湘西北紅壤丘陵區(qū)降水的穩(wěn)定性同位素特征

田日昌，陳洪松，楊青青

（1．中山市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 中山528403；2．中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙410125）

湘西北紅壤丘陵區(qū)降水的穩(wěn)定性同位素特征

田日昌1，陳洪松2，楊青青1

（1．中山市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 中山528403；2．中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙410125）

基于穩(wěn)定同位素技術(shù)，利用野外定位觀測數(shù)據(jù)，研究了湘西北紅壤丘陵區(qū)降水的同位素特征。結(jié)果表明：湘西北桃源地區(qū)2006～2007年的大氣降水線為δD＝7．432δ18O＋0．605（R2＝0．953，n＝36）。該地區(qū)2007年5～9月降水同位素值季節(jié)變化明顯，且降雨量效應(yīng)明顯。油茶林外降水同位素值較林冠穿透水貧化，但兩者差異很小。同位素值的高程效應(yīng)在此有一定的體現(xiàn)，即坡上同位素小于坡下，但由于高度相差小，故表現(xiàn)非常不明顯。雨中取樣對降水同位素值影響比較大。降水同位素變化特征能很好地反映對應(yīng)時段的降水特征，對今后分析土壤水分運(yùn)移及確定植物水分來源研究有重要意義。

降水；湘西北；穩(wěn)定性同位素

Abstract：Isotopic characteristics analysis conducted for precipitation samples from red soil hilly region in northwest of Hunan province，coupled with fixed－point field observation data．The results show that the Local Meteoric Water Line（LMWL）in Taoyuan area of northwest of Hunan province presentδD＝7．432δ18O＋0．605（R2＝0．953，n＝36），during 2006－2007．The samples isotope values，from May to September in 2007，vary greatly with season．Besides，isotope values associated significantly with rainfall amounts．The stable isotope values of precipitation outside oil－tea camellia woods present lower than that of through－fall of canopy，but with slight difference．The elevation also impacts on stable isotope value to a certain extent，with the stable isotope value of upper slope areas exceed lower slop areas．Nonetheless，isotope value difference seem to quite insignificant due to their slight elevation distance．Moreover，sampling collection during rain period also affects the results．The variation in characteristics of precipitation reflects corresponding time precipitation characteristics，it therefore has important implication for investigation into pathway for water transportation in soils and vegetations．

Key words：precipitation；Northwest of Hunan province；stable isotope

降水為水循環(huán)過程中最重要的輸入因子，通過分析降水中的穩(wěn)定同位素δD和δ18O，可獲得水汽來源、形成條件、形成背景等諸多信息。同時，降水中δD和δ18O分析也是分析徑流、土壤水、植物莖水、地下水中D和18O的重要參考，是分析它們之間相互關(guān)系的依據(jù)。1961年，Craig［1］對全球范圍內(nèi)大氣降水及部分地表淡水的同位素組分進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)全球降水δD－δ18O間具有δD＝8δ18O＋10的線性關(guān)系，由此提出了全球大氣降水線（global meteoric water line，GMWL）。部分學(xué)者對降水中同位素組成的影響因子進(jìn)行討論，分析同位素組成與經(jīng)緯度、距海岸距離、降雨量及地表溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩個顯著的影響因子——溫度和降雨量，且在靠近極地的大陸地區(qū)較為顯著［2］。通過分析降水、地下水同位素差異以解釋當(dāng)?shù)厮沫h(huán)境［3］。我國的同位素水文研究工作始于20世紀(jì)60年代在珠穆朗瑪峰的科學(xué)考察。20世紀(jì)80年代，我國加入IAEA／WMO降水觀測網(wǎng)，隨后對我國大氣降水的氫氧同位素進(jìn)行分布規(guī)律研究獲得了一些成果，獲得我國的大氣降水線，揭示了我國大氣降水中的環(huán)境同位素海陸效應(yīng)、緯度效應(yīng)、高程效應(yīng)和季節(jié)效應(yīng)，以及氫氧同位素的時空變化［4］。1991年以來，我國在青藏高原地區(qū)開展了一系列有關(guān)降水、地下水等的同位素研究［4－9］，使得青藏高原地區(qū)成為我國關(guān)于同位素研究取得成果最為豐富的地區(qū)。此外，在南方紅壤區(qū)、北方太行山區(qū)也進(jìn)行了一些關(guān)于降水同位素時空變化的研究［10－11］。

