基于氢氧同位素技术的流域水源涵养研究进展

孙 龙, 陈利顶,2,*,杨 磊

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049

水源涵养功能有助于拦蓄降水、调节径流,影响着生态系统水文调节、水质净化等功能,是陆地生态系统重要的生态系统服务之一[1- 3]。在人口增长、城市化及气候变化的背景下,水体污染、水资源供需矛盾等生态环境问题不断加剧,水源涵养需要以更加系统、动态的视角深入研究[4- 6]。水源涵养相关研究多关注水源涵养能力的估算,但仅仅估算水源涵养能力,往往难以体现流域水源涵养过程及作用[7- 10]。随着同位素水文学的发展,同位素技术在水文水资源的研究中的优越性逐渐得到凸显[11- 16]。氢氧同位素作为天然示踪剂,在水分溯源、水分输移时间估算等研究中发挥着重要作用[14, 17- 20]。氢氧同位素在生态系统中天然存在,且通常在不同客体中同位素构成不同,从而为溯源追踪提供了可能性。因此,基于氢氧同位素示踪技术刻画的水分来源、平均滞留时间等,能够系统反映流域水分从哪里来、到哪里去、如何运移、存留多长时间等问题[21],对于深入理解水源涵养过程和能力具有重要意义。

图1 Web of Science数据库不同主题文献数量Fig.1 Published papers with different topics in Web of Science

近来,氢氧同位素技术在流域水文过程刻画的研究中得到广泛应用,但相关研究常关注水文过程的某一方面,如水分来源、水分滞留时间、降雨-径流关系等[22- 24]。这些研究涉及了生态系统内涵养水分的来源、作用和周转时间,但并没有形成系统、明确的水源涵养研究框架,阻碍了同位素技术在流域水源涵养研究中的应用(图1)。为更好地促进同位素技术在水源涵养相关研究中的应用,本文总结了应用氢氧同位素技术刻画水分滞留时间、来源等相关研究,概括了基于氢氧同位素技术的水源涵养研究框架,进而明确了应用氢氧同位素技术的水源涵养研究亟待加强的方向。研究对于理解流域水源涵养内涵、机理以及评估水源涵养效益等方面具有重要的理论和实践意义。

1 水源涵养内涵

图2 不同估算方法水源涵养内涵差异示意图 Fig.2 Schematic diagram of concepts of water conservation based on different estimation methods

根据不同的角度,水源涵养量的估算方法有水量平衡法、蓄水能力法、降水储存量法、年径流量法、地下径流增长法、模型模拟和卫星遥感等[25- 29]。不同估算方法定义的水源涵养内涵存在一定差异(图2)。水量平衡法定义的水源涵养是指收入水分与支出水分的差值,即降水减去径流、蒸散发(图2角标2所示范围),即生态系统内的存余水量,既不包含供给植物水分利用的部分,也不包含补给河道径流的部分。蓄水能力法定义的水源涵养是指冠层、凋落物层和土壤层的持水(图2角标3所示范围)。以土壤层为例,土壤的最大涵养量包含补给河道径流、供给植物利用的部分[30]。降水储存量法定义的水源涵养是指降水减去冠层拦截及蒸散发作用后的水量(图2角标1所示范围),包括补给河道径流或地下水的部分[5, 28]。地下径流增长法定义的水源涵养主要指林地与裸地相比,地下径流增长的部分(图2角标4所示范围)。年径流量法定义的水源涵养主要指林地与裸地相比,地表径流减少的部分(图2角标5所示范围)。可见,不同估算方法其水源涵养的内涵不同。但不管角度如何,水源涵养根本上是一定时间和空间范围内生态系统保持水分的过程和能力[31]。

水源涵养内涵的明确对于准确评估水源涵养服务功能及其价值具有重要意义。吕一河等[31]从“绿水”(降水入渗并存储在土壤根层中的水量,通过蒸散支持植物的初级生产)和“蓝水”(超过土壤入渗和存储能力的降水对地表水或地下水形成补给的水量)的概念出发,认为最大水源涵养量中会有一部分转换为“蓝水”,从而产生淡水供给、径流调节等服务。而稳定水源涵养量(如小于等于田间持水量的部分)主要用于植物生长发育的消耗,相当于“绿水”,从而发挥固碳、小气候调节等效应,但是无法直接形成水资源供给服务。无论是从水源涵养量估算方法的角度,还是从生态系统服务的角度,水源涵养的内涵需要加以明确和区分[28, 31]。此外,生态系统内的水分向发蒸散发或径流转化是一个动态过程(图2虚线箭头)。水源涵养量是一个随着时间变化的函数,具有时间依赖性。这一时间依赖性既强调了准确辨析水源涵养内涵的重要性,又强调了对水源涵养过程认识的必要性。生态系统是相互联系相互影响的有机系统,生态系统内水分向蒸散发或径流转化过程涉及多时间尺度(日、月、季节、年等),在针对不同研究问题时需要加以辨析。

