哈尼梯田水源区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

普慧梅, 宋维峰,*, 吴锦奎, 王卓娟, 马菁, 张小娟

哈尼梯田水源区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

普慧梅1, 宋维峰1,*, 吴锦奎2, 王卓娟3, 马菁4, 张小娟5

1. 西南林业大学生态与环境学院, 昆明 650224 2. 中国科学院西北生态环境资源研究院, 兰州 730000 3. 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司, 兰州 730030 4. 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083 5. 重庆市渝西水利电力建筑勘测设计院, 重庆 402160

基于哈尼梯田水源区2014年6—8月和2015年全年(共15个月)采集的89个事件降水同位素数据, 结合相关气象资料, 分析了降水中氢氧同位素组成的变化及其影响因子。利用后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪了梯田水源区降水的水汽来源。结果表明: 研究区大气降水中稳定同位素组成具有明显季节差异, 湿季(5月—10月)δ D和δ18O贫化,值低; 干季(11月至次年4月)δ D和δ18O值相对偏正,值偏高。区域降水线的斜率和截距均低于全球和中国大气降水线。降水同位素组成存在一定的降水量效应, 但不存在温度效应。干季大气降水的水汽主要来源于西风带输送的印度洋水汽以及局地蒸发, 湿季的水汽主要来源于西太平洋和印度洋。

大气降水; 水汽来源; 氢氧稳定同位素; 过量氘; 哈尼梯田

0 前言

稳定同位素对环境变化非常敏感, 记录了水循环的整个历史信息, 因此, 天然水体中的氢氧稳定同位素(δＤ、δ18O)广泛地应用于研究全球水文循环和气候变化[1–4]。大气降水δＤ、δ18O的变化特征有助于了解和认识不同地理区域的大气水汽来源及循环历史, 同时可反映天气气候和区域自然地理特征[5], 被广泛应用于水汽源地的示踪[6,7]、局地水汽循环[8,9]、古气候重建[10,11]、大气模型相关参数的优化及天气预测[12,13]等的研究。近几十年来, 国内很多地方均展开了对降水δＤ、δ18O组成及其水汽来源的研究, 取得了丰富的成果[14–18]。已有的研究发现, 由于地理和气候条件的差异, 不同地区大气降水δＤ、δ18O组成特征的地域差异显著[18–20]。因此, 多地区原始资料的积累是进一步研究我国大气降水稳定同位素特征的基础[1, 5]。作为我国季风区的典型区域, 西南地区地形地貌复杂多样, 垂直气候差异明显, 降水水汽来源及其影响因素非常复杂, 以往的研究证实, 西南地区的水汽包括西风带水汽、印度洋水汽、孟加拉湾水汽、东南季风水汽等, 降水δＤ、δ18O特征表现出明显的海洋性气候[21]。目前有关西南地区降水δＤ、δ18O的研究主要集中于大尺度地区, 而缺乏对小尺度地区水汽来源及其运移过程的精细研究, 特别是对有涵养水源、调节气候等重要作用的林区的研究相对较少。

分布于云南省红河哀牢山南段的哈尼梯田, 因其具有“森林—村寨—梯田—河流”四素同构的循环生态系统, 在云南遭遇百年一遇的全省性特大旱灾时, 仍能保证了哈尼梯田人工湿地的水流一年四季从不间断。因此, 本文基于2014年6—8月、2015年全年共15个月89个大气降水的氢氧同位素样品实测值, 结合环境因子, 分析了哈尼梯田水源区大气降水δＤ、δ18O组成及其与气象要素之间的关系, 深入探讨了该区大气降水的水汽来源和运移过程, 以期为定量研究哈尼梯田区森林-梯田复合生态系统水汽循环和地表水循环过程提供科学依据, 为进一步完善全国乃至全球降水同位素监测网络数据提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取了位于元阳县麻栗寨河流域上游的全福庄小流域水源区为降水采样站点。全福庄小流域面积约为79.9 hm2, 地理位置为102°45'—102°53' E, 23°03'—23°10' N, 海拔在1 720—2 073 m之间。该地区多年平均气温为20.5 ℃, 多年平均降水量为1397.6 mm, 降水主要集中在5—10月, 占全年降雨量的78%。本次取样点位于全福庄小流域水源区露天空旷位置, 四周无遮挡雨、雪的高大树木。

