干旱半干旱荒漠化草原区降水-地表水-地下水同位素分布特征——以达尔罕茂明安联合旗为例

韩振华， 张燕飞， 王慧琪， 焦 瑞， 梁文涛， 纪 刚

(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。近年来，随着全球气候的变化以及区域人类活动的影响，干旱半干旱区水资源循环规律正逐渐的发生改变，这些改变对脆弱的荒漠化草原生态系统造成巨大的影响，致使荒漠草原大面积退化、沙化和盐碱化[2-3]。因此，如何深入分析干旱半干旱荒漠化草原区内的水文循环结构、水体间相互转化关系，已成为科研人员亟待解决的问题。

图1 降雨、径流、蒸发等值线图Fig.1 Contour map of rainfall, runoff and evaporation

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，该方法在国内已广泛应用于青藏高原[8-9]、西北地区[10-11]、华北地区[12-15]和南方地区[16-19]，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[20-22]、河水与地下水中稳定同位素变化趋势[23-24]、各水体转化运移途径和数量等地球化学过程[25-31]、流域水循环机理研究[32-33]以及典型植被用水过程[34-36]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方法及成果的基础上，应用同位素示踪技术有效分析选取的干旱半干旱荒漠化草原区的降水、地表水和地下水中同位素分布特征及其时空变化规律，揭示出研究区的水汽来源、不同水体之间的分布关系及其循环补给关系，进而为揭示出研究区水循环机理研究提供基础依据，为氢氧稳定同位素研究尚处于初级阶段的干旱半干旱荒漠化草原区增添新的论证，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 研究区概况

达尔罕茂明安联合旗(简称“达茂旗”)行政区划隶属于内蒙古自治区包头市，北与蒙古国接壤，西与巴彦淖尔市的乌拉特中旗毗邻，南与呼和浩特市的武川县、包头市的固阳县相邻，东与乌兰察布市的四子王旗交界，地理坐标为东经109°15′～111°25′、北纬41°16′～42°45′，总土地面积17 410 km2(图1)。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，冬季寒冷，春季干旱，风沙频繁、风力强度大，夏季炎热。年平均气温4.1 ℃，年最高气温38 ℃，年最低气温-41 ℃，年最大降水量425.2 mm(2003年)，年最小降水量138.4 mm(2009年)，年平均降水量为255.6 mm(1954—2016年)，多年平均水面蒸发量为1 693.3 mm(E601)，无霜期90～120 d。

由图1可知达茂旗自北向南降雨量为150～280 mm，属于典型的干旱半干旱区。并且，通过由达茂旗收集的资料可知，达茂旗有荒漠草原11 327.63 km2，占行政区总面积的76.53%，但近年来由于环境的变化和人类活动的影响，到2016年止达茂旗草原沙退化面积为11 009.8 km2，占草原面积71.51%，其中轻度沙退化面积7 574.07 km2，占沙退化面积68.79%；中度沙退化面积3 202.87 km2，占沙退化面积29.09%；重度沙退化面积232.87 km2，占沙退化面积2.12%，草原生态正面临着严峻的考验。

图2 采样点分布图Fig.2 Sample point distribution map

综上所述，选取达尔罕茂明安联合旗作为干旱半干旱荒漠化草原区为研究区。

2 样品的采集与测试

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三条主要河流作为研究对象，基本涵盖了整个研究区，并在三条河流上布设四个采样点(开令河中游、艾不盖河上游和中游、塔布河中游，详见图2)为研究单元进行采样。并且，为满足取样的代表性和其可对比性，本次采样设计主要为针对同一点不同深度的水样及同一点不同时间所采的水样进行分析，于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)三个时段分别对降水、地表水和地下水进行采样，并且降水和雪水样品采样需布置固定采样点，以便于随时收集。在采样时段内共采集降水和雪水样19个、地表水水样20个及地下水水样40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，采用Los Gatos Research公司的液态水同位素分析仪，型号为912-0050，通过激光法进行测定，目前测定方法及程序均已进入成熟阶段，测定过程中遵循仪器内指导步骤，能更有效确保测定精度。主要检验分析过程如下：水样送达实验分析室后，需在4 ℃冷藏保存；在准备分析时，将所采取的各类水样品，放置于常温室内，并通过0.2 μm的有机系滤膜，对水样品进行过滤，去除水样中掺杂的杂质；测试分析时需取过滤完成的样品约0.5 μL至仪器分析瓶中，并且尽量保证所有分析瓶中的样品量相同，可以有效避免分析时进样针由于液压不同而造成分析不稳定的现象(图3)。