2 基于氢氧同位素技术的水源涵养刻画方法

稳定同位素是自然界广泛存在的、不发生或极其不易发生衰变的同位素,常用的稳定同位素有氢(2H)、氧(18O)、碳(13C)、氮(15N)等。氢氧同位素示踪技术是以氢氧同位素作为示踪剂,用以追踪研究对象的运行和变化规律的方法。在水循环的不同环节中,氢氧同位素通常具有不同的同位素构成,使其成为一种可以示踪水分来源、路径的有效工具[32-33],广泛应用于水分来源识别、水流路径刻画、区域水循环甚至气候演变等研究[14, 17, 20, 34-35]。氢氧同位素值(δ、‰)以相对于维也纳标准平均海洋水(Vienna Standard Mean Ocean Water)的千分形式表示：

δX= (Rsample/RV-SMOW-1)×1000

(1)

式中,X表示D或18O,D即2H；δX即表示样品的氢或氧的同位素组成(‰)；Rsample表示抽提水中氢或氧的重同位素和轻同位素丰度之比,即18O/16O或D/H；RV-SMOW表示维也纳标准平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water)的18O/16O和D/H 值。

图3 基于氢氧同位素的水源涵养研究框架Fig.3 Research framework for water storage based on hydrogen and oxygen isotopes

基于氢氧同位素技术的水源涵养研究框架如图3所示,通过应用氢氧同位素技术的水分平均滞留时间估算、水分来源识别,明确流域水源涵养能力、过程与作用。水分滞留时间影响着生物地球化学循环过程、污染物的留存等[21, 36]。较长的水分滞留时间意味着水分与不同水源涵养载体接触时间更久、混合程度或化学反应程度更大。因此,基于氢氧同位素技术的水源涵养研究,从传统涵养能力估算向涵养过程和作用刻画转变,有助于水源涵养研究的加强和拓展、水源涵养服务的合理评估以及生态系统不同服务间的联系。

2.1 小流域水分滞留时间估算

滞留时间是指水分进入流域内,经过混合、扩散、运移到某一观测位置的时间,其观测位置因具体研究对象的不同而不同,如不同深度的土壤水、地下水(井水、泉水等)、河道径流等[37- 40]。若研究对象为流域出口径流,即水分从降雨输入到径流输出所经历的平均时间,则称为流域水分平均滞留时间(Mean Residence Time,MRT),表征流域所涵养水分周转过程的长短[41- 44]。水分滞留时间有多种估算方法,在应用示踪剂的研究中通常用集总参数法[21, 45]。集总参数法以滞留时间分布模型为基础,常用分布模型如表1所示,指数模型应用最为广泛[21, 36, 45- 46]。

表1 常用水分滞留时间分布模型

基于指数模型估算MRT首先是通过正弦函数模拟降雨与河道径流氢氧同位素季节变化,并根据模拟函数振幅的差异估算流域MRT[23, 40, 47]。正弦函数表示为：

δX=C+Asin(ωd-t)

(2)

式中,δX表示δD或δ18O(‰)；C表示年均同位素比率(‰)；A表示同位素周期波动的振幅(‰)；t表示曲线相位位移或滞后(rad)；d表示观测天数(d)；ω表示周期波动的径向频率(rad/d),因为降雨同位素是年周期波动,因此本研究中正弦方程ω=2π/365,如果是以月计,则表示为2π/12。正弦回归分析中,降水同位素用降雨量作为权重。水分滞留或输移时间(T)可表示为：

T=ω-1[ (As/Ar)-2- 1]0.5

(3)

式中,As、Ar分别表示为径流和降水同位素正弦拟合后的函数振幅(‰)。需要指出的是,基于此假设估算的平均滞留时间是近似值,但应用效果好,满足MRT的初步评估[23, 40, 47]。流域的水源涵养量表示为：

So=RyrMRT/365

(4)