1.2 样品采集与稳定同位素组分的测定

2014年6—8月、2015年1—12月, 在全福庄小流域水源区露天空旷位置采集降水样品共89个。降水样品采集使用简易的集水装置: 顶部为直径10 cm圆形的漏斗, 下面连接一个500 ml的聚乙烯瓶, 为防止水分蒸发, 在漏斗口放置一个乒乓球。每次降雨结束后立即收集水样, 如果降雨发生在晚上则第二天早上收集。将收集到的水样由塑料瓶转入50 ml离心管中, 并立即用Parafilm膜封口, 保存在低温保温箱中带回实验室后冷藏保存(1—4℃)。文中所涉及的降雨、气温等气象资料均由元阳县新街气象站提供。

所有降水样品在中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈国家重点科学实验室进行测定分析。使用美国Los Gatos Research (LGR)公司生产的液态水稳定同位素分析仪(型号DLT-100, Los Gatos Research, Mountain View, CA, USA), 采用离轴积分腔输出光谱技术(off-axis integrated cavity output spectroscopy, OA-ICOS)。分析结果用分析水样与VSMOW的千分差[22]来表示:

式中,sample为大气降水样品中的稳定氢或氧同位素的比率,V-SMOW表示维也纳标准平均海洋水中的稳定氧或氢同位素比率。δＤ和δ18O的分析精度分别为±1‰和±0.2‰。

Dansgaard将大气降水中δＤ、δ18O出现的差值定义为过量氘(), 其值可较直观的反映该地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度, 常将其作为示踪水汽来源的参数[23,24], 方程为:

=δＤ‒ 8×δ18O

1.3 后向轨迹模型HYSPLIT

采用美国国家海洋大气管理局开发的拉格朗日积分轨迹模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, HYSPLIT https://ready. arl.noaa.gov/HYSPLIT.php) 模拟研究区大气降水的水汽来源和气团传输途径: 以研究区中间位置处为轨迹终点, 经纬度坐标为 102°48' E、23°05' N, 初始高度分别为500、1000和1500 m(距研究区地面), 共3个高度层上水汽的后向运动轨迹, 向后追踪5 d, 即144 h。对2014年6—8月、2015年全所有降水事件做逐日分析; 再结合研究区整个观测期内δ18O及氘盈余变化, 以此来揭示哈尼梯田水源区降水水汽来源。

2 结果与分析

2.1 大气降水中氢氧稳定同位素变化特征

研究区大气降水样品中δ D、δ18O值的变化如图1所示, δ D介于-156‰—-14‰之间, 均值为-66.7‰ ± 28.5‰; δ18O介于-24.9‰—-1.5‰之间, 均值为-9.50‰ ± 3.77‰。其值均处于全球、我国及中国西南地区各地[20]大气降水δ D、δ18O值变化范围内。大气降水中δ D、δ18O均值较全球均值(δ D值为-22‰, δ18O值为-4‰)、我国均值(δ D值为-50‰, δ18O值为-8‰)和中国西南地区各地(-96.97‰—-54‰, -11.57‰—-7.26‰)更为偏负, 说明研究区大气降水中的重同位素在水汽来源到达样地之前就经历了一定程度的贫化, 可能原因有两个: 首先, 哀牢山等高大地形作用, 即来自孟加拉湾水源地的印度洋夏季风越过高大宏伟的无量山、哀牢山后降水量减少而导致降水δ D、δ18O 值发生变化[25]; 其次是瑞利分馏理论, 西南通道上的水汽在向印度中部大陆迁移过程中, 由于不断形成降水, 降水云团中的水汽不断减少, 剩余水汽中的δ值也不断减少; 南海通道上的水汽在经过泰国、老挝等南亚大陆后, 重同位素也有一定的损耗, 因此, 水汽初到云南西部时重同位素已较贫乏, 随着水汽继续向东运动, 重同位素也不断衰竭[26]。

