穩定氫氧同位素示蹤水汽來源對哈尼梯田降水補給的影響

徐秋娥,劉澄靜,角媛梅,肖敏軒,丁銀平,張育豪,馬 帆,張園園

云南師范大學旅游與地理科學學院, 昆明 650500

利用穩定氫氧同位素追蹤降水的水汽來源是國際大氣和水文科學的熱點領域[1- 3]。降水中穩定氧(O18)和氘(D)同位素是水汽來源的天然示蹤劑[4-5],是區域及全球水循環中的一個重要輸入項,其豐度與形成時的氣象條件及水汽源區的初始狀態存在密切聯系[3,6]。因此,同位素環境效應可作為降水來源的自然示蹤劑來反演大氣過程[7],判別不同區域的水汽來源[4,8],反映區域氣候特征[9],進而深入了解區域水循環過程[10]。目前關于降水穩定氫氧同位素組成及其水汽來源的研究,已在中國的西南地區[11]、西北地區[12]、東北地區[13]、東部沿海地區[14]、青藏高原[15]等地區展開,這些研究深入探討了不同區域水汽來源的方向、數量等特征,以及季風區與非季風區、冬季風與夏季風的水汽來源差異等方面。整體上,大區域乃至全國范圍的大氣穩定氫氧同位素分布特征、同位素效應及其輸送過程變化規律與機制等已經取得了重要的研究成果[16-20]。但目前的研究,在空間上對北方非季風區水汽來源的研究要多于對南方季風區的研究；在尺度上則缺乏對于小尺度地區的水汽來源及其運移過程的精細研究；在時間上則比較注重對雨季(夏季風)水汽來源的研究而缺乏對旱季(冬季風)的研究。在季風區,相比于降水較多的雨季,旱季較少的降水和水汽來源及其區域效應則更應該受到較多的研究和關注。

哈尼梯田世界文化景觀遺產位于我國西南部,屬典型的亞熱帶季風氣候區,旱季(11月—次年4月)降水較少和雨季(5月—10月)降水較多[21]。研究區內降水水汽來源及其影響因素非常復雜,旱雨季存在明顯差異[22]。水作為維系哈尼梯田遺產景觀穩定性的關鍵因素,尤其在降水匱乏的旱季梯田內“灌水養田”和“沖水肥田”等農業生產活動都需要大量水源支持,降水作為哈尼梯田區最主要的補給水源,明晰旱季降水水汽來源、循環過程及其影響因素對哈尼梯田的農業生產、遺產保護都具有十分重要的作用。因此,本研究通過對哈尼梯田區旱季降水穩定氫氧同位素時空變化特征的分析,旨在揭示1)影響旱季降水穩定同位素組成的主要環境因子及其相互關系；2)旱季水汽來源及其比例；3)哈尼梯田區旱季降水對梯田的補給情況及其生態意義。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區

研究區位于全福莊河小流域,屬于哈尼梯田文化景觀遺產核心區的壩達片區[23],地處云南省紅河哈尼族彝族自治州元陽縣。經緯度范圍在102°43′16″—102°50′39″E、23°5′20″—23°13′18″N之間。研究區地處哀牢山南段,屬紅河一級支流麻栗寨河的源頭區為扇形小流域,流域地勢南高北低,呈階梯狀逐漸降低,海拔范圍在1450—2261 m之間,相對高度811 m,面積約13.92 km2。區內垂直氣候差異明顯,1800 m以上為北亞熱帶氣候和溫帶氣候,年均溫在15 ℃左右,年均降水量1800 mm；海拔1800 m以下地區為中、南亞熱帶氣候,為梯田主要分布區,年均溫為17 ℃,年均降水量1500 mm。旱雨季分明[24],雨季降水量1089.7 mm,旱季降水量僅為307.9 mm,降水的水汽來源與影響降水的因素比較復雜。

1.2 降水樣品采集與測試

在收集研究區相關資料和前人研究方法的基礎上結合研究區實際情況,于2015年11月和12月至2016年1月至4月在研究區按月采集研究區旱季降水,采樣點位置通過手持GPS確定,所設置的7個樣點按海拔梯度分布：樣點1(1500 m)、樣點2(1680 m)、樣點3(1798 m)、樣點4(1889 m)、樣點5(1957 m)、樣點6(2004 m)和樣點7(2024 m),共采集有效大氣降水樣品42個(圖1)。采集樣品時,先用自制的雨水收集器收集雨水,到該月結束后對桶內收集的雨水進行采集,并記錄月降水量。收集雨水收集器中雨水樣品時,先將100 mL聚乙烯瓶用雨水清洗3次,迅速灌滿,使瓶內無氣泡后用密封膠封口,貼好標簽。氣象數據采集來自設立于全福莊中寨(樣點3)的DAVIS Vantag自動氣象站,每小時一個數據,具體采集氣象數據包括降水量、室外溫度、室外濕度、風速、風向、氣壓等。

