摘要
研究三峡库区流域内降水来源，对于揭示三峡库区生态系统水分循环过程对流域极端干旱的响应机制具有重要意义。根据三峡库区2022年8月的实测大气水汽和8—10月的降水稳定氢氧同位素组成以及相关气象资料，明确了三峡库区的水汽输送特征，运用同位素三元混合模型估算了再循环水分（即地表蒸发和蒸腾水汽）和平流水汽对三峡库区上、中、下各段区域降水的贡献比例。结果显示：2022年8—10月，水汽通道方向由西南至东北，平流水汽团沿着库区山脉从上游至下游输送。9—10月期间，三峡库区中段的植被蒸腾(Ptr)、地表蒸发(Pev)和来自库区上段的平流水汽(Padv)对中段降水的平均贡献分别为35.4%±4.8%、0.2%±4.9%和64.4%±9.6%；三峡库区下段的Ptr、Pev和来自库区中段的Padv对下段降水的平均贡献分别为27.9%±4.8%、0.8%±3.9%和71.3%±8.6%。在高温干旱最为突出的8月份，三峡库区中段的Ptr、Pev和来自库区上段的Padv对中段降水的平均贡献分别为60.9%±3.3%、2.2%±3.7%和36.9%±6.6%；三峡库区下段的Ptr、Pev和来自库区中段的Padv对下段降水的平均贡献分别为16.5%±1.8%、2.6%±2.0%和80.9%±3.8%。西南风输送的平流水汽是库区降水的主要来源，库区各段再循环水分主要由植被蒸腾组成，地表蒸发贡献微弱。2022年8月降雨比历年同时期减少，导致降水水汽团同位素在库区下段产生轻微富集。此外，极端的高温干旱加速了库区中上段的水分循环，增强了再循环水分在库区中段降水中的主导作用，削弱了库区下段植被蒸腾对局地降水的贡献。
Abstract
Clarifying the source of precipitation in the Three Gorges Reservoir (TGR) region is of great significance in understanding the ecosystem's water cycling response to extreme droughts. This study analyzes the stable hydrogen and oxygen isotope composition of atmospheric water vapor measured in August 2022 and precipitation from August to October in the TGR region, along with relevant meteorological data, to elucidate moisture transport characteristics. A three-component isotope mixing model was applied to estimate the contributions of recycled moisture (i.e., surface evaporation and transpiration vapor) and advective vapor to precipitation in the upper, middle, and lower sections of the TGR region. The results indicated that from August to October 2022, moisture pathways were oriented from southwest to northeast, with advective moisture transported from upstream to downstream along the reservoir mountain range. From September to October of 2022, the average contributions of vegetation transpiration (Ptr), surface evaporation (Pev) and advected vapor (Padv), to precipitation in the middle section of the TGR region were 35.4%±4.8%, 0.2%±4.9%, and 64.4%±9.6%, respectively. In the lower section, contributions were 27.9%±4.8%, 0.8%±3.9%, and 71.3%±8.6%, respectively. In August, when the high temperature and drought were most severe, the contributions in the middle section were 60.9%±3.3% for Ptr, 2.2%±3.7% for Pev, and 36.9%±6.6% for Padv, while in the lower section, they were 16.5%±1.8%, 2.6%±2.0%, and 80.9%±3.8%, respectively. The advective water vapor transported by southwesterly winds was the primary source of precipitation in the reservoir region, with recycled moisture mainly comprising vegetation transpiration and minimal surface evaporation. Rainfall in August 2022 was lower than in previous years, resulting in a slight enrichment of precipitation vapor isotopes in the lower section. In addition, the extreme heat and drought in August 2022 accelerated moisture cycling in the upper and middle sections of the TGR region, enhancing the dominant role of recycled moisture in the middle section while reducing the contribution of vegetation transpiration to local precipitation in the lower section.