如图2所示, 研究期间哈尼梯田水源区降水量比较充足, 且有较明显的季节变化。根据研究区的气候特征, 将研究期分为干季(11月至次年4月)和湿季(5—10月)。δ D和δ18O的变化存在明显的季节性差异(图1): 干季大气降水中的δ D、δ18O值分别为-41.6‰ ± 20.2‰和-6.76‰ ± 2.97‰; 湿季大气降水中的δ D、δ18O值分别为-75.0‰ ± 26.0‰和-10.41‰ ± 3.57‰。总体表现为, 干季降水中的δ D、δ18O值高, 湿季的δ D、δ18O值低, 即干季同位素富集, 而湿季同位素相对贫化。造成该研究区降水中δ D、δ18O季节变化的主要原因是降水水汽来源及季节性气象条件: 在雨季, 降水水汽主要来源于低纬度海洋, 空气湿度大, 降雨量大且蒸发小, 受沿途降水冲刷作用的影响, δ较小; 在旱季, 受大陆性气团的影响, 西南地区降水的水汽主要来源于西风带的输送和内陆再蒸发水汽的补给, 空气湿度小, 降水量小且蒸发旺盛, 因此重同位素富集而δ值较大[27]。降水中δ D、δ18O的季节变化普遍存在于中低纬度季风区[28], 胡月[29]等在成都和马迎宾[30]等在汤浦水库湿地森林区的研究也得到相同的结果。

图1 哈尼梯田水源区大气降水δ D、δ18O和d-excess随采样时间的变化

Figure 1 Variation of δ D, δ18O,-excess composition of precipitation along with the change of sampling time in the water conservation area of Hani Terraces

图2 哈尼梯田水源区降水量、温度随采样时间的变化

Figure 2 Variation of rainfall and temperature along with the change of sampling time in the water conservation forest area of Hani Terraces

2.2 大气降水中d -excess的变化

根据研究区大气降水值逐日变化情况(图1), 发现研究区大气降水中值偏正, 其变化范围介于-9.7‰—43.5‰之间, 均值为9.3‰ ± 8.1‰, 低于全球平均值10‰, 并且在89个样品中有52个样品的值小于全球平均值, 说明研究区的值总体偏小。在月尺度上, 研究区值差异明显(图3) , 观察期内有9个月的值均低于全球降水的平均值(10‰), 其中5月的最高(23.3‰), 这可能的原因是: 5月份是湿季(雨季)前期, 气温高但降水量少, 局地蒸发水汽加入水汽循环而导致降水中的值偏大[31, 32]。研究区大气降水的值也存在明显的季节变化(图3), 其中干季降水中的均值为12.4‰ ± 10.4‰, 高于全球范围的平均值; 湿季降水中的均值为8.3‰ ± 6.9‰, 低于全球范围的平均值, 总体呈干季高湿季低的趋势。降水中的值主要取决于水汽源区的相对湿度: 如果水汽源区的空气相对湿度降低, 则降水中的值会升高; 反之值降低, 两者之间为负相关关系[33]。研究区值干季要明显大于湿季, 这说明湿季的水汽源区没有干季水汽源区干燥, 该区湿季水汽来源于印度洋和太平洋, 干季受季风气候影响水汽来源于西风带输送和局地蒸发的实际情况也说明了这一点。

图3 哈尼梯田水源区各月降水中δ18O和d -excess的算术平均值

Figure 3 Monthly arithmetic mean value of δ18O,-excess of precipitation in the water conservation area of Hani Terraces

