鄱陽湖濕地土壤水穩(wěn)定同位素變化特征

張 翔,鄧志民,潘國艷,吳紹飛 , 肖 洋,朱才榮

1 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)， 武漢 430072 2 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢大學(xué)， 武漢 430072

鄱陽湖濕地土壤水穩(wěn)定同位素變化特征

張 翔1,2,*,鄧志民1,2,潘國艷1,2,吳紹飛1,2, 肖 洋1,2,朱才榮1,2

1 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)， 武漢 430072 2 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢大學(xué)， 武漢 430072

土壤水穩(wěn)定同位素組成的時(shí)空變化反映了區(qū)域降水與前期水分的混合及蒸散發(fā)過程。2013年7—9月對(duì)鄱陽湖濕地保護(hù)區(qū)3個(gè)斷面不同土地覆蓋下0—2 m剖面土壤水進(jìn)行分層采樣，以及采集修水和贛江的河水，測(cè)定其氫、氧穩(wěn)定同位素，分析土壤水穩(wěn)定同位素沿土壤剖面的變化規(guī)律、土壤水運(yùn)動(dòng)機(jī)制及其主要補(bǔ)給來源。研究結(jié)果表明，鄱陽湖采樣區(qū)3個(gè)斷面土壤水同位素δ18O值變化范圍-10.63‰—-1.17‰，其中7月份的土壤水δ18O均值最小，8、9月份土壤水δ18O均值相對(duì)較大。表層(0—60 cm)土壤水同位素富集可能因?yàn)檎舭l(fā)作用，深層土壤水同位素組成變化因降水入滲與前期水分混合作用。不同土地覆蓋表層土壤水同位素變化較大，隨著深度的增加，同位素變化減少。從水分溯源上，斷面一的土壤水同位素組成主要受降水的影響，斷面二的土壤水同位素組成主要受贛江和降水的影響，而斷面三則主要受鄱陽湖水體和降水的影響。研究結(jié)果可為鄱陽湖區(qū)域地下水資源的評(píng)價(jià)提供參考

鄱陽湖；土壤水；穩(wěn)定同位素

濕地水文在植被變化中起著關(guān)鍵作用，濕地植被生長及組成變化與土壤含水量、地下水位以及土壤質(zhì)地等密切相關(guān)[1-3]。鄱陽湖是中國的第一大淡水湖，也是國際重要濕地。近年來，受長江上游來水和省內(nèi)降水減少的雙重影響，鄱陽湖水位持續(xù)走低。2013年9月份鄱陽湖星子站水位跌破12 m，十分罕見。鄱陽湖水位的降低直接影響著濕地土壤水分的補(bǔ)給，導(dǎo)致鄱陽湖呈現(xiàn)一片大草原的景觀。土壤水是水循環(huán)過程重要環(huán)節(jié)之一。了解土壤水及地下水的補(bǔ)給過程對(duì)區(qū)域水資源評(píng)價(jià)非常重要。穩(wěn)定同位素(18O和D)已被廣泛地用于評(píng)價(jià)區(qū)域補(bǔ)給與蒸發(fā)[4- 5]，特別是，作為地球化學(xué)示蹤劑用于溯源分析[6- 7]。

