趙 強(qiáng)，常 丹，黃介生，王 康

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

融雪產(chǎn)流過程是季節(jié)性凍融區(qū)一年中最為顯著的產(chǎn)流過程之一。受低溫、積雪、凍融等極端氣候環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的水文物理觀測(cè)手段很難應(yīng)用于該地區(qū)流域水文過程的研究。長(zhǎng)序列觀測(cè)資料的缺失，加之凍融過程對(duì)融雪產(chǎn)流階段水文過程影響的復(fù)雜性，使得該地區(qū)水循環(huán)過程的研究一直滯后于非凍融區(qū)[1, 2]。由于氫氧穩(wěn)定同位素易于測(cè)得，且在積雪、降雨、地表水和地下水中有著較大的區(qū)別，因而已普遍的應(yīng)用于寒區(qū)流域水文過程的研究[2, 3]。

在國(guó)外，穩(wěn)定氫氧同位素在流域水文過程研究中主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：通過分析穩(wěn)定氫氧同位素或水中化學(xué)離子在時(shí)間和空間上的變化特征進(jìn)行溯源分析，確定不同季節(jié)、時(shí)段，不同區(qū)域、河段水分的主要來源[4-6]；利用氫氧同位素或結(jié)合穩(wěn)定化學(xué)離子(Si、Cl-等)采用兩端元或三端元法[7, 8]，對(duì)河水融雪產(chǎn)流過程或降雨事件的新水(融雪水、降雨)和舊水(基流、土壤水和地下水)進(jìn)行徑流劃分[9, 10]；還有一些研究通過氫氧同位素對(duì)湖泊和河道的蒸發(fā)量進(jìn)行估算[6, 11]。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究主要集中在青藏高原地區(qū)[12-14]、長(zhǎng)江源多年凍土區(qū)[15, 16]和黑河流域[17-19]，主要研究的問題包括水汽來源、降水補(bǔ)給高度、河水中同位素時(shí)空變化及高程效應(yīng)、土壤凍融過程與徑流關(guān)系等。

以上研究多集中在高寒地區(qū)，下墊面以森林、荒漠、草原、草甸為主，受人類活動(dòng)較小，相對(duì)單一。因而穩(wěn)定氫氧同位素在空間上變異性相對(duì)較小，在這些區(qū)域適用性較好。而在東北受季節(jié)性凍融影響的農(nóng)業(yè)區(qū)，尤其是在灌溉和非灌溉農(nóng)田混合的流域，融雪產(chǎn)流階段穩(wěn)定氫氧同位素時(shí)空變化特征、主要影響因素尚不明確。

因此，本文基于2016年凍土融化期黑頂子河流域積雪、積冰、雨水、河水、土壤水和地下水中氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)，分析了該區(qū)域融雪產(chǎn)流及凍土融化階段氫氧同位素的時(shí)空變化特征和主要影響因素。本研究有助于評(píng)價(jià)穩(wěn)定氫氧同位素在受季節(jié)性凍融影響的農(nóng)業(yè)區(qū)流域水文循環(huán)研究中的適用性，也有利于更深入的揭示這一地區(qū)水循環(huán)過程。

1 研究區(qū)概況

黑頂子河流域位于吉林省長(zhǎng)春市雙陽(yáng)區(qū)境內(nèi)(125°34′27″～125°42′22″E，43°22′48″～43°29′37″N)，區(qū)內(nèi)河長(zhǎng)16 km，研究區(qū)流域面積為75.25 km2(圖1)。流域內(nèi)主要土地利用形式是耕地，占流域面積的81.6%，其他兩種主要的土地利用形式是林地(14.0%)和農(nóng)村居民區(qū)(4.4%)。水稻和玉米是流域內(nèi)僅有的兩種種植作物，其中水稻田分布在下游主河道兩側(cè)較為平緩的區(qū)域，占耕地面積的15.3%，在種植期灌溉水主要來自上游的黑頂子水庫(kù)；玉米田主要分布在上游支流以及下游與水稻田相連的坡地區(qū)域，占耕地面積的84.7%。黑頂子河流域?qū)儆跍睾畮О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)區(qū)氣候，年均氣溫4.8 ℃，最高氣溫22 ℃，最低氣溫-17 ℃，多年平均降水量624.7 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 381.4 mm。封凍期一般在11月中旬到翌年4月下旬，歷年最大凍土深度158 cm。根據(jù)雙陽(yáng)縣土壤普查數(shù)據(jù)，流域內(nèi)土壤主要包括黑鈣土、草甸土、暗棕土等。