2.3 降水线特征

基于哈尼梯田水源区2014年6—8月、2015年全年(15个月)的大气降水δ D、δ18O实测值, 利用最小二乘法拟合得出该区全年、干季和湿季大气降水线(图4)。哈尼梯田水源区大气降水线为δ D=(7.29± 0.22) δ18O + (2.60±2.22) (²=0.928,<0.01,=89), 干季大气降水线方程: δ D=(6.13 ± 0.66) δ18O - (0.18 ± 4.87)(²=0.811,<0.01,=22), 湿季大气降水线方程: δ D=(7.07 ± 0.21) δ18O - (1.41 ± 2.33)(²=0.945,<0.01,=67)。研究区全年大气降水线(LMWL)与全球大气降水线(GMWL): δ D=8 δ18O + 10和我国大气降水线(CMWL): δ D=7.9 δ18O + 8.2[34]相比, 其斜率和截距均偏小。大气降水线的斜率反映了δ D 与δ18O分馏程度的差异, 与降水形成时的温湿度及外部条件(如水汽来源等)有关, 而截距则表示δ D相对于平衡状态的偏离程度, 与同位素分馏作用相关, 且与温度的关系较大[35]。有研究指出, 在一些温暖地域的夏季, 由于雨滴下落过程中的蒸发, 降雨量效应会使得大气降水线的斜率和截距降低[36]。孟玉川等[37]研究指出小降雨事件有明显的云下二次蒸发现象, 并且伴随着强烈的同位素动力分馏效应, 从而导致降水线的斜率和截距变小。研究期内收集的89个降雨样品中, 有58个降雨样品是来自降雨量≤10 mm的小降雨事件, 因此认为雨滴降落时受到了严重的二次蒸发影响, δ D发生了不平衡分馏, 从而导致斜率和截距偏低。此外, LMWL的斜率小于8一定程度上反映了该区降水来源于具有不同稳定氢氧同位素比率的源地[38]。总的来说, 研究区降水线斜率和截距偏小的情况, 说明了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, 从而导致18O偏离GMWL和CMWL。

与GMWL相比, 研究区湿季和干季大气降水线的斜率和截距也都偏小, 湿季大气降水线的斜率略大于干季, 这是由于湿季降雨量较大, 持续降雨使大气中水汽含量趋于饱和或过饱和, 水汽压变大, 云下二次蒸发减弱, 同位素分馏效应也减弱; 干季大气降水线的截距相比于湿季偏大, 说明研究区干季的水汽团形成时湿度较低, 动力分馏作用强[29]。

2.4 降水δ18O与环境因子的关系

降水量和温度在一定程度上会影响降水中同位素的含量, 降水中稳定同位素比率与温度之间存在显著正相关关系为温度效应, 而降水中稳定同位素比率与降水量之间存在负相关关系, 即为降水量效应[39]。将研究区降水的δ18O值与日均气温()和降水量()与进行相关性分析(表1), 全年降水δ18O值与降水量和气温均呈显著的负相关关系, 这说明研究区全年降水δ18O值存在一定的降水量效应, 而没有明显的温度效应。通常来说, 温度效应主要存在于中高纬度地区, 而对于低纬度及部分中纬度地区, 由于受到季风气候影响, 降水的氢氧同位素的温度效应可能被抑制和掩盖[40]。研究区年平均温度变化范围小, 湿季空气湿度大, 降雨量充足且连续, 且地处亚热带季风气候区, 受高温高湿的影响, 降水过程中云下雨滴再蒸发而产生的δ18O富集作用较轻, 从而导致降水中δ18O的温度效应被降雨量效应掩盖而无法体现[41, 42]。然而, 同处于西南地区的昆明、腾冲、蒙自三个地区大气降水中δ18O的变化都不仅具有显著的降水量效应, 而且还有显著的温度效应[43]。但研究区降水δ18O温度效应不明显的情况与丽江[44]、上海[45]和香港[46]地区的研究结果相似。

从干湿季来看, 湿季降水δ18O值与温度呈显著正相关, 说明研究区湿季降水δ18O值具有明显的温度效应, 而δ18O值与降水呈显著负相关, 说明研究区湿季降水δ18O值也存在降水量效应; 在干季, 降水同位素δ18O值与降水量呈负相关关系, 与温度呈负相关关系, 但相关性均不显著。根据降水同位素的温度效应和降水量效应特征可知, 温度越高同位素值越偏正, 而降水量越大同位素值则越偏负[22]。研究区在雨热同期的气候特征影响下, 湿季一直保持着相对较高的降水量及其所造成的高相对湿度, 两者在季节内差异并不明显, 但研究区的温度却因为雨季的深入而存在一定差异, δ18O值随时间变化的温度梯度达到1.47‰℃-1[47]。研究区的大气降水δD、δ18O组成具有明显的季节性, 干湿季差异较大, 由于湿季平均气温较干季大, 且降水量集中在湿季, 干季与湿季水汽来存在差异, 湿季存在明显的温度效应[39]。这也解释了研究区降水中δ18O的温度效应被降雨量效应掩盖而无法体现的结果。