大气降水作为水循环的关键输入项[1-2]，是水文循环过程的重要环节，也是指示陆气相互作用和气候变化的关键要素[3-4]。地表蒸发和蒸腾产生的陆地水分，也被称为再循环水分，包括从土壤表面和水体蒸发的水分以及通过植被蒸腾作用从植物体散发的水分[5]，在区域水循环中发挥着重要作用[6-8]。区域水分再循环是指循环水分对降水的贡献[9]，水分循环利用也是局部水循环和水平衡的关键环节，更是深入了解区域水文过程的重要基础。气候变暖背景下区域蒸散量的增加使得再循环水分对降水的贡献越来越重要[10-13]，量化再循环水分对区域降水的贡献，将为水文过程模拟、预测和水资源适应性研究提供理论依据，并为工程建设、农牧业生产和区域生态保护提供重要的科学依据。
基于同位素三元混合模型的流域降水水汽来源剖析——以2022年干旱背景下三峡库区为例降水水汽由平流水汽和再循环水汽两部分组成，每种通量（平流、地表蒸发和蒸腾）对降水的相对贡献可被认为与对降水水汽的相对贡献保持一致[6，14]。由于同位素之间的质量和零点能差异，引起同位素物理、化学性质的差异，因此某一元素的同位素在物理、化学、生物等反应过程中以不同比例分配于不同物质和相之中，即同位素分馏现象[15-16]。受水体相变过程中平衡分馏和动力分馏影响，不同水体具有不同的同位素组成。例如，在水循环中，轻同位素H相较于重同位素D更容易蒸发进入大气，导致蒸发水体中D/H比值降低，而在降水过程中，重同位素又先于轻同位素凝结，使得降水中的D/H比值相对较高。上述冷凝和蒸发等分馏过程会在水同位素上留下特征印记，使得稳定的氢氧同位素可作为示踪剂用于计算沿水分输送轨迹的两个位置之间对降水的再循环贡献。一般情况下，平流、地表蒸发和蒸腾水汽通量的同位素组成彼此不同，可以使用同位素混合模型来求解各水汽来源对降水的相对贡献。与通常不考虑蒸腾水汽的双组分模型相比，三元模型利于区分平流、地表蒸发和蒸腾的相对贡献[17-18]。已有的相关研究多集中在干旱或半干旱地区，利用同位素混合模型量化水汽再循环的比例[19-21]，强调了绿洲效应的重要性[14]。近些年的研究普遍认为，近几十年长江中下游地区的降水再循环率显著上升，局地水循环加剧[22-23]。郭文康[22]认为本地蒸发对降水的贡献变大，但由于外来水汽输送总体减少，总降水量的增加并不显著，而季风来临容易造成极端降水发生；而董祝雷[23]则认为大尺度大气环流的变化是影响长江中下游降水变化的主要原因，外部水汽输送对区域降水变化产生了重要影响。季风湿润湖泊地区水汽再循环研究的前提是明确水汽的顺风输送特征[24]，以前针对三峡库区秭归段的大气降水氢氧同位素组成特征以及干湿季的不同水汽来源研究结果显示，海洋气团主导了湿季的降水[25]。三峡库区流域植被分布密集，充沛的植被蒸腾和水面蒸发水分在局地降水形成中发挥的作用尚不明确。尤其在面对干旱季节外部水汽来源匮乏时，库区内部再循环水分的重要性是否凸显亟需解答。
作为长江流域对气候变化响应的敏感区，三峡库区流域的局部水分循环将直接关系到该地区的生态、环境及社会经济的可持续发展。全球变暖和剧烈的人类活动增加了区域极端旱涝事件发生的可能性[26]。2022年夏、秋季，长江流域经受特大干旱，三峡库区上游重庆及中下游地区出现有记录以来综合强度最强的高温干旱过程，造成的负面影响不可估量[27]。此次高温干旱过程在8月强度达到极值，之后趋于减弱。遭受罕见的重旱之后，三峡库区的水分循环会产生怎样的变化响应尚不清楚。基于此，本研究通过对三峡库区流域2022年8月大气水汽以及8—10月大气降水的氢氧稳定同位素实测数据分析，结合温度、湿度、饱和蒸气压等环境因子，阐述三峡库区流域水汽输送特征，运用三元混合模型分析三峡库区流域各段降水来源。本研究有助于明晰我国季风湿润湖泊地区的降水来源与水分循环特征，为探析极端旱灾对三峡库区流域水分循环的影响提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 研究区域概况
长江三峡库区（29°0′~31°50′N，106°20′~110°30′E）东起宜昌，西至重庆，位于长江上游尾段，地处长江中下游和四川盆地之间。三峡工程坝址控制长江上游流域面积接近100万km2，占流域面积的56%。库区地处亚热带季风气候，受峡谷地貌影响，气候的空间分布复杂，垂直差异显著。库区年均气温为16~19℃，年均降水量1000~1800 mm，年平均日照时间为1437 h，平均风速为1.3 m/s，年平均相对湿度为60%~80%。本研究根据大气水汽采样站点的地理位置将三峡库区分为上、中、下3段（图1a），库区上段：东温泉镇、寸滩水文站、梨花山；库区中段：开州厚坝镇、万州梨树乡、忠县顺溪小学、姚家村；库区下段：郭家坝镇、秭归县、兴山县古夫镇、巴东水文站、巫山县温朱槽。库区以耕地和林地为主，面积占比分别为37.6%和58.9%。三峡库区从上游到下游的植被覆盖度有明显的阶梯式差异。大气水汽和降水采样点按照库区的土地利用类型异质格局进行选取分布（图1b），其中土地利用数据来自CLCD（China Land Cover Dataset）数据集，可在https://zenodo.org/records/5816591上获取。库区上段的下垫面特点是城镇和耕地分布较广，林地稀少；中段以森林覆被为主，农田和城镇较少；而下段靠近三峡坝区，森林占比更高，是三峡库区的核心区域。对库区细化分为3段，使得各段区的降水加权平均更能代表局地的植被蒸腾水汽。
