+8.2的斜率与截距，这主要是因为达茂旗海拔较高，且距离海洋较远受海洋季风影响较小，并且说明研究区蒸发强烈，降水在下落的过程中经过二次蒸馏作用，导致雨水中较轻的同位素分馏，而重同位素发生富集。

2.2 地表水同位素含量时空变化特征

本次共采集地表水河流样品20个，其中开令河采样点5个样品、塔布河采样点5个样品、艾不盖河上游和中游采样点各5个样品，根据这些样品对研究区地表水同位素的变化特征及时空转化进行研究。

2.2.1 地表水同位素含量随时间的变化特征

根据所采集样品的检测结果，可知研究区内河流水体中环境同位素δD的变化幅度为4.21‰～6.42‰；δ18O的变化变化幅度为0.4‰～1.45‰，可见河流水体中δD和δ18O随时间的整体变化幅度较小(见表1)。

表1 研究区地表水同位素含量随时间变化情况表 ‰Tab.1 Surface water isotopic content changes in the study area over time

2.2.2 地表水同位素含量随空间的变化特征

本次绘图将每条河流的5次采样结果分别编号为1、2、3、4、5进行作图比较。见图3和图4。

从图3和图4可以看出：①由空间变化数据可知，4个采样点中艾不盖河上游取样点、艾不盖河中游取样点以及开令河流域取样点地表水同位素δD和δ18O含量基本变化不大，而塔布河流域地表水同位素δD和δ18O含量富集，主要是因为：该处年降水量最大，受经过二次蒸馏作用影响的降水补给量最大；从采样点处的地貌和地质构造来看，采样点周边环山降水能有效地形成径流并汇入到采样点附近，并且该处泥沙具有良好的赋水性，大气降水通过疏散的沙砾岩层入渗后，与孔隙水发生融合，通过地下水补给地表水。②由图3和图4可以看出艾不盖河上游同位素δD和δ18O含量较中游同位素δD和δ18O含量低，主要是因为中游区河流补给量大以及中游处为河谷平原蒸发强度大所致。③由图3和图4可以看出开令河地表水同位素含量最贫化，主要是因为该区域纬度较高、气温低，蒸发小。

图3 研究区各河流水体δD的变化规律Fig.3 The variation law of δD in each river water of the study area

图4 研究区各河流水体δ18O的变化规律Fig.4 The variation law of δ18O in each river water of the study area

2.3 土壤水同位素含量时空变化特征

本次采样根据研究区分布及降水情况对4个采样点进行土样采集。土壤样品采集过程中，根据土层厚度按照0～25、25～50、50～75、75～100、100～125 cm的间隔进行采样。

2.3.1 土壤水同位素含量随时间的变化特征

土壤水随时间的变化主要表现为，随着时间的推移水分下渗的深度逐渐发生变化。因此，土壤水同位素随时间的变化特征主要为其不同深度(H)土壤水同位素含量的差异。根据采集样品的同位素检测结果绘制了图5，由图5可知土壤水中δD和δ18O的含量变化随着深度的增加有较大的差异，总体上随着深度的增加同位素含量减少。其中，在上层土壤(0～125 cm)的同位素δD和δ18O含量的波动范围较大，与深土层中同位素含量差距较大，这主要是因为上层土壤水中氢氧同位素组成易受外界环境影响，主要为：①0 cm处同位素δD和δ18O含量与其他土层同位素δD和δ18O含量差距最大，这主要是表层土壤受蒸发作用影响最大；②降雨落到地面后将会发生入渗，而入渗作用也随着时间的推移逐渐减弱，所以在研究区0～125 cm深度范围的土壤水不仅受蒸发作用影响，而且与降雨中同位素含量关系密切。而深层土壤水中δD和δ18O的含量则趋于稳定。

图5 各取样点土壤水δD和δ18O随时间变化关系研究Fig.5 Study on the relationship between soil water δD and δ18O with time at each sampling point

2.3.2 土壤水同位素含量随空间的变化特征

由图6和图7可知，4个采样点的δD和δ18O基本在同一范围内，变幅不大，但对应的表层土壤水的δD和δ18O在蒸发作用下同位素富集，并随着土层深度H的增加，土壤水中的δD和δ18O组成逐渐趋于稳定。并且4个采样点中δD和δ18O也受到了地理位置分布不同的影响，由图可知开令河、艾不盖河上游和艾不盖河中游处土壤水δD和δ18O含量基本相似，而塔布河流域中土壤水的δD和δ18O含量较低，这主要是因为该处土壤含水率较高，导致同位素δD和δ18O较其他三处低。

