2024, Vol. 36 
(2: 长江水资源保护科学研究所, 武汉 430051)
(3: 武汉大学海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室, 武汉 430072)
(2: Changjiang Water Resources Protection Institute, Wuhan 430051, P.R. China)
(3: Hubei Key Laboratory of Water System Science for Sponge City Construction, Wuhan University, Wuhan 430072, P.R. China)
湿地是自然界中最富生物多样性的生态系统，在涵养水源、调蓄洪水、调节气候等诸多方面发挥着不可替代的作用[1]。湿地水文过程与生态过程存在复杂的耦合关系，湿地生态系统以水文循环为纽带进行物质循环、能量流动及信息传递，制约着湿地的形成、发育和演替[2]。受气候变化和人类活动等因素影响，鄱阳湖的水文节律发生明显改变，导致鄱阳湖湿地面临洲滩植被退化、生物多样性减退、越冬候鸟栖息地功能衰退等生态环境问题[3]。碟形湖和河流作为鄱阳湖湿地水体主要的自然单元组成，储存着丰富的区域性环境变化信息，由碟形湖-河流水构成的湿地地表水资源系统直接影响着湿地水文循环及生物地球化学过程[4-5]。研究鄱阳湖湿地地表水资源动态变化及其指示意义，有助于完善对区域复杂水循环过程规律的认识，也是探索基于自然的湿地生态修复解决方案的理论基础。
稳定同位素是理想的天然环境示踪剂，近年来，稳定同位素方法的成功应用推进了对不同时空尺度上水循环过程的理解，为水文循环的基本结构与转变特性产出了诸多启发性的前沿新观点[6]。不同水体中氢氧稳定同位素组成的时空变化特征有效地指示了区域水循环过程，被广泛应用于评估河流平均滞留时间(mean residence time，MRT)、湿地水文连通性、生态系统蒸散比例分配等[7-9]。在径流过程研究中，常用MRT表示水分以降水的形式进入流域内至径流输出所经历的平均时间，能够在一定程度上反映流域水体贮存、降雨径流路径、河水主要补给来源等特性[10]。过去的研究认为，MRT作为流域的基本描述性指标之一，对表征流域的环境变化响应至关重要[11]。由于生物地球化学反应与时间直接相关，MRT被认为在反映流域水环境质量方面起到关键作用，即更大的MRT代表径流与流域内环境介质更长的接触时间[12]。许多研究聚焦于利用MRT调查流域水文过程，根据河流及其区域降水的同位素特性量化不同子流域之间MRT的差异，辨析流域地形地貌等自然地理要素对MRT的控制机理，探究水资源动态及其对气候变化-人类干扰的敏感程度[13-14]。此外，蒸发是区域水循环研究中的关键环节，蒸发过程的同位素分馏会引起水体的重同位素相对富集，这种富集程度可以作为水体蒸发强度的标志。基于稳定同位素的长期监测及对其变化机制的认识，许多学者开展了湿地、湖泊和河流蒸发量的定量评估。王雨山等[15]结合瑞利分馏方程推导了特定地区水体蒸发程度的估算方法，探究了白洋淀湿地在夏、秋两个时期的蒸发作用差异；Wassenaar等[16]通过建立同位素质量平衡模型估算了加拿大Lake Okanagan的水体蒸发量，发现大约35% 的入湖水量因蒸发而损失；也有研究使用瑞利分馏模型识别内陆河流的蒸发损失量，揭示内陆干旱地区地表水体经历了强烈的蒸发作用[17-18]。Vystavna等[19]应用稳定同位素探究全球湖泊蒸发程度的空间分异特征，发现区域环境条件是控制湖泊水同位素组成和蒸发过程的主要因素，强调了稳定同位素对表征水文循环和预测湖泊对气候变化响应的重要作用。
鄱阳湖湿地具有季节性干湿交替显著、河流-湿地-湖泊相互作用频繁等特点，是开展水循环过程中稳定同位素变化特征及影响机理研究的热点区域。水文过程的变化特性与湿地生态效应紧密联系，能够引起湿地生态系统结构和功能的变化，使其成为湿地生态系统空间分布格局演变的重要表征。当前大多数研究侧重于湿地水分在地下水-土壤-植被-大气连续体中的运动机制，探究地表水-地下水的补给关系、土壤水分运移规律以及植物水分利用来源等方面[20-22]，然而，针对鄱阳湖湿地碟形湖-河流水稳定同位素动态变化特征的相关研究鲜有报道。
本研究于2019年1—12月开展了鄱阳湖国家级自然保护区主要碟形湖及河流水样品的系统采集，分析地表水稳定同位素的基本特征及季节性变化规律，结合当地降水同位素的时间变化特性，探讨河水的MRT及其对区域水循环过程的指示意义，辨析主要碟形湖水同位素时空分异的潜在影响因素，并定量评估碟形湖水的年平均蒸发损失量。研究结果可为环境变化下鄱阳湖湿地水资源管理、生态保护和高质量发展提供科学参考。
1 材料与方法 1.1 研究区概况鄱阳湖是我国目前最大的淡水湖，也是由湖泊、洲滩、河流、沼泽和冲积平原等组成的复合多类型湿地系统，其独特的季节性水文情势变化孕育了丰富多样的湿地类群，在涵养水源、调蓄洪水、维护生物多样性等方面发挥重大作用。本研究选取鄱阳湖国家级自然保护区(29°02′~29°18′N, 115°52′~116°08′E)为研究对象，该区域位于鄱阳湖的西北角，修河和赣江交汇处，管辖有蚌湖、沙湖、大湖池等共9个碟形湖及湖滩草洲，总面积达224 km2，是具有国际保护意义的重要淡水湿地生态系统，地理位置如图 1所示。保护区属亚热带湿润季风气候，雨量丰沛，四季分明，多年平均气温为17.4℃，多年平均降雨量为1511 mm，主要集中在4—7月，约占全年降水的55%。根据国家气象信息中心(http://data.cma.cn/)发布的气象数据，2019年保护区的年平均气温为18.4℃，年降水量为1312 mm，年平均相对湿度为76%。
|
图 1 研究区的地理位置 Fig.1 Geographical location map of the study area |
受鄱阳湖季节性水位变化的影响，保护区内的碟形湖总体上呈现季节性的显露规律。同时，基于防洪、蓄水、捕鱼等管理目的，沿湖居民通过修建水闸或圩堤将部分碟形湖与主湖区隔断开来，从而形成人控湖汊以控制其水位变化，由此碟形湖主要存在2种水文连通特征，即自然连通碟形湖和局部控制碟形湖[23]。在丰水期，各碟形湖与主湖区连成一体，相应水位与河水位涨落一致，鄱阳湖完全展现出大湖特征。在退水期，碟形湖逐渐与主湖区脱离联系，以蚌湖为代表的自然连通碟形湖的水位变化相对鄱阳湖没有表现出明显的滞后现象，以沙湖和大湖池为代表的局部控制碟形湖的退水过程相对缓慢[23-24]。在枯水期，碟形湖与主湖区没有直接的水流联系，在没有生态补水的情况下，碟形湖水位取决于降水、蒸发和下渗等的共同作用，保持着浅水湖泊的特征[4]。