图1三峡库区各段采样站点（a）和2021年的土地利用类型（b）分布
Fig.1Sampling stations in the subsections (a) and land use types in 2021 (b) of the Three Gorges Reservoir region
1.2 样品采集与测试
2022年8月，在三峡库区共12个大气水汽采样站点（图1a）利用北京剑灵科技有限公司的TR-WA5型水汽冷凝系统（管道流速可达1 L/min（可调），最多有5个测量通道可供使用）收集大气水汽。水汽收集管道入口位于竖立的碳素伸缩杆上，距地面高度分别为0、2.5、5、7.5、10 m[28]，用于冷凝收集不同高度的空气水汽，并储存于2 mL玻璃进样瓶，置于低温环境（3~5℃）中冷藏保存，以备测试，每个采样点重复采样2~3次作为重复。在收集大气水汽样品的同时，记录各采样点的温度和相对湿度数据，并采集附近河道水样品储存在带有防水密封的60 mL HDPE（高密度聚乙烯）窄口瓶中。河道水同位素值被用作蒸发前缘水参与计算地表蒸发水汽同位素值，并用以计算局地蒸发线（LEL）斜率，从而校正降水同位素得到降水水汽的同位素值。
2022年8—10月，在三峡库区5个降水采集站点（图1a）空旷地随机布置5套自制降雨收集装置，为防止污染，每次降水收集前对收集装置进行清洗、干燥处理。当降水量较大时，降水期间用塑料水盆对降水进行收集，待降水强度降低时，将液态降水储存在60 mL HDPE窄口瓶中，并加盖用保鲜膜密封保存。当降水量较小时，为了避免蒸发作用对降水水样的过度影响，利用塑料漏斗将降水收集于铁质收集桶内。封存之后，样品迅速放入保温箱内保存，带回放入冰箱，置于3~5℃低温环境下冷藏，同时记录降水日期。共收集到80个降水样品，其中8月份的降水样品有24个。在2022年8—10月，三峡库区上、中、下段降水收集点分别收集到16、13、32场降雨（下段有3个降水收集点），其中8月份干旱严重，收集降雨次数仅分别有3、3、6场，站点加权平均代表库区各段的结果。
大气水汽、降水样品、河道水样品和表层土壤样品低温保存，使用河海大学水灾害防御全国重点实验室的液态水同位素分析仪Picarro-L2130-i（北京理加联合科技有限公司）进行分析。每个测试样品和同位素标准样品使用微升注射器连续注射6次，前3次注射用于冲洗测试管腔，后3次注射取测定平均值作为最终值。δ18O、δD的平均测定误差范围分别是±0.25‰、±0.28‰。样品的同位素比值为相对于维也纳标准平均海水（V-SMOW）的千分差（‰），使用δ表示为：
(1)
式中，δsample是样品相对于V-SMOW的同位素比值，Rsample是样本中D/H或18O/16O的比值，Rstandard是V-SMOW中D/H或18O/16O的比值。
1.3 三元混合模型
根据同位素质量守恒原理，有学者[29-30]提出了多元线性混合模型法，使用稳定同位素示踪剂来量化多种来源的相对大小。当使用n个同位素系统来确定n+1个源对混合物的贡献比例时，可以使用标准的线性混合模型来从数学上求解各个源比例的唯一组合，从而保持所有n个同位素的质量平衡。该方法应用于多种环境研究中，包括植物水分利用、地球化学、空气污染物和膳食分析，其中双同位素（D/H和18O/16O）三元线性混合模型被广泛应用于降水水汽来源的研究。
降水水汽是平流水汽、蒸腾水汽和地表蒸发水汽的混合物，其中每种成分在降水中的比例与降水水汽中的比例保持不变[6]。再循环水分包括来自地表蒸发（来自海洋、湖泊、河流和土壤）和蒸腾（来自植物气孔）的通量[31]，再循环水分在降水中的比例（fre）可以表示为：
(2)
式中，Ptr、Pev和Padv分别是源自蒸腾水汽、地表蒸发水汽和平流水汽的降水组分。
三元混合模型可以表示为：
(3)
(4)
式中，ftr、fev和fadv分别是蒸腾水汽、地表蒸发水汽和平流水汽对降水的贡献比例，δpv、δtr、δev和δadv分别是降水水汽、蒸腾水汽、地表蒸发水汽和平流水汽中的稳定同位素值（D或18O）。
在本研究中，使用IsoError软件[18]（可在http://www.epa.gov/eco-research获取）计算每个组分源对混合水汽贡献比例的平均值、标准误差和置信区间。使用Hydrocalculator 软件[32]计算δev、δpv与相关参数。
1.4 降水水汽的同位素组成计算方法
2022年8月降水水汽同位素δpv的值可以通过实际大气水汽样品测试获得， 2022年9—10月δpv可以基于非平衡分馏的方法利用局地蒸发线（LEL）校正降水同位素δp计算得出[33]：
(5)