土壤水中的穩(wěn)定同位素變化受大氣降水入滲、地表蒸發(fā)、土壤水分的水平遷移和垂直運(yùn)動(dòng)等多種因素的影響。因此利用土壤水穩(wěn)定同位素的變化可以揭示其他技術(shù)難于獲取的土壤水通量信息(如蒸發(fā)、蒸騰、入滲和滲透等)。國外學(xué)者對(duì)土壤水同位素的研究較早，早在1967年Zimmermann等[8]就利用氫同位素技術(shù)報(bào)道了非飽和層土壤水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制；Hsieh等[6]通過土壤水中氧同位素的組成定量分析了水量平衡中蒸發(fā)與蒸騰的變化趨勢(shì)，指出蒸發(fā)與蒸騰比隨著年降水的增加和溫度的降低而減小；Gazis和Feng[9]通過6個(gè)站點(diǎn)的土壤水穩(wěn)定同位素組成，證實(shí)了土壤水流中存在著混合流和優(yōu)先流。國內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤水同位素的研究較晚，但發(fā)展較快。田立德等[10]根據(jù)1998年夏季測(cè)得的降水和土壤水中穩(wěn)定同位素研究了青藏高原中部不同層位土壤剖面中穩(wěn)定同位素的變化特征；Li等[11]應(yīng)用穩(wěn)定同位素研究了中國北部太行山的降水-土壤水-地下水的補(bǔ)給過程；程立平和劉文兆[12]分析了陜西長武縣黃土塬區(qū)5種不同土地利用的土壤水穩(wěn)定同位素特征；陳格君[13]探討了鄱陽湖濕地土壤碳同位素的組成，并對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的溯源進(jìn)行了分析。但目前對(duì)鄱陽湖濕地土壤水穩(wěn)定同位素特征的研究尚為空白。為此，本文以鄱陽湖濕地國家自然保護(hù)區(qū)為試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)三個(gè)斷面的不同土地利用下0—2 m剖面土壤樣品進(jìn)行穩(wěn)定同位素分析，研究土壤水穩(wěn)定同位素剖面分布及其變化特征，揭示土壤水流運(yùn)動(dòng)機(jī)制及土壤水補(bǔ)給來源，為鄱陽湖區(qū)水資源的調(diào)控與規(guī)劃及濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

鄱陽湖是我國最大的淡水湖和國際重要濕地，位于長江中下游南岸的江西省的北部，地理坐標(biāo)是115°49′—116°46′E，28°21′—29°52′N，上接江西境內(nèi)贛江、信江、撫河、饒河、修水五大干流(下稱“五河”)，下有湖口通長江。本文以鄱陽湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象(圖1)，其管轄有大湖池、沙湖、蚌湖、朱市湖、梅西湖、中湖池、大汊湖、象湖、常湖池等9個(gè)湖泊，是當(dāng)今世界上重要的候鳥越冬棲息地，全球最主要的白鶴與東方白鸛越冬地，而且是全球重要生態(tài)區(qū)。年平均氣溫為16.5—17.8 ℃，年降水量為1368.7—1633.8 mm，其中4—6月份占全年46%。蒸發(fā)量800—1200 mm，其中7—9月占全年的一半，故形成夏季洪澇，秋季干旱的氣候特點(diǎn)[14]。除沙湖山、吉山和太陽山為砂質(zhì)質(zhì)地外，濕地土壤主要分布比較均一的壤土質(zhì)地。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有5種土壤類型：紅壤、水稻土、黃褐土、沖積土和潮土，其分布與高程和微地形有關(guān)，其中潮土是區(qū)內(nèi)的典型濕地土壤，主要分布于圩堤到湖盆的生態(tài)交錯(cuò)帶[15]。

圖1 研究區(qū)域及采樣分布圖Fig.1 Sketch map of the study area and location of investigated sites

1.2 樣品采集及分析

2013年7—9月于九江市永修縣吳城鎮(zhèn)濕地保護(hù)區(qū)的3個(gè)斷面采集土壤樣品(圖1)，共403個(gè)，3個(gè)斷面的剖面示意圖及采樣點(diǎn)分布如圖2所示。其中斷面一采樣點(diǎn)為8個(gè)，共采集樣品數(shù)175個(gè)；斷面二采樣點(diǎn)為7個(gè)，共采集樣品數(shù)134個(gè)，且采樣時(shí)間僅為9月份；斷面三采樣點(diǎn)為5個(gè)，共采集樣品數(shù)94個(gè)。采用圓筒土鉆鉆取2 m深的土壤樣品，每10 cm深取樣1次，其中有4個(gè)采樣點(diǎn)處，由于土壤質(zhì)地或土壤含水量等原因，最深層處(地下深2 m)的土壤樣品無法收集?，F(xiàn)場(chǎng)將土樣用保鮮袋包裝，再用保鮮膜包扎放入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，采用真空蒸餾技術(shù)[16]提取土壤水樣。所有水樣采集后立刻裝入5 mL玻璃瓶密封冷藏保存。同期在贛江和修水上采集河水樣品共20個(gè)。水樣的氫氧穩(wěn)定同位素在武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定同位素分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，采用MAT253同位素比質(zhì)譜儀連接Flash EA/HT測(cè)定水樣中δ18O和δD的含量，δ18O和δD的儀器分析精度分別為0.2‰和2‰。所有水樣測(cè)定結(jié)果以V-SMOW為標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示：