圖1 研究區與采樣點分布圖Fig.1 Study area and distribution of sampling sites

穩定氫氧同位素測試在云南師范大學高原湖泊生態與全球變化重點實驗室進行。采用Picarro L2130-i超高精度液態水和水汽同位素分析儀上測定,液態水測試結果的δ18O確保精度±0.1‰,δD確保精度±0.5‰,最終分析結果是用相對于維也納標準平均海洋水(V-SMOW)的千分差表示：

(1)

(2)

式中,RO-sample為水樣中穩定氧同位素比率R(18O/16O),RD-sample為為水樣中穩定氫同位素比率R(D/H),RV-SMOW為維也納標準平均海洋水中穩定氧和氫同位素比率R(18O/16O)和R(D/H)。

1964年Dansgaard[1]根據Craig[7]得出的全球大氣降水線提出并定義了氘盈余值(又稱過量參數,簡稱d-excess值),用來反映本地降水與全球降水的穩定氫氧同位素分餾程度。

d=δD-8×δ18O

(3)

1.3 數據處理與后向軌跡模型(HYSPLIT)

研究區采樣點和地形圖由地理空間數據域提供的30 m×30 m的數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)在ArcGIS 10.0軟件中進行制圖綜合得出。穩定氫氧同位素測試結果采用SPSS 20軟件進行統計分析,主要分析方法包括相關性分析、一元回歸分析和假設檢驗等,分析結果圖采用Grapher 12軟件制作。

旱季不同時間大氣降水水汽的來源軌跡,采用的是后向軌跡模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,簡稱HYSPLIT模型)[25-26]的軌跡模擬結果,該模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯合研發的用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡,并可以實時預報風場形勢、研究水汽輸送軌跡的專業模型。模型運行的初始時間為UTC時間0時,高度為500 m(距研究區地面),追蹤點為位于研究區樣點中間位置的樣點3,向后追蹤5 d,即120 h,這樣即可覆蓋連續性降水,還可提高追蹤水汽來源的精度。同時結合實際情況和前人相關研究對軌跡模擬結果進行聚類分析和GIS制圖綜合,得出旱季大氣運動的后向軌跡圖。

2 結果與分析

2.1 降水中穩定氫氧同位素分析

2.1.1本地大氣降水線

依據研究區所采旱季降水穩定氫氧同位素數據,得出研究區局地大氣降水線(Local Meteoric Water Line, LMWL)方程為:δD=7.31δ18O+19.8 (R2=0.94,P<0.01,n=42),表明研究區旱季降水的穩定氫氧同位素組成具有極好的相關性(圖2)。如圖2所示,研究區降水穩定氫氧同位素值全部位于全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line, GMWL)上方,且LMWL的斜率7.31要小于GMWL的斜率8,這表明該區降水來源于具有不同穩定氫氧同位素比率的源地,且降水形成過程中還受到蒸發等其他環境因素的影響,故出現18O偏離GMWL的現象。此外在局地降水上,旱季降水穩定氫氧同位素值存在明顯的月間差異,同位素值呈現出隨時間變化而不斷富集的趨勢,這種趨勢在一定程度上也反映了研究區不同月份降水的形成過程存在差異。

2.1.2大氣降水δ18O、d-excess變化特征

根據旱季7個樣點降水同位素δ18O在不同月份的分布情況可知(圖3),δ18O的變化范圍在-8.97‰—-0.92‰之間,平均值為-4.47,總體上旱季δ18O富集。從時間上看,旱季降水同位素δ18O值隨旱季的深入逐漸富集,并呈現出旱季前期(11月至次年1月)和后期(次年2月至次年4月)兩個不同的增長階段。其中,在旱季前期降水同位素素δ18O值快速富集,變化率為2.69‰/月；在旱季后期降水δ18O值富集的速度減緩,變化率為0.60‰/月。從空間上看,各月樣點降水同位素值差異較小,隨海拔變化的情況不明顯,這與相對較小的海拔梯度有關。

圖2 大氣降水δ18O和δD的關系Fig.2 Relationship between δ18O and δD

圖3 旱季降水δ18O和d-excess的時間變化 Fig.3 The monthly variation of deuterium excess and δ18O in precipitation during the dry season

