基于氫氧同位素技術的流域水源涵養研究進展

孫 龍, 陳利頂,2,*,楊 磊

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

水源涵養功能有助于攔蓄降水、調節徑流,影響著生態系統水文調節、水質凈化等功能,是陸地生態系統重要的生態系統服務之一[1- 3]。在人口增長、城市化及氣候變化的背景下,水體污染、水資源供需矛盾等生態環境問題不斷加劇,水源涵養需要以更加系統、動態的視角深入研究[4- 6]。水源涵養相關研究多關注水源涵養能力的估算,但僅僅估算水源涵養能力,往往難以體現流域水源涵養過程及作用[7- 10]。隨著同位素水文學的發展,同位素技術在水文水資源的研究中的優越性逐漸得到凸顯[11- 16]。氫氧同位素作為天然示蹤劑,在水分溯源、水分輸移時間估算等研究中發揮著重要作用[14, 17- 20]。氫氧同位素在生態系統中天然存在,且通常在不同客體中同位素構成不同,從而為溯源追蹤提供了可能性。因此,基于氫氧同位素示蹤技術刻畫的水分來源、平均滯留時間等,能夠系統反映流域水分從哪里來、到哪里去、如何運移、存留多長時間等問題[21],對于深入理解水源涵養過程和能力具有重要意義。

圖1 Web of Science數據庫不同主題文獻數量Fig.1 Published papers with different topics in Web of Science

近來,氫氧同位素技術在流域水文過程刻畫的研究中得到廣泛應用,但相關研究常關注水文過程的某一方面,如水分來源、水分滯留時間、降雨-徑流關系等[22- 24]。這些研究涉及了生態系統內涵養水分的來源、作用和周轉時間,但并沒有形成系統、明確的水源涵養研究框架,阻礙了同位素技術在流域水源涵養研究中的應用(圖1)。為更好地促進同位素技術在水源涵養相關研究中的應用,本文總結了應用氫氧同位素技術刻畫水分滯留時間、來源等相關研究,概括了基于氫氧同位素技術的水源涵養研究框架,進而明確了應用氫氧同位素技術的水源涵養研究亟待加強的方向。研究對于理解流域水源涵養內涵、機理以及評估水源涵養效益等方面具有重要的理論和實踐意義。

1 水源涵養內涵

圖2 不同估算方法水源涵養內涵差異示意圖 Fig.2 Schematic diagram of concepts of water conservation based on different estimation methods

根據不同的角度,水源涵養量的估算方法有水量平衡法、蓄水能力法、降水儲存量法、年徑流量法、地下徑流增長法、模型模擬和衛星遙感等[25- 29]。不同估算方法定義的水源涵養內涵存在一定差異(圖2)。水量平衡法定義的水源涵養是指收入水分與支出水分的差值,即降水減去徑流、蒸散發(圖2角標2所示范圍),即生態系統內的存余水量,既不包含供給植物水分利用的部分,也不包含補給河道徑流的部分。蓄水能力法定義的水源涵養是指冠層、凋落物層和土壤層的持水(圖2角標3所示范圍)。以土壤層為例,土壤的最大涵養量包含補給河道徑流、供給植物利用的部分[30]。降水儲存量法定義的水源涵養是指降水減去冠層攔截及蒸散發作用后的水量(圖2角標1所示范圍),包括補給河道徑流或地下水的部分[5, 28]。地下徑流增長法定義的水源涵養主要指林地與裸地相比,地下徑流增長的部分(圖2角標4所示范圍)。年徑流量法定義的水源涵養主要指林地與裸地相比,地表徑流減少的部分(圖2角標5所示范圍)。可見,不同估算方法其水源涵養的內涵不同。但不管角度如何,水源涵養根本上是一定時間和空間范圍內生態系統保持水分的過程和能力[31]。

水源涵養內涵的明確對于準確評估水源涵養服務功能及其價值具有重要意義。呂一河等[31]從“綠水”(降水入滲并存儲在土壤根層中的水量,通過蒸散支持植物的初級生產)和“藍水”(超過土壤入滲和存儲能力的降水對地表水或地下水形成補給的水量)的概念出發,認為最大水源涵養量中會有一部分轉換為“藍水”,從而產生淡水供給、徑流調節等服務。而穩定水源涵養量(如小于等于田間持水量的部分)主要用于植物生長發育的消耗,相當于“綠水”,從而發揮固碳、小氣候調節等效應,但是無法直接形成水資源供給服務。無論是從水源涵養量估算方法的角度,還是從生態系統服務的角度,水源涵養的內涵需要加以明確和區分[28, 31]。此外,生態系統內的水分向發蒸散發或徑流轉化是一個動態過程(圖2虛線箭頭)。水源涵養量是一個隨著時間變化的函數,具有時間依賴性。這一時間依賴性既強調了準確辨析水源涵養內涵的重要性,又強調了對水源涵養過程認識的必要性。生態系統是相互聯系相互影響的有機系統,生態系統內水分向蒸散發或徑流轉化過程涉及多時間尺度(日、月、季節、年等),在針對不同研究問題時需要加以辨析。