1.2 样品采集及分析于2019年1—12月开展对保护区内修河、赣江以及主要碟形湖水的逐月采集工作，采样活动选取在连续多日无明显降水之后进行，除1月之外，其余各月均在月底开展。为识别保护区内河流水稳定同位素的空间变化，本研究沿河道间隔大约2 km布设河水采样点，对修河、赣江水样进行系统采集，每月采集修河样品8个、赣江样品16个(交汇点上游样品7个、下游样品9个)，全年总共采集河水样品264个。保护区河水位在丰、枯水期的变化幅度较大。因此，本研究采用2种形式开展对主要碟形湖水的采样工作: 在水位较高的6—8月，当碟形湖与修河、赣江完全连通时，对蚌湖、沙湖、大湖池进行大范围的船只采样；在水位降低，洲滩出露，碟形湖与修河、赣江分离的其他月份，对蚌湖、沙湖、大湖池与洲滩湿地下缘地带相连的开阔水域进行涉水采样。根据水位情况，每月采集蚌湖、沙湖、大湖池样品各5~10个，全年总共采集碟形湖水样品271个。此外，在2019年1—12月期间，于保护区中心的吴城镇对大气降水进行连续收集，全年共采集到日降水样品58个。需要强调的是，根据不同月份水文情势的差异，碟形湖水的采样点布设进行相应调整，以2019年1和7月为例，修河、赣江、主要碟形湖水以及降水采样点位置的空间分布如图 2所示。
|
图 2 修河、赣江、主要碟形湖水以及降水采样点位置的空间分布 Fig.2 Spatial distribution of Xiuhe River, Ganjiang River, main shallow lakes and precipitation sampling sites |
所有样品的处理和分析工作在武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室完成，水样经0.22 μm滤膜过滤后，采用MAT253稳定同位素比质谱仪连接Flash 2000HT元素分析仪进行δ2H和δ18O值测定，测定结果以V-SMOW为参考标准的千分差表示，分析不确定性分别小于1 ‰和0.1 ‰。上述测定结果的δR可以表示为：
| $ \mathtt{δ} R=\left(R_{\text {sample }} / R_{\text {standard }}-1\right) \times 1000 \% $ | (1) |
式中，Rsample和Rstandard分别代表水样和标准样品中氢或氧元素的重同位素与轻同位素的丰度之比。
1.3 河水的MRT估算河水的MRT有多种评估方法，在使用氢氧稳定同位素作为示踪剂的研究中，基于稳态水流和降水输入与滞留水分充分混合假设的指数模型在应用中最为广泛[13]。指数模型方法首先利用周期性函数模拟大气降水和河水稳定同位素的时间变化，其中周期性函数多采用余弦函数进行表示：
| $ \mathtt{δ}^{18} \mathrm{O}=\mathtt{δ}^{18} \mathrm{O}_{\mathrm{ave}}+A[\cos (c \cdot t-\theta)] $ | (2) |
式中，δ18Oave为降水或河水的年平均δ18O值，A为周期性波动的振幅，c为周期性波动的径向频率(取值为2π/365 rad/d)，t为采样周期开始后的时间(d)，θ为曲线的相位滞后。
降水在坡面径流进入河道或者入渗形成地下水基流进而补给河流之后，拟合曲线会发生相应改变，利用降水和河水稳定同位素余弦函数的拟合结果，根据振幅之间的差异可对河水的MRT进行估算，可以表示为：
| $ \text { MRT }=c^{-1} \times\left[\left(A_{Z 2} / A_{Z 1}\right)^{-2}-1\right]^{0.5} $ | (3) |
式中，AZ1为降水稳定同位素周期性波动的振幅，AZ2为河水稳定同位素周期性波动的振幅，c为周期性波动的径向频率(取值为2π/365 rad/d)。
1.4 碟形湖水的蒸发比例估算在开放系统中，蒸发剩余水体的稳定同位素变化可以通过瑞利分馏模型表述[25]：
| $ \mathtt{δ}=\left(1000+\mathtt{δ}_0\right) f^{\alpha_{(\mathrm{v}-\mathrm{w})}-1}-1000 $ | (4) |
式中，δ0为水体初始的稳定同位素组成，f为蒸发剩余水体的比例，α(v-w)为包含平衡分馏和动力分馏的总分馏系数，可以表示为：
| $ \alpha_{(\mathrm{v}-\mathrm{w})}=1 / \alpha_{(\mathrm{w}-\mathrm{v})} \approx 1 /\left(\alpha_{\mathrm{e}(\mathrm{w}-\mathrm{v})}+\Delta \varepsilon\right) $ | (5) |
式中，αe(w-v)为与温度(T)有关的平衡分馏系数，Δε为与相对湿度(h)有关的动力富集系数，分别表示为：
| $ 1000 \ln ^2 \alpha_{\mathrm{e}(\mathrm{w}-\mathrm{v})}=24.844\left(10^6 / T^2\right)-76.248\left(10^3 / T\right)+52.612 $ | (6) |
| $ 1000 \ln ^{18} \alpha_{\mathrm{e}(\mathrm{w}-\mathrm{v})}=1.137\left(10^6 / T^2\right)-0.4156\left(10^3 / T\right)-2.0667 $ | (7) |
| $ \Delta^2 \varepsilon=12.5 \times(1-h) \% $ | (8) |
| $ \Delta^{18} \varepsilon=14.2 \times(1-h) \% $ | (9) |
Dansgaard[26]定义了氘盈余(d-excess)参数的概念，常被用于反映水汽源地的气象条件等：
| $ \text { d-excess }=\mathtt{δ}^2 \mathrm{H}-8 \mathtt{δ}^{18} \mathrm{O} $ | (10) |
联袂瑞利分馏方程和氘盈余的定义式可得基于氘盈余的蒸发剩余水体比例的估算方法[27]：
| $ \text { d-excess }=\left(1000+\mathtt{δ}^2 \mathrm{H}_0\right) f^{2_{\alpha_{(\mathrm{v}-\mathrm{w})}}-1}-8\left(1000+\mathtt{δ}^{18} \mathrm{O}_0\right)f^{18_{\alpha_{(\mathrm{v}-\mathrm{w})}}-1} +7000 $ | (11) |
因而，结合保护区年平均气温和相对湿度，由碟形湖水的初始稳定同位素组成及年平均d-excess值可以估算蒸发剩余水体的比例，从而得到主要碟形湖水的年平均蒸发损失量。