從降水同位素d-excess值在不同月份的分布情況來看(圖3),研究區旱季d-excess值范圍在12.44‰—31.11‰之間,平均值為22.87,要明顯大于全球d-excess值的10‰。在旱季氘盈余值隨時間的變化也存在兩個階段的特征,在旱季前期d-excess不斷上升,變化率為3.71‰/月；在旱季后期d-excess不斷降低,變化率為-4.80‰/月。在空間上,各月樣點降水d-excess值差異較小,隨海拔變化的情況不明顯。

2.2 影響降水δ18O的環境因子

將各樣點降水穩定氧同位素的月平均值與各環境因子(降水量、溫度和相對濕度)進行分析,結果見表1和圖4。

表1 研究區旱季降水平均δ18O與主要環境因子的關系

圖4 旱季降水量、溫度、相對濕度的變化Fig.4 Change of precipitation, temperature and relative humidity during the dry season

2.2.1大氣降水δ18O與各環境因子的一元回歸分析

7個樣點降水δ18O平均值與降水量、溫度和相對濕度的一次和二次擬合方程P值均大于0.05(表1),表明三者均不是影響降水δ18O變化的主要因素。這是由于大氣降水在凝結過程中,由于旱季相對濕度較低且溫度較高,降水分餾以動力過程為主,雨滴在下降過程中經歷了二次蒸發過程或雨滴凝結時混入了一定量的局地循環的水汽。

2.2.2大氣降水δ18O與各環境因子的多元回歸分析

通過以上分析,在旱季,各樣點旱季降水同位素值與溫度、降水量和相對濕度的相關性未通過相關系數臨界值檢驗,即旱季降水δ18O沒有明顯的主導性環境因子。綜合考慮旱季降水同位素δ18O與降水量、溫度和相對濕度各主要環境因子的影響,對旱季降水δ18O值與各環境因子做多元回歸分析,回歸方程為：δ18O=-0.002P-0.86T-0.39H+38.22 (R2=0.96,P=0.05),式中P為降水量(mm),T為溫度(℃),H為相對濕度(%),其相關系數為0.98,說明旱季降水同位素變化是多因素綜合影響的結果,局地水汽循環過程顯著。

2.3 旱季降水的水汽來源

2.3.1氘盈余指示的水汽來源

從降水同位素d-excess值在不同月份的變化特征來看(圖3),旱季氘盈余值隨時間的變化也存在兩個階段的特征,在旱季前期d-excess不斷上升,變化率為3.71‰/月；在旱季后期d-excess不斷降低,變化率為-4.80‰/月。在與環境因子的相關性方面,d-excess與溫度和相對濕度都有顯著的相關性,在0.05的顯著性水平下,d-excess與溫度和相對濕度相關系數分別為-0.89,0.81。這說明旱季降水的d-excess更能夠展現局地環境因子對降水同位素的影響,而與降水量較低的相關性則是由旱季降水較少和影響因素較多造成的。

從圖3可知,可根據d-excess變化情況將研究區的水汽來源分為旱季前期和后期兩類,旱季前期不斷升高的d-excess說明研究區水汽來源正逐漸從海洋水汽向大陸水汽轉變,降水δ18O逐漸富集,整體上呈現出同位素富集的情況；旱季后期d-excess逐漸降低則說明的水汽來源又從大陸水汽逐漸轉變為海洋水汽,降水δ18O雖然沒有逐漸貧化,但富集趨勢開始變得平緩,這可能與這個時段的降水量偏少有關。

2.3.2基于后向軌跡模型的水汽來源

不同的水汽來源是影響降水同位素組成的關鍵因素,利用HYSPLIT模型對旱季水汽來源進行軌跡模擬得出旱季大氣運動的后向軌跡圖(圖5),結果如下：

在整個旱季,水汽輸送主要有西南輸送水汽(SW)、西風南支輸送水汽(SB)、西風北支輸送水汽(NB)、北方冷空氣輸送水汽(NE)以及東南太平洋水汽(SE),此外還有部分局地水汽(Local)等6個主要水汽來源。其中以西南輸送水汽最多,約占整個旱季的67%；其次為西風南支輸送水汽,約占整個旱季的12%；其余水汽貢獻比例較少,整體上均小于10%,但在個別月份略有上升。因此,在整個旱季西南水汽和西風南支水汽是研究區主要的水汽來源。