圖1 研究區(qū)域及取樣點(diǎn)分布Fig.1 Sketch map of the study area and location of monitoring positon

2 研究方法

2.1 樣品采集

根據(jù)流域30 m精度的數(shù)字高程地圖(DEM)，將黑頂子流域劃分為13個(gè)子流域(Subbasin, SB)，上游5條支流所在的子流域分別為SB1-SB5。凍土融化過程中，對(duì)典型支流、河道斷面、積雪、河冰、土壤水和地下水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。2016年融化期共取樣品184個(gè)，其中出口、第三支流和第四支流河水樣品采集頻率為每天一次，根據(jù)產(chǎn)流階段，主河道斷面A、D、E以及第一、二、五支流出口處分別于3月16日，3月21日，3月28日，4月5日和4月13日進(jìn)行了五次取樣，共收集河水樣118個(gè)；融雪產(chǎn)流前采用直徑10 cm的PVC管取整個(gè)積雪斷面的雪樣5個(gè)，采用冰鉆在主河道和SB3支流上每隔5 cm取一層冰樣，共13個(gè)；采用土鉆法分別在水稻田和玉米田0～10、20～30、40～50、90～100、140～150 cm深度取土樣5個(gè)；在三次降雨(4月2日，4月12日，4月14日)過程中采用J16022雨量筒收集雨水樣3個(gè)；在水稻田和玉米田分別用洛陽(yáng)鏟打一口直徑7.5 cm深3.5 m的地下水井并埋入外徑7.5 cm的PVC管，管身1.5～3.5 m之間開孔，管底部及開孔區(qū)用尼龍網(wǎng)布包裹，地下水樣每?jī)商烊∫淮?，?4個(gè)。水樣采集后立刻裝入10 mL高密度線性聚乙( HDPE) 瓶中，瓶蓋為密封的螺紋蓋，用封口膜進(jìn)行密封，土樣采集后立即裝入自封袋內(nèi)，并放入冰箱冷藏，以防止蒸發(fā)作用引起的同位素分餾。

2.2 氫氧同位素和水化學(xué)分析

所有地表及地下水樣過0.2 μm濾膜后注入1.5 mL的自動(dòng)取樣瓶。對(duì)于土壤，采用真空蒸餾技術(shù)提取土壤水樣。水樣的氫氧穩(wěn)定同位素均在武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定同位素分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，采用MAT253同位素比質(zhì)譜儀連接Flash EA/HT測(cè)定水樣中的δ18O和δD，δ18O和δD的儀器分析精度分別為0.2%和2%。所有水樣測(cè)定結(jié)果以V-SMOW為標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示：

(2)

3 結(jié)果與討論

3.1 黑頂子河流域氫氧同位素特征

黑頂子流域融化期地表水、土壤水和地下水的穩(wěn)定氫氧同位素大小、變化范圍如表1所示。

表1 黑頂子流域地表水、土壤水和地下水穩(wěn)定氫氧同位素分布特征Tab.1 Characteristics of δ18O and δD for surface water, soil water and ground water in the Heidingzi watershed