图3 测试仪器及野外采样图Fig.3 Test equipment and field sampling map

测定结束后，同位素2H和18O含量分别用δD 和δ18O表示，测定结果以相对维也纳标准海水(Vienna standard mean ocean water，VSMOW) 千分偏差δ表示为

(1)

式(1)中：RSA和RST分别为降水样品和V-SMOW中D/H(18O/16O)的比值，测定精度为±0.4‰(±0.1‰)。

3 研究区各水体同位素分布特征

3.1 降水同位素分布特征

3.1.1 研究区大气降水方程线

降水是天然水循环的主要输入来源，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，使得对区域水循环过程有更深入的了解。

共收集了2017年5月—2018年11月期间的19个降水样品，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‰、-9.52‰，均无正值。Craig[37]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‰、-22‰；郑淑蕙等[38]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含量变化范围均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(图4)，可得研究区大气降水线方程(LMWL)：δD=7.22δ18O-1.12 (r=0.96)。

图4 研究区大气降水线Fig.4 Research area atmospheric precipitation line

由图4可知，研究区大气水线的截距和斜率分别为7.22和-1.12，都小于全球大气降水线δD=8δ18O+10、中国大气降水线δD=7.9δ18O+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。

3.1.2 氘盈余(d)分析

氘盈余(d)即δD/δ18O=8时的截距，是示踪水汽源区的一个重要参数。

图5 研究时段内逐月氘盈余(d)Fig.5 Monthly d surplus value during the study period

将在研究时段内各月收集到的降水样品测试分析后按照月份和季节进行d计算(表1、图5)，可知研究区内大气降水d=1.02‰～15.35‰，平均值为9.11‰，比世界大部分地区雨水d(10‰)低，说明研究区内大气降水水源区的蒸发过程较为强烈。并且，根据d季节变化过程可知，研究区内夏季d平均值最小为7.16‰，而冬季的d平均值最大为13.13‰，这主要是因为：①研究区降水主要集中于夏季，但该时段气候干燥炎热，使降水受到的蒸馏作用较大，进而导致d逐渐减小，并在降水最丰沛、气候最干燥的8月达到最低。到冬季研究区降水量最小，气候寒冷干燥，而降水也在这种不平衡条件下快速蒸发，使得d达到最大。②研究区夏季和冬季d平均值差距较大也说明，研究区在冬、夏季风期间，大气降水云团的来源有很大的不同，冬季主要受蒙古高压影响，夏季主要受海洋季风的影响。

表1 各月氘盈余计算结果表

3.2 地表水同位素分布特征

在2017年5月—2018年11月期间共采集研究区地表水河流样品20个，其中开令河流域5个样品、塔布河流域5个样品、艾不盖河上游和中游各五个样品，根据这些样品对研究区地表水水体中环境同位素的变化特征及时空转化进行研究。

3.2.1 地表水同位素随时间的变化特征

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的变化范围为-75.95‰～-61.21‰，平均值为-69.97‰，变化幅度为14.74‰；δ18O的变化范围为-9.86‰～-7.13‰，平均值为-8.87‰，变化幅度为2.73‰，可见河流水体中δD和δ18O随时间的整体变化幅度较小，详见图6。

3.2.2 地表水同位素随空间变化的变化特征

根据本次的实验设计，在三条河流中选取了四个采样点并对各断面的同位素进行分析，并且将每条河流的五次采样结果分别编号为1、2、3、4、5进行作图比较。从图7、图8可以看出：

(1)由变化数据可知三条河流的四个采样点处同位素δD和δ18O随时间的变化规律基本相同，但在研究区整个范围内艾不盖河上游采样点、艾不盖河中游采样点以及开令河流域采样点地表水同位素δD和δ18O含量基本相似无明显变化，而塔布河流域地表水同位素δD和δ18O含量富集，主要是因为：①从图1中的年降水量来看，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；②从采样点处的地貌来看，采样点周边环山降水能有效形成径流并汇入到采样点附近，有效补给量较大。