式中,So为流域年水分储量(mm)；Ryr为流域年径流量(mm)；MRT为流域水分平均滞留时间(天),如单位为月,相应的分母为12。

2.2 水分来源识别

当降水进入生态系统内,可划分为不同部分,例如入冠层截留、凋落物蓄水、土壤水、岩石裂隙水、供给植物、补给河道径流等。通常植物根系吸收的水分在到达叶片前不发生同位素分馏作用,即氢氧同位素组成不发生改变,因此可以利用氢氧同位素进行植物水分来源识别,径流溯源原理相同。水分来源识别的理论基础是求解多元一次方程组：

CαXα+CβXβ+CγXγ=Xout

(5)

Cα+Cβ+Cγ= 1

(6)

式中,Xout为“汇”的氢氧同位素值(δD或δ18O)；Xα、Xβ、Xγ为来“源”的氢氧同位素组成(δD或δ18O)；Cα、Cβ、Cγ为“源”对“汇”的贡献率。“汇”因研究对象的不同而不同,如树干茎水、径流等。水分的“源”形式上分为雨水、土壤水、岩石孔隙水等；按时间可分为次降水和前期储水。由于多元混合模型识别水分来源的原理是求解多元一次方程组,方程组解具有不唯一性,且自然界中通常具有多种来源,因此目前研究多采用IsoSource混合模型或者基于贝叶斯理论的混合模型MixSIAR等算法(软件)计算[15-16, 32, 48]。

3 水源涵养过程、能力及作用

3.1 水源涵养过程

流域MRT反映流域水源涵养过程。例如,McGuire等[37]在美国宾夕法尼亚州的两个面积分别为0.14 km2和1.0 km2的小流域的研究发现,流域水分平均滞留时间分别为9.5个月和4.8个月。Soulsby等[47]在苏格兰的研究发现,子流域水分平均滞留时间在上下游之间存在差异显著,流域内上游子流域水分平均滞留时间在2—4个月之间,而下游的子流域水分平均滞留时间在10—18个月之间。流域水分平均滞留时间会因流域属性的不同而不同,说明不同流域内水分的涵养过程长短不一。早期研究认为流域MRT与流域面积有关,因为面积小的流域水分的运移路径短,所需运移时间短；随着流域面积增大,运移路径、时间增加,降水与前期储水混合程度增大[49-50]。后续研究表明MRT主要受下垫面渗透性影响[37, 39, 51]。Hale和McDonnell[52]发现基岩渗透性强的流域其MRT与面积有关,而基岩渗透性弱的流域其MRT与水流路径系数(水流路径长度中值与梯度中值之比)显著相关。说明水源涵养过程受下垫面渗透性的影响,而渗透性又与土壤孔隙度等相关,因此水源涵养能力与过程在内涵上具有一定关联[53- 57]。

3.2 水源涵养能力

结合流域出口径流量,通过流域水分平均滞留时间可计算流域年水源涵养量[58]。由公式4可知,基于氢氧同位素技术估算的是流域年水源涵养量,由年径流量及MRT共同决定。即便两个流域水源涵养量相似,MRT也可能不同。其意义在于,流域水源涵养研究需要从量的估算向过程刻画更进一步。假设两个流域水源涵养量相同,则较短的MRT说明径流量大,水分留存时间短,水文过程相对迅速,易于旱涝失调,需要土地利用结构优化或修建水库等水利措施调控水资源供给规律。而较长的MRT说明径流量小,水分留存时间长,水资源供给时间尺度长,但水资源供给密度低,不利于水资源需求集中的区域。

3.3 水源涵养的“蓝”“绿”作用

研究水源涵养的目的不仅仅是刻画水源涵养过程及能力,还在于认识涵养的水分如何维持生态系统服务,例如供给植物吸收利用(“绿水”)、补给河道径流(“蓝水”)等。因为涵养的水分不管是供给植物还是补给河道径流,均是一个动态过程,所以水源涵养功能及其服务也是一个动态过程,这说明明确水源涵养的“绿水”、“蓝水”作用尤为重要。识别“绿水”、“蓝水”来源一方面有助于深入认识水源涵养的作用,另一方面还有助于合理评估水源涵养服务价值。

