室外水體蒸發氫氧同位素日變化特征

鐘瑞

摘 要：為研究室外水體蒸發氫氧同位素變化特征，連續12個小時采集四川大學聽荷池的水樣，獲得了水體蒸發氫氧穩定同位素與溫度的關系。實驗結果表明，水體蒸發實驗中，溫度越高，蒸發速度越快，在同樣的蒸發時間內水體重同位素富集程度越大；室外水體自由蒸發實驗中得出的蒸發線方程斜率較大地偏離了當地降水線，表明實驗期間水體蒸發分餾作用較明顯。該研究為進一步揭示水體蒸發分餾規律提供了可靠的實驗依據。

關鍵詞：水體蒸發；氫氧同位素；日變化；實驗研究

中圖分類號：P339 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0019-02

1 實驗區概況

取樣點位于成都市武侯區四川大學聽荷池，北緯30°38'3.64〃，東經104°05'12.38〃，海拔大約為490m，池面積為1.2hm2，降水是聽荷池水量的主要來源。成都市屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區，常年最多風向是靜風，冬濕冷、春早、無霜期較長，四季分明，熱量豐富，年平均氣溫16°C，最高氣溫38.6°C，最低氣溫-5.9°C，無霜期為287d，初霜期出現的時候大約為11月底，終霜期一般在2月，冬季的平均氣溫大概為5°C，平均氣溫比同緯度的長江中下游地區高1～2°C。冬春雨少，夏秋多雨，雨量充沛，多年平均降雨量約為900～1300mm，多集中在7～9月份。光、熱、水基本同季，氣候資源的組合合理，很有利于生物繁衍。風速小，風速為1～1.5m/s，晴天少，日照率在24～32%之間，年平均日照時數為1042～1412小時。

2 樣品收集與分析

2.1 樣品收集

2016年12月4日，在聽荷池采集水樣，氣象數據為當時現場測量記錄。

取樣品之前，需要把塑料瓶放入7N的HNO3浸泡一整天，然后用超純水清洗多次，接著放入烘箱將塑料瓶的水烘干，為了保證取樣工具的潔凈與干燥，以免污染樣品。采取樣品時，盡量將水樣裝滿瓶子，這是因為考慮到液態水分子之間存在著范德華力，它會使水分子的運動速度遠遠小于氣態情形，這樣可以降低蒸發時的分餾作用。

取樣采集：2016年12月4日，8：00至20：00，每個小時分別在聽荷池東南西北角采集水樣，每次取樣的地點以及取樣的深度基本上都沒有變化。每次將取好的水樣裝入50ml的塑料瓶中，現場記錄日期和溫度等，用封口膜將瓶口封住，以免造成分餾。最后把裝好的樣品帶回實驗室進行分析。

2.2 樣品處理及分析

所有樣品在測量之前用1ml一次性注射器和0.45μm濾頭進行過濾，然后把過濾好的樣品在四川大學水利水電學院同位素實驗室進行分析。水在蒸發時，組成水分子的氫和氧同位素含量將產生微小的變化。自然界中穩定同位素組成的變化很微小，國際上一般用δ值表示元素的同位素含量。采用激光液態水穩定同位素分析儀，測定抽取水樣的δD、δ18O和δ17O，其測定精度分別達0.3‰、0.08‰ 和0.08‰。測得的水樣中氫氧同位素含量為“與標準平均大洋水（SMOW）”的千分差，表示為

δ=（Rsample-Rstandard）×1000/Rstandard

式中：Rsample為水樣中D、18O或17O的濃度；Rstandard為SMOW中 D、18O或17O的濃度。

3 實驗結果

樣品同位素分析結果見表1。

（1）根據采樣獲得的樣品同位素值，可以看出，自由水體蒸發實驗蒸發線斜率（s=5.907），水體δ18O蒸發線方程為δD=5.907δ18O-11.003，我國西南地區大氣降水線為δD=7.96δ18O+9.52，可看出蒸發線和當地降水線發生了比較大的偏離，說明冬季水體的蒸發作用是非常明顯的，在沒有降雨輸入混合的條件下蒸發水體δ18O較容易富集。根據采樣獲得的樣品同位素值，畫出δ17O-δD關系圖，可以看出水體δ17O蒸發線方程為δD=8.086δ17O-31.185，與大氣降水線較接近，說明蒸發作用對δ17O的影響不明顯。

（2）水體蒸發主要受制于溫度、氣壓和相對濕度等諸多氣象條件。實驗中溫度與水體蒸發量成正比，溫度越高，蒸發得速度就越快，然而蒸發量就越大。根據聽荷池2016年12月4日連續12個小時的取水樣品的實際檢測值分析，一號水樣中δD值介于-80.02‰～-79.25‰之間，變化幅度為0.77‰；δ18O值介于-11.89‰～-11.45‰之間，變化幅度為0.44‰；δ17O值介于-6.23‰～-5.86‰，變化幅度為0.37‰。二號水樣中δD值介于-77.44‰～-76.40‰之間，變化幅度為1.04‰；δ18O值介于-11.09‰～-10.54‰之間，變化幅度為0.55‰；δ17O值介于-5.91‰～-5.67‰，變化幅度為0.24‰。在同樣的濕度、風速等氣象因素條件下，溫度變化相同，δ17O的變化幅度最小，δ18O次之，δD的變化幅度最大，δD日平均改變量分別為δ18O、δ17O的1.82倍和3.21倍，δD更敏感地響應溫度的變化。根據相應圖水樣δD和溫度T相關性分析，水體中δD與溫度T的關系方程分別為δD=0.0165T-79.987，δD=0.0642T-77.626；水樣δ18O和溫度T相關性分析，水體中δ18O與溫度T的關系方程分別為δ18O=0.0301T-11.955，δ18O=0.0181-11.040。可以看出，水樣中的δD、δ18O隨著溫度的升高均呈現上升的趨勢，δD、δ18O與溫度有顯著的正相關性關系，說明溫度越高，蒸發速度越快，相同時間間隔內蒸發量越大，水體中的富集程度也越大。

4 結論

（1）通過水體自由蒸發實驗，得到了蒸發線方程為δD=5.907δ18O-11.003，與當地大氣降水線方程δD=7.96δ18O+9.52相比，斜率要偏小許多，結果顯示，在試驗期間氫氧同位素蒸發分餾比較地明顯，水體中較富集重同位素。

（2）水體蒸發實驗中，溫度越高，蒸發的速度越快，在同樣的蒸發時間內水體中重同位素富集程度越大。

蒸發對研究不同水體穩定同位素組成、揭示水分運動規律、示蹤水循環具有重要意義。由于蒸發同位素分餾是一個相對復雜的過程，國內在這方面的研究和應用還非常欠缺，需做更多的基礎理論和實驗研究。

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