張蓓蓓 徐 慶 姜春武
(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所 北京 100091; 2.安徽省林業(yè)科學(xué)研究院 合肥 230001)
大氣降水作為陸地水循環(huán)的輸入項(宋獻方等, 2007), 是陸地水資源的重要補給來源, 在生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用(郝玥等, 2016)。全球氣候變化背景下, 大氣降水是水圈與大氣圈之間物質(zhì)能量交換最為活躍的因子(李廣等, 2016), 常被作為描述氣候變化的關(guān)鍵性指標(biāo)(徐慶等, 2006; 陳婕等, 2016)。因此, 進行局部地區(qū)大氣降水氫氧同位素特征的監(jiān)測研究對于深入理解氣候變化背景下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程變化具有重要意義。降水在形成過程中, 由于受到氣象過程、水源區(qū)氣候條件以及大尺度大氣環(huán)流背景等因素的影響(董小芳等, 2017a), 與氫氧同位素平衡及動力分餾相關(guān)的過程(如水汽蒸發(fā)、冷凝及雨滴蒸發(fā)過程等)會發(fā)生改變(Renetal., 2013), 進而導(dǎo)致氫氧同位素組成隨之呈現(xiàn)出不同的時空變化特征。故可以通過研究大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素組成、比率及其在不同時空效應(yīng)的變化規(guī)律來反演、追蹤大氣環(huán)流過程及大氣降水水汽來源(柳鑒容等, 2009)。此外, 大氣降水穩(wěn)定同位素特征還被廣泛應(yīng)用于古氣候重建(孫曉雙等, 2016)、大氣模型相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化及天氣預(yù)測(Yoshimuraetal., 2014; Gryazinetal., 2014)等領(lǐng)域。
Craig(1961)運用全球大氣降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)GNIP的同位素數(shù)據(jù), 提出了全球大氣降水線方程:δD=8δ18O + 10。但不同地區(qū)因為地理環(huán)境、氣候條件等差異, 會形成地區(qū)大氣降水線LMWL(Hughesetal., 2013), LMWL用以表征地區(qū)大氣降水中氫氧同位素的變化過程、復(fù)雜的氣候和自然地理特征條件(陳婕等, 2016), 繼而成為學(xué)者們關(guān)注的又一個焦點, 如在美國愛達荷州東南部(Ingrahametal., 1991)、摩洛哥西阿特拉斯山(Ettayfietal., 2012)及澳大利亞悉尼地區(qū)(Hughesetal., 2013)的大氣降水線均有研究。中國自1966年珠穆朗瑪峰科學(xué)考察拉開了降水氫氧穩(wěn)定同位素研究的序幕(章新平等, 1998)。近幾十年來, 學(xué)者們相繼對我國多個地區(qū)降水中的氫氧穩(wěn)定同位素特征進行了分析(章新平等, 1998; 徐慶等, 2006; 宋獻方等, 2007; 鄧文平等, 2012; 高德強等, 2017)。然而, 我國地域遼闊, 氣候類型、地貌環(huán)境復(fù)雜多樣, 大氣降水同位素組成差異較大,尤其是長江中下游地區(qū), 水汽來源地較為復(fù)雜, 全年中降水會受到不同方向氣團的影響, 進而導(dǎo)致局部區(qū)域降水同位素組成更為復(fù)雜。因此, 需要進一步深入研究安徽沿江地區(qū)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素特征, 為充分理解和完善長江中下游地區(qū)的大氣降水來源和中國大氣降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)(GNIP)提供數(shù)據(jù)支持。