2016年積雪中δ18O和δD均最小，變化范圍最廣，變異性最大，這是因?yàn)榱饔騼?nèi)積雪受地形、土地利用類型、地表植被、風(fēng)吹雪等作用的影響，分布不均勻[20]，隨后的升華、融化和混合作用導(dǎo)致δ18O和δD在時(shí)間和空間上變異性較大[21]。地下水尤其是水稻田地下水同位素最為富集，且變化范圍和變異性最小，說明在整個(gè)融化期凍土層減弱甚至隔絕了融雪水對(duì)地下水的補(bǔ)給。由圖1可知，支流兩側(cè)主要為玉米田，其δ18O和δD大小位于積雪和玉米田土壤水與地下水之間，說明支流的水分同位素是融雪水與土壤水或地下水混合的結(jié)果；主河道河水中δ18O和δD平均值大于支流，且變化范圍與變性更大，說明有其他富含δ18O和δD的水源匯入，通過表1可知，這些水源可能是河岸兩邊水稻田的土壤水、地下水或者主河道內(nèi)積冰融水。

圖2中直線為全球降水線，點(diǎn)畫線為第二松花江當(dāng)?shù)亟邓€[22]，由于黑頂子河流域?yàn)榈诙苫ń饔虻淖恿饔?，所以可以將該直線近似看作是黑頂子河流域的當(dāng)?shù)亟邓€(圖2)。黑頂子河流域凍土融化期降水線(積雪與降雨δ18O和δD擬合直線)為δD=8.64δ18O+15.31，斜率和截距略大于全球降水線和當(dāng)?shù)亟邓€。已有研究表明，影響降水線截距的主要因素是影響海水蒸發(fā)的動(dòng)力因素，其中最重要的是空氣濕度，濕度越小，截距越大[23, 24]；而影響其斜率的主要因素則海面溫度，溫度越低，斜率越大[25]。由于凍結(jié)期和融化初期相對(duì)于一年中其他時(shí)期海面溫度低、濕度小，因而降水線斜率和截距更大。

由圖2可知，玉米田和水稻田的土壤水與地下水均勻的落在當(dāng)?shù)亟邓€附近，說明這些水分的來源主要是凍結(jié)期前的降雨。融化期河道中水δ18O和δD落在融化期降水線右下方，當(dāng)?shù)亟邓€左上方，說明是蒸發(fā)分餾作用以及融雪水與地下水、土壤水混合作用的結(jié)果。由于河水尤其是主河道水同位素分布更趨向于當(dāng)?shù)亟邓€，說明在融雪產(chǎn)流期融雪水對(duì)河水的貢獻(xiàn)量小于地下水及土壤水的貢獻(xiàn)量。

圖2 融化期穩(wěn)定同位素δ18O和δD之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between δ18O and δD during the thaw period

3.2 凍土融化期氫氧同位素的時(shí)間變化規(guī)律

綜合考慮產(chǎn)流過程、凍土融化過程及降雨的影響將整個(gè)融化期劃分為四個(gè)階段(圖3)，階段Ⅰ(3月14日-3月19日)為融雪產(chǎn)流初期，凍土融深11 cm，融化速率2.75 cm/d；階段Ⅱ(3月20日-4月1日)為融雪產(chǎn)流后期，凍土融化至30 cm，融化速率為1.46 cm/d；階段Ⅲ(4月2日-4月13日)為凍土融化活躍期，該階段凍土融化至75 cm，融化速率為3.75 cm/d；階段Ⅳ為降雨產(chǎn)流期，該階段出現(xiàn)比較集中的降雨。

由于δD和δ18O具有良好的線性相關(guān)性，且δ18O更加穩(wěn)定，因而此后所有討論均以δ18O為主。由圖3可知，整個(gè)融化期河水中δ18O最小值出現(xiàn)在顯著產(chǎn)流前一次降雨導(dǎo)致的融雪產(chǎn)流中，主河道與支流δ18O比較相近，為-9.3‰左右，主要因?yàn)楫a(chǎn)流時(shí)間短、溫度低，凍土層未融化，降雨導(dǎo)致的融雪水與土壤水混合程度較小，主河道與支流中δ18O均體現(xiàn)了積雪和降雨的同位素特征。

