長春黑頂子河流域凍土融化期氫氧同位素特征及影響因素分析

趙 強，常 丹，黃介生，王 康

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

融雪產流過程是季節性凍融區一年中最為顯著的產流過程之一。受低溫、積雪、凍融等極端氣候環境的影響，傳統的水文物理觀測手段很難應用于該地區流域水文過程的研究。長序列觀測資料的缺失，加之凍融過程對融雪產流階段水文過程影響的復雜性，使得該地區水循環過程的研究一直滯后于非凍融區[1, 2]。由于氫氧穩定同位素易于測得，且在積雪、降雨、地表水和地下水中有著較大的區別，因而已普遍的應用于寒區流域水文過程的研究[2, 3]。

在國外，穩定氫氧同位素在流域水文過程研究中主要應用于以下幾個方面：通過分析穩定氫氧同位素或水中化學離子在時間和空間上的變化特征進行溯源分析，確定不同季節、時段，不同區域、河段水分的主要來源[4-6]；利用氫氧同位素或結合穩定化學離子(Si、Cl-等)采用兩端元或三端元法[7, 8]，對河水融雪產流過程或降雨事件的新水(融雪水、降雨)和舊水(基流、土壤水和地下水)進行徑流劃分[9, 10]；還有一些研究通過氫氧同位素對湖泊和河道的蒸發量進行估算[6, 11]。在國內，相關研究主要集中在青藏高原地區[12-14]、長江源多年凍土區[15, 16]和黑河流域[17-19]，主要研究的問題包括水汽來源、降水補給高度、河水中同位素時空變化及高程效應、土壤凍融過程與徑流關系等。

以上研究多集中在高寒地區，下墊面以森林、荒漠、草原、草甸為主，受人類活動較小，相對單一。因而穩定氫氧同位素在空間上變異性相對較小，在這些區域適用性較好。而在東北受季節性凍融影響的農業區，尤其是在灌溉和非灌溉農田混合的流域，融雪產流階段穩定氫氧同位素時空變化特征、主要影響因素尚不明確。

因此，本文基于2016年凍土融化期黑頂子河流域積雪、積冰、雨水、河水、土壤水和地下水中氫氧同位素數據，分析了該區域融雪產流及凍土融化階段氫氧同位素的時空變化特征和主要影響因素。本研究有助于評價穩定氫氧同位素在受季節性凍融影響的農業區流域水文循環研究中的適用性，也有利于更深入的揭示這一地區水循環過程。

1 研究區概況

黑頂子河流域位于吉林省長春市雙陽區境內(125°34′27″～125°42′22″E，43°22′48″～43°29′37″N)，區內河長16 km，研究區流域面積為75.25 km2(圖1)。流域內主要土地利用形式是耕地，占流域面積的81.6%，其他兩種主要的土地利用形式是林地(14.0%)和農村居民區(4.4%)。水稻和玉米是流域內僅有的兩種種植作物，其中水稻田分布在下游主河道兩側較為平緩的區域，占耕地面積的15.3%，在種植期灌溉水主要來自上游的黑頂子水庫；玉米田主要分布在上游支流以及下游與水稻田相連的坡地區域，占耕地面積的84.7%。黑頂子河流域屬于溫寒帶半濕潤大陸性季風區氣候，年均氣溫4.8 ℃，最高氣溫22 ℃，最低氣溫-17 ℃，多年平均降水量624.7 mm，多年平均水面蒸發量1 381.4 mm。封凍期一般在11月中旬到翌年4月下旬，歷年最大凍土深度158 cm。根據雙陽縣土壤普查數據，流域內土壤主要包括黑鈣土、草甸土、暗棕土等。

圖1 研究區域及取樣點分布Fig.1 Sketch map of the study area and location of monitoring positon