安徽省安慶市位于我國氣候變化敏感的長江中下游地區(qū), 近幾十年來, 由于降水格局發(fā)生變化, 洪澇災(zāi)害、干旱等極端氣候事件頻繁發(fā)生(陳輝等, 2001; 徐慶等, 2008; 梅智杰等, 2014)。研究該地區(qū)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素組成及其水汽來源, 將有助于了解安慶地區(qū)大氣水循環(huán)過程、減緩洪澇災(zāi)害、合理利用和管理水資源。而前人的研究主要集中在長江中下游的上海、南京、武漢、宜昌及長沙等地區(qū)的降水同位素組成與來源(董小芳等, 2017a; 2017b; 鄧志民等, 2016; 武亞遵等, 2011; Wuetal., 2015), 對于安慶地區(qū)大氣降水氫氧同位素特征及來源的研究還未見報道。本研究基于安慶市迎江區(qū)2015年6月至2017年6月2個水文年共155個大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素樣品實測值, 結(jié)合該研究區(qū)HYSPLIT軌跡模型和環(huán)境因子, 分析該地區(qū)大氣降水氫氧同位素組成及其與氣象要素之間的關(guān)系, 探討該區(qū)大氣降水的水汽來源和運移過程, 以期揭示安徽沿江地區(qū)濕地森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程對氣候變化的響應(yīng)機制,為完善全國降水同位素監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫提供科學(xué)依據(jù)。
安慶市(115°46′—117°44′E, 29°47′—31°17′N)位于安徽省西南部, 長江中下游北岸, 地勢平坦, 地理位置獨特, 總面積13 590 km2。該區(qū)位于我國東亞季風(fēng)區(qū)南部,屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候, 年日照時數(shù)為2 030 h, 年太陽輻射總量407~491 kJ·cm-1a-1, 全年無霜期250天, 年均氣溫17 ℃, 年均降水量1 300~1 500 mm(梅智杰等, 2014)。春季(3—5月)降水量占全年降水量的34.5%, 夏季(6—8月)降水量占40.6%, 秋季(9—11月)占14.5%, 冬季(12月至翌年2月)占10.4%(安慶氣象局提供)。研究區(qū)植被以人工林為主,主要樹種有楊樹(Populus)、池杉(Taxodiumascendens)及楓香(Liquidambarformosana)等,林下草本主要有益母草(Leonurusartemisia)、水芹(Oenanthejavanica)、苦麥菜(Cichoriumendivia)、雀麥(Bromusjaponicus)、白蘇(Perillafrutescens)及蛇莓(Duchesneaindica)等。研究區(qū)土壤為河流沖積物,呈中性或弱酸性(梁純慶, 2016)。
2015年6月至2017年6月, 在安徽省安慶市迎江區(qū)新洲鄉(xiāng)濕地森林附近空曠地隨機放入3個雨量筒(在雨量筒上部放一漏斗, 并在漏斗中放置1個乒乓球, 以防止水分蒸發(fā))。每次降雨結(jié)束后, 立即用采樣瓶收集降水樣品, 迅速擰緊蓋子并用Parafilm封口膜密封。共收集到25個月155個降水樣品。所有水樣在野外條件下用保溫箱低溫(-5~0 ℃)保存, 帶回實驗室后置于-5 ℃以下冰柜中保存。研究區(qū)日降水量、氣溫和空氣相對濕度等氣象數(shù)據(jù)均由野外實測獲得。
大氣降水氫同位素(δD)、氧同位素(δ18O)的測定在清華大學(xué)地學(xué)中心穩(wěn)定同位素實驗室進行。利用MAT 253 同位素比率質(zhì)譜儀和Flash 2000 HT元素分析儀測定(δD的測定精度為1‰,δ18O的測定精度為0.2‰)。同位素比值用相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(V-SMOW)的千分差(‰)表示:
δ=[(Rs/Rd)-1]×1 000‰。
式中:δ為氫(氧)同位素比值;Rs為樣品中的D/1H(18O/16O)穩(wěn)定同位素組成;Rd為V-SMOW中的D/1H(18O/16O)穩(wěn)定同位素組成。
大氣氣團傳輸途徑和過程運用美國國家海洋和大氣管理局開發(fā)的拉格朗日積分軌跡模型HYSPLIT的后向軌跡法進行模擬(Draxleretal., 1998; 宋春陽等, 2015), 美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP為該模型提供氣象資料。本研究模擬并計算了研究區(qū)上空垂直高度500,1 000和1 500 m處降水168 h之前的大氣氣團傳輸途徑。
運用SPSS21.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析, 用Origin 9.1制圖軟件作圖。