2 结果与分析 2.1 大气降水同位素特性明确大气降水同位素的基本特性是应用稳定同位素技术探索区域水文循环过程的重要前提。采样期间，保护区降水δ2H值的变化范围为-86.8 ‰ ~16.9 ‰，平均值为-19.8 ‰，δ18O值的变化范围为-11.4 ‰ ~0.9 ‰，平均值为-3.9 ‰。基于2019年全年收集到的日降水样品，建立降水δ2H和δ18O值的线性关系如图 3a所示，得到当地大气降水线(local meteoric water line，LMWL2019)如式(12)。可以看到，LMWL2019的斜率与全球大气降水线(global meteoric water line，GMWL)相近，且截距略高于GMWL。以δ18O值为例，保护区降水同位素的时间变化如图 3b所示。结果表明，降水δ18O值存在明显的季节变化特征，同位素组成最为富集的降水大体上出现在4月周围，5—7月降水同位素具有明显的贫化趋势，9月之后降水同位素又表现出逐渐富集。余弦函数拟合得到其周期性变化曲线如式(13)，结果简明地呈现了采样期间保护区降水同位素的动态变化过程，得到降水同位素周期性变化振幅AZP为2.33。
| $ \mathtt{δ}^2 \mathrm{H}=8.29 \mathtt{δ}^{18} \mathrm{O}+12.52\left(R^2=0.96, P<0.01, n=58\right) $ | (12) |
| $ \mathtt{δ}^{18} \mathrm{O}=-3.90+2.33 \times \cos (0.017214 t-1.21)\left(R^2=0.29, P<0.01, n=58\right) $ | (13) |
|
图 3 保护区降水的δ2H-δ18O关系及δ18O值的时间变化 Fig.3 δ2H-δ18O relationship and δ18O temporal variation of precipitation in the study area |
采样期间，保护区内修河δ2H值的变化范围为-37.5 ‰ ~-22.3 ‰，平均值为-30.0 ‰，δ18O值的变化范围为-5.7 ‰ ~-3.9 ‰，平均值为-4.8 ‰；赣江在交汇点上游(简称赣江上游)δ2H值的变化范围为-38.6 ‰ ~-22.8 ‰，平均值为-30.8 ‰，δ18O值的变化范围为-5.8 ‰ ~-4.0 ‰，平均值为-4.8 ‰；赣江在交汇点下游(简称赣江下游)δ2H值的变化范围为-38.4 ‰ ~-23.2 ‰，平均值为-30.5 ‰，δ18O值的变化范围为-5.9 ‰ ~-4.0 ‰，平均值为-4.8 ‰。以δ18O值为例，保护区内修河、赣江同位素的时空变化特征如图 4所示。可以看到，在空间分布上，修河和赣江各段水体的同位素组成均具有相对稳定的沿程分布特征。与赣江上游相比，修河汇入后，赣江下游的同位素特性在大多数月份没有呈现出明显变化(P>0.05)，这可能与相应时期修河、赣江较大的水量差异有关。在相同月份，修河和赣江的同位素特性表现出明显差异，如1、5、12月修河的δ18O值相比于赣江显著贫化(P < 0.01)，而4、6—8月修河的δ18O值相比于赣江显著富集(P < 0.01)。
|
图 4 保护区内修河和赣江δ18O值的时空变化特征 Fig.4 Temporal and spatial variation of δ18O values in Xiuhe River and Ganjiang River in the study area |
采用修河和赣江各段水体沿程同位素组成的平均值反映相应河段同位素特性的平均情况，建立各段水体δ2H和δ18O值之间的相关关系，得到各自的地表水蒸发线(local evaporation line，LEL)，可以看到，赣江上游和赣江下游具有相近的LEL，斜率和截距小于LMWL2019(图 5a)。相对于赣江而言，修河LEL的斜率和截距更高，总体上与LMWL2019相近。整体上，所有河水的同位素结果均落在LMWL2019正下方，并且LEL与LMWL2019不存在明显交点，可能是由于河水整合了降水和地下水的补给作用[28]，同时受到上游水利工程调控等影响，没有表现出与LMWL2019的紧密联系。保护区内修河及赣江下游水体δ18O值的时间变化如图 5b、c所示。可以看到，修河和赣江具有相似的同位素时间变化规律，4月河水的同位素组成更加富集，5—7月河水同位素组成逐渐贫化，之后呈现出不断富集的变化趋势，整体上与降水同位素的时间变化特性相似(图 3b)。许多学者在分析鄱阳湖主要入湖支流水体的氢氧稳定同位素时，也发现总体上4月同位素相对富集，7月同位素相对贫化的现象，表明河水在一定程度上对区域大气降水补给作用的响应[29-30]。采用余弦函数对河水的同位素结果进行拟合，得到修河和赣江下游水体同位素的周期性变化曲线如式(14)和式(15)，周期性变化振幅AZX和AZG分别为0.24和0.45，进而基于指数模型方法估算得到修河和赣江的MRT分别为1.54和0.81年。
| $ \mathtt{δ}^{18} \mathrm{O}=-4.78+0.24 \times \cos (0.017214 t-0.76)\left(R^2=0.18, P<0.01\right) $ | (14) |
| $ \mathtt{δ}^{18} \mathrm{O}=-4.77+0.45 \times \cos (0.017214 t-0.71)\left(R^2=0.33, P<0.01\right) $ | (15) |
|
图 5 保护区内修河和赣江的δ2H-δ18O关系及δ18O值的时间变化 Fig.5 δ2H-δ18O relationship and δ18O temporal variation in Xiuhe River and Ganjiang River in the study area |
采样期间，蚌湖δ2H值的变化范围为-36.0 ‰ ~3.7 ‰，平均值为-11.8 ‰，δ18O值的变化范围为-5.9 ‰ ~1.7 ‰，平均值为-2.4 ‰；沙湖δ2H值的变化范围为-33.9 ‰ ~-2.2 ‰，平均值为-17.6 ‰，δ18O值的变化范围为-5.7 ‰ ~-0.7 ‰，平均值为-3.1 ‰；大湖池δ2H值的变化范围为-37.0 ‰ ~9.8 ‰，平均值为-17.0 ‰，δ18O值的变化范围为-6.0 ‰ ~0.5 ‰，平均值为-3.0 ‰。总体来说，碟形湖水同位素组成的年内变化范围比修河、赣江更大，并且相对富集，符合浅水湖泊氢氧同位素组成的基本特性[31]。蚌湖、沙湖、大湖池水体δ18O值随时间的变化特征如图 6所示，可以看到，各碟形湖水同位素表现出相似的时间变化规律，整体上呈现出4月相对富集，7月最为贫化，随之至11月逐渐富集的变化趋势，与降水和河水同位素的时间变化规律一致。在大多数月份，碟形湖水的同位素组成具有较小的变化幅度，反映了水体基本处于良好的混合状态。然而，在部分月份，碟形湖水也存在同位素空间变异性较大的情况，如5月的蚌湖、沙湖、大湖池以及10月的蚌湖。