(1)

圖2 采樣區(qū)3個(gè)斷面的剖面示意圖Fig.2 Sketch map of three sections in the sampled site

圖3 土壤水同位素總體變化特征Fig.3 Characteristics of stable isotope in soil water

圖4 南昌市月降水量、蒸發(fā)量和平均相對(duì)濕度(中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)) Fig.4 monthly precipitation, evaporation and average relative humidity in Nanchang city (provided by China Meteorological Data Sharing Service System)

2 結(jié)果與討論

2.1 鄱陽湖采樣區(qū)土壤水同位素總體特征

圖3顯示鄱陽湖采樣區(qū)3個(gè)斷面土壤水同位素總體分布特征，δ18O值變化范圍-10.63‰ —-1.17‰，其中斷面二的δ18O值變化范圍最小，其次是斷面一和三；斷面二的δ18O均值>斷面三的>斷面一的，分別為-3.99‰、-4.99‰和-5.02‰。由圖3可知，7月份的土壤水δ18O均值最小，8、9月份土壤水δ18O均值較大。由于吳城鎮(zhèn)位于永修縣東北部，距南昌市90 km，距九江市120 km，故本文用南昌市的氣候特征代替吳城鎮(zhèn)氣候(采樣區(qū)的氣候)。由圖4可知，南昌市7月份的降水量最大，蒸發(fā)量介于中間；8月份的蒸發(fā)量最大，降水量較低；9月份的降水量最小，蒸發(fā)量也最小。故本研究認(rèn)為降水和蒸發(fā)是控制該斷面土壤水同位素組成的重要因素。由圖3可以看出，3個(gè)斷面土壤水同位素值均落于全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line, GMWL)之上，表明3個(gè)斷面的蒸發(fā)作用均小于全球蒸發(fā)平均值。鄱陽湖土壤水同位素氘盈余(3.78‰)小于全球大氣降水(10‰)，因?yàn)檑蛾柡閬啛釒嘏瘽駶櫄夂?，而GMWL是根據(jù)世界各地的采樣數(shù)據(jù)而得到，是綜合了干旱地區(qū)與濕潤地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)。斷面一和斷面三土壤水同位素的斜率相接近，均大于斷面二的。斷面二氘盈余小于斷面一和三的，是因?yàn)閿嗝娑耐寥啦蓸訒r(shí)間為9月份，其他兩個(gè)斷面的采樣時(shí)間為7—9月份，9月份的平均相對(duì)濕度大于7和8月份的，而9月份的蒸發(fā)量小于7和8月份的。

2.2 鄱陽湖采樣區(qū)土壤水δ18O值剖面

降水和河湖水(修水、贛江和鄱陽湖水)是該研究區(qū)土壤水來源。蒸發(fā)是表層土壤水同位素富集的主要因素。Depalol等[17]指出能夠引起土壤水同位素分餾的土壤深度一般只有0.5—3 m?；?03個(gè)土壤樣品的土壤水同位素組成如圖5所示。結(jié)果顯示，所有土壤水同位素值均位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的左上側(cè)。在土壤深10—60 cm間，大部分δ18O值落在-6‰—-2‰之間；在土壤深度80—150 cm間，大部分δ18O值落在-8‰—-3‰之間；隨著深度的增加，δ18O值繼續(xù)減小，在土壤深度180 cm、200 cm，大部分δ18O值落在-7‰—-4‰之間，而6—9月的降水δ18O值的變化范圍-13.33‰—-5.29‰，表明蒸發(fā)作用在該研究區(qū)域所影響的深度在60 cm左右，從而能夠引起更深層土壤水同位素組成變化的只有混合作用，降水存在以優(yōu)先流形式快速通過土壤剖面到達(dá)土壤深處。Chung 和Horton[18]以及Bristow和 Horton[19]研究表明，土壤表層覆蓋物可能對(duì)近地表的土壤物理環(huán)境具有巨大的影響，特別是在土壤深度40 cm以上。不同的覆蓋物對(duì)土壤水蒸發(fā)的抑制強(qiáng)度不同。因此，三個(gè)斷面的蒸發(fā)趨勢(shì)線不同可能是因?yàn)椴煌牡乇碇参飳?duì)表層土壤水同位素組成的影響程度不同。