2.5 水汽来源分析

由于同一季节的水汽团轨迹相似, 文中只给出了8次典型降水事件(干、湿季各４个不同强度降水水汽来源轨迹可以发现, 在观测期内, 研究区的大事件)气团轨迹图(图5), 由 HYSPLIT 模型模拟的气降水水汽来源主要是东南季风和西南季风携带的海洋性水汽、局地蒸发水汽和西风带输送水汽, 其中干季以西南输送水汽最多, 湿季以东南季风和西南季风携带的海洋性水汽为主。结合研究期内降水中的氢氧同位素特征, 可以具体推断: 在干季, 水汽主要来源于西风带的输送以及短途水汽补充, 由于西风带携带的水汽在传输过程中发生的降水过程少, 重同位素冲刷不严重, 再者西风带携带的水汽主要来源于内陆湖泊及其他临近水域的蒸发, 从而导致最终降水中的δ18O富集, 干季降水期间研究区降水中δ18O和-excess的平均值分别为-6.76‰、12.4‰。在湿季, 受阿拉伯海、孟加拉湾以及西太平洋热带气旋带来的水汽影响, 研究区产生大量降水, 但是由于这些水汽经过了远距离的运输, 水汽中的δ18O被严重冲刷, 最终导致降水中δ18O贫化, 湿季降水期间研究区降水中δ18O和-excess的平均值分别为-10.41‰、8.3‰, 明显低于季风期间降水中δ18O和-excess平均含量, 这也充分证明了降水中δ18O的组成变化对不同水汽来源有明显的指示作用。

图4 哈尼梯田水源区大气降水中δ D、δ18O的关系

Figure 4 The correlation of δ D and δ18O of precipitation in the water conservation area of Hani Terraces

表1 降水δ18O 值与降雨量和气温的相关性统计

注:为显著性, 黑体字表示通过了0. 05的显著性检验,为皮尔逊相关系数。

3 讨论与结论

目前关于西南地区降水水汽来源的研究也表明: 西南地区湿季降水主要来自孟加拉湾的西南水汽输送和西太平洋的偏东向水汽输送[48, 49], 干季水汽主要来源于西风带的输送以及短途水汽补充[43], 但由于中国西南地区属典型季风气候区, 且地处印度洋夏季风和太平洋夏季风交汇区域[50, 51], 其水汽来源及影响降水的因素非常多。李广等[43]研究表明, 在海拔200 m、300 m高空, 水汽主要来源于孟加拉湾、阿拉伯海以及南海等海域; 而在海拔4500 m 高空, 水汽主要来自于西风带的输送以及沿途水汽的补充。研究区干湿季的降水水汽来源与其他西南地区的研究结果一致, 但缺乏对不同时间段、高空不同气压层以及不同水汽来源对降水的贡献率大小做定量化研究。

哈尼梯田水源区的局地大气降水线方程为δ D= (7.29 ± 0.22)δ18O + (2.60 ± 2.22)(²=0.928,<0.01,=89), 其斜率和截距均低于全球及中国大气降水线。δ D、δ18O值季节变化明显, 干季同位素富集, 而湿季同位素贫化, 这与中国季风区干湿季水汽来源差异有关。降水同位素组成存在一定的降水量效应, 但温度效应几乎不存在, 降水量效应掩盖了温度对降水同位素值的影响。干季降水水汽主要来源于西风带输送的印度洋水汽以及局地蒸发, 湿季水汽来源于东南季风和西南季风携带的海洋性水汽, 降水中值的变化与水汽来源的季节变化相吻合, 呈现干季高湿季低的变化趋势, 表明降水中值的变化主要受水汽来源的影响。

注: a、b、c、d 为干季4 次典型降水事件, 降水量分别为15.0, 11.0, 7.3, 14.5 mm; e、f、g、h 为湿季降水水汽气团轨迹模拟, 降水量分别为39.8、56.0、24.5、22.9 mm。红色、蓝色、绿色分别代表500、1000、1500 m高度上气团轨迹。

Figure 5 The air trajectory simulation of partial precipitation event in the water conservation area of Hani Terraces

[1] 王晓艳, 卢爱刚, 蒋缠文, 等. 渭南大气降水中氢氧同位素特征与水汽来源关系[J]. 干旱区资源与环境, 2017, 31(8): 122–128.

