我国西部高寒山区同位素生态水文研究进展_李宗省.pdf
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1、地球科学 Earth Sciencehttp:/第 48 卷 第 3期2 0 2 3 年 3 月Vol.48 No.3Mar.2 0 2 3https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.264我国西部高寒山区同位素生态水文研究进展李宗省1,张百娟1,2,冯起1,桂娟1,2,张百婷1,2 1.中国科学院西北生态环境资源研究院,高寒山区同位素生态水文与国家公园观测研究站/内陆河流域生态水文重点实验室/甘肃省祁连山生态环境研究中心,甘肃兰州 730000 2.中国科学院大学,北京 100049摘要:我国西部高寒山区是亚洲水塔,是重要的生态屏障区.随着环境同位素测试技术的发展和相关
2、理论的成熟,稳定同位素技术已成为集示踪、整合和指示等多项功能于一体的技术.本文基于前人的研究结果,对我国西部高寒山区同位素生态水文研究进行了梳理和总结,表明西部高寒山区大气降水线为 D=7.4418O+5.23(R2=0.86).降水稳定同位素的温度效应从南向北呈现增加趋势,而降水量效应呈现相反的变化趋势.研究区水汽来源复杂,当温度效应小于 0 时,水汽来源由西南季风主导;温度效应为 00.3 时,水汽来源由西南季风和西风共同主导;温度效应大于 0.3 时,水汽来源由西风主导.不同水体受水源补给、环境作用等的影响存在差异性,使得各水体稳定同位素局地蒸发线的斜率大小依次为:河水冰雪融水地下水.西
3、部高寒山区降水中 18O 海拔效应为-1.3/100m,河水 18O 海拔效应为-0.17/100m.研究区植被水分来源主要是土壤水,对水分的利用率与植被类型及区域环境密切相关.水汽再循环已成为区域降水水汽来源的重要组成部分.然而,随着生态文明建设这一国家重大战略的纵深推进,作为国家重要生态屏障的西部高寒山区,变化环境下生态水文过程正在发生深刻而又剧烈的改变,已对区域水资源安全、生态安全和可持续发展带来极大挑战,为寒区同位素生态水文学的发展提供了广阔舞台,未来亟需从观测、采样、模型和理论 4 个方面全面创新.关键词:高寒山区;稳定同位素;环境效应;生态水文;环境保护.中图分类号:P426.6
4、文章编号:1000-2383(2023)03-1156-23 收稿日期:2022-05-09A Review of Isotope Ecohydrology in the Cold Regions of Western ChinaLi Zongxing1,Zhang Baijuan1,2,Feng Qi1,Gui Juan1,2,Zhang Baiting1,2 1.Observation and Research Station of EcoHydrology and National Park by Stable Isotope Tracing in Alpine Region/Key L
5、aboratory of Ecohydrology of Inland River Basin/Ecological Environment Research Center of Qilian Mountain,Gansu Province,Northwest Institute of Ecoenvironment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,ChinaAbstract:The m
6、ountainous alpine area in western China is an Asian water tower and is an important ecological barrier area.With the development of environmental isotope test technology and the maturity of the related theories,stabilizing isotope technology has become a technique integrating many functions such as
7、tracing,integration,and indication.Based on the previous research results,this study sorts out and summarizes the isotopic ecohydrology of the alpine mountains in a western area.It is found that the atmospheric precipitation line in the west of the alpine mountains is D=7.4418O+5.23(R2=0.86).The tem
8、perature effect shows 基金项目:国家自然科学基金区域发展联合基金重点项目(No.U22A20592);国家重点研发计划项目专题(No.2020YFA0607702);第二次青藏高原综合科学考察研究项目专题(No.2019QZKK0405);中国科学院青年交叉团队项目(No.JCTD202218);中国科学院“西部之光”交叉团队项目重点实验室合作研究专项;甘肃省创新群体项目(No.20JR10RA038).作者简介:李宗省(1984-),男,研究员,主要从事高寒山区生态水文与国家公园研究.ORCID:0000000328707027.Email:引用格式:李宗省,张百娟,冯