|
图 6 蚌湖、沙湖、大湖池水体δ18O值的时间变化特征 Fig.6 Temporal variation characteristics of δ18O values in Lake Banghu, Lake Shahu and Lake Dahuchi |
基于主要碟形湖水各月同位素组成的平均情况，建立蚌湖、沙湖、大湖池δ2H和δ18O值之间的相关关系，得到各自的LEL(图 7)。结果发现，与河水的同位素特性明显不同，所有碟形湖水的同位素组成接近LMWL2019，并且落在LMWL2019的右下方，各碟形湖水的LEL均与LMWL2019存在明显交点，具有更小的LEL斜率和截距以及系统性偏离的特征，表明碟形湖水主要受到当地降水的补给作用，并且经历了一定程度的蒸发富集[32]。对于不同碟形湖来说，LEL的斜率和截距存在略微差异，其中，大湖池LEL的斜率略高于蚌湖和沙湖，表明大湖池的蒸发程度在主要碟形湖中相对较弱。过去的研究通常采用LEL和LMWL的交点反映受蒸发水体氢氧同位素的初始组成[27, 33]，基于碟形湖水在年内总体上混合均匀和主要来源于降水补给的合理假设，结合相应的年平均d-excess值，估算得到蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸发损失量分别为15.5%、15.0%、14.1%。总体上，保护区内主要碟形湖水的蒸发比例与全球尺度上大多数湖泊相近[19]，不同碟形湖之间的蒸发程度略有不同，可能与地形、植被和水动力条件等因素的综合影响有关。
|
图 7 蚌湖、沙湖、大湖池水体的δ2H-δ18O关系 Fig.7 δ2H-δ18O relationship in Lake Banghu, Lake Shahu and Lake Dahuchi |
河水的同位素组成在一定程度上反映了流域内降水同位素信号的综合结果，因而河水同位素的时间变化相比于降水更加稳定[34]。已有研究发现，在鄱阳湖流域，河流不仅受到当前降水的直接补给，更多地受到浅层地下水对降水集成后的间接补给[35]，这也是导致修河、赣江水体同位素的周期性拟合结果具有较小波动幅度的原因之一。许秀丽等[21]讨论了不同水文时期鄱阳湖洲滩湿地河水与地下水的转换关系，发现鄱阳湖水文情势的周期性变化导致河水和地下水之间的相互作用存在明显的时间分异，在鄱阳湖的涨水期，河水和降水共同补给湿地地下水，退水期河水反过来受到湿地地下水的排泄补给。然而，在10—11月的鄱阳湖退水期，本研究中保护区内各段河流水体沿程的同位素组成没有表现出明显变化(图 4)，可能与保护区范围内湿地地下水排泄补给河水的水量有限有关。在季节变化方面，相比于赣江，修河在春季和冬季具有略微贫化的δ18O值，在夏季的δ18O值相对富集，两条河流在秋季的δ18O值接近，表明不同河流之间同位素组成明显的时空差异性，可能与子流域的地理位置以及河流上游水文过程的差别有关[30]。
MRT与流域内径流路径的多样性密切相关，深入理解MRT有助于揭示流域水体更新能力等特性。基于指数模型方法的MRT估算结果表明，修河的MRT明显大于赣江，虽然模拟曲线简化了降水和河水同位素的变化模式，但认为结果在统计学上较为可靠(P < 0.01)，能够作为保护区范围内两条河流MRT的初步估计。过去的研究也曾发现过相邻流域河流之间具有差异较大的MRT，将其归因于流域复杂的地形以及流域面积等因素[8]。河流MRT也被认为与流域的地质和土壤条件有关[14]，大体来说，MRT可以解释为受到两个主要组分的影响：一个是由地表径流补给导致的“快速”组分，另一个是由地下水补给导致的“缓慢”组分[13]。“快速”组分导致降水进入河流的时间相对较短，而“缓慢”组分中的降水由于流经了各种复杂的水文地质系统，通常不具有明显的季节性同位素变化[36]。对比图 3和图 5可以发现，修河和赣江水体δ18O值的周期性变化规律实际上较好地响应降水δ18O值的变化。Zhan等[35]发现鄱阳湖流域的河流主要由不同比例的基流以及近地表快速流补给，也有研究报道了鄱阳湖洲滩湿地地下水位和湖泊水位之间的动态变化存在高度一致性，两者具有很好的水力联系[37]。这就表明降水入渗之后，鄱阳湖湿地的土壤结构和性质可能有利于降水在短期内与原来的地下水混合，进而以地下水的形式补给河流，赣江较短的MRT也进一步验证了鄱阳湖流域具有不同水体组分相互快速转化的水力条件。杨守业等[38]基于稳定同位素发现长江流域水库大坝建设导致长江河水对大气降水的响应滞后时间延长，改变了长江流域水循环的季节性变化模式。对于保护区内修河来说，由于相对临近上游柘林水库，水库的调蓄作用可能导致其表现为更大的MRT，反映了水利工程对水资源更新速率的潜在影响，侧面也证实稳定同位素方法在量化河流MRT方面的有效性和关键作用。
3.2 对碟形湖蒸发的指示意义许多针对浅水湖泊的调查研究揭示了水体同位素的时空变化特征和影响机制，认为湖水所经历蒸发时间的非均质性以及水动力条件是影响同位素空间分布的主要因素[15, 39]。总体上，保护区内主要碟形湖水具有较好的混合状态，但是在涨水阶段，当洲滩湿地植被处于部分淹水的情况下，各碟形湖的同位素组成均存在较大的空间变异(图 6)，可能与植物阻滞水体交换导致的蒸发分布不均匀性有关。作为比较，在丰水期碟形湖与修河、赣江完全连通时，由于较好的内部水动力循环条件，全湖范围的采样结果呈现出较小的同位素变化。除12月之外，在相同采样月份内，不同碟形湖之间的同位素组成存在明显区别(P < 0.05)，可能是受到相应湖泊地形特征及洲滩湿地植被覆盖等因素导致的来水条件、水量交换以及蒸发作用的差异影响。需要关注的是，在9—10月鄱阳湖退水阶段，相对于沙湖和大湖池，蚌湖水体表现出显著的同位素富集现象。考虑到蚌湖与鄱阳湖之间存在自然连通，更容易受到主湖区水位变化的影响[23]，水位降低可能驱动淹没植物对水流的阻滞作用增加，加之退水期保护区降水较少，强烈的蒸发分馏导致蚌湖水体的重同位素格外富集。