2 基于氫氧同位素技術的水源涵養刻畫方法

穩定同位素是自然界廣泛存在的、不發生或極其不易發生衰變的同位素,常用的穩定同位素有氫(2H)、氧(18O)、碳(13C)、氮(15N)等。氫氧同位素示蹤技術是以氫氧同位素作為示蹤劑,用以追蹤研究對象的運行和變化規律的方法。在水循環的不同環節中,氫氧同位素通常具有不同的同位素構成,使其成為一種可以示蹤水分來源、路徑的有效工具[32-33],廣泛應用于水分來源識別、水流路徑刻畫、區域水循環甚至氣候演變等研究[14, 17, 20, 34-35]。氫氧同位素值(δ、‰)以相對于維也納標準平均海洋水(Vienna Standard Mean Ocean Water)的千分形式表示：

δX= (Rsample/RV-SMOW-1)×1000

(1)

式中,X表示D或18O,D即2H；δX即表示樣品的氫或氧的同位素組成(‰)；Rsample表示抽提水中氫或氧的重同位素和輕同位素豐度之比,即18O/16O或D/H；RV-SMOW表示維也納標準平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water)的18O/16O和D/H 值。

圖3 基于氫氧同位素的水源涵養研究框架Fig.3 Research framework for water storage based on hydrogen and oxygen isotopes

基于氫氧同位素技術的水源涵養研究框架如圖3所示,通過應用氫氧同位素技術的水分平均滯留時間估算、水分來源識別,明確流域水源涵養能力、過程與作用。水分滯留時間影響著生物地球化學循環過程、污染物的留存等[21, 36]。較長的水分滯留時間意味著水分與不同水源涵養載體接觸時間更久、混合程度或化學反應程度更大。因此,基于氫氧同位素技術的水源涵養研究,從傳統涵養能力估算向涵養過程和作用刻畫轉變,有助于水源涵養研究的加強和拓展、水源涵養服務的合理評估以及生態系統不同服務間的聯系。

2.1 小流域水分滯留時間估算

滯留時間是指水分進入流域內,經過混合、擴散、運移到某一觀測位置的時間,其觀測位置因具體研究對象的不同而不同,如不同深度的土壤水、地下水(井水、泉水等)、河道徑流等[37- 40]。若研究對象為流域出口徑流,即水分從降雨輸入到徑流輸出所經歷的平均時間,則稱為流域水分平均滯留時間(Mean Residence Time,MRT),表征流域所涵養水分周轉過程的長短[41- 44]。水分滯留時間有多種估算方法,在應用示蹤劑的研究中通常用集總參數法[21, 45]。集總參數法以滯留時間分布模型為基礎,常用分布模型如表1所示,指數模型應用最為廣泛[21, 36, 45- 46]。

表1 常用水分滯留時間分布模型

基于指數模型估算MRT首先是通過正弦函數模擬降雨與河道徑流氫氧同位素季節變化,并根據模擬函數振幅的差異估算流域MRT[23, 40, 47]。正弦函數表示為：

δX=C+Asin(ωd-t)

(2)

式中,δX表示δD或δ18O(‰)；C表示年均同位素比率(‰)；A表示同位素周期波動的振幅(‰)；t表示曲線相位位移或滯后(rad)；d表示觀測天數(d)；ω表示周期波動的徑向頻率(rad/d),因為降雨同位素是年周期波動,因此本研究中正弦方程ω=2π/365,如果是以月計,則表示為2π/12。正弦回歸分析中,降水同位素用降雨量作為權重。水分滯留或輸移時間(T)可表示為：

T=ω-1[ (As/Ar)-2- 1]0.5

(3)

式中,As、Ar分別表示為徑流和降水同位素正弦擬合后的函數振幅(‰)。需要指出的是,基于此假設估算的平均滯留時間是近似值,但應用效果好,滿足MRT的初步評估[23, 40, 47]。流域的水源涵養量表示為：

So=RyrMRT/365

(4)