式中，δp是实测降水样本中的同位素组成，k是调节参数，ε+是水和水汽之间的平衡分馏因子，表示为：
(6)
式中，α+是取决于温度的平衡分馏系数[34]，计算如下：
对于D：
(7)
对于18O:
(8)
式中，T是空气温度（K）。
首先，使用k=1求解方程（5），局地蒸发线的斜率（SLEL）计算公式为：
(9)
式中，h是相对湿度，δpv和δp分别是降水水汽和降水中的同位素组成，ε是总分馏因子[35]，公式为：
(10)
式中，动力学分馏因子εk计算公式为[15]：
(11)
式中，h为相对湿度（单位为1）；蒸发通量不影响环境湿度的小水体的θ（动能差异因子）为1，大水体的θ为0.5；稳定层（如土壤和植被）的n（反应阶数）为1，大型开放水体的n值为0.5；氢和氧的CD（分子扩散效率参数）值分别为25.1‰和28.5‰[35-36]。根据研究区域实际情况，对于计算降水水汽的动力学分馏因子εk，方程（11）中的θ和n均设置为0.5。
然后使用0.6和1.0之间的k重复计算，步长为0.0001；当SLEL和实测的LEL斜率之间的差值最低或k达到边界值（0.6和1.0）时，确定k的最终值。用于校正δpv的实测LEL斜率可以从地表水的现场采样中得出[32]。
1.5 蒸腾水汽的同位素组成计算方法
在稳态条件下，水分通过蒸腾作用从陆地表面转移到大气中不会引起同位素分馏[37-38]。三峡库区林地与农田面积占比高达96.5%，森林以亚热带常绿阔叶林、亚热带落叶阔叶林、亚热带常绿针叶林和亚热带竹林为主[39]，灌木和草地占比极少（约0.3%）。密集的植被覆盖可以减少地表蒸发，增加土壤水分储存，从而保持水分的同位素组成相对稳定。库区占比较高的深根树木通常从较深层土壤中吸取水分，深层土壤水分较少受到表面蒸发的影响，其同位素组成相对稳定，不易发生同位素分馏。因此，植被蒸腾水汽的同位素组成（δtr）与植物利用当地水的同位素组成相同，可以使用木质部水分来测量[40]。尽管测量一个特定植物木质部水分的同位素组成在技术上并不困难，但是在实践中使用有限的测量数据来描述包含大量物种的区域平均值是否具有充分的代表性值得商榷[14]。同时，植物吸收的水的稳定同位素可能因植物用水策略、土壤水的同位素特征和许多其他因素而有很大差异。这使得通过植物木质部水同位素估算蒸腾水汽同位素实际上仍具有较大的不确定性，于是有研究认为采用加权平均降水同位素值代替植物蒸腾水汽同位素值仍具有较好的可操作性[14，17]。本文使用加权平均降水同位素值来确定δtr。即：
(12)
式中，δtr表示植被蒸腾水汽的同位素值，Pi表示降水量（mm），δi则代表相应的降水同位素值。
1.6 地表蒸发水汽的同位素组成计算方法
(13)
式中，δs为蒸发前缘液态水的同位素组成，δadv为平流水汽的同位素组成；h为相对湿度（单位为1）；α+为平衡分馏因子；εk为动力学分馏因子；ε为总分馏因子。其中εk的计算公式与1.4节中的方程（11）相同。不同的是，根据研究区域实际情况，为了计算地表蒸发水汽同位素，θ和n的值均设置为1。
1.7 平流水汽的同位素组成计算方法
在三元混合模型中，需知道逆风站降水的平流方向和同位素组成[17]。为了估计从逆风站点到目标站点的平流水汽（δadv）中的同位素组成，当水汽同位素沿着传输路径显示出消耗趋势时，假设同位素分馏是由于瑞利蒸馏：
(14)
式中，δpr-adv是逆风站降水水汽（δpv）中的同位素组成，α+是平衡分馏因子，F是沿水汽输送路径终点与起点水汽含量（表面水汽压）的比值。由于降水量与整个研究区域的表面水汽压呈正相关[42]，故使用每个站的表面水汽气压（单位为hPa）来计算F值。如果沿传输轨迹没有同位素比值的损耗，则直接应用逆风站得出的水汽同位素比值[17]，而不应用瑞利蒸馏方程。
2 结果与分析
2.1 气象要素及水汽输送特征
再循环水分（地表蒸发和蒸腾水汽）对局地降水的贡献受环境因素的影响，对气温和降水尤为敏感。三峡库区流域在2022年8—10月气温和降水量的逐日变化过程如图2所示。2022年夏季，三峡库区上游重庆及中下游地区出现有记录以来综合强度最强的高温干旱过程[27]。在8月，库区上、中、下段总降水量分别为17.5、60.7、74.5 mm，平均气温分别为32.7、30.6、26.2℃；在9—10月，库区上、中、下段总降水量分别为166.9、231.8、187.6 mm，平均气温分别为20.8、19.8、16.8℃。纵观三峡库区上、中、下3段，2022年8月的气温明显高于9月和10月，上段和中段8月的降水量也异常低。气温可以通过影响植物叶片气孔导度进而决定植被蒸腾的强度。8月的高温增强了三峡库区的植被蒸腾与地表蒸发，较低的降水量减少了土壤和植物水分的补给，加剧了干旱压力。在2022年8月的三峡库区上中段，这一现象尤为明显。纵观3个段区，三峡库区中下段相较上段气温较低、降水更多。