蒸发对区域气候调节以及湿地-大气之间的能量与物质交换具有重要作用。本研究假定碟形湖水的蒸发过程遵循瑞利分馏模型，根据全年的同位素监测结果，揭示了14% ~16% 的年平均蒸发损失量，明显低于内陆干旱区湖泊蒸发的研究案例[16, 33]，反映了相对湿润的气候条件。在过去的研究中，王雨山等[15]针对一般难以准确获取受蒸发水体的初始同位素组成，以LMWL作为区域基准，提出区域氘盈余(d-excessL)的概念，结合瑞利分馏模型推导了蒸发程度与d-excessL的定量关系。根据该方法，本研究建立了主要碟形湖水逐月蒸发剩余比例与d-excessL的关系如图 8所示，得出蚌湖、沙湖、大湖池在各月的蒸发损失分别为0~41.5%、0~29.0%、0~28.1%。进一步在年尺度上应用该方法，计算蚌湖、沙湖、大湖池的年平均d-excessL值，最终得到年平均蒸发损失量分别为15.7%、15.5%、16.5%，与基于LEL和LMWL交点确定初始同位素组成的估算方法得到的研究结果相近。虽然理论上，对于瑞利分馏模型的推导和应用都是假定分馏系数不随时间变化以及在封闭水域内持续蒸发的理想条件下进行，但是对于碟形湖这类具有特殊地貌特征和水文特性的湿地景观来说，稳定同位素方法能在初步估算蒸发损失量方面起到关键作用。相比于基于遥感等技术方法的湖泊蒸发评价，稳定同位素变化直接反映了受原位水文气象条件影响所发生的相变与混合过程，除此之外，不同类型水体同位素的系统性长期监测也有助于探究环境变化对区域水循环过程的影响，可为鄱阳湖湿地的水资源可持续利用和生态环境保护提供科学支撑。
|
图 8 蚌湖、沙湖、大湖池水体逐月蒸发剩余比例与d-excessL的关系 Fig.8 Relationship between the monthly evaporation residual fraction and d-excessL in Lake Banghu, Lake Shahu and Lake Dahuchi |
本研究通过分析2019年1—12月鄱阳湖湿地碟形湖-河流水稳定同位素的动态变化特征，探讨河水的MRT及其对区域水循环过程的指示意义，估算主要碟形湖水的年平均蒸发损失量。
1) 修河和赣江的同位素组成具有明显的季节性变化规律，4月河水同位素最为富集，5—7月逐渐贫化，之后呈现出不断富集的变化趋势，整体上与降水同位素的时间变化特性相似。
2) 碟形湖水同位素组成的年内变化范围比修河、赣江更大，并且相对富集。碟形湖在大多数月份基本处于良好的混合状态，主要受到当地降水补给，经历了一定程度的蒸发作用。
3) 基于指数模型方法估算修河和赣江的MRT分别为1.54年和0.81年，赣江较短的MRT表明鄱阳湖流域具有不同水体组分相互快速转化的水力条件，对于保护区内修河来说，上游柘林水库的调蓄作用导致其MRT明显大于赣江。
4) 在涨水阶段，植物阻滞水体交换导致的蒸发分布不均匀性可能是碟形湖水同位素存在较大空间变异的原因。基于瑞利分馏模型得到蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸发损失量分别为15.5%、15.0%、14.1%，稳定同位素方法在量化缺资料地区水体蒸发方面可以起到关键作用。
| [1] |
Zhang GX, Wu Y, Wu YF et al. A review of research on wetland ecohydrology. Advances in Water Science, 2018, 29(5): 737-749. [章光新, 武瑶, 吴燕锋等. 湿地生态水文学研究综述. 水科学进展, 2018, 29(5): 737-749.] |
| [2] |
Tan ZQ, Li YL, Zhang Q et al. Progress of hydrological process researches in lake wetland: A review. J Lake Sci, 2022, 34(1): 18-37. [谭志强, 李云良, 张奇等. 湖泊湿地水文过程研究进展. 湖泊科学, 2022, 34(1): 18-37. DOI:10.18307/2022.0104] |
| [3] |
Xu LG, Xie YH, Wang XL. Ecological environment problems and research prospect of flood wetlands of Yangtze River-connected lake in the middle reaches of Yangtze River. Bulletin of National Natural Science Foundation of China, 2022, 36(3): 406-411. [徐力刚, 谢永宏, 王晓龙. 长江中游通江湖泊洪泛湿地生态环境问题与研究展望. 中国科学基金, 2022, 36(3): 406-411.] |
| [4] |
Hu ZP, Zhang ZF, Liu YZ et al. The function and significance of the shallow-lakes in the Poyang Lake wetland ecosystem. Jiangxi Hydraulic Science & Technology, 2015, 41(5): 317-323. [胡振鹏, 张祖芳, 刘以珍等. 碟形湖在鄱阳湖湿地生态系统的作用和意义. 江西水利科技, 2015, 41(5): 317-323. DOI:10.3969/j.issn.1004-4701.2015.05.01] |
| [5] |
Chen J, Li YL, Zhou JF et al. Assessing surface water-groundwater interactions in the seasonal lake-wetland system of Lake Poyang. J Lake Sci, 2021, 33(3): 842-853. [陈静, 李云良, 周俊锋等. 鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表-地下水交互作用. 湖泊科学, 2021, 33(3): 842-853. DOI:10.18307/2021.0317] |
| [6] |
Bowen GJ, Cai ZY, Fiorella RP et al. Isotopes in the water cycle: Regional- to global-scale patterns and applications. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2019, 47: 453-479. DOI:10.1146/annurev-earth-053018-060220 |
| [7] |