從圖1中可以看出, 安慶地區(qū)的降雨在春、夏季分布較多, 秋、冬季較少。在研究期內(nèi)共發(fā)生降水155次, 降水總量為2 761.20 mm。該區(qū)氣溫呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征, 夏高冬低, 日氣溫為-4~33 ℃?;谘芯繀^(qū)2015年6月至2017年6月間大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素值發(fā)現(xiàn)(圖2): 大氣降水中δD值較大, 為-168.3‰~-2.8‰, 均值為-47.6‰;δ18O值相對較小, 為-21.66‰~-1.41‰, 均值為-7.23‰。
圖1 安慶地區(qū)2015年6月至2017年6月降水量及氣溫隨時間的變化Fig.1 Variations of precipitation and temperature in Anqing from June 2015 to June 2017
圖2 安慶地區(qū)2015年6月至2017年6月大氣降水δD和δ18 O隨時間的變化Fig.2 Variations of δD and δ18 O in Anqing from June 2015 to June 2017
圖3 安慶地區(qū)大氣降水δD和δ18 O的關(guān)系Fig.3 Relationships between δD and δ18 O in precipitation in Anqing
本研究基于安慶地區(qū)2015年6月至2017年6月2個水文年(25個月)的大氣降水δD和δ18O實測值, 利用最小二乘法擬合得出該區(qū)各季節(jié)大氣降水線(圖3)。從圖3可以看出, 安慶地區(qū)春季大氣降水線斜率略低于全球大氣降水線(δD=8δ18O + 10)及全國大氣降水線(δD=7.9δ18O + 8.2), 表明該地區(qū)春季存在一定的二次蒸發(fā)現(xiàn)象。該研究區(qū)各季節(jié)降水線截距均接近全球大氣降水線, 且大于全國大氣降水線, 表明該地區(qū)濕潤多雨。研究區(qū)全年大氣降水線方程的斜率和截距接近于全球降水線, 表明安慶地區(qū)氣候相對濕潤, 主要受海洋水汽影響。
安慶位于我國長江中下游地區(qū), 該地區(qū)氣候濕潤多雨。通過整合長江中下游地區(qū)大氣降水線(表1)進一步發(fā)現(xiàn), 除上海外, 包括安慶在內(nèi)的其他地區(qū)大氣降水線斜率、截距均接近或高于全球/全國大氣降水線, 表明這些地區(qū)降水主要來自海洋水汽。水汽從海洋表面蒸發(fā)運移到陸地形成降水的過程中, 沿途水汽中的重水分子優(yōu)先冷凝降落地表, 因此剩余水汽形成的降水中重同位素越來越貧化(董小芳等, 2017a)。而上海地區(qū)的大氣降水線斜率、截距遠(yuǎn)低于全球/全國大氣降水線, 這表明上海地區(qū)在降水過程中受到了不平衡的二次蒸發(fā)作用(董小芳等, 2017a), 致使雨水中富集大量重同位素。
表1 長江中下游地區(qū)大氣降水線方程Tab.1 Meteoric water line in the middle and lower reaches of the Yangtze River region
降水發(fā)生過程中伴隨著蒸發(fā),產(chǎn)生動力分餾作用,該作用可破壞氫氧穩(wěn)定同位素的平衡分餾,導(dǎo)致降水δD和δ18O的關(guān)系出現(xiàn)一個差值,Dansgarrd(1964)稱之為過量氘(d):d=δD-8δ18O,全球降水過量氘平均值在10‰左右。安慶地區(qū)降水中過量氘值存在一定的波動,為3.5‰~16.1‰, 均值為10.25‰, 接近全球平均值(10‰), 表明該地區(qū)水汽主要來源于海洋氣團。由圖4可以看出, 該研究區(qū)過量氘月均值在全球均值上下浮動, 表明該地區(qū)云層下的空氣濕度較高, 雨水中的重同位素含量相對較低, 水汽多來自于海洋。因此, 本研究引入空氣相對濕度加以驗證, 發(fā)現(xiàn)二者顯著正相關(guān)(P<0.01)(圖5)。此外, 從各季節(jié)降水中d(D-excess)均值來看, 研究區(qū)過量氘值季節(jié)變化不大(春、夏、秋、冬季均值分別為10.9‰,9.8‰,10.3‰和9.9‰), 除春季稍高于全球過量氘值外, 其他季節(jié)均在全球降水過量氘值附近(圖6)。
圖4 安慶降水中過量氘值月動態(tài)Fig.4 Monthly variation of d (D-excess) of precipitation in Anqing