紅壤丘陵區(qū)位于中國南方濕潤半濕潤地區(qū)，降水比較充沛，但水資源時空分配不均，季節(jié)性干旱問題突出。通過分析該地區(qū)降水環(huán)境同位素特征，可反映當(dāng)?shù)氐臍庀髿夂蛐畔?，同時可結(jié)合土壤水、植物莖水同位素值變化，為確定土壤水分運(yùn)移特征及植物耗水特征提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站定位觀測試驗場，地處湖南省桃源縣漳江鎮(zhèn)寶洞峪村［111（30′E），28（55′N）］，為武陵山區(qū)向洞庭湖平原過渡的丘崗地帶，海拔89．0～121．8m，屬典型低丘紅壤分布區(qū)。該區(qū)年平均氣溫16．5℃，≥10℃活動積溫5 171．5℃，極端最高氣溫40．6℃，極端最低氣溫 －15．8℃，年均蒸散1 190mm。年平均降雨量1 440mm，主要分布于4～8月，平均相對濕度82%，年日照時數(shù)1 531．4h，為典型亞熱帶季風(fēng)氣候。土壤類型為第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅壤。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，屬于武陵山植被區(qū)系。該區(qū)淺層地下水的水位平均為2．52m。3～9月水位較高（平均為2．18m），10月至次年2月水位較低（平均為3．58m）。

2 研究方法

2．1 試驗小區(qū)的布設(shè)

于2005年11月至2006年2月在油茶林坡地修建2個試驗小區(qū)，小區(qū)為非擾動土，投影面積均為100m2（20m×5m），坡度均一（17°），坡向為東偏南。油茶林樹齡約50年。種植密度為3 000株／hm2，平均樹高3．2m，平均胸徑15～17cm。油茶林郁閉度70%～80%，林下草本層高20～40cm，蓋度80%～90%，主要有樹莓（raspberry）、大葉胡枝子（Lespedeza davidii Franch）等。在小區(qū)外且周圍無植物影響的平地設(shè)置2個降水取樣瓶，另外在油茶林小區(qū)林內(nèi)坡上坡下分別設(shè)置1個取樣瓶。

2．2 數(shù)據(jù)的測定和處理

降雨采用試驗場氣象園AMRS－I氣象輻射自動觀測系統(tǒng)觀測。同時在試驗小區(qū)上部安裝自計雨量計測得，安裝位置設(shè)置在周圍無植物的平地，減少植被對其影響。雨量計用HOBO計數(shù)器（HOBO Event Logger，H8or H7，Onset Computer Corporation，Bourne，MA，U．S．A．，最小響應(yīng)時間0．5s）實時監(jiān)測降雨量和降雨歷時，從而可推算降雨強(qiáng)度、降雨時間間隔等降雨特征參數(shù)。

降水同位素水樣根據(jù)自制的儀器降雨期間采集。降水通過塑料漏斗收集在木箱內(nèi)的塑料瓶內(nèi)，瓶口和漏斗頸通過橡膠塞緊密連接，漏斗口上面放置一乒乓球，防止瓶內(nèi)的水樣蒸發(fā)。2006年，選用1次降水過程，取樣3次，共12個降水樣品；2007年5～9月，對每次降水量大于20mm的在降雨停止后開始采樣。部分場次降水中、降水后全部取樣，共6次降水過程24個降水樣品。每次采集25mL水樣。