2 研究方法

2.1 樣品采集

根據流域30 m精度的數字高程地圖(DEM)，將黑頂子流域劃分為13個子流域(Subbasin, SB)，上游5條支流所在的子流域分別為SB1-SB5。凍土融化過程中，對典型支流、河道斷面、積雪、河冰、土壤水和地下水進行監測，監測點布置如圖1所示。2016年融化期共取樣品184個，其中出口、第三支流和第四支流河水樣品采集頻率為每天一次，根據產流階段，主河道斷面A、D、E以及第一、二、五支流出口處分別于3月16日，3月21日，3月28日，4月5日和4月13日進行了五次取樣，共收集河水樣118個；融雪產流前采用直徑10 cm的PVC管取整個積雪斷面的雪樣5個，采用冰鉆在主河道和SB3支流上每隔5 cm取一層冰樣，共13個；采用土鉆法分別在水稻田和玉米田0～10、20～30、40～50、90～100、140～150 cm深度取土樣5個；在三次降雨(4月2日，4月12日，4月14日)過程中采用J16022雨量筒收集雨水樣3個；在水稻田和玉米田分別用洛陽鏟打一口直徑7.5 cm深3.5 m的地下水井并埋入外徑7.5 cm的PVC管，管身1.5～3.5 m之間開孔，管底部及開孔區用尼龍網布包裹，地下水樣每兩天取一次，共34個。水樣采集后立刻裝入10 mL高密度線性聚乙( HDPE) 瓶中，瓶蓋為密封的螺紋蓋，用封口膜進行密封，土樣采集后立即裝入自封袋內，并放入冰箱冷藏，以防止蒸發作用引起的同位素分餾。

2.2 氫氧同位素和水化學分析

所有地表及地下水樣過0.2 μm濾膜后注入1.5 mL的自動取樣瓶。對于土壤，采用真空蒸餾技術提取土壤水樣。水樣的氫氧穩定同位素均在武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室穩定同位素分析實驗室進行分析，采用MAT253同位素比質譜儀連接Flash EA/HT測定水樣中的δ18O和δD，δ18O和δD的儀器分析精度分別為0.2%和2%。所有水樣測定結果以V-SMOW為標準的千分差表示：

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3 結果與討論

3.1 黑頂子河流域氫氧同位素特征

黑頂子流域融化期地表水、土壤水和地下水的穩定氫氧同位素大小、變化范圍如表1所示。

表1 黑頂子流域地表水、土壤水和地下水穩定氫氧同位素分布特征Tab.1 Characteristics of δ18O and δD for surface water, soil water and ground water in the Heidingzi watershed

2016年積雪中δ18O和δD均最小，變化范圍最廣，變異性最大，這是因為流域內積雪受地形、土地利用類型、地表植被、風吹雪等作用的影響，分布不均勻[20]，隨后的升華、融化和混合作用導致δ18O和δD在時間和空間上變異性較大[21]。地下水尤其是水稻田地下水同位素最為富集，且變化范圍和變異性最小，說明在整個融化期凍土層減弱甚至隔絕了融雪水對地下水的補給。由圖1可知，支流兩側主要為玉米田，其δ18O和δD大小位于積雪和玉米田土壤水與地下水之間，說明支流的水分同位素是融雪水與土壤水或地下水混合的結果；主河道河水中δ18O和δD平均值大于支流，且變化范圍與變性更大，說明有其他富含δ18O和δD的水源匯入，通過表1可知，這些水源可能是河岸兩邊水稻田的土壤水、地下水或者主河道內積冰融水。

圖2中直線為全球降水線，點畫線為第二松花江當地降水線[22]，由于黑頂子河流域為第二松花江流域的子流域，所以可以將該直線近似看作是黑頂子河流域的當地降水線(圖2)。黑頂子河流域凍土融化期降水線(積雪與降雨δ18O和δD擬合直線)為δD=8.64δ18O+15.31，斜率和截距略大于全球降水線和當地降水線。已有研究表明，影響降水線截距的主要因素是影響海水蒸發的動力因素，其中最重要的是空氣濕度，濕度越小，截距越大[23, 24]；而影響其斜率的主要因素則海面溫度，溫度越低，斜率越大[25]。由于凍結期和融化初期相對于一年中其他時期海面溫度低、濕度小，因而降水線斜率和截距更大。

由圖2可知，玉米田和水稻田的土壤水與地下水均勻的落在當地降水線附近，說明這些水分的來源主要是凍結期前的降雨。融化期河道中水δ18O和δD落在融化期降水線右下方，當地降水線左上方，說明是蒸發分餾作用以及融雪水與地下水、土壤水混合作用的結果。由于河水尤其是主河道水同位素分布更趨向于當地降水線，說明在融雪產流期融雪水對河水的貢獻量小于地下水及土壤水的貢獻量。