在融雪產(chǎn)流初期，河水δ18O迅速上升，是整個(gè)融化期變化最劇烈的階段，原因有兩個(gè)：①在凍結(jié)過程中，溫度梯度使土壤水向表層聚集，加之融雪產(chǎn)流前降雨及短期升溫導(dǎo)致的部分積雪融化入滲，導(dǎo)致表層土壤含水率很高。2016年3月12日取樣結(jié)果表明玉米田表層10 cm質(zhì)量含水率為32.12%，20～40 cm平均含水率為24.91%，對(duì)應(yīng)的水稻田10 cm和20～40 cm平均含水率分別為57.73%和44.87%。融雪初期，凍土融化深度為11 cm，融雪水與大量δ18O較高的土壤水混合(圖5)，導(dǎo)致同位素豐度迅速增加；②凍土層的存在抑制了土壤入滲，融雪水會(huì)聚積在地表，使表層土壤飽和或形成地表積水，此時(shí)蒸發(fā)更接近于水面蒸發(fā)，加之較高的溫度，使得蒸發(fā)分餾作用明顯，因而δ18O迅速增加。融雪產(chǎn)流后期，積雪融化殆盡，沒有融雪水的補(bǔ)充，河水來源為產(chǎn)流初期入滲水與進(jìn)一步融化土壤中土壤水的混合，且隨著土壤融化深度的增加，產(chǎn)流形式從地表產(chǎn)流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿乐辛?，受地表蒸發(fā)作用減弱，因而在融雪產(chǎn)流后期，δ18O緩慢增加。在凍土融化活躍期，主河道δ18O上升速度明顯快于支流，原因可能有兩個(gè)：①該階段溫度較高，流量減小后流速變慢，主河道中河水停留時(shí)間更長(zhǎng)，因而受蒸發(fā)作用影響更明顯；②主河道兩側(cè)多為水稻田，土壤含水率較高，凍土層底部?jī)鐾寥诨a(chǎn)出水分抬高了地下水位(圖4)，同時(shí)該階段流量減小，河道水位下降，使得河水與兩岸地下水水位差增加，從而使得δ18O較高的水稻田地下水補(bǔ)給河道水，與河水發(fā)生混合作用。在降雨產(chǎn)流期，δ18O較低的雨水混入導(dǎo)致河水同位素迅速下降。

圖3 融化期日平均氣溫和降雨量隨時(shí)間的變化關(guān)系;流域出口δ18O、流量隨時(shí)間變化關(guān)系；第三支流出口δ18O、流量隨時(shí)間變化關(guān)系；第四支流出口δ18O、流量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Temperature(T) and precipitation(P) during the thaw period; Discharge(D) and δ18O of watershed outlet; Discharge and δ18O of the third subbasin outlet; Discharge and δ18O of the fourth subbasin outlet

圖4 水稻田地下水深隨時(shí)間變化情況Fig.4 Groundwater depth variation of paddy land

通過以上分析可知，在季節(jié)性凍土融化期，凍土融化過程和降雨是控制河水穩(wěn)定同位素在時(shí)間上變化的主要因素。

3.3 凍土融化期氧同位素的空間變化規(guī)律

3.3.1 不同下墊面之間同位素差異

由表1可知，水稻田地下水和土壤水δ18O平均值分別為-6.5‰和-7.7‰，均大于玉米田(-8.0‰和-8.4‰)。由圖2可知，水稻田地下水和土壤水大部分點(diǎn)均位于當(dāng)?shù)亟邓€右下方，而玉米田地下水和土壤水則位于當(dāng)?shù)亟邓€上或者左上方，說明水稻田土壤水和地下水受到了更強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。由圖5可知，水稻田土壤水δ18O呈表層小深層大的變化趨勢(shì)，玉米田恰恰相反。這是因?yàn)?，玉米田水分主要來自大氣降雨，深層土壤及地下水受蒸發(fā)作用較小，δ18O較小，而表層土壤受蒸發(fā)作用影響明顯，δ18O則較大。水稻田地下水及深層土壤水主要來自于種植期灌溉入滲水，這些水灌溉前后分別在水庫(kù)和水稻田中經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間的水面蒸發(fā)作用，因而δ18O很大，而表層土壤水主要來自于秋冬季降水及融雪水入滲，凍結(jié)作用有效減少了蒸發(fā)，因而δ18O相對(duì)深層土壤水更小。