在旱季各月間,11月至次年2月,西南輸送水汽來源比例逐漸較少,次年3月至4月又逐漸增多,同時西南輸送水汽比例又在一定程度上與西風南支和局地水汽比例成反比,這與d-excess的分析結果基本一致。其中,西風南支輸送水汽比例在11月至次年1月逐漸增加,而次年2月至4月又逐漸減小；局地水汽比例則在次年2月急劇增加,而2月以后又逐漸減少。在降水δ18O方面,由于旱季前期源于西南輸送的海洋水汽逐漸減少,局地水汽和西風南支輸送的大陸水汽逐漸增多,δ18O也在不斷富集；雖然在旱季后期西南季風輸送水汽的比例逐漸增加,局地水汽和西風南支輸送水汽比例不斷減少,但由于降水量較少且相對濕度較高(圖5),降水δ18O沒有出現逐漸貧化的情況,只是富集趨勢有所降低。這說明,不同水汽來源的水汽也會受到局地環境因素的影響,影響結果大小一定程度上取決于水汽所形成的降水量的大小。

圖5 研究區旱季水汽來源后向軌跡示意圖Fig.5 Cluster of backward trajectory from study area during the dry season

3 討論

3.1 旱季大氣降水δ18O與各環境因子的關系

在本研究中,旱季降水同位素值與降水量、溫度和相對濕度的相關性并不顯著,即旱季降水δ18O沒有明顯的主導性環境因子。而一般認為降水穩定同位素組成變化受到了水汽凝結時溫度、水汽輸送方式、降水的季節變化、降水期間的溫度和濕度等因素影響[11]。Dansgaard定義了降水中δ18O與溫度之間存在顯著正相關性關系為溫度效應,而降水中δ18O與降水量之間存在反相關性,將此現象定義為降水量效應[1]。田立德、劉忠方等[27]人認為高緯度地區影響降水穩定同位素組成變化的主要是溫度因素,而在低緯度熱帶及亞熱帶地區則為降水量。在季節尺度上,哈尼梯田地區的大氣降水穩定氫氧同位素組成具有明顯的季節性,旱雨季差異較大,由于雨季平均氣溫較旱季大,且降水量集中在雨季,旱季與雨季水汽來存在差異,雨季存在明顯的溫度效應[1],這與環境同位素的分餾作用主要受制于相變過程中的溫度的說法一致[28-29],旱季降水量少,旱季沒有主導性因子。但在年尺度上看,由于季風的控制哈尼梯田區降水多集中在溫度較高的雨季,全年降水δ18O值存在明顯降水量效應[21]。

3.2 旱季降水水汽來源對哈尼梯田降水補給的影響

圖6 旱季降水量和蒸發量Fig.6 Precipitation and evaporation during the dry season

章新平等[30]的研究表明,中國西南地區旱季降水穩定同位素比率和d-excess較大,主要受大陸性氣團影響,水汽主要來源于西風帶的輸送和內陸再蒸發水汽的補給。本研究的水汽來源分析表明,哈尼梯田區不僅受少量的西風南支和局地水汽補給,更多的是受西南季風的影響,除2月份占比為43%外,其余月份均占70%左右(圖5),使11月和次年4月都出現較多的降水量(圖4),從而為哈尼梯田秋末(11月)的“灌水養田”活動和春初(4月)的“沖水肥田”活動所需的水源提供有效補給。在研究區的梯田內,旱季灌水養田時的水深一般為20—25 cm,梯田儲水量為0.25 m3/m2[31]。由于旱季灌水養田時田水一般不會排出,且梯田底泥底一般為黏土,透水性弱,因此蒸發是旱季田水損失的主要原因。要保證研究區旱季梯田水體的穩定和持續,研究區旱季的降水量必須要大于蒸發量。根據研究區2015—2016年的旱季降水量(424.93 mm)和旱季蒸發量(393.24 mm)計算出的干燥度為0.93,小于1(圖6),研究區在旱季依然達到了濕潤地區的指標。這說明研究區旱季的降水能夠完全保證梯田區旱季灌水養田的需求,保障了旱季哈尼梯田農業生產活動,是實現哈尼梯田千年的可持續發展的關鍵因素。

4 結論

哈尼梯田世界遺產核心區全福莊河流的局地大氣降水線方程為δD=7.31δ18O+19.8 (R2=0.94,P<0.01,n=42),δ18O和d-excess前期均快速富集,后期則是δ18O富集速度減緩但d-excess快速降低。在旱季中,降水δ18O與降水量、溫度和相對濕度等因子方程為δ18O=-0.002P-0.86T-0.39H+38.22 (R2=0.96,P=0.05,n=42)。HYSPLIT模型結果顯示旱季主要有西南季風(67%)、西風南支(12%)和局地水汽(8%)等3個水汽來源,西南季風帶來的降水在旱季末期(11月)為“灌水養田”,以及次年最干旱月份(4月)的“沖水肥田”和“栽插準備”等梯田農事活動提供了充足的水源保障。

致謝：云南師范大學高原湖泊生態與全球變化重點實驗室對同位素測試給予支持,特此致謝。