式中,So為流域年水分儲量(mm)；Ryr為流域年徑流量(mm)；MRT為流域水分平均滯留時間(天),如單位為月,相應的分母為12。

2.2 水分來源識別

當降水進入生態系統內,可劃分為不同部分,例如入冠層截留、凋落物蓄水、土壤水、巖石裂隙水、供給植物、補給河道徑流等。通常植物根系吸收的水分在到達葉片前不發生同位素分餾作用,即氫氧同位素組成不發生改變,因此可以利用氫氧同位素進行植物水分來源識別,徑流溯源原理相同。水分來源識別的理論基礎是求解多元一次方程組：

CαXα+CβXβ+CγXγ=Xout

(5)

Cα+Cβ+Cγ= 1

(6)

式中,Xout為“匯”的氫氧同位素值(δD或δ18O)；Xα、Xβ、Xγ為來“源”的氫氧同位素組成(δD或δ18O)；Cα、Cβ、Cγ為“源”對“匯”的貢獻率。“匯”因研究對象的不同而不同,如樹干莖水、徑流等。水分的“源”形式上分為雨水、土壤水、巖石孔隙水等；按時間可分為次降水和前期儲水。由于多元混合模型識別水分來源的原理是求解多元一次方程組,方程組解具有不唯一性,且自然界中通常具有多種來源,因此目前研究多采用IsoSource混合模型或者基于貝葉斯理論的混合模型MixSIAR等算法(軟件)計算[15-16, 32, 48]。

3 水源涵養過程、能力及作用

3.1 水源涵養過程

流域MRT反映流域水源涵養過程。例如,McGuire等[37]在美國賓夕法尼亞州的兩個面積分別為0.14 km2和1.0 km2的小流域的研究發現,流域水分平均滯留時間分別為9.5個月和4.8個月。Soulsby等[47]在蘇格蘭的研究發現,子流域水分平均滯留時間在上下游之間存在差異顯著,流域內上游子流域水分平均滯留時間在2—4個月之間,而下游的子流域水分平均滯留時間在10—18個月之間。流域水分平均滯留時間會因流域屬性的不同而不同,說明不同流域內水分的涵養過程長短不一。早期研究認為流域MRT與流域面積有關,因為面積小的流域水分的運移路徑短,所需運移時間短；隨著流域面積增大,運移路徑、時間增加,降水與前期儲水混合程度增大[49-50]。后續研究表明MRT主要受下墊面滲透性影響[37, 39, 51]。Hale和McDonnell[52]發現基巖滲透性強的流域其MRT與面積有關,而基巖滲透性弱的流域其MRT與水流路徑系數(水流路徑長度中值與梯度中值之比)顯著相關。說明水源涵養過程受下墊面滲透性的影響,而滲透性又與土壤孔隙度等相關,因此水源涵養能力與過程在內涵上具有一定關聯[53- 57]。

3.2 水源涵養能力

結合流域出口徑流量,通過流域水分平均滯留時間可計算流域年水源涵養量[58]。由公式4可知,基于氫氧同位素技術估算的是流域年水源涵養量,由年徑流量及MRT共同決定。即便兩個流域水源涵養量相似,MRT也可能不同。其意義在于,流域水源涵養研究需要從量的估算向過程刻畫更進一步。假設兩個流域水源涵養量相同,則較短的MRT說明徑流量大,水分留存時間短,水文過程相對迅速,易于旱澇失調,需要土地利用結構優化或修建水庫等水利措施調控水資源供給規律。而較長的MRT說明徑流量小,水分留存時間長,水資源供給時間尺度長,但水資源供給密度低,不利于水資源需求集中的區域。

3.3 水源涵養的“藍”“綠”作用

研究水源涵養的目的不僅僅是刻畫水源涵養過程及能力,還在于認識涵養的水分如何維持生態系統服務,例如供給植物吸收利用(“綠水”)、補給河道徑流(“藍水”)等。因為涵養的水分不管是供給植物還是補給河道徑流,均是一個動態過程,所以水源涵養功能及其服務也是一個動態過程,這說明明確水源涵養的“綠水”、“藍水”作用尤為重要。識別“綠水”、“藍水”來源一方面有助于深入認識水源涵養的作用,另一方面還有助于合理評估水源涵養服務價值。