[2] MÜLLER S, STUMPP C, SØRENSEN J H, et al. Spatiotemporal variation of stable isotopic composition in precipitation: post-condensational effects in a humid area: Isotopic composition in precipitation[J]. Hydrological Processes, 2017, 31(18): 3146–3159.

[3] CHRISTNER E, AEMISEGGER F, PFAHL S, et al. The climatological impacts of continental surface evaporation, rainout, and subcloud processes on δ D of water vapor and precipitation in Europe[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2018, 123(8): 4390–4409.

[4] TIAN Chao, WANG Lixin, KASEKE K F, et al. Stable isotope compositions (δ2H, δ18O and δ17O) of rainfall and snowfall in the central United States[J]. Scientific Reports, 2018, 8(1): 6712.

[5] 赵鹏, 徐先英, 屈建军, 等. 石羊河下游青土湖大气降水氢氧同位素特征及水汽来源[J]. 干旱区资源与环境, 2019, 33(3): 80–85.

[6] RAO Wenbo, ZHANG Wenbing, YONG Bin, et al. Identifying the source of atmospheric moisture over arid deserts using stable isotopes (2H and18O) in precipitation[J]. Hydrological Processes, 2018, 32(3): 436–449.

[7] WAN Hao, Liu Weiguo, XING Meng. Isotopic composition of atmospheric precipitation and its tracing significance in the Laohequ Basin, Loess plateau, China[J]. Science of the Total Environment, 2018, 640–641(1): 989–996.

[8] GUO Liang, KLINGAMAN N P, DEMORY M E, et al. The contributions of local and remote atmospheric moisture fluxes to East Asian precipitation and its variability[J]. Climate Dynamics, 2018, 51(11/12): 4139–4156.

[9] LI Zongxing, GUI Juan, WANG Xufeng, et al. Water resources in inland regions of central Asia: Evidence from stable isotope tracing[J]. Journal of Hydrology, 2019, 570: 1–16.

[10] REN Wei, YAO Tandong, XIE Shiyou, et al. Controls on the stable isotopes in precipitation and surface waters across the southeastern Tibetan Plateau[J]. Journal of Hydrology, 2017, 545: 276–287.

[11] WEI Zhongwang, LEE Xuhui, LIU Zhongfang, et al. Influences of large-scale convection and moisture source on monthly precipitation isotope ratios observed in Thailand, Southeast Asia[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2018, 488: 181–192.

[12] BAM E K P, IRESON A M. Quantifying the wetland water balance: A new isotope-based approach that includes precipitation and infiltration[J]. Journal of Hydrology, 2109, 570: 185–200.

[13] YOSHIMURA K, MIYOSHI T, KANAMITSU M. Observation system simulation experiments using water vapor isotope information[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2014, 119(13): 7842–7862

[14] 孙从建, 张子宇, 李捷, 等. 青藏高原西北部大气降水稳定同位素时空特征变化[J]. 山地学报, 2018, 36(2): 217–228.

[15] 李小飞, 张明军, 马潜, 等. 我国东北地区大气降水稳定同位素特征及其水汽来源[J]. 环境科学, 2012, 33(9): 2924–2931．

[16] 张琳, 陈立, 刘君,等. 香港地区大气降水的D和18O同位素研究[J]. 生态环境学报, 2009, 18(2): 572–577.

[17] 陈曦, 李志, 程立平, 等.黄土塬区大气降水的氢氧稳定同位素特征及水汽来源[J]. 生态学报, 2016, 36(1): 98–106.

[18] 李维杰, 王建力, 王家录. 西南地区不同地形降水稳定同位素特征及其水汽来源[J]. 长江流域资源与环境, 2018, 27(5): 1132–1142.

[19] LIU Jianrong , SONG Xianfang, YUAN Guofu, et al. Stable isotopic compositions of precipitation in China[J]. Tellus B, 2014, 66(66): 39–44.