9、起,桂娟,张百婷,2023.我国西部高寒山区同位素生态水文研究进展.地球科学,48(3):1156-1178.Citation:Li Zongxing,Zhang Baijuan,Feng Qi,Gui Juan,Zhang Baiting,2023.A Review of Isotope Ecohydrology in the Cold Regions of Western China.Earth Science,48(3):1156-1178.第 3 期李宗省等:我国西部高寒山区同位素生态水文研究进展an increasing trend from the south to north,w
10、hile the precipitation effect shows an opposite direction.The water vapor sources in the western alpine mountains are complex.When the temperature coefficient is less than 0,the water vapor source is dominated by the southwest monsoon;when the temperature coefficient is 0-0.3,the water vapor source
11、is jointly dominated by the southwest monsoon and the westerly wind;when the temperature coefficient is more significant than 0.3,the water vapor source is dominated by the westerly wind.Different water bodies are affected by water supply and evaporation differences.The slope of the local evaporatio
12、n lines of stable isotope in each water body is in the following order:river water ice and snow melt water groundwater.The altitude effect of 18O in precipitation in the western alpine mountains is-1.3/100m,and the altitude effect of 18O in river water is-0.17/100m.The primary source of plant water
13、in the study area is soil water,and the utilization rate of water is closely related to plant types and the regional environment.Water vapor recycling has become an essential part of regional precipitation water vapor sources.However,with the deepening of the major national strategy of ecological ci
14、vilization construction,the western alpine mountainous area,which is an essential national ecological barrier,is undergoing profound and drastic changes in the ecological and hydrological processes under the changing environment.It poses challenges to regional water resources security,ecological sec
15、urity and sustainable development,which in turn provides a broad stage for the development of isotope ecohydrology in cold regions.In the future,it is urgent to further advances in the four aspects involving the observation,sampling,modeling,and theory in this domain.Key words:mountainous alpine;sta
16、ble isotopes;environmental effects;ecohydrology;environmental protection.0 引言 我 国 寒 区 特 别 是 以 青 藏 高 原 为 主 体 的 高 原及周边高寒山地是世界上众多大江、大河的发源地,也 是 对 气 候 变 化 响 应 极 为 敏 感 的 关 键 地 带(姚檀栋等,2013;程国栋和金会军,2013).全球变化背景下,寒区水体多相态加速转换导致水文过 程 剧 烈 变 化(Li et al.,2019b),进 而 引 起 水 循环的结构、速度、时空过程、要素组成及其水文与生态效应发生改变.因此寒区水文过程和生
17、态过程研究已成为近年来全球变化与区域响应研究的焦点(Chen et al.,2014;秦大河等,2014).同位素技术在水循环过程中的应用始于 20 世纪 50 年代(Dansgaard,1964).1961 年,国际原子能机构(IAEA)和世界气象组织(WMO)建立了全球大气降水同位素监测网(GNIP).Craig(1961)得到全 球 降 水 线(global meteoric water line,简 称 GMWL)的 线 性 关 系:2H=818O+10.Dansgaard(1964)最早分析了降水同位素与温度、纬度、高度、降水量和距海岸距离的关系.此后,氢氧稳定同位素技术在河川径流的