圖2 融化期穩定同位素δ18O和δD之間的關系Fig.2 Relationship between δ18O and δD during the thaw period

3.2 凍土融化期氫氧同位素的時間變化規律

綜合考慮產流過程、凍土融化過程及降雨的影響將整個融化期劃分為四個階段(圖3)，階段Ⅰ(3月14日-3月19日)為融雪產流初期，凍土融深11 cm，融化速率2.75 cm/d；階段Ⅱ(3月20日-4月1日)為融雪產流后期，凍土融化至30 cm，融化速率為1.46 cm/d；階段Ⅲ(4月2日-4月13日)為凍土融化活躍期，該階段凍土融化至75 cm，融化速率為3.75 cm/d；階段Ⅳ為降雨產流期，該階段出現比較集中的降雨。

由于δD和δ18O具有良好的線性相關性，且δ18O更加穩定，因而此后所有討論均以δ18O為主。由圖3可知，整個融化期河水中δ18O最小值出現在顯著產流前一次降雨導致的融雪產流中，主河道與支流δ18O比較相近，為-9.3‰左右，主要因為產流時間短、溫度低，凍土層未融化，降雨導致的融雪水與土壤水混合程度較小，主河道與支流中δ18O均體現了積雪和降雨的同位素特征。

在融雪產流初期，河水δ18O迅速上升，是整個融化期變化最劇烈的階段，原因有兩個：①在凍結過程中，溫度梯度使土壤水向表層聚集，加之融雪產流前降雨及短期升溫導致的部分積雪融化入滲，導致表層土壤含水率很高。2016年3月12日取樣結果表明玉米田表層10 cm質量含水率為32.12%，20～40 cm平均含水率為24.91%，對應的水稻田10 cm和20～40 cm平均含水率分別為57.73%和44.87%。融雪初期，凍土融化深度為11 cm，融雪水與大量δ18O較高的土壤水混合(圖5)，導致同位素豐度迅速增加；②凍土層的存在抑制了土壤入滲，融雪水會聚積在地表，使表層土壤飽和或形成地表積水，此時蒸發更接近于水面蒸發，加之較高的溫度，使得蒸發分餾作用明顯，因而δ18O迅速增加。融雪產流后期，積雪融化殆盡，沒有融雪水的補充，河水來源為產流初期入滲水與進一步融化土壤中土壤水的混合，且隨著土壤融化深度的增加，產流形式從地表產流逐漸轉變為壤中流，受地表蒸發作用減弱，因而在融雪產流后期，δ18O緩慢增加。在凍土融化活躍期，主河道δ18O上升速度明顯快于支流，原因可能有兩個：①該階段溫度較高，流量減小后流速變慢，主河道中河水停留時間更長，因而受蒸發作用影響更明顯；②主河道兩側多為水稻田，土壤含水率較高，凍土層底部凍土融化產出水分抬高了地下水位(圖4)，同時該階段流量減小，河道水位下降，使得河水與兩岸地下水水位差增加，從而使得δ18O較高的水稻田地下水補給河道水，與河水發生混合作用。在降雨產流期，δ18O較低的雨水混入導致河水同位素迅速下降。

圖3 融化期日平均氣溫和降雨量隨時間的變化關系;流域出口δ18O、流量隨時間變化關系；第三支流出口δ18O、流量隨時間變化關系；第四支流出口δ18O、流量隨時間變化關系Fig.3 Temperature(T) and precipitation(P) during the thaw period; Discharge(D) and δ18O of watershed outlet; Discharge and δ18O of the third subbasin outlet; Discharge and δ18O of the fourth subbasin outlet