[20] 张贵玲, 角媛梅, 何礼平, 等. 中国西南地区降水氢氧同位素研究进展与展望[J]. 冰川冻土, 2015, 37(4): 1094– 1103.

[21] 段旭, 踞建华, 肖子牛, 等. 云南气候异常物理过程及预测信号的研究[M]. 北京: 气象出版社, 2000: 1–23.

[22] 林光辉. 稳定同位素生态学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013.

[23] DANSGAARD W. The abundance of18O in atmospheric water and water vapour[J]. Tellus, 1953, 5(4): 461–469.

[24] WELP L R, LEE Xuhui, GRIFFIS T J, et al. A meta-analysis of water vapor deuterium-excess in the midlatitude atmospheric surface layer[J]. Global Biogeo­chemical Cycles, 2012, 26(3): 1–12.

[25] 许传阳, 郝成元. 基于同位素证据的夏季风水汽影响区域分界[J]. 地球与环境, 2017, 45(5): 508–514.

[26] 柳鉴容, 宋献方, 袁国富, 等. 我国南部夏季季风降水水汽来源的稳定同位素证据[J]. 自然资源学报, 2007, 22(6): 154–162.

[27] 章新平, 刘晶淼, 谢自楚. 我国西南地区降水中过量氘指示水汽来源[J]. 冰川冻土, 2009, 31(4): 613–619.

[28] 柳鉴容, 宋献方, 袁国富, 等. 中国东部季风区大气降水δ18O的特征及水汽来源[J]. 科学通报, 2009, 54(22): 3521–3531.

[29] 胡月, 刘国东, 孟玉川, 等. 成都次降水稳定氢氧同位素特征及水汽来源分析[J]. 环境科学, 2019, 40(3): 171– 179.

[30] 马迎宾, 徐庆, 高德强, 等. 汤浦水库湿地森林区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源[J]. 林业科学研究, 2018, 31(3): 37–44.

[31] HUGHES C E, CRAWFORD J. Spatial and temporal variation in precipitation isotopes in the Sydney Basin, Australia[J]. Journal of Hydrology, 2013, 489: 42–55.

[32] 马潜, 张明军, 王圣杰, 等. 基于氢氧同位素的中国东南部降水局地蒸发水汽贡献率[J]. 地理科学进展, 2013, 32 (11): 1712–1720.

[33] 庞洪喜, 何元庆, 张忠林. 新德里季风降水中过量氘与季风水汽来源[J]. 冰川冻土, 2005, 27(06): 876–880.

[34] 郑淑蕙, 侯发高, 倪葆龄. 我国大气降水的氢氧稳定同位素研究[J]. 科学通报, 1983, 28(13): 35–40.

[35] 章新平, 孙维贞, 刘晶淼. 西南水汽通道上昆明站降水中的稳定同位素[J]. 长江流域资源与环境, 2005, 14(5): 665–669.

[36] CLARK I D, FRITZ P, MICHEL F A, et al. Isotope hydrogeology and geothermometry of the Mount Meager geothermal area[J]. Canadian Journal of Earth Science, 1982, 19(7): 1454–1473.

[37] 孟玉川, 刘国东. 长江流域降水稳定同位素的云下二次蒸发效应[J]. 水科学进展, 2010, 21(3): 327–334.

[38] 章新平. 我国降水中δ18O的分布特点[J]. 地理学报, 1998, 53(4): 356–364．

[39] DANSGAARD W. Stable isotope in precipitation[J]. Tellus, 1964, 16(4): 436–468．

[40] 刘忠方, 田立德, 姚檀栋, 柴旭荣. 中国大气降水中δ18O的空间分布[J]. 科学通报, 2009, 54(6): 804–811．

[41] 陈衍婷, 杜文娇, 陈进生, 等. 厦门地区大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨[J]. 环境科学学报, 2016, 36(2): 667–674.

[42] 宋春林, 孙向阳, 王根绪. 贡嘎山亚高山降水稳定同位素特征及水汽来源研究[J]. 长江流域资源与环境, 2015, 24(11): 1860–1869.