18、研究中迅速展开(Turner et al.,1992;Maurya et al.,2011;Yang et al.,2011;Kong and Pang,2012;Pu et al.,2013).我国同位素水文研究历经 50多年,取得了重要的进展.1966年在珠穆朗玛峰的科学考察拉开了我国 降 水 稳 定 同 位 素 研 究 的 序 幕(Zhang et al.,1973).1983 年以后我国先后有 20 多个监测站被纳入 IAEA 全球观测网,2004 年开始建立中国大气降水同位素网络(简称 CHNIP)(宋献方等,2020).我国水体稳定同位素研究从最初的分析降水中18O 和 D 的时空
19、变化特征(郑淑蕙等,1983;田立德等,1998;Yao et al.,1999;Tian et al.,2007),到探究不同水体稳定同位素环境效应,讨论局地气象因子、水汽来源、局地水汽再循环等对水体稳定同位素的影响(Kong and Pang,2012;Li et al.,2014,2015a,2016a,2019a;Wang et al.,2016;Gui et al.,2020,2022),各水体稳定同位素的研究也逐渐由现象描述、成因分析转向对产生同位素环境效应的深层机制的挖掘,对于各水体同位素及其环境效应以及影响机制的认识在不断提高,已有研究还量化了中国降水同位素温度效应和降水量效应
20、的空间范围,并提出了空间覆盖完整 的 中 国 大 气 降 水 线 方 程(Wang et al.,2022),同时水体稳定同位素为追踪水汽来源、反映全球和区域水循环机制与大气环流模式等研究提供了重要依据(Yao et al.,2013;田立德等,2021).作为国家重要生态屏障的西部高寒山区,变化环境下生态水文过程正在发生深刻而又剧烈的改变,已对区域水资源安全、生态安全和可持续发展带来了挑战.西部高寒山区水资源变化直接影响到河川径流和“亚洲水塔”的水源涵养功能,在我国乃至全球尺度水循环、水平衡及水资源研究中具有重要的科学价值(Kang et al.,2010;汤秋鸿等,2019).目前,中国西
21、部地区的同位素生态水文研究,已取得了不少成果,这些研究主要集中在单一的流域或1157第 48 卷地球科学 http:/单 一 站 点(Wang et al.,2016;Kong and Pang,2016;Adhikari et al.,2019;Li et al.,2020).因此本文基于前人的研究结果,综述了西部高寒山区不同水体稳定同位素时空变化特征以及水体同位素影响因素,总结降水稳定同位素的温度效应、降雨量效应、海拔效应等环境效应,并从径流分割、水汽来源、植物水分利用以及局地水汽再循环方面分析水体稳定同位素生态水文效应,以期为高寒区同位素水文过程的研究提供一定的参考.1 研究区概况 我国
22、西部高寒山区(73.67107.64E,21.0149.01N)(图 1)是指海拔大于 1 500 m 的西部地区,主要分布在青藏高原及其邻近山区,区域气候复杂且水循环过程错综多变(Li et al.,2019b),特殊的地形和气候等条件使其成为研究水循环的理想区域.西部高寒山区西起帕米尔高原,东至横断山脉,北部是阿尔泰山脉,南部为喜马拉雅山脉(Li et al.,2019b),面 积 约 为 3.36106 km2,平 均 海 拔 超 过 3 800 m,年均气温 3 左右,年均降水约 306 mm(彭守璋,2019,2020).区内地势较高,积雪、冰川广布,主要分布在昆仑山山系、天山山系以
23、及念青唐古拉山等山系,冰川数量共约 48 571 条,面积约51 766.08 km2,冰储量约 4 494.00 175.93 km3(刘时银等,2015),同时分布大量的多年冻土,其中青藏高原地区多年冻土面积约为 1.06106 km2(Zou et al.,2017).区内植被类型丰富,垂直分带性明显,包括高寒草原、高寒草甸、高山灌丛、落叶阔叶林、荒漠和温带草原等类型(石芳忠等,2018).2 数据来源 本 文 所 用 数 据 来 源 于 国 家 青 藏 高 原 科 学 数据 中 心(https:/ 已 发表 文 献(表 1),共 收 集 到 降 水 同 位 素 点 124 个、河水同位
24、素点 961 个、地下水同位素点 159 个以及冰雪融水同位素点 25 个(图 1).3 不同水体稳定同位素的时空特征 3.1降水稳定同位素3.1.1局地大气降水线(LMWL)全球自然水体中的 18O 和 D 之间存在线性关系,Craig(1961)将其定义为全球大气水线(GMWL):D=818O+10.不同区域由于气温、地形和地理位置的差异,降水表 1数据来源Table 1Data source of water stable isotope from published literature数据类型降水稳定同位素河水稳定同位素地下水稳定同位素冰雪融水稳定同位素径流分割数据数据来源Zhou
25、et al.,2007;Tian et al.,2007;Wu et al.,2010;Gao et al.,2013;Zhang et al.,2014;Li et al.,2014,2015a,2016a,2016b,2016c,2016d,2016e,2019a;Yu et al.,2014;Adhikari et al.,2019;Gui et al.,2019,2020;Li et al.,2020a,2020b;章新平等,2001;章新平等,2003;田立德等,2008;柳鉴容等,2008;文蓉等,2012;杨玉忠等,2013;侯浩等,2014;郭晓燕,2015;王圣杰,2015;
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