图6 研究区地表水δD和δ18O随时间变化关系Fig.6 The relationship between δD and δ18O of surface water in the study area with time

图7 研究区各河流水体δD的变化规律Fig.7 The variation law of δD in each river water of the study area

图8 研究区各河流水体δ18O的变化规律Fig.8 The variation law of δ18O in each river water of the study area

(2)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)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。

3.3 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2017年5月—2018年11月期间共采集研究区地下水样品40个，其中开令河流域10个样品、塔布河流域10个样品、艾不盖河上游和中游各10个样品，根据这些样品对研究区地下水水体中环境同位素的变化特征及时空转化进行研究。

3.3.1 地下水同位素在时间上的变化规律分析

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(图9)，通过不同季节的拟合曲线，探究二者间的关系。

图9 地下水同位素含量随时间分布的变化规律Fig.9 The variation of groundwater isotope content with time distribution

通过图9中对比可以发现如下结果。

(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，加速了降水与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的含量发生混合。

(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。

3.3.2 地下水同位素在空间上的变化规律分析

为探明研究区不同区域之间地下水体中同位素δD和δ18O的变化规律，在2017年5月—2018年11月之间共进行了7次采样，根据同位素测试结果，绘制图10、图11。

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

图11 不同采样点地下水18O含量分布图Fig.11 Groundwater 18O content distribution map at different sampling points

从图10、图11可以得出如下结果。

(1)研究区内各采样点地下水同位素δD和δ18O随空间变化的幅度不大，基本相似。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。而艾不盖河中游采样点处，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)开令河处地下水同位素含量偏贫化，主要因为受纬度效应影响该处地下水补给源降水和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。

3.4 研究区降水-地表水-地下循环水转换关系分析

通过将各采样点采集检测所得降水、地表水和地下水的同位素数据进行拟合，得到研究区降水-地表水-地下水分布关系图(图12)。

(1)图12中地表水和地下水的δD和δ18O均在研究区内大气降水的δD和δ18O变化范围内。并且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和地下水的补给来源主要为降水，而且降水在补给过程中受到当地强烈蒸发的影响。

(2)图12中可以看出塔布河采样点处地表水同位素含量最富集而开令河采样点处地下水同位素含量最贫化，与前文分析一致。而艾不盖河上游和艾不盖河中游处采样点地表水与地下水同位素含量分布却比较集中，属于交叉分布，这说明这些区域地表水和地下水除去大气降水补给外，地表水与地下水转换频繁互相补给。

图12 研究区降水-地表水-地下水采样点同位素含量分布关系Fig.12 Precipitation-surface water-groundwater sampling point isotope content distribution

4 结论

(1)水体中稳定同位素δD和δ18O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循环过程提供了探索途径。

(2)研究区大气降水方程线(δD=7.22δ18O-1.12)的斜率和截距均低于全球大气降水线(δD=8δ18O+10)和全国大气降水线(δD=7.9δ18O+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。并且通过对研究区降水氘盈余(d)分析可知，研究区在冬、夏季风期间，大气降水云团的来源有很大的不同，这说明研究区采样点所在的流域在冬、夏季风期间大气降水来源存在有不同的源区，冬季主要受蒙古高压影响，夏季主要受海洋季风的影响。

(3)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，并且由其分布关系图可知，研究区地表水和地下水的补给源主要为降水，部分地区地表水与地下水转换频繁相互补给。

(4)以目前水循环规律研究尚少的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，选取了区域内主要河流为研究对象，并在主要河流上选取了研究单元布设采样点，通过同位素示踪技术对研究区中的降水-地表水-地下水各水源氢氧稳定同位素δD和δ18O组成特征及分布关系进行分析研究，对研究区的“三水”来源进行了一定的分析，得出了“三水”之间的一定循环转化规律，可为揭示研究区水文循环和补给来源提供基础依据，对区域生态恢复及水资源优化配置提供理论指导，促使水资源薄弱的牧区各水源合理、高效、可持续利用的发展模式的尽快形成。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，那么将可以进一步解决干旱半干旱荒漠化草原区水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。