图6 各采样点土壤水δD的变化规律Fig.6 The variation law of soil water δD at each sampling point

图7 各采样点土壤水δ18O的变化规律Fig.7 The variation law of soil water δ18O at each sampling point

2.4 地下水同位素分布特征

研究区内的地下水样品均为浅层地下水，在研究期共采集地下水样品32个，其中开令河流域10个样品、塔布河流域6个样品、艾不盖河上游和中游各8个样品，根据这些样品对研究区地下水同位素的变化特征及时空转化进行研究。

2.4.1 地下水同位素含量随时间的变化特征

为探明研究区地下水同位素含量随时间的变化规律，根据样品采样时间及研究区降水特点，将6-8月份定为雨季，其他月份为旱季，并在当地大气降水线的基础图上分别进行δD～δ18O拟合(见图8)，通过不同季节的拟合曲线，探究二者间的关系。

通过对比可以发现：①在雨季，地下水同位素分布趋势线(y=5.29x-22.35)更加靠近当地大气降水线(y=7.22x-1.12)，地下水与大气降水间的关系较为紧密，这是由于在夏季地下水用水量较大，加速了降水、地表水对地下水的补给，导致地下水中δD和δ18O的含量与大气降水、地表水中δD和δ18O发生混合。②在旱季，地下水中δD～δ18O组成的趋势线(y=5.07x-25.09)斜率为5.07，小于雨季的拟合线斜率5.29，这主要是由于在旱季地下水主要接受经过二次蒸馏的雨水和经过长时间蒸馏作用的地表水的补给，同位素较富集。

图8 地下水同位素含量随时间分布的变化规律Fig.8 The variation of groundwater isotope content with time distribution

2.4.2 地下水同位素含量随空间的变化特征

为探明研究区不同区域之间地下水同位素δD和δ18O的变化规律，根据4个采样点6次采样的情况各选取6个样品的测试结果绘了制图9和图10。

图9 不同采样点地下水δD含量分布图Fig.9 Groundwater δD content distribution map at different sampling points

图10 不同采样点地下水δ18O含量分布图Fig.10 Groundwaterδ18O content distribution map at different sampling points

(1)由图9和图10可以发现，研究区内地下水同位素δD和δ18O随空间变化的幅度不大。但从同位素富集程度来看艾不盖河中游采样点处地下水中同位素δD和δ18O含量明显高于其他三处，主要是由于在干旱半干旱区气候环境和人类活动是区域水资源变化的主要影响因子，强烈的蒸发气候和不同程度的人为开采，不仅会使地表水发生富集，而且也会对不同深度的浅层地下水造成影响，使地下水同位素富集。而艾不盖河中游取样点处，地下水位埋深较浅，受蒸发作用影响强烈，而且采样点周边为城区，地下水资源开发利用量较大，当人为开采改变地下水位时，富集同位素的降水和地表水在较短的流动时间和距离范围内可对地下水进行补给，因此该处地下水中同位素δD和δ18O含量较高。

(2)由图9和图10可知开令河处地下水同位素δD和δ18O含量偏贫化，主要因为受纬度效应影响该处地下水的补给源降水、地表水的同位素含量贫化，并且该处地下水埋深较深，地下水可能主要为降水及降雪长时间的下渗形成。

3 研究区各水体同位素含量分布特征

通过上述分析可知，研究区内地表水、地下水和土壤水同位素值均落于降水线下，说明研究区内地表水、地下水和土壤水补给源均来自降水，并且图中土壤水同位素分布基本处于大气降水线、地表水线和地下水线下方，并且距离大气降水线较远，反映出土壤水受蒸发作用影响较为明显。见图11和图12。

图11 各水体同位素分布图Fig.11 Isotope distribution map of each water body

图12 各采样点同位素分布图Fig.12 Isotope distribution map of each sampling point

由图11可知，各区域不同水体的同位素含量分布特征如下：

(1)图11地表水的δD的变化范围为-75.94‰～-61.32‰，δ18O的变化范围为-9.84‰～-7.02‰；土壤水的δD的变化范围为-87.9‰～-34.09‰，δ18O的变化范围为-11.95‰～-1.15‰；地下水的δD的变化范围为-83.48‰～-65.54‰，δ18O的变化范围为-11.34‰～-8.28‰，均在研究区内大气降水的δD和δ18O变化范围内。

(2)图11地表水、土壤水和地下水同位素含量均散落于当地大气降水方程线下方，说明研究区域内地表水、土壤水和地下水的补给来源主要为降水，而且在降水的补给过程中受到当地强烈蒸发的影响。