Ala-aho P, Soulsby C, Pokrovsky OS et al. Using stable isotopes to assess surface water source dynamics and hydrological connectivity in a high-latitude wetland and permafrost influenced landscape. Journal of Hydrology, 2018, 556: 279-293. DOI:10.1016/j.jhydrol.2017.11.024 |
| [8] |
Jeelani G, Saravana KU, Kumar B. Variation of δ18O and δD in precipitation and stream waters across the Kashmir Himalaya (India) to distinguish and estimate the seasonal sources of stream flow. Journal of Hydrology, 2013, 481: 157-165. DOI:10.1016/j.jhydrol.2012.12.035 |
| [9] |
Wu YX, Zhang YE, Jia GD et al. Quantitative separation of evapotranspiration components of Platycladus orientalis ecosystem based on multiple isotope models. Chinese Journal of Applied Ecology, 2021, 32(6): 1971-1979. [武昱鑫, 张永娥, 贾国栋等. 基于多种同位素模型的侧柏林生态系统蒸散组分定量拆分. 应用生态学报, 2021, 32(6): 1971-1979. DOI:10.13287/j.1001-9332.202106.023] |
| [10] |
Rusjan S, Sapač K, Petrič M et al. Identifying the hydrological behavior of a complex Karst system using stable isotopes. Journal of Hydrology, 2019, 577: 123956. DOI:10.1016/j.jhydrol.2019.123956 |
| [11] |
Wang SY, He XB, Kang SC et al. Estimation of stream water components and residence time in a permafrost catchment in the central Tibetan Plateau using long-term water stable isotopic data. Cryosphere, 2022, 16(12): 5023-5040. DOI:10.5194/tc-16-5023-2022 |
| [12] |
Zhou J, Liu GD, Meng YC et al. Using stable isotopes as tracer to investigate hydrological condition and estimate water residence time in a plain region, Chengdu, China. Scientific Reports, 2021, 11(1): 2812. DOI:10.1038/s41598-021-82349-3 |
| [13] |
Ogrinc N, Kocman D, Miljević N et al. Distribution of H and O stable isotopes in the surface waters of the Sava River, the major tributary of the Danube River. Journal of Hydrology, 2018, 565: 365-373. DOI:10.1016/j.jhydrol.2018.08.024 |
| [14] |
Šanda M, Sedlmaierová P, Vitvar T et al. Pre-event water contributions and streamwater residence times in different land use settings of the transboundary mesoscale Lužická Nisa Catchment. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2017, 65(2): 154-164. DOI:10.1515/johh-2017-0003 |
| [15] |
Wang YS, Yin DC, Qi XF et al. Hydrogen and oxygen isotopic characteristics of different water and indicative significance in Baiyangdian Lake. Environmental Science, 2022, 43(4): 1920-1929. [王雨山, 尹德超, 祁晓凡等. 白洋淀不同水体氢氧同位素特征及其指示意义. 环境科学, 2022, 43(4): 1920-1929. DOI:10.13227/j.hjkx.202108202] |
| [16] |
Wassenaar LI, Athanasopoulos P, Hendry MJ. Isotope hydrology of precipitation, surface and ground waters in the Okanagan Valley, British Columbia, Canada. Journal of Hydrology, 2011, 411(1/2): 37-48. DOI:10.1016/j.jhydrol.2011.09.032 |
| [17] |
Sun ZG, Zhu GF, Zhang ZX et al. Identifying surface water evaporation loss of inland river basin based on evaporation enrichment model. Hydrological Processes, 2021, 35(3): e14093. DOI:10.1002/hyp.14093 |
| [18] |