圖4 水稻田地下水深隨時間變化情況Fig.4 Groundwater depth variation of paddy land

通過以上分析可知，在季節性凍土融化期，凍土融化過程和降雨是控制河水穩定同位素在時間上變化的主要因素。

3.3 凍土融化期氧同位素的空間變化規律

3.3.1 不同下墊面之間同位素差異

由表1可知，水稻田地下水和土壤水δ18O平均值分別為-6.5‰和-7.7‰，均大于玉米田(-8.0‰和-8.4‰)。由圖2可知，水稻田地下水和土壤水大部分點均位于當地降水線右下方，而玉米田地下水和土壤水則位于當地降水線上或者左上方，說明水稻田土壤水和地下水受到了更強烈的蒸發作用。由圖5可知，水稻田土壤水δ18O呈表層小深層大的變化趨勢，玉米田恰恰相反。這是因為，玉米田水分主要來自大氣降雨，深層土壤及地下水受蒸發作用較小，δ18O較小，而表層土壤受蒸發作用影響明顯，δ18O則較大。水稻田地下水及深層土壤水主要來自于種植期灌溉入滲水，這些水灌溉前后分別在水庫和水稻田中經歷了很長時間的水面蒸發作用，因而δ18O很大，而表層土壤水主要來自于秋冬季降水及融雪水入滲，凍結作用有效減少了蒸發，因而δ18O相對深層土壤水更小。

圖5 融雪產流前土壤水δ18O垂直分布情況Fig.5 Vertical δ18O distribution of soil water at the beginning of snowmelt

3.3.2 主河道與支流中同位素差異

由表1和表2可知，整個融化期主河道中δ18O顯著大于支流，且主河道中δ18O在時間上的變異性均大于支流。這是因為主河道兩側包含更多的下墊面信息和地形信息，導致匯入主河道的水分更加多元化，比如水稻田地下水補給，兩岸生活用水，其中生活用水來自于當地深層地下水。河道內融冰也會貢獻δ18O相對較大的水，尤其是后期深層冰融化時。由圖6可知，主河道內冰δ18O自上而下呈增加趨勢，主要是因為底層冰主要來自于凍結過程中水稻田土壤水或淺層地下水，而表層冰則主要來自于凍結期短期升溫導致的積雪融水。

表2 2016年融化期支流與河道水樣穩定同位素δ18O結果分析表Tab.2 δ18O of main stream water and tributary water during the thaw period of 2016

圖6 主河道冰δ18O垂直分布圖Fig.6 Vertical δ18O distribution of ice in main stream

此外，主河道相比于支流坡度小，河道長且寬，河道中有四個節制閘，閘前后有不同程度的擁水，因而主河道水面面積、河水在主河道中停留的時間遠大于支流，受蒸發作用影響更大。比較不同時段支流與干流的差異可以發現，在凍土融化活躍期最為顯著，在融雪初期二者差異最小，其次是降雨產流期，說明水循環活躍期流域同位素差異性較小。

4 結 論

黑頂子河流域在融化期積雪δD和δ18O平均值最小，分別為-93.3和-12.8，且變異性最大，融化期降水線為δD=8.64δ18O+15.31，斜率和截距均略大于全球降水線。地下水、土壤水受凍結期前降雨影響較大，均勻落在當地降水線兩側，由于凍土層隔絕了地下水與融雪水的聯系，地下水穩定同位素值變異性最小。

受蒸發與混合作用的影響，融雪產流初期河水δ18O值迅速上升，此后由于凍土融化層的加深，融雪水與土壤水混合作用變弱，蒸發作用減小，δ18O值緩慢增加，直至降雨產流期，降雨作用導致河水δ18O值迅速減小。在凍土融化活躍期，主河道由于水稻田地下水補給的原因，δ18O值上升速度大于支流。

土地利用類型不同會導致下墊面之間土壤水和地下水同位素豐度差異較大。玉米田土壤水主要來自降雨，經歷了先入滲再蒸發的過程，因而呈現表層大深層小的變化趨勢。水稻田深層土壤水和地下水主要來自作物生長期灌溉水，經歷了先蒸發后入滲的過程，因而δ18O值較大，而表層土壤水主要來自凍結期降雨或融雪入滲，因而δ18O值較小。

受水稻田地下水補給、河道融冰補給以及蒸發作用的影響，主河道穩定同位素值顯著大于支流，這種差異與流域水循環活躍程度相關，融雪產流和降雨階段差二者差異較小，其他階段差異較大。

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