明确水汽的输送通道是探究三峡库区流域水分内循环的重要前提，使用美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）的再分析资料分析了水汽通量特征。2022年8月三峡库区（图3黑色矩形框）区域平均水汽通量为33.2 kg/（m·s），9—10月为22.0 kg/（m·s），8月的水汽输送更强，约为9—10月的150%。在三峡库区周围，夏秋季气流以偏西南风为主[43]（图3b），与库区地理形状较为一致。2022年8—10月，三峡库区流域内平流水汽总体呈现由西南向东北输送的特征，水汽运动的轨迹几乎是沿着库区山脉由上游至下游。由此确定平流方向为库区上段到中段，再到下段。采样地点主要位于东西方向，与平流方向保持一致。本文分阶段处理了水汽循环过程，即从三峡库区流域上段到中段为第一阶段，然后从库区中段到下段为第二阶段。
2.2 2022年8月实测降水水汽（δpv）与地表水体LEL斜率
大气水汽的同位素实测值即为当地降水水汽的同位素组成结果。三峡库区各段站点的平均值作为最终结果（图4）。2022年8月，三峡库区上段的降水水汽δD和δ18O变化范围分别为-150.17‰~-90.03‰和-23.09‰~-13.56‰，平均值分别为-117.73‰和-17.97‰；三峡库区中段的降水水汽δD和δ18O变化范围分别为-111.69‰~-92.26‰和-17.09‰~-13.96‰，平均值分别为-98.86‰和-15.20‰；三峡库区下段的降水水汽δD和δ18O变化范围分别为-110.05‰~-95.08‰和-17.77‰~-12.46‰，平均值分别为-103.29‰和-15.68‰。可见，库区上段的降水水汽δD（δ18O）要低于中段和下段，库区中段万州、开州和姚家村一带降水水汽δD（δ18O）最高。降水水汽同位素在上风向贫化、下风向富集的异常现象可能是因为2022年8月极端干旱条件下，降水量极少，水汽在从上段输送到下段过程中，冷凝产生的降水较少，故而下段水汽同位素不易贫化[44]。此外，8月的植被蒸腾水汽是降水水汽的重要组成部分（中段占60.69%、下段占16.5%），下段的蒸腾水汽同位素值要明显高于上段，这可能会导致下段的降水水汽同位素富集。
2022年8月三峡库区流域部分地表水体δD和δ18O可用地表河道水和土壤水分样品的实测值表示，变化范围分别为-86.16‰~-38.56‰和-12.21‰~-6.05‰（图5a），地表水中的平均同位素组成（δs）设定为δD=-65.15‰、δ18O=-9.24‰，并使用最小二乘回归确定LEL斜率为8.14（R2=0.98，P＜0.01，n=13）（图5b）。
图22022年8—10月三峡库区各段气温和降水量逐日变化序列
Fig.2Daily series of air temperature and precipitation in each section of the Three Gorges Reservoir region from August to October of 2022
2.3 2022年8月三峡库区各段降水组分贡献分析
2.3.1 降水组分来源分析：从三峡库区上段到中段（阶段一）
2022年8月三峡库区上、中、下段区各水汽组分的氢氧同位素比值见图6。在第一阶段，水汽通过西南风从库区上段输送到库区中段。2022年8月，库区上段实测δDpv和δ18Opv分别为-117.73‰和-17.97‰，库区中段δDpv和δ18Opv分别为-98.86‰和-15.20‰。根据库区上段的降水水汽同位素比值以及对应的气象要素，应用瑞利蒸馏方程（公式（14））计算得到库区中段平流水汽中δDadv和δ18Oadv分别为-133.78‰和-19.96‰。库区中段地表蒸发水汽的δDev和δ18Oev分别为-130.05‰和-28.96‰，蒸腾水汽中的同位素比值基于降水的加权平均值，即δDtr和δ18Otr分别为-76.56‰和-11.82‰。
如表1及图7所示，可以计算三峡库区上段至中段（第一阶段）路径上降水中3个分量（平流、地表蒸发和蒸腾）的贡献比例，即蒸腾贡献比例范围为57.6%~64.2%，平均值为60.9%；地表蒸发贡献比例范围为-1.5%~5.9%，平均值为2.2%；平流贡献比例范围为30.3%~43.5%，平均值为36.9%。结果表明，在2022年8月，蒸腾水汽和平流水汽是三峡库区中段降水的主要来源，其中蒸腾水汽的贡献最高，地表蒸发在这一过程的占比极少。
图32022年8月（a）和2022年9—10月（b）从地表到700 hPa的水汽通量 （黑色框线处为研究区域）
Fig.3Vapor flux from the surface to 700 hPa for August 2022 (a) and September-October 2022 (b) （the study area is marked with a black frame）
图42022年8月三峡库区各段站点实测大气降水水汽的δ18O（a）和δD（b）
Fig.4δ18O (a) and δD (b) of measured atmospheric precipitation vapor in August 2022 for stations in each section of the Three Gorges Reservoir region