3.3.1涵養水分供給植物水分利用

植物水分利用來源反映根區土壤水供給植物吸收利用的狀況[59-60]。由于季節性的水分虧缺,植物水分利用來源具有顯著的季節轉換特征[61- 63]。例如,Wang等[64]應用氫氧同位素示蹤技術研究了黃土高原鐵桿蒿、長芒草、黃荊的水分利用來源,結果表明三種植物吸收利用的水分主要來自0—40 cm土壤層。隨著季節變化,黃荊吸收利用的水分由0—40 cm土壤層轉為120—300 cm土壤層。Nie等[62]在喀斯特地區的研究表明,落葉的紫葳科菜豆樹在旱季主要利用深層水源,在雨季利用雨水和深層水源；落葉的大戟科灌木紅背葉主要利用次降水,但常綠樹種在雨季主要利用深層水源。這說明不同深度土層涵養的水分,其“綠水”的價值不同。即(1)水源涵養的“綠水”作用要從植物水分利用來源的具體深度或位置來考慮,不能一概而論；(2)不同植物種具有不同的水分利用策略,相同的水源涵養狀況對不同植物種意義不同；(3)干旱導致植物水分利用來源發生轉換,說明在不同季節要考慮不同深度的水源涵養狀況。因此,基于氫氧同位素的植物水分利用來源識別,為深入認識水源涵養的“綠水”作用提供了可行的思路和方法。

3.3.2涵養水分補給河道徑流

基于氫氧同位素識別徑流來源的研究中,水源的劃分依照研究角度的不同而不同,按時間可將徑流來源劃分為次降水(也稱為“新水”)和前期儲水(也稱為“老水”)。前期儲水根據載體的不同又分為土壤水、巖石裂隙水、深層地下水等。土壤水還可進一步劃分為可動水和不動水[17, 20, 65]。可動水定義為土壤溶液取樣器在60—80 kPa負壓條件下吸取的土壤水[17, 66-67],而剩余部分為不動水。可動水與不動水的氫氧同位素組成往往不同,這種可動性的區分有助于深入理解水源涵養的內涵,從而有助于進一步明確土壤層涵養水分的作用[65, 68]。

流域水源涵養能力影響前期儲水補給河道徑流的比例。土壤層是生態系統水源涵養的主體,淺薄的土壤水源涵養能力有限,會導致次降雨對降雨引發的河道徑流的貢獻起到主導作用[22]。高滲透性的基巖通常會導致徑流中較大的前期儲水比例,從而使河道徑流主要受控于流域前期儲水[69]。此外,徑流來源還受地形等因素影響,谷底沖擊平原的面積增大會導致次降雨補給比例增加、前期儲水補給比例減小。原因是谷底平原的面積增大且易于蓄滿,導致蓄滿產流進而增加了次降雨的貢獻度[70-71]。因此,徑流來源識別明確了徑流中不同來源的組分,反映流域涵養水分對河道徑流的補給作用和程度。

4 應用氫氧同位素技術研究水源涵養的適用性

基于氫氧同位素技術研究水源涵養,有優勢也有局限,總結為以下三個方面：

4.1 同位素方法與傳統方法的結合

傳統方法能夠較為高效地估算水源涵養能力,彌補了基于同位素方法估算水源涵養能力需要至少一年數據序列的弊端。同位素方法與傳統方法相結合,一方面補充傳統方法只能揭示水源涵養能力的局限性,另一方面可用于比較估算的水源涵養能力的差異。水量平衡法只考慮水分的輸入與輸出,通過輸入水量減去輸出水量估算水源涵養量[3, 72-73]。基于MRT估算水源含氧量,同樣僅考慮生態系統水分的輸入與輸出。兩種方法共同應用可以避免單一方法的局限性。此外,應用不同方法估算的水源涵養量可以相互比較(表2)。由公式4可知,水源涵養量是MRT與年徑流量的函數。當流域全年有降水卻無地表徑流,基于公式4得出的水源涵養量為零,基于蓄水能力法估算的水源涵養量為正,基于水量平衡法估算的水源涵養量正、負、零均勻可能。可見,蓄水能力法傾向高估流域水源涵養量,水量平衡法與降水儲量法適中,氫氧同位素技術依賴地表徑流量。但基于氫氧同位素技術估算流域水源涵養量需要至少需要一年的數據序列,與傳統的水源涵養量估算方法相比,成本高效率低。可見,基于同位素技術刻畫水源涵養,其優勢是水源涵養過程刻畫和作用解析。

表2 常用水源涵養量估算方法定性對比

4.2 水源涵養過程、能力、作用三方面結合

流域MRT可以用于表征流域水分的涵養過程,借助水分來源識別還可以進一步明確涵養水分供給植物吸收利用、補給河道徑流的作用,有助于理清水源涵養功能表現出的生態系統服務重疊問題[28, 31]。水量平衡法通常將生態系統作為“黑箱”處理,應用氫氧同位素技術的水分來源識別為認識黑箱內的組分及其變化提供了可能。例如,用蓄水能力法估算土壤層的水源涵養量,與基于氫氧同位素技術的水分滯留時間估算相結合,可以獲得土壤層的水源涵養過程(此時采樣點應為土壤層底部水分,而非流域出口徑流),進一步與基于氫氧同位素的水分來源識別向結合,可揭示土壤層涵養的水分供給植物吸收利用和補給河道徑流的組分,從而賦予水源涵養更加明確和豐富的內涵與意義。

