-
大气降水是陆地生态系统水循环过程的输入端[1-2],是地表水、土壤水和地下水等水体的重要补给来源[3],也是指示气候变化的关键因子[4-5]。通过监测和分析降水中氢氧稳定同位素组成,可以有效地示踪区域的水汽来源和运动路径,定量阐明降水在森林生态系统水文循环过程中的分配和转化[6-8]。国际上对大气降水的研究始于20世纪50年代初期,并于1961年启动全球大气降水同位素网络(GNIP),在全球范围内对降水中氢氧稳定同位素组成进行连续监测[9]。基于该网络数据库,Craig[10]提出全球大气降水方程(GMWL):δD = 8 δ18O + 10。由于水汽形成及运移过程中降水氢氧同位素的分馏差异,使各地区大气降水线与全球大气降水线的斜率和截距相比存在不同程度的偏移[11]。近年来,我国大气降水氢氧同位素的研究取得了较大进展[12-15]。尤其在长江流域地区,陆续开展了基于大气降水氢氧同位素时空分布特征[16]、大气降水线方程[17]、水汽来源和大气降水氢氧同位素组成与环境因子的关系[18]等研究。孟玉川等[17]研究得出长江流域大气降水线为δD = 7.251 δ18O + 4.297,云下二次蒸发效应对长江流域大气降水方程的斜率和截距影响较小。吴华武等[18]研究表明长江流域大气降水δ18O存在显著的降水量效应、反温度效应和湿度效应。但是,前人对长江流域大气降水氢氧同位素特征研究主要集中在全球降水同位素观测网络GNIP站点城市,对三峡库区秭归段的大气降水氢氧同位素组成及水汽来源的研究还未见报道。
三峡库区秭归段位于长江中上游,距三峡大坝坝址约2 km,是长江流域气候变化的敏感区,也是我国重要生态屏障和国家战略性淡水资源库。受全球气候变化的影响,极端降水事件对该库区影响日趋严重,导致长江流域洪涝灾害频发、水土流失严重。加之三峡大坝的建立,使区域环境发生了显著改变,区内气候更加复杂[19-20]。基于此,本研究通过对三峡库区湖北秭归段2016年9月至2019年8月3个水文年大气降水氢氧稳定同位素实测数据分析,结合降水量、温度等环境因子,运用HYSPLIT轨迹模型,分析研究区大气降水氢氧同位素变化特征和水汽来源,为揭示三峡库区森林生态系统水文过程对气候变化响应机制和减缓长江流域洪涝灾害的发生等提供科学依据。
HTML
-
由2016年9月至2019年8月三峡库区气象资料可知(图1),该库区秭归段总降水量为2 484.9 mm,其中湿季(5—10月)降水量为1 734.3 mm,约占全年降水总量的70%,干季(11月—翌年4月)降水量为757.5 mm。气温变化同降水量变化趋势一致,表现为夏季高温多雨、冬季寒冷干燥的气候特征。
-
三峡库区秭归段大气降水δD的变化范围为−137.34‰~−3.66‰,均值为−51.81‰;δ18O的变化范围为−18.38‰~−2.90‰,均值为−8.44‰(图2,表1)。可见,该库区秭归段大气降水δD(δ18O)变化范围均介于全球[10]与中国[21]大气降水氢氧同位素变化范围内,均值低于全球及中国大气降水氢氧同位素均值。
季节
SeasonδD平均值
δD average /‰δ18O平均值
δ18O average /‰d−excess平均值
d−excess average/‰年平均降水量
Mean annual precipitation/mm年平均温度
Mean annual temperature/℃干季 Dry season −30.61 −6.33 20.06 387.49 5.9 湿季 Wet season −64.90 −9.74 13.05 783.12 17.2 全年 Annual −51.81 −8.44 15.72 1170.61 11.4 Table 1. Seasonal variation characteristics of hydrogen and oxygen isotopes of precipitation and meteorological elements in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area
Figure 2. The monthly variation of precipitation δD and δ18O in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area