2.3.2 降水组分来源分析：从三峡库区中段到下段（阶段二）
在第二阶段，降水水汽路径被认为是沿长江流向从三峡库区中段到库区下段。库区下段的降水水汽同位素比值（δDpv=-103.29‰和δ18Opv=-15.68‰）比逆风站库区中段的同位素比值（δDpv=-98.86‰和δ18Opv=-15.20‰）要低（图6）。库区下段的F值是库区下段的表面水气压（2.26 hPa）和库区中段的表面水汽压（2.71 hPa）之比，计算得到库区下段的平流水汽δDadv和δ18Oadv分别为-112.05‰和-16.81‰。库区下段的地表蒸发水汽δDev和δ18Oev分别为-156.85‰和-32.94‰，蒸腾水汽中的同位素比值基于降水的加权平均值，即δDtr=-52.13‰和δ18Otr=-7.49‰。
如表1及图7所示，可以计算三峡库区中段至下段（第二阶段）路径上降水中3个分量（平流、地表蒸发和蒸腾）的贡献比例，即蒸腾贡献比例范围为14.7%~18.3%，平均值为16.5%；地表蒸发贡献比例范围为0.5%~4.5%，平均值为2.5%；平流贡献比例范围为77.1%~84.7%，平均值为80.9%。结果表明，三峡库区下段降水主要来自平流水汽，地表蒸发在这一过程的占比仍极少。
图5三峡库区地表水同位素组成以及δD与δ18O的拟合关系线
Fig.5Isotopic compositions of surface water of the Three Gorges Reservoir region and fitted correlation lines between δD and δ18O
图62022年8月三峡库区各段水汽组分的同位素比值
Fig.6Isotope ratios of different water vapor components in three sections of the Three Gorges Reservoir region in August 2022
表12022年8月三峡库区各段蒸腾、地表蒸发和平流水汽对降水的贡献比例
Tab.1 Proportion of transpiration, surface evaporation and advected water vapor contributions to precipitation in each section of the Three Gorges Reservoir region in August 2022
2.4 2022年9—10月三峡库区各段降水组分贡献分析
2.4.1 降水组分来源分析：从三峡库区上段到中段（阶段一）
图8展示了2022年9—10月三峡库区上、中、下段各水汽组分的氢氧同位素比值。根据库区上段降水中的同位素比值（δDp=-59.32‰和δ18Op=-8.54‰）和相应的气象要素，估算了库区上段降水水汽的同位素比值，即δDpv=-101.22‰和δ18Opv=-14.02‰。同样地，估算了库区中段的降水水汽同位素比值，即δDpv=-92.73‰和δ18Opv=-12.77‰。根据库区上段的降水水汽同位素比值以及对应的气象要素计算库区中段平流水汽中的稳定同位素比值，即δDadv=-116.18‰和δ18Oadv=-15.78‰。计算得到库区中段的地表蒸发水汽的同位素比值，即δDev=-160.41‰和δ18Oev=-28.63‰，蒸腾水汽中的同位素比值基于降水的加权平均值，即δDtr=-49.86‰和δ18Otr=-7.24‰。
图72022年8月三峡库区水汽循环示意（图中括号内数值分别为δD、δ18O，单位‰）
Fig.7Water vapor circulation in the Three Gorges Reservoir region in August 2022
图82022年9—10月三峡库区各段水汽组分的同位素比值
Fig.8Isotope ratios of different water vapor components in three sections of the Three Gorges Reservoir region from September to October of 2022
如表2以及图9所示，与2.3节类似，可计算三峡库区上段至中段（第一阶段）路径上降水中3个分量的贡献比例，即蒸腾贡献比例范围为30.6%~40.2%，平均值为35.4%；地表蒸发贡献比例范围为-4.7%~5.1%，平均值为0.2%；平流贡献比例范围为54.8%~74%，平均值为64.4%。结果表明，在2022年8—10月期间，蒸腾水汽和平流水汽是三峡库区中段降水的主要来源，其中平流水汽的贡献最高，地表蒸发在这一过程的占比仍然极少。
2.4.2 降水组分来源分析：从三峡库区中段到下段（阶段二）