3.3.1涵养水分供给植物水分利用

植物水分利用来源反映根区土壤水供给植物吸收利用的状况[59-60]。由于季节性的水分亏缺,植物水分利用来源具有显著的季节转换特征[61- 63]。例如,Wang等[64]应用氢氧同位素示踪技术研究了黄土高原铁杆蒿、长芒草、黄荆的水分利用来源,结果表明三种植物吸收利用的水分主要来自0—40 cm土壤层。随着季节变化,黄荆吸收利用的水分由0—40 cm土壤层转为120—300 cm土壤层。Nie等[62]在喀斯特地区的研究表明,落叶的紫葳科菜豆树在旱季主要利用深层水源,在雨季利用雨水和深层水源；落叶的大戟科灌木红背叶主要利用次降水,但常绿树种在雨季主要利用深层水源。这说明不同深度土层涵养的水分,其“绿水”的价值不同。即(1)水源涵养的“绿水”作用要从植物水分利用来源的具体深度或位置来考虑,不能一概而论；(2)不同植物种具有不同的水分利用策略,相同的水源涵养状况对不同植物种意义不同；(3)干旱导致植物水分利用来源发生转换,说明在不同季节要考虑不同深度的水源涵养状况。因此,基于氢氧同位素的植物水分利用来源识别,为深入认识水源涵养的“绿水”作用提供了可行的思路和方法。

3.3.2涵养水分补给河道径流

基于氢氧同位素识别径流来源的研究中,水源的划分依照研究角度的不同而不同,按时间可将径流来源划分为次降水(也称为“新水”)和前期储水(也称为“老水”)。前期储水根据载体的不同又分为土壤水、岩石裂隙水、深层地下水等。土壤水还可进一步划分为可动水和不动水[17, 20, 65]。可动水定义为土壤溶液取样器在60—80 kPa负压条件下吸取的土壤水[17, 66-67],而剩余部分为不动水。可动水与不动水的氢氧同位素组成往往不同,这种可动性的区分有助于深入理解水源涵养的内涵,从而有助于进一步明确土壤层涵养水分的作用[65, 68]。

流域水源涵养能力影响前期储水补给河道径流的比例。土壤层是生态系统水源涵养的主体,浅薄的土壤水源涵养能力有限,会导致次降雨对降雨引发的河道径流的贡献起到主导作用[22]。高渗透性的基岩通常会导致径流中较大的前期储水比例,从而使河道径流主要受控于流域前期储水[69]。此外,径流来源还受地形等因素影响,谷底冲击平原的面积增大会导致次降雨补给比例增加、前期储水补给比例减小。原因是谷底平原的面积增大且易于蓄满,导致蓄满产流进而增加了次降雨的贡献度[70-71]。因此,径流来源识别明确了径流中不同来源的组分,反映流域涵养水分对河道径流的补给作用和程度。

4 应用氢氧同位素技术研究水源涵养的适用性

基于氢氧同位素技术研究水源涵养,有优势也有局限,总结为以下三个方面：

4.1 同位素方法与传统方法的结合

传统方法能够较为高效地估算水源涵养能力,弥补了基于同位素方法估算水源涵养能力需要至少一年数据序列的弊端。同位素方法与传统方法相结合,一方面补充传统方法只能揭示水源涵养能力的局限性,另一方面可用于比较估算的水源涵养能力的差异。水量平衡法只考虑水分的输入与输出,通过输入水量减去输出水量估算水源涵养量[3, 72-73]。基于MRT估算水源含氧量,同样仅考虑生态系统水分的输入与输出。两种方法共同应用可以避免单一方法的局限性。此外,应用不同方法估算的水源涵养量可以相互比较(表2)。由公式4可知,水源涵养量是MRT与年径流量的函数。当流域全年有降水却无地表径流,基于公式4得出的水源涵养量为零,基于蓄水能力法估算的水源涵养量为正,基于水量平衡法估算的水源涵养量正、负、零均匀可能。可见,蓄水能力法倾向高估流域水源涵养量,水量平衡法与降水储量法适中,氢氧同位素技术依赖地表径流量。但基于氢氧同位素技术估算流域水源涵养量需要至少需要一年的数据序列,与传统的水源涵养量估算方法相比,成本高效率低。可见,基于同位素技术刻画水源涵养,其优势是水源涵养过程刻画和作用解析。

表2 常用水源涵养量估算方法定性对比

4.2 水源涵养过程、能力、作用三方面结合

流域MRT可以用于表征流域水分的涵养过程,借助水分来源识别还可以进一步明确涵养水分供给植物吸收利用、补给河道径流的作用,有助于理清水源涵养功能表现出的生态系统服务重叠问题[28, 31]。水量平衡法通常将生态系统作为“黑箱”处理,应用氢氧同位素技术的水分来源识别为认识黑箱内的组分及其变化提供了可能。例如,用蓄水能力法估算土壤层的水源涵养量,与基于氢氧同位素技术的水分滞留时间估算相结合,可以获得土壤层的水源涵养过程(此时采样点应为土壤层底部水分,而非流域出口径流),进一步与基于氢氧同位素的水分来源识别向结合,可揭示土壤层涵养的水分供给植物吸收利用和补给河道径流的组分,从而赋予水源涵养更加明确和丰富的内涵与意义。