Chen HY, Chen YN, Li WH et al. Identifying evaporation fractionation and streamflow components based on stable isotopes in the Kaidu River Basin with mountain-oasis system in north-west China. Hydrological Processes, 2018, 32(15): 2423-2434. DOI:10.1002/hyp.13176 |
| [19] |
Vystavna Y, Harjung A, Monteiro LR et al. Stable isotopes in global lakes integrate catchment and climatic controls on evaporation. Nature Communications, 2021, 12(1): 7224. DOI:10.1038/s41467-021-27569-x |
| [20] |
Zhang X, Xiao Y, Wan H et al. Using stable hydrogen and oxygen isotopes to study water movement in soil-plant-atmosphere continuum at Poyang Lake wetland, China. Wetlands Ecology and Management, 2017, 25(2): 221-234. DOI:10.1007/s11273-016-9511-1 |
| [21] |
Xu XL, Li YL, Tan ZQ et al. Groundwater, river water and lake water transformations in a typical wetland of Poyang Lake. China Environmental Science, 2021, 41(4): 1824-1833. [许秀丽, 李云良, 谭志强等. 鄱阳湖典型湿地地下水-河湖水转化关系. 中国环境科学, 2021, 41(4): 1824-1833. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2021.04.037] |
| [22] |
Pan GY, Cao XY, Zhang X et al. Water use strategy of Carex in the dry season of Poyang Lake. Journal of Shaanxi Normal University: Natural Science Edition, 2018, 46(1): 97-103. [潘国艳, 曹夏禹, 张翔等. 鄱阳湖苔草枯水期的水分利用策略. 陕西师范大学学报: 自然科学版, 2018, 46(1): 97-103.] |
| [23] |
Wang H, Chen WB, He L et al. Responses of aquatic vegetation coverage to interannual variations of water level in different hydrologically connected sub-lakes of Poyang Lake, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2022, 33(1): 191-200. [王欢, 陈文波, 何蕾等. 鄱阳湖不同水文连通性子湖水生植被覆盖度对年际水位变化的响应. 应用生态学报, 2022, 33(1): 191-200. DOI:10.13287/j.1001-9332.202201.013] |
| [24] |
Chen MH, Liu GH, Liu L. Influence of water level variation at Wucheng station on water levels of dahuchi and Shahu lakes. Journal of China Hydrology, 2017, 37(5): 66-69. [陈明华, 刘观华, 刘恋. 鄱阳湖吴城站水位变化及修河对大湖池和沙湖水位的影响分析. 水文, 2017, 37(5): 66-69. DOI:10.3969/j.issn.1000-0852.2017.05.012] |
| [25] |
Thomas J, Rose T. Environmental isotopes in hydrogeology. Environmental Geology, 2003, 43(5): 532. DOI:10.1007/s00254-002-0677-x |
| [26] |
Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation. Tellus, 1964, 16(4): 436-468. DOI:10.3402/tellusa.v16i4.8993 |
| [27] |
Zhao M, Hu YD, Zeng C et al. Effects of land cover on variations in stable hydrogen and oxygen isotopes in Karst groundwater: A comparative study of three Karst Catchments in Guizhou Province, Southwest China. Journal of Hydrology, 2018, 565: 374-385. DOI:10.1016/j.jhydrol.2018.08.037 |
| [28] |
Bershaw J, Penny SM, Garzione CN. Stable isotopes of modern water across the Himalaya and eastern Tibetan Plateau: Implications for estimates of paleoelevation and paleoclimate. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2012, 117(D02110). DOI:10.1029/2011jd016132 |
| [29] |