库区下段的降水水汽同位素比值（δDpv=-92.82‰和δ18Opv=-12.51‰）比逆风站库区中段的同位素比值（δDpv=-92.73‰和δ18Opv=-12.77‰）要高（图8）。库区下段平流水汽同位素比值为δDadv=-109.15‰和δ18Oadv=-14.70‰。计算得到库区下段的地表蒸发水汽的同位素比值为δDev=-167.85‰和δ18Oev=-29.57‰，蒸腾水汽中的同位素比值基于降水的加权平均值，即δDtr=-48.76‰和δ18Otr=-6.40‰。
如表2以及图9所示，可以计算三峡库区中段至下段（第二阶段）路径上降水中3个分量的比例贡献，即蒸腾贡献比例范围为23.1%~32.7%，平均值为27.9%；地表蒸发贡献比例范围为-3.1%~4.7%，平均值为0.8%；平流贡献比例范围为62.7%~79.9%，平均值为71.3%。结果表明，三峡库区下段降水主要来自蒸腾和平流水汽，其中平流水汽占比最高，地表蒸发占比甚微。
表22022年9—10月三峡库区各段蒸腾、地表蒸发和平流水汽对降水贡献比例
Tab.2 Proportion of transpiration, land surface evaporation, and advected vapor contributions to precipitation in each section of the Three Gorges Reservoir region from September to October of 2022
图92022年9—10月三峡库区水汽循环示意（图中括号内数值分别为δD、δ18O，单位‰）
Fig.9Diagram of water vapor circulation in the Three Gorges Reservoir region from September to October of 2022
3 讨论
3.1 流域干旱对三峡库区水汽循环的影响
2022年8月，长江流域正处于干旱最严重阶段，尤其是三峡上游重庆段[27]，整个库区的降水、气温条件与随后的9—10月差异巨大（图2）。相比9—10月，干旱月份（2022年8月）库区各段的降水水汽、蒸腾水汽、平流水汽的氢氧同位素比值均有明显贫化。流域干旱下的8月库区温度更高、降水量极少，降水、蒸腾和平流水汽氢氧同位素比值与温度变化趋势相反，与降水量变化趋势一致。δpv、δtr和δev的计算均与降水同位素比值相关，因此，它们的变化特征很大程度上可由降水同位素比值的变化来解释。在我国东南、西南季风区，有研究表明降水中稳定同位素比值与温度之间存在着很好的负相关关系（反温度效应）[45-47]，与降水量之间存在负相关（降水量效应）[48]。在月尺度上，三峡库区8—10月各段δpv、δtr、δev的同位素组成表现出反温度效应。因此，相对于降水来说，8月的高温对三峡库区各水汽同位素比值的影响更有主导作用。由于一个区域地表水体中的同位素组成相对稳定，受到温度和降水的影响有限，故而地表蒸发水汽的同位素比值在8月和9—10月变化不大。此外，降水量并非是产生降水量效应的直接唯一原因，降水量效应的产生与大气环流的变化以及水汽来源有关[46]。2022年8月来自南中国海和太平洋的水汽团在中国南部汇集并北上输送至三峡库区（图3a），8月的重同位素被贫化可能是由于海洋水汽在长途输送过程中经历了较大的分馏和多次冷凝过程，从而导致水汽中稳定同位素比值较低[49]。
海拔、地形、植被条件和气象因素是影响当地水分循环利用的主要因素。三峡库区周边植被覆盖率高，库区中下段的植物蒸腾水汽的贡献远远大于地表蒸发水汽的贡献，在循环水分中占主导地位。先前的研究结果表明植物蒸腾水汽在全球范围内的水循环中发挥着重要作用，占循环水分的61%，对降水的贡献比例为39%[13]，可见它对局部降水和局部水汽循环的影响程度。8月干旱状况下，库区上中段和中下段的各水汽组分对降水的贡献模式出现了不同的响应变化（相对9—10月的结果），中段的蒸腾水汽对降水的贡献比例大大增加至60.9%，而下段的蒸腾水汽对降水的贡献比例有所降低（16.5%），平流水汽供给了下段降水的绝大部分。强烈的高温干旱天气下，库区上中段几乎无雨（图2a、b），一方面土壤水分降低使得地表蒸发对降水的贡献减少，持续的高温天气加速了植被蒸腾，更多地供给局地降水水汽，另一方面降水的严重短缺也使得再循环水分在局地降水中的占比增加（图7）。然而，库区中下段在8月下旬降雨明显增多（图2b、c），说明在与上中段局地蒸发条件相似的情况下有更多的外来平流水汽供给下段的局地降水，导致本地蒸发（植被蒸腾和地表蒸发）对局地降水的贡献降低（图7）。三峡库区中下段的植被覆盖率更高，在干旱下植被蒸腾水汽理应也更丰富，但下段的蒸腾水汽对局地降水的贡献却相对有限，说明三峡库区核心区域的植被蒸腾水汽可能更易于向四周辐散供给库区外部的降水。9—10月库区上中段和中下段的各水汽组分对降水的贡献模式具有高度相似性，地表蒸发对局地降水的贡献同样十分微弱，再循环水分几乎全部由蒸腾水汽组成，再循环水分对局地降水的贡献在30%左右（图9）。9—10月库区各段的气温和降水条件几乎一致，在空间上具有同质性，这是上中段和中下段水汽循环模式相似的主要原因。总的来说，三峡库区中段的降水供给主要来自于循环水分，2022年8月的高温干旱提高了库区中段的水分循环率（即再循环水分占比）。三峡库区下段的平均气温要明显低于上中段，降水量与库区上段相当[50-51]。库区下段山脉起伏，海拔较上游更高，气候更加湿润，是三峡库区的核心区域。库区中下段相对上段较高的植被覆盖率也是中段和下段降水来源组分差异的因素之一（图1b）。干旱显然对库区下段的影响有限，平流水汽成为库区下段降水的主要来源，占比达80.9%，植物蒸腾在再循环水分中仍占主导地位。2022年9—10月，平流水汽的贡献始终占主导地位，对中段和下段的贡献分别为64.4%和71.3%，但在局部水汽循环过程中，来自植物蒸腾和地表蒸发的循环水分仍不可忽视，而地表蒸发水汽对库区下段降水的贡献几乎可以忽略。