[43] 李广, 章新平, 吴华武, 等. 云南大气降水中δ18O与气象要素及水汽来源之间的关系[J]. 自然资源学报, 2014, 29(6): 1044–1052.

[44] 庞洪喜, 何元庆, 卢爱刚, 等. 天气尺度下丽江季风降水中δ18O变化[J]. 科学通报, 2006, 51(10): 1218–1224.

[45] 董小芳, 邓黄月, 张峦, 等. 上海降水中氢氧同位素特征及与ENSO的关系[J]. 环境科学, 2017, 38(5): 1817– 1827.

[46] 胡海英, 黄华茂, 杨健文. 香港地区降水氢氧同位素多尺度演变特征分析[J]. 武汉大学学报(工学版), 2014, 47(05): 577–584, 620.

[47] 刘澄静, 角媛梅, 刘志林, 等. 哈尼梯田区降水稳定氢氧同位素的旱雨季变化特征及其影响因素[J]. 山地学报, 2018, 36(4): 519–526.

[48] 胡菡, 王建力. 云南地区大气降水中氢氧同位素特征及水汽来源分析[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2015, 40(5): 142–149.

[49] 李汀, 琚建华. 孟加拉湾西南季风与南海热带季风的气候特征比较[J]. 地球物理学报, 2013, 56(1): 27–37.

[50] 强学民, 琚建华, 张浩瀚. 云南夏季风演变诊断分析[J]. 云南大学学报(自然科学版), 1998, 20(1): 75–79.

[51] 胡金明, 何大明, 李运刚. 从湿季降水分异论哀牢山季风交互[J]. 地球科学进展, 2011, 26(2): 183–192.

Characteristics of δD and δ18O in the precipitation and evaporation sources in the water conservation area of Hani Terraces

PU Huimei1, SONG Weifeng1,*, WU Jinkui2, WANG Zhuojuan3, MA Jing4, ZHANG Xiaojuan5

1. College of Ecology and Environment, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China 2. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 3. Gansu Transportation Planning Survey and Design Institute Co., Ltd., Lanzhou 730030, China 4. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China 5. Chongqing Yuxi Surveying and Design Institute of Water Conservancy Electric Power and Architecture, Chongqing 402160, China

Based on the stable isotopes data of 89 event precipitation samples collected from June to August 2014 and the whole year 2015(15 months in total) and related meteorological statistics data in the water conservation forest area of Hani Terraces, the variation of2H and18O components in precipitation and its impact factors were analyzed. By using HYSPLIT model, the moisture sources of precipitation were tracked. The results indicated that an obvious seasonal variation of the2H and18O components in precipitation existed. The values of δD, δ18O andwere relatively more depleted or lower during the wet season (from May to October), whereas those values were relatively richer or higherduring the dry season (from November to next April). The slope and intercept of the Local Meteoric Water Line (LMWL) were both lower than those of the Global Meteoric Water Line (GMWL) and the Chinese Meteoric Water Line (CMWL). The precipitation effect of δ18O in precipitation exhibited to some extent while no temperature effect existed in this area. The results from the HYSPLIT model showed that the meteoric water vapor was mainly from the Indian Ocean conveyed by the westerly and local evaporation in dry season, while was from the western Pacific and the Indian Ocean in wet season.

meteoric water; moisture sources; hydrogen and oxygen stable isotopes; D-excess; Hani Terrace

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.006

S715.1

A

1008-8873(2022)02-050-09

2020-04-25;

2020-05-18

国家自然科学基金项目(41371066, 41771084); 云南省自然科学基金重点项目(202001AS070042)

普慧梅(1990—), 女, 云南楚雄人, 博士研究生, 主要从事森林水文和土壤学研究, E-mail: puhuimei54@163.com

通信作者:宋维峰(1967—), 男, 博士, 教授, 主要从事生态环境工程和森林水文学研究, E-mail: songwf85@126.com

普慧梅, 宋维峰, 吴锦奎, 等. 哈尼梯田水源区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源[J]. 生态科学,2022, 41(2): 50–59.

PU Huimei, SONG Weifeng, WU Jinkui, et al. Characteristics of δD and δ18O in the precipitation and evaporation sources in the water conservation area of Hani Terraces[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 50–58.