Hu CH, Froehlich K, Zhou P et al. Seasonal variation of oxygen-18 in precipitation and surface water of the Poyang Lake Basin, China. Isotopes in Environmental and Health Studies, 2013, 49(2): 188-196. DOI:10.1080/10256016.2013.740480 |
| [30] |
Wu HW, Huang Q, Fu CS et al. Stable isotope signatures of river and lake water from Poyang Lake, China: Implications for river-lake interactions. Journal of Hydrology, 2021, 592: 125619. DOI:10.1016/j.jhydrol.2020.125619 |
| [31] |
Li J, Wu HW, Zhou YQ et al. Variations of stable oxygen and deuterium isotopes in river and lake waters during flooding season along the middle and lower reaches of the Yangtze River regions. Environmental Science, 2020, 41(3): 1176-1183. [李静, 吴华武, 周永强等. 长江中下游地区丰水期河、湖水氢氧同位素组成特征. 环境科学, 2020, 41(3): 1176-1183. DOI:10.13227/j.hjkx.201908160] |
| [32] |
Hao S, Li FD, Li YH et al. Stable isotope evidence for identifying the recharge mechanisms of precipitation, surface water, and groundwater in the Ebinur Lake Basin. Science of the Total Environment, 2019, 657: 1041-1050. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.12.102 |
| [33] |
Gao HB, Li CY, Sun B et al. Characteristics of hydrogen and oxygen stable isotopes in Lake Hulun Basin and its indicative function in evaporation. J Lake Sci, 2018, 30(1): 211-219. [高宏斌, 李畅游, 孙标等. 呼伦湖流域氢氧稳定同位素特征及其对水体蒸发的指示作用. 湖泊科学, 2018, 30(1): 211-219. DOI:10.18307/2018.0121] |
| [34] |
Kendall C, Coplen TB. Distribution of oxygen-18 and deuterium in river waters across the United States. Hydrological Processes, 2001, 15(7): 1363-1393. DOI:10.1002/hyp.217 |
| [35] |
Zhan LC, Chen JS, Zhang SY et al. Isotopic signatures of precipitation, surface water, and groundwater interactions, Poyang Lake Basin, China. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(19): 1307. DOI:10.1007/s12665-016-6081-8 |
| [36] |
Dai JJ, Zhang XP, Wang L et al. Seasonal isotopic cycles used to identify transit times and the young water fraction within the critical zone in a subtropical catchment in China. Journal of Hydrology, 2022, 612: 128138. DOI:10.1016/j.jhydrol.2022.128138 |
| [37] |
Xu XL, Zhang Q, Li YL et al. Inner-annual variation of soil water content and groundwater level in a typical islet wetland of Lake Poyang. J Lake Sci, 2014, 26(2): 260-268. [许秀丽, 张奇, 李云良等. 鄱阳湖典型洲滩湿地土壤含水量和地下水位年内变化特征. 湖泊科学, 2014, 26(2): 260-268. DOI:10.18307/2014.0213] |
| [38] |
Yang SY, Wang S, Lian EG et al. Hydrogen and oxygen isotopes in Yangtze River water and its application in tracing basin-scale water cycle. Journal of Tongji University: Natural Science, 2021, 49(10): 1353-1362. [杨守业, 王朔, 连尔刚等. 长江河水氢氧同位素组成示踪流域地表水循环. 同济大学学报: 自然科学版, 2021, 49(10): 1353-1362. DOI:10.11908/j.issn.0253-374x.21275] |
| [39] |
Hua MQ, Zhang XP, Yao TC et al. Variation characteristics and influencing factors of the stable water isotopes in Lake Peach in Changsha City. J Lake Sci, 2018, 30(6): 1766-1778. [华明权, 章新平, 姚天次等. 长沙桃子湖湖水稳定同位素的变化及其影响因素. 湖泊科学, 2018, 30(6): 1766-1778. DOI:10.18307/2018.0627] |