所有水樣氫氧同位素分析在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所同位素實驗室Finnigan MAT－253質(zhì)譜分析儀用 TC／EA 法測定，儀器精度為δ18OSTDEV≤0．3‰，δDSTDEV≤2‰，測量出的穩(wěn)定性氫、氧同位素值以δD和δ18O表示，分析結(jié)果均以VSMOW 為標(biāo)準(zhǔn)，表示為：δD（或δ18O）＝ ［（R樣品－R標(biāo)準(zhǔn)）／R標(biāo)準(zhǔn)］×1 000‰。式中R樣品和R標(biāo)準(zhǔn)表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物中穩(wěn)定性氫同位素（D／H）或穩(wěn)定性氧同位素18O／16O的比例。

3 結(jié)果分析

3．1 2006、2007年降水特征分析

2006、2007年降水量分別為1 395．6，1 129．8mm，分別為平水年與枯水年。圖1顯示為桃源地區(qū)2006、2007年月降水量變化特征。

由圖1可知，2年的月降水分布趨勢明顯不同，2006年5～7月降水量遞減，而2007年相反。其中6～8月降水量占全年比例分別為33．5%，40．9%；4～8月降水量占全年的59．0%，59．0%。2006年5月降水量最大，為227．2mm，9月降水量最少，為19．2mm。而2007年5月只有90．6mm，明顯較常年少，2007年7月降水量最大，為235．1mm，11月降水量最小，為22．8mm。

根據(jù)國家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)陸部分，以24h內(nèi)降水總量計），0～9．9mm為小雨、10．0～24．9mm 為中雨、25．0～49．9mm 為大雨、50．0～99．9mm 為暴雨、100．0～249．9mm為大暴雨。2006、2007年桃源試驗站降水分級見表1。

圖1 試驗區(qū)2006～2007年降水量月變化

表1 2006、2007年桃源試驗站降水分級

由表1可以看出桃源地區(qū)2006～2007年降水主要以小雨、中雨為主，占全年降水次數(shù)的90．83%（兩年均值），但降水量占54．5%（兩年均值），大雨、暴雨盡管降水次數(shù)少，占9．17%（兩年均值），但是降水量占到45．5%。例如2006年大雨、暴雨分別有12次、4次，但是降水量所占比例卻分別為27．88%、20．59%。由于紅壤地區(qū)研究土壤水分運(yùn)移分析要求長時間的土壤水連續(xù)取樣，這樣便要求每次的降水量較多，通常中雨、大雨、暴雨是取樣的重點(diǎn)。

3．2 2006、2007年典型降水過程分析

2006年的典型降水過程始于7月7日9時，結(jié)束于7月8日14時，總歷時30h，降雨總量為100．8mm，平均降雨強(qiáng)度為3．4mm／h，降雨強(qiáng)度變異較大。7月7日降雨量79．4mm，歷時11h，最大降雨強(qiáng)度為28．8mm／h，出現(xiàn)時間是7月7日14時，平均降雨強(qiáng)度為7．2mm／h；7月8日降雨量21．4mm，最大降雨強(qiáng)度為5．8mm／h，出現(xiàn)時間是7月8日13時，歷時13h，平均降雨強(qiáng)度為1．6mm／h。

2007年典型降水過程有6次。5月23日降水始于17時，到24日16時結(jié)束。歷時25h，總降雨量為66．4mm，平均降雨強(qiáng)度為2．7mm／h。5月23日17～19時3h降雨量34．8mm，平均降雨強(qiáng)度為11．6mm／h，屬于暴雨；5月24日降水比較平均，降雨量31．2mm，最大降雨強(qiáng)度為6．2mm／h，出現(xiàn)在10時，屬于暴雨。