圖5 融雪產(chǎn)流前土壤水δ18O垂直分布情況Fig.5 Vertical δ18O distribution of soil water at the beginning of snowmelt

3.3.2 主河道與支流中同位素差異

由表1和表2可知，整個(gè)融化期主河道中δ18O顯著大于支流，且主河道中δ18O在時(shí)間上的變異性均大于支流。這是因?yàn)橹骱拥纼蓚?cè)包含更多的下墊面信息和地形信息，導(dǎo)致匯入主河道的水分更加多元化，比如水稻田地下水補(bǔ)給，兩岸生活用水，其中生活用水來自于當(dāng)?shù)厣顚拥叵滤?。河道?nèi)融冰也會(huì)貢獻(xiàn)δ18O相對(duì)較大的水，尤其是后期深層冰融化時(shí)。由圖6可知，主河道內(nèi)冰δ18O自上而下呈增加趨勢(shì)，主要是因?yàn)榈讓颖饕獊碜杂趦鼋Y(jié)過程中水稻田土壤水或淺層地下水，而表層冰則主要來自于凍結(jié)期短期升溫導(dǎo)致的積雪融水。

表2 2016年融化期支流與河道水樣穩(wěn)定同位素δ18O結(jié)果分析表Tab.2 δ18O of main stream water and tributary water during the thaw period of 2016

圖6 主河道冰δ18O垂直分布圖Fig.6 Vertical δ18O distribution of ice in main stream

此外，主河道相比于支流坡度小，河道長(zhǎng)且寬，河道中有四個(gè)節(jié)制閘，閘前后有不同程度的擁水，因而主河道水面面積、河水在主河道中停留的時(shí)間遠(yuǎn)大于支流，受蒸發(fā)作用影響更大。比較不同時(shí)段支流與干流的差異可以發(fā)現(xiàn)，在凍土融化活躍期最為顯著，在融雪初期二者差異最小，其次是降雨產(chǎn)流期，說明水循環(huán)活躍期流域同位素差異性較小。

4 結(jié) 論

黑頂子河流域在融化期積雪δD和δ18O平均值最小，分別為-93.3和-12.8，且變異性最大，融化期降水線為δD=8.64δ18O+15.31，斜率和截距均略大于全球降水線。地下水、土壤水受凍結(jié)期前降雨影響較大，均勻落在當(dāng)?shù)亟邓€兩側(cè)，由于凍土層隔絕了地下水與融雪水的聯(lián)系，地下水穩(wěn)定同位素值變異性最小。

受蒸發(fā)與混合作用的影響，融雪產(chǎn)流初期河水δ18O值迅速上升，此后由于凍土融化層的加深，融雪水與土壤水混合作用變?nèi)?，蒸發(fā)作用減小，δ18O值緩慢增加，直至降雨產(chǎn)流期，降雨作用導(dǎo)致河水δ18O值迅速減小。在凍土融化活躍期，主河道由于水稻田地下水補(bǔ)給的原因，δ18O值上升速度大于支流。

土地利用類型不同會(huì)導(dǎo)致下墊面之間土壤水和地下水同位素豐度差異較大。玉米田土壤水主要來自降雨，經(jīng)歷了先入滲再蒸發(fā)的過程，因而呈現(xiàn)表層大深層小的變化趨勢(shì)。水稻田深層土壤水和地下水主要來自作物生長(zhǎng)期灌溉水，經(jīng)歷了先蒸發(fā)后入滲的過程，因而δ18O值較大，而表層土壤水主要來自凍結(jié)期降雨或融雪入滲，因而δ18O值較小。

受水稻田地下水補(bǔ)給、河道融冰補(bǔ)給以及蒸發(fā)作用的影響，主河道穩(wěn)定同位素值顯著大于支流，這種差異與流域水循環(huán)活躍程度相關(guān)，融雪產(chǎn)流和降雨階段差二者差異較小，其他階段差異較大。

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