圖5 不同深度土壤水同位素組成(LMWL: Local Meteoric Water Line)Fig.5 Stable isotope composition of soil water at different soil depth

2.3 降水同位素組成

圖6 南昌市2010年和6-9月降水同位素組成 Fig.6 Stable isotope composition of precipitation in 2010 and from June to September in Nanchang city

圖6為基于55個(gè)降水樣品的2010年全年和6—9月的南昌市氫氧同位素組成[20]，全年大氣降水線的斜率(8.97‰)和截距(11.05‰)均大于全球大氣降水線的(8‰和10‰)，而6—9月的降水線斜率(7.82‰)和截距(-3.67‰)均小于全球大氣降水線的。全年降水δD值的變化范圍-105.48‰—-2.52‰，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為-43.01‰和32.10‰；δ18O值變化范圍-13.56‰—-0.99‰，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為-6.03‰和3.46‰。6—9月的降水δ18O值的變化范圍-13.33‰—-5.29‰，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為-9.16‰和2.16‰。由此可見，6—9月降水δ18O值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于全年的，因?yàn)?—9月為南昌市的雨季，降水集中，即所謂的“降水效應(yīng)”。

2.4 降水和土壤水入滲補(bǔ)給

由于氣候條件、植被類型、下墊面條件以及包氣帶巖性特征等不同，不同的地區(qū)具有不同的補(bǔ)給特征，土壤水中的氫氧穩(wěn)定同位素呈現(xiàn)出不同的變化特征。7—9月各個(gè)斷面土壤水δ18O均值沿土壤剖面變化特征如圖7所示。結(jié)果顯示，總體上，斷面一和斷面三沿土壤剖面變化趨勢(shì)基本一致，但變化幅度有所差異，斷面三表層0—30 cm土壤水δ18O均值沿土壤剖面變化趨勢(shì)與其他兩個(gè)斷面相同，而在土壤剖面最深處(2 m)則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。在土壤深度80 cm以上，斷面二的土壤水δ18O均值與斷面一和斷面三差異較大，而在土壤深度80 cm以下，3個(gè)斷面的土壤水同位素組成變化不大，主要是因?yàn)榈乇砀采w不同，導(dǎo)致凈輻射及地表溫度差異進(jìn)而影響蒸發(fā)作用。斷面一、斷面二和斷面三土壤水δ18O均值變化范圍分別為-5.67‰—-3.19‰、-4.76‰—-3.19‰和-5.91‰—-4.36‰。6—9月的降水δ18O值的變化范圍-13.33‰—-5.29‰，7—9月的修水δ18O值的變化范圍-4.75‰—-3.75‰(圖8)，故斷面一土壤水同位素組成主要受降水的影響；7—9月的贛江δ18O值的變化范圍-5.36‰—-3.30‰(圖9)，7—9月鄱陽湖湖體的δ18O值的變化范圍-8.30‰—-5.65‰(圖10)，故斷面二土壤水同位素組成主要受贛江和降水的影響，而斷面三主要受鄱陽湖水體和降水的影響。

圖8 修水水體氧同位素變化特征Fig.8 Variation of δ18O in Xiu river

圖9 贛江水體氧同位素變化特征 Fig.9 Variation of δ18O in Gan river

圖10 鄱陽湖水體氧同位素變化特征[21-22]Fig.10 Variation of δ18O in Poyang Lake

3 結(jié)論

根據(jù)2013年7—9月鄱陽湖濕地保護(hù)區(qū)3個(gè)斷面不同土地利用下0—2 m剖面土壤水穩(wěn)定同位素的研究，得出以下結(jié)論：