6月23～26日2次降水過程間隔較長，始于1時，到24日6時結(jié)束，降雨量31．8mm，最大降雨強(qiáng)度為12．0mm／h，出現(xiàn)在10時。直到6月26日11時又開始降水，降雨量17mm，并且降水非常集中，6月26日20時1h降雨量12．0mm，屬于暴雨。

7月12～13日的降水過程，始于12日6時，到13日19時結(jié)束，降雨量86．0mm，平均降雨強(qiáng)度2．3mm／h。7月12日降水44．8mm，歷時11h，最大降雨強(qiáng)度13．8mm／h。7月13日降水集中，12～13時2小時降雨量30．8mm，屬于暴雨。

7月25～26日為1次完整降水過程，降雨量71．0mm，始于25日2時，到25日13時結(jié)束，之后到26日仍有少量小雨。7月25日降水量69．9mm，歷時12h，平均降雨強(qiáng)度5．8mm／h，最大降雨強(qiáng)度14．6mm／h，為暴雨。

8月22～23日降水變率非常大，僅23日3～4時2h便降水38．8mm，最大降雨強(qiáng)度達(dá)20．2mm／h，其他時間共降水39．0mm，屬于大暴雨。

9月7～8日共降水45．4mm，降水均勻，始于7日12時，結(jié)束于8日24時，期間有2次雨停。7日降水30．6mm，平均降雨強(qiáng)度3．4mm／h，最大降雨強(qiáng)度6．6mm／h，8日降水14．8mm，屬于中雨。

3．3 降水環(huán)境同位素特征

3．3．1 大氣降水線

對2006年1次降水過程12個降水樣品和2007年6次降水過程24個降水樣品進(jìn)行了δD和δ18O分析。2006年7月降水分別在降水中、降水后取樣。2007年6月26日、7月13日、8月23日、9月8日為雨后取樣，5月24日、7月25日為雨中取樣。

圖2為2006、2007年湘西北桃源站次降水的δD－δ18O關(guān)系圖。

圖2 2006～2007年桃源站降水δD－δ18O關(guān)系

對2007年大氣降水的δD與δ18O實測值進(jìn)行比較，可以看出，降水的δD和δ18O變化非常大。其中，δ18O介于－14．12‰與－3．93‰之間，δD介于－103．40‰與－27．58‰之間。根據(jù)這些降水水樣的δD和δ18O建立的本地區(qū)大氣降水線（Local meteoric water line，LMWL），其方程為：

其斜率和截距與全球大氣降水曲線δD＝8δ18O＋10及近距離的長沙大氣降水線δD＝8．47δ18O＋15．46［4］相比都較低。表明了2年的降水量都偏少，且降水在水汽運(yùn)移及雨滴降落的過程中經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)。相對于2007年，2006年大氣降水線斜率和截距更低，需指出的是，2006年7月降水偏少，雨滴受蒸發(fā)作用影響更強(qiáng)烈。

3．3．2 環(huán)境同位素的季節(jié)變化

根據(jù)2007年5～9月的6次降水同位素數(shù)據(jù)探討本地區(qū)是否存在季節(jié)變化規(guī)律。結(jié)果表明，本地區(qū)季節(jié)變化非常明顯（圖3）。

在分析降水同位素季節(jié)變化時，采用4個采樣點(diǎn)的平均值分析。2007年5月，由于降水較歷年少，同時溫度升高迅速，大氣干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，故同位素偏高，降 水 δ18O、δD 平 均 值 分 別 為 －4．24‰，－28．77‰。6～8月，隨著降水次數(shù)及降水量的增加，同位素值迅速貧化，到7～8月達(dá)最低點(diǎn)，6～8月δ18O平均值分別為－8．60‰、－10．52‰、－13．71‰，δD值為 －58．42‰、－80．00‰、－101．48‰。9月降水量又迅速減少，蒸發(fā)增加，同位素值又逐漸增高，δ18O、δD平均值分別為－9．16‰、－65．69‰。

3．3．3 環(huán)境同位素的降水量效應(yīng)