(3)图11可以看出土壤水同位素分布基本处于大气降水线、地表水线和地下水线下方，并且距离大气降水线较远，反映出土壤水受蒸发作用影响较为明显。另外由图11可知，土壤水中的δD和δ18O基本由降水、地表水和地下水混合而成，并且在长期的转化和运移过程中，受蒸发作用影响逐渐趋于稳定。

由图12可知，各研究区不同水体的同位素含量基本分布于3个区域，各区域特征如下：

(1)第一个区域为同位素含量贫化区，位于大气降水线的左下角，主要有塔布河土壤水、艾不盖河上游土壤水及艾不盖河上游地下水，其中土壤水同位素含量贫化主要是因为受降水和地表水补给较多，土壤含水量较大，地下水同位素含量贫化主要是因为该处地下水埋深较深受降水和地表水补给量较小。

(2)第二个区域为同位素含量中等区，位于贫化区和富集区之间，主要有艾不盖河中游地表水、艾不盖河中游地下水、艾不盖河上游地表水、艾不盖河上游地下水、艾不盖河上游土壤水及开令河地表水。该区域内样点分布在降水线周边，揭示该处水体来源主要为降水，并且该区域内地表水、土壤水以及地下水交叉分布，说明该区域内各水体间存在相互补给的关系。

(3)第三个区域为同位素含量富集区，位于最上方的范围内，主要有艾不盖河中游土壤水、开令河土壤水及塔布河地表水。说明该区域内水体经历了强烈的蒸发过程，受二次蒸发的降水补给较多。并且，由图中可以看出一些表层土壤水同位素含量呈散乱分布偏离当地大气降水方程线，这部分样品为表层土壤水，说明该部分水体受蒸发作用影响最强烈。

4 结 语

(1)水体中稳定同位素δD和δ18O含量的不同，可以反演出区域的水循环的过程信息，被认定为水体“DNA”，可为研究区域水文循环过程提供良好的方法和途径，而且近年来同位素示踪技术得到了快速的发展，作为一种新的研究手段为探明干旱半干旱荒漠化草原区的水文过程及补给来源提供了探索途径。

(2)研究区大气降水方程线(δD=7.22 δ18O-1.12)的斜率和截距均低于全球大气降水线(δD=8 δ18O+10)和全国大气降水线(δD =7.9 δ18O+8.2)的斜率与截距，这主要是因为达茂旗海拔较高，且距离海洋较远受海洋季风影响较小，同时说明了研究区蒸发强烈，降水在下落的过程中经过二次蒸馏作用，导致雨水中较轻的同位素分馏，而重同位素发生富集。

研究区内地表水和地下水同位素含量随时间变化较小，而空间上塔布河的地表水同位素含量最富集以及开令河地下水同位素最贫化，整体上呈自西向东同位素含量由贫化到富集的趋势，即开令河流域同位素含量<艾不盖河上游同位素含量<艾不盖河中游同位素含量<塔布河流域同位素含量，由其分布关系图可知，研究区地表水和地下水的主要来源为降水，并且部分地区地表水与地下水转换频繁相互补给。

研究区内土壤水同位素含量随空间变化不大，但受外界环境影响随时间变化较大，主要为：①0～125 cm处同位素δD和δ18O含量与其他土层同位素δD和δ18O含量差距最大，这主要是因为表层土壤受蒸发作用影响最大；②降雨落到地面后将会发生入渗，而入渗作用也随着深度的增加逐渐减弱，所以在研究区0～125 cm深度范围的土壤不仅受蒸发作用影响，而且与降雨中同位素含量关系密切。深层土壤水中δD和δ18O的含量则趋于稳定。

(3)本文以典型干旱半干旱荒漠化草原区达尔罕茂明安联合旗为研究区，选取了区域内3条主要河流为研究对象，并在主要河流上选取了4个研究单元布设采样点，通过同位素示踪技术对研究区的地表水-土壤水-地下水中稳定同位素δD和δ18O的含量特征及分布关系进行分析研究，得出了相应的结论，可为揭示研究区水文循环和补给来源提供基础依据，并且可为区域生态恢复及水资源优化配置提供理论指导。但干旱半干旱荒漠化草原地区水分来源有可能是多方面的，所以如果能进行改进完善，使同位素示踪技术可以应用于“五水转化”(降水、地表水、地下水、土壤水、植物水)相关联的研究中，那么将可以进一步提高解决水文循环中的一些重大关键问题和生产实践问题，这也正是牧区科研人员亟待解决的问题。