(1)土壤水同位素δ18O值變化范圍-10.63‰—-1.17‰，其中7月份的土壤水δ18O均值最小，8、9月份土壤水δ18O均值相對(duì)較大，降水和蒸發(fā)是控制土壤水同位素組成的重要因素。

(2)土壤水同位素值均落于全球大氣降水線之上，表明研究區(qū)的蒸發(fā)作用小于全球蒸發(fā)平均值，且蒸發(fā)作用在該研究區(qū)域所影響的深度為60 cm。

(3)不同土地利用對(duì)土壤同位素組成的影響程度不同，表層土壤深度(80 cm以上)表現(xiàn)的尤為突出。

(4)三個(gè)斷面的土壤水補(bǔ)給源不同，斷面一土壤水同位素組成主要受降水的影響，斷面二土壤水同位素組成主要受贛江和降水的影響，而斷面三主要受鄱陽湖水體和降水的影響。

致謝:感謝武漢大學(xué)特聘專家Christopher James Gippel博士對(duì)本文英文寫作的修改。

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Variation in stable isotope composition in soil water in Poyang Lake Wetland

ZHANG Xiang1,2,*,DENG Zhimin1,2,PAN Guoyan1,2,WU Shaofei1,2,XIAO Yang1,2,ZHU Cairong1,2

1StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,Chna2HubeiProvincialCollaborativeInnovationCenterforWaterResourcesSecurity,Wuhan430072,China

Soil water plays a crucial role in the hydrological cycle by, for example, delivering nutrients to plants, acting as storage to buffer deficiencies in surface water availability, and serving as a medium to transfer suspended and dissolved material. Understanding water balance processes can be aided by knowledge of the relative contributions of soil water source components, which could be a mix of recent precipitation, older groundwater, and water that has been subjected to evapotranspiration. We used stable oxygen isotopes as a geochemical tracer to identify soil water composition in a wetland area of Poyang Lake, the largest freshwater lake in China, which contains the largest single area of habitat for migratory birds. The focus was on characterizing the variation with depth of the stable isotope composition in soil water profiles, understanding the mechanisms of soil water movement, and identifying the main source of soil water recharge. Sampling was undertaken from July to September 2013 in Poyang Lake National Nature Protection Area at three wetland sites with different land cover characteristics and different degrees of proximity to the lake and river environments. Water samples collected from the Xiu and Gan rivers, which flow into the study area, and soil water sampled at 10 cm intervals over the top 200 cm, were analyzed for stable oxygen isotope composition. For all soil water samples, the value ofδDrelative toδ18Oplotted above the global meteoric water line (GMWL), implying an evaporation level lower than the global average. Theδ18O value of soil water from all samples ranged from -10.63‰ to -1.17‰, with mean values of -3.99‰, -4.99‰, and -5.02‰ for the three sites. The meanδ18O value of soil water was lowest in July. The stable isotope compositions of soil water were found to be mainly controlled by precipitation and evaporation. The value ofδ18O declined with increasing soil depth, with most values ofδ18O at depths of 10 to 60 cm ranging from -6‰ to -2‰, at depths of 80 to 150 cm ranging from -8‰ to -3‰, and at a depth of 200 cm ranging from -7‰ to -4‰. The18O-enrichment of shallow (<60 cm) soil water was probably due to evaporation, while the stable isotope composition of water in deep soil layers suggested it was a mix of recent precipitation and older groundwater. For shallow (<80 cm) soil water, the three sites had a similar pattern of stable isotope composition with depth, but there were differences among sites in absolute values. At one site, stable isotope compositions of soil water were mainly influenced by precipitation; at another site, by precipitation and Gan River water; and at the third site, by precipitation and Poyang Lake water. This study provided reference data that could make a useful contribution to the assessment of regional groundwater resources in Poyang Lake.

Poyang Lake; soil water; stable isotope

國家自然科學(xué)基金(51279143，71073115)

2014- 04- 16;

日期:2015- 04- 20

10.5846/stxb201404160739

*通訊作者Corresponding author.E-mail:zhangxiang@whu.edu.cn

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