圖3 2007年桃源降水δD及δ18O季節(jié)變化

雨量的大小對降水同位素組成也產(chǎn)生影響。通常雨量越大，δ值越小。在世界的大多數(shù)中緯度地區(qū)，降雨量與δ值都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能是雨滴在降落過程中與環(huán)境水蒸汽進(jìn)行的同位素交換引起的。圖4反映了2007年6次降水過程的氫氧同位素組分與降水量的關(guān)系。

圖4 2007年桃源降水量與各月δD平均值關(guān)系

結(jié)果表明，同位素值與降水量呈負(fù)相關(guān)變化趨勢，即降水量越大，降水中的同位素值越貧化；降水量越小，降水中的同位素值越富集。

3．3．4 林外降水和林冠穿透水同位素關(guān)系

油茶林為小喬木，林冠比較密閉。降水過程中，林冠對降水有一定的截留作用。圖5顯示出林外降水較林冠穿透水同位素更加貧化，這是林冠蒸發(fā)過程和降水過程相互作用決定的。5月24日與7月25日為雨中取樣，林外降水同位素值較林冠穿透水同位素貧化。其他時間為雨后取樣，兩者之間的同位素值差異很小。表明降水取樣時間對降水同位素分析有一定影響。

圖5 林外降水與林冠穿透水同位素的關(guān)系

3．3．5 林內(nèi)不同坡位降水同位素關(guān)系

大氣降水氫氧同位素含量隨著高度增加而逐漸降低的現(xiàn)象稱為高度效應(yīng)。同位素高度效應(yīng)用同位素高度梯度表示。文獻(xiàn)表明［3－4］，δ18O 和δD 的變化范圍分別為（0．15～0．5）‰／100m 和（1．2～4）‰／100m，而且海拔越高，高度效應(yīng)越明顯。圖6為林內(nèi)不同坡度同位素變化，同位素值高程效應(yīng)在此有一定的體現(xiàn)，即坡上同位素小于坡下，但由于高度相差小，故表現(xiàn)非常不明顯。

4 結(jié)論

（1）對2006、2007年降水樣品進(jìn)行了δD 和δ18O分析，討論了降水的δD－δ18O關(guān)系，得出了桃源地區(qū)的大氣降水曲線：δD ＝7．432δ18O ＋0．605 R2＝0．953（95%置信區(qū)間），n＝36。降水線斜率和截距與全球水分曲線δD＝8δ18O＋10相比都較低，表明2年的降水量都偏少，且降水在水汽運(yùn)移及雨滴降落的過程中經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)分餾作用。

（2）桃源地區(qū)2007年5～9月降水同位素值季節(jié)變化明顯，且降雨量效應(yīng)明顯。油茶林外降水同位素值較林冠穿透水貧化，但兩者差異很小。同位素值高程效應(yīng)在此有一定的體現(xiàn)，即坡上同位素小于坡下，但由于高度相差小，故表現(xiàn)非常不明顯。雨中取樣對降水同位素值影響比較大。降水同位素變化特征能很好地反映對應(yīng)時段的降水特征，這對今后分析土壤水分運(yùn)移以及確定植物水分來源研究有重要意義。

圖6 林內(nèi)不同坡位同位素的關(guān)系

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Investigation and Implication for Isotopic Characteristic of Precipitation－A Case Study in Red Soil Hilly Region in Northwest of Hunan Province

TIAN Richang1，CHEN Hongsong2，YANG Qingqing1

（1．Zhongshan Research Institute of Environmental Protection，Zhongshan 528403，China；2．Institute of Subtropical Agriculture，CAS，Changsha 410125，China）

S153．6

A

1674－2842（2012）05－0019－05

2012－03－23

田日昌（1981－），男，山西懷仁人，碩士研究生，主要從事生態(tài)水文方面的研究，E－mail：tianrichang1981＠163．com。