下垫面渗透性既影响流域水源涵养能力,又影响流域水源涵养过程,因此水源涵养能力与过程在内涵上具有一定关联。但这一关联可能受景观格局或者土地利用结构等因素影响[74-76]。不同土地利用类型通常具有不同的水源涵养能力,但流域水源涵养过程是土地利用结构的综合体现,无法通过某一土地利用类型表征。应用氢氧同位素技术估算MRT,可将水源涵养能力估算与水源涵养过程刻画相结合,结合水分来源识别,可将水源涵养能力、过程、作用的刻画相结合,使水源涵养研究从量的估算向过程、内涵的刻画迈进一步,对于科学评估生态系统水源涵养服务具有重要意义。

4.3 基于氢氧同位素刻画水源涵养的尺度性

基于氢氧同位素技术刻画水源涵养过程有其尺度适用性。空间尺度上,水分平均滞留时间的估算方法决定着其水源涵养刻画限定在坡面或流域尺度,流域面积多在0.01—100 km2之间[36,77]。这一空间范围是由水分平均滞留时间估算方法的原理决定的,由公式2可知,平均滞留时间估算以流域降水与径流氢氧同位素季节变化模拟为前提,当流域面积过小,这一季节变化容易被降雨干扰,拟合函数难以反映降水与径流同位素季节变化的差异。当流域面积过大,水分滞留时间过长,导致拟合函数难以有效模拟,这不仅限制了应用的空间尺度,同时还限制了时间尺度。

时间尺度上,基于氢氧同位素估算的MRT的理论基础(公式3)是降水与径流同位素的回归函数振幅差异,其应用至少需要一年的同位素变化序列,因此估算的也是年水源涵养量。由于基于氢氧同位素估算MRT的基础是回归函数振幅的差异,那么随着MRT的增长,振幅差异会越来越小直至难以通过回归函数有效模拟,因此基于氢氧同位素估算MRT通常存在应用上限。应用18O估算的MRT通常在5a以下,因为更长的水分滞留时间导致难以观测到18O同位素的周期变化[24,36]。而3H具有更长的半衰期(12.32a),因此应用3H估算MRT的应用上限可以与其半衰期相当[36,43],但3H在降雨中含量较低,因此在应用时也要考虑实际检测精度。

5 总结与展望

稳定同位素技术广泛应用于流域水文过程的刻画,在水源涵养研究从静态向动态方向转变的过程中,迫切需要基于氢氧同位素技术的水源涵养研究框架。以氢氧同位素示踪技术为基础,从水分平均滞留时间估算和水分来源识别两个方面,引出了水源涵养过程刻画、能力估算及作用解析三个方面,总结了基于氢氧同位素技术的流域水源涵养研究框架,并分析了其在时间、空间尺度上的适用性,辨析了水源涵养过程、能力和作用三方面相结合的可能性,最后与传统水源涵养方法做了比较。总体上,应用氢氧同位素技术的水源涵养研究优势在于水源涵养过程和蓝绿作用的刻画,有助于水源涵养过程、能力和作用综合分析,为传统水源涵养研究提供了新的视角。

水源涵养研究在逐步从能力估算向过程刻画、作用解析转变,氢氧同位素示踪技术为这一转变提供了可能性,使流域水源涵养的内涵更加丰富和明确。传统水源涵养能力估算方法为基于氢氧同位素技术的水源涵养研究提供了必要基础,同位素技术为水源涵养研究的拓展提供了新的思路和方法。未来应用氢氧同位素的水源涵养研究可能的发展方向包括：(1)单一方法向多方法结合转变:如同位素技术与蓄水能力法相结合,解析土壤层的水源涵养能力及生态效益、价值；(2)水源涵养单一方面刻画向多方面刻画转变：在水源涵养研究中,仅仅估算水源涵养量往往是不够的,借助同位素技术理解水源涵养过程及作用,有助于明确水源涵养的内涵及实际意义；(3)水源涵养从静态刻画向动态刻画转变：水源涵养量的估算往往是静态的,一定程度上忽略了生态系统的动态性,基于氢氧同位素技术刻画水源涵养过程、解析水源涵养作用,为准确评估生态系统水源涵养价值提供了可能。