下墊面滲透性既影響流域水源涵養能力,又影響流域水源涵養過程,因此水源涵養能力與過程在內涵上具有一定關聯。但這一關聯可能受景觀格局或者土地利用結構等因素影響[74-76]。不同土地利用類型通常具有不同的水源涵養能力,但流域水源涵養過程是土地利用結構的綜合體現,無法通過某一土地利用類型表征。應用氫氧同位素技術估算MRT,可將水源涵養能力估算與水源涵養過程刻畫相結合,結合水分來源識別,可將水源涵養能力、過程、作用的刻畫相結合,使水源涵養研究從量的估算向過程、內涵的刻畫邁進一步,對于科學評估生態系統水源涵養服務具有重要意義。

4.3 基于氫氧同位素刻畫水源涵養的尺度性

基于氫氧同位素技術刻畫水源涵養過程有其尺度適用性。空間尺度上,水分平均滯留時間的估算方法決定著其水源涵養刻畫限定在坡面或流域尺度,流域面積多在0.01—100 km2之間[36,77]。這一空間范圍是由水分平均滯留時間估算方法的原理決定的,由公式2可知,平均滯留時間估算以流域降水與徑流氫氧同位素季節變化模擬為前提,當流域面積過小,這一季節變化容易被降雨干擾,擬合函數難以反映降水與徑流同位素季節變化的差異。當流域面積過大,水分滯留時間過長,導致擬合函數難以有效模擬,這不僅限制了應用的空間尺度,同時還限制了時間尺度。

時間尺度上,基于氫氧同位素估算的MRT的理論基礎(公式3)是降水與徑流同位素的回歸函數振幅差異,其應用至少需要一年的同位素變化序列,因此估算的也是年水源涵養量。由于基于氫氧同位素估算MRT的基礎是回歸函數振幅的差異,那么隨著MRT的增長,振幅差異會越來越小直至難以通過回歸函數有效模擬,因此基于氫氧同位素估算MRT通常存在應用上限。應用18O估算的MRT通常在5a以下,因為更長的水分滯留時間導致難以觀測到18O同位素的周期變化[24,36]。而3H具有更長的半衰期(12.32a),因此應用3H估算MRT的應用上限可以與其半衰期相當[36,43],但3H在降雨中含量較低,因此在應用時也要考慮實際檢測精度。

5 總結與展望

穩定同位素技術廣泛應用于流域水文過程的刻畫,在水源涵養研究從靜態向動態方向轉變的過程中,迫切需要基于氫氧同位素技術的水源涵養研究框架。以氫氧同位素示蹤技術為基礎,從水分平均滯留時間估算和水分來源識別兩個方面,引出了水源涵養過程刻畫、能力估算及作用解析三個方面,總結了基于氫氧同位素技術的流域水源涵養研究框架,并分析了其在時間、空間尺度上的適用性,辨析了水源涵養過程、能力和作用三方面相結合的可能性,最后與傳統水源涵養方法做了比較。總體上,應用氫氧同位素技術的水源涵養研究優勢在于水源涵養過程和藍綠作用的刻畫,有助于水源涵養過程、能力和作用綜合分析,為傳統水源涵養研究提供了新的視角。

水源涵養研究在逐步從能力估算向過程刻畫、作用解析轉變,氫氧同位素示蹤技術為這一轉變提供了可能性,使流域水源涵養的內涵更加豐富和明確。傳統水源涵養能力估算方法為基于氫氧同位素技術的水源涵養研究提供了必要基礎,同位素技術為水源涵養研究的拓展提供了新的思路和方法。未來應用氫氧同位素的水源涵養研究可能的發展方向包括：(1)單一方法向多方法結合轉變:如同位素技術與蓄水能力法相結合,解析土壤層的水源涵養能力及生態效益、價值；(2)水源涵養單一方面刻畫向多方面刻畫轉變：在水源涵養研究中,僅僅估算水源涵養量往往是不夠的,借助同位素技術理解水源涵養過程及作用,有助于明確水源涵養的內涵及實際意義；(3)水源涵養從靜態刻畫向動態刻畫轉變：水源涵養量的估算往往是靜態的,一定程度上忽略了生態系統的動態性,基于氫氧同位素技術刻畫水源涵養過程、解析水源涵養作用,為準確評估生態系統水源涵養價值提供了可能。