湿季大气降水的δD和δ18O变化范围分别为−137.34‰~−3.66‰和−18.38‰~−3.24‰,均值分别为−64.90‰和−9.74‰;干季大气降水的δD和δ18O变化范围分别为−131.95‰~−4.10‰和−18.17‰~−2.90‰,均值分别为−30.61‰和−6.33‰(表1)。由此可知,三峡库区秭归段干季大气降水δD和δ18O富集,而湿季大气降水δD和δ18O贫化。
-
根据三峡库区秭归段3个水文年大气降水δD(δ18O)实测值,采用最小二乘法拟合该地区大气降水δD-δ18O的关系式为:δD =(8.52 ± 0.12)δ18O +(20.11 ± 1.14)(R2 = 0.96,p < 0.01,n = 186)(图3)。
Figure 3. Relationship between δD and δ18O of precipitation in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area
研究区干季大气降水δD-δ18O关系式为:δD =(8.43 ± 0.34)δ18O +(22.76 ± 2.29)(R2 = 0.90,p < 0.01,n = 71);湿季大气降水δD-δ18O关系式为:δD =(8.09 ± 0.11)δ18O +(13.95 ± 0.19)(R2 = 0.98,p < 0.01,n = 115)。湿季大气降水线的斜率和截距均小于干季(图3)。
-
三峡库区秭归段大气降水过量氘(d-excess)变化范围为1.52‰~37.76‰,均值为15.72‰,明显高于全球平均过量氘值(10‰)。研究区过量氘(d)季节变化显著,干季过量氘(d)均值为20.06‰,湿季过量氘均值为13.05‰,湿季过量氘值明显低于干季(图4,表1)。降水过量氘(d)的这种季节变化是季风区气候的特点之一。
-
将三峡库区秭归段大气降水中δD(δ18O)分别与降水量(P)建立线性回归方程,得到P-δD的关系为:δD =(−0.88 ± 0.24)P +(−38.41 ± 4.47)(R2 = 0.05,p < 0.01,n = 186);P-δ18O的关系为:δ18O =(−0.09 ± 0.02)P +(−7.04 ± 0.52)(R2 = 0.04,p < 0.05,n = 186)。由表2可知,在年尺度上,三峡库区秭归段大气降水δD(δ18O)与降水量(P)呈显著负相关关系,表现出降水量效应;在季节尺度上,湿季降水量效应显著,而干季降水量效应不显著。
项目
ItemsδD δ18O 干季
Dry season湿季
Wet season全年
Annual干季
Dry season湿季
Wet season全年
Annual降水量 Precipitation −0.076 −0.289** −0.251** 0.002 −0.293** −0.229** 温度 Temperature 0.058 0.143 −0.424** 0.175 −0.120 −0.348** 注:“**”为通过0.01显著性检验。
Note: **P < 0.01.Table 2. Correlation coefficients between δD (δ18O) and precipitation and temperature in Zigui section of the Three Gorges Reservoir Area
将秭归段大气降水中δD(δ18O)分别与温度(T)建立线性回归方程,得到T-δD的关系为:δD =(−1.80 ± 0.28)T +(−24.23 ± 4.87)(R2 = 0.18,p < 0.01,n = 186);T-δ18O的关系为:δ18O =(−0.17 ± 0.03)T +(−5.84 ± 0.58)(R2 = 0.12,p < 0.01,n = 186)。由表2可知,在年尺度上,大气降水δD(δ18O)与温度(T)呈显著负相关关系,表现出反温度效应;湿季和干季δD、δ18O与温度相关性不显著。
-
为进一步探究三峡库区秭归段大气降水水汽来源,选取该地区3个水文年内干季和湿季共6场典型降水事件(干季和湿季各选择3场不同量级降水事件),利用HYSPLIT水气团轨迹模型对降水气团的运移路径进行模拟。HYSPLIT模拟结果显示(图5),湿季大气降水气团主要来自于西太平洋、印度洋及我国南海,干季大气降水气团主要来自于亚欧大陆内部及局地的水汽蒸发。