3.2 三峡库区的水汽输送特点
以往关于干旱地区局地水汽循环的研究表明，平流水汽几乎供给了局地降水的全部，但干旱区的绿洲使得植被蒸散对降水的贡献越来越重要[14，52]。对于季风湿润地区，植被蒸腾水汽势必更多地供给当地降水。一些针对湿润区湖泊流域的类似研究表明，湖泊等开放水体对当地的循环水分和降水的贡献较大[10，24，53]。胡勇博等[24]在太湖流域的水汽再循环研究中发现夏季（6—9月）太湖水面蒸发对下风向站降水的贡献比例为7.0%±2.9%。在本研究中，2022年夏季三峡水库因干旱造成的持续低水位使得地表蒸发（包括水库的水面蒸发）对降水的贡献相对较低。地表水体主要是由大气降水供给，本文库区全域部分地表水δD与δ18O的关系斜率为8.14，这与王婷等[25]研究三峡秭归段大气降水δD与δ18O的关系（斜率为8.52）十分接近。2022年8—10月，来自印度洋的海洋水汽经由南中国海北上进入三峡库区，并向东北方向输送（图3），与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[25]这一结论基本一致。2022年8月三峡库区水汽通量强度大，这主要得益于异常高的气温使得蒸散增加，加之高强度地向外输送水汽，从而加剧了8月库区内部降水的减少。夏季风期间，大尺度平流水汽团对水汽的输送作用较强[24]，使得来自库区上游的平流水汽占比变高，在一定程度上限制了三峡库区内部的水汽再循环率。
3.3 不确定性讨论
三元混合模型被认为是评估区域水分循环的一种可靠有效的方法，但仍存在一定的不确定性，包括数据来源与模型本身结构。三峡库区流域的各项气候要素复杂多变，对环境要素、水汽来源和迁移轨迹的准确把握可以降低来自逆风站的平流水汽估算的不确定性[17]。首先，大气水汽样品采集的空间跨度范围较大，无法确保水汽样品具有严格意义上的同期性。为了降低由此带来的不确定性，在采样过程中尽最大努力以缩短各段大气水汽样品采集的时间差，并在库区各段均进行了多个点位的采样（下段5个、中段4个、上段3个），最后将每个库区段作为一个整体风向站。根据水汽通量（图3），以由西南向东北的风向为逆风站的确定提供了很好的前提，因为水汽团可以被认为是沿着库区山脉从上游至下游。由于上下风向关系稳健、大气水汽采样时间间隔的缩短、采样站点的多重布设和库区各段范围划分合理，再考虑到实测大气水汽对降水水汽同位素比值估算准确性的提高，水汽采样的不严格同期性所带来的不确定性相对有限。此外，由于三峡库区植被种类复杂，无法通过采集所有种类木质部样本来估算蒸腾水汽同位素比值的区域均值，用降水同位素比值代替的方法导致蒸腾水汽同位素值估算存在一定的不确定性[48]，但这一负面影响较为有限[14]。模型的输入样本仅限于一个年份的单个季节是结果不确定性的另一来源，但这也为专门研究特定干旱条件下的区域水分循环提供了机遇。为深入探究三峡库区水分循环对气候变化以及区域极端事件的响应，更加庞大的数据样本搜集有待开展。
4 结论
本研究基于同位素三元混合模型，评估了循环水分（地表蒸发和蒸腾水汽）和平流水汽对三峡库区各段降水的贡献比例，揭示了库区水汽输送特征，探究了流域干旱背景下库区水分循环的变化响应，主要结论如下：
1）2022年8月，三峡库区中段的植物蒸腾、地表蒸发和来自库区上段的平流水汽对中段降水的平均贡献分别为60.9%、2.2%和36.9%；三峡库区下段的植物蒸腾、地表蒸发和来自库区中段的平流水汽对下段降水的平均贡献分别为16.5%、2.6%和80.9%。
2）2022年9—10月，各组分对降水的贡献比例在库区中段和下段十分接近。三峡库区中段的植物蒸腾、地表蒸发和来自库区上段的平流水汽对中段降水的平均贡献分别为35.4%、0.2%和64.4%；三峡库区下段的植物蒸腾、地表蒸发和来自库区中段的平流水汽的平均贡献分别为27.9%、0.8%和71.3%。
3）三峡库区夏、秋季水汽通道方向由西南至东北，平流水汽团沿着库区山脉从上游至下游输送。对于植被分布较为茂密的三峡库区流域，各段的再循环水分主要由植被蒸腾组成，植被蒸散在再循环水分中的占比高达86.4%~99.4%。2022年8月的高温干旱加速了库区中上段的水分循环，增强了再循环水分尤其是植被蒸腾在库区中段降水中的主导作用。
致谢：感谢长江水利委员会水文局、长江三峡水文水资源勘测局协助野外考察与样品采集！