將研究區(qū)降水δD 和δ18O分別與日均氣溫(T)和日降水量與進行線性回歸分析, 結(jié)果表明: 該地區(qū)降水δD 和δ18O與氣溫均顯著負(fù)相關(guān),δD=-1.187T-27.007 (R2=0.096,P<0.01,n=155),δ18O=-0.143T-4.758 (R2=0.091,P<0.01,n=155);δD 和δ18O與日降水量均無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。
為了進一步驗證安慶地區(qū)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素表征的大氣降水水汽來源的可靠性, 本研究選擇該區(qū)2個水文年中的12次典型降水事件(春、夏、秋、冬季各3次不同降水量降水事件), 利用HYSPLIT模型進行氣團軌跡模型模擬。垂直方向選取海拔500,1 000和1 500 m作為模擬的3個初始高度, 模擬該次降水發(fā)生前7天的氣團運動軌跡(圖7)。從圖7可以看出, 在春季, 研究區(qū)水汽主要來自于我國華北、華南地區(qū)的大陸性氣團及局地蒸發(fā)水汽。當(dāng)降水量較大時, 水汽同時也會受到我國南海水汽及太平洋東南季風(fēng)的影響。夏季和秋季相似, 降水主要受到印度洋西南季風(fēng)以及太平洋東南季風(fēng)的影響。而在冬季, 研究區(qū)水汽主要來自我國南海。這一結(jié)果與氫氧同位素組成及過量氘的分析結(jié)果基本一致。
圖5 安慶降水中過量氘值與空氣相對濕度的關(guān)系Fig.5 Relationship between d(D-excess) and air relative humidity in Anqing
圖7 安慶不同季節(jié)典型降水事件氣團軌跡Fig.7 Trajectory map of air mass in typical rain events during different seasons in Anqing紅色、藍(lán)色、綠色分別代表海拔500,1 000和1 500 m高度上氣團軌跡Red, blue, and green line represent air mass trajectory at the altitude of 500, 1 000, and 1 500 m, respectively.
圖6 安慶降水中過量氘值的季節(jié)變化Fig.6 Seasonal variation of d(D-excess) of precipitation in Anqing
與全球及全國大氣降水線相比, 安慶地區(qū)大氣降水線斜率在春季較低, 其他3個季節(jié)均在全球降水線附近, 說明該區(qū)春季有一定的二次蒸發(fā)作用。分析原因, 可能是由于該區(qū)春季氣候干燥進而引起二次蒸發(fā)。與之鄰近的南京地區(qū)(王濤等, 2013),秋季大氣降水線斜率(四季分別為9.28,8.11,7.65和8.85)低于全球大氣降水線斜率, 這表明秋季該地區(qū)存在二次蒸發(fā)。南京地區(qū)各季節(jié)大氣降水線截距(四季分別為18.57,12.56,11.43和23.72)高于安慶地區(qū),表明南京氣候較安慶更為濕潤。但安慶、南京地區(qū)截距均接近或大于全國及全球大氣降水線, 表明兩地區(qū)的空氣相對濕度均較大
從地理位置分析,安慶、南京均屬于我國東亞季風(fēng)區(qū),受季風(fēng)氣候影響顯著。但是,二者的大氣降水線與我國東亞季風(fēng)區(qū)大氣降水線差異較大(δD=7.46δ18O + 0.90, 柳鑒容等, 2009)。究其原因,可能有以下2個方面: 第一,柳鑒容等(2009)的研究基于我國東亞季風(fēng)區(qū)17個站點,分布于我國東北、華北和華南地區(qū),經(jīng)緯度跨度大,其大氣降水線方程所代表的地域廣,而安慶、南京隸屬于東亞季風(fēng)區(qū)南部地區(qū),僅代表小范圍的大氣降水線; 第二,在安慶、南京及東亞季風(fēng)區(qū)的大氣降水線研究中,3者的采樣時間不一致,得出的大氣降水線方程可能存在年際差異。
Dansgaard(1964)定義的經(jīng)典大氣降水穩(wěn)定同位素理論中, 溫度效應(yīng)指同位素的組成與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。這種效應(yīng)在全球許多地區(qū)都得到了驗證, 如斯里蘭卡熱帶島嶼及波蘭弗羅茨瓦夫地區(qū)均發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果(Edirisingheetal., 2017; Gorkaetal., 2017)。但在中國青藏高原阿里地區(qū)(Guoetal., 2017)及澳大利亞悉尼地區(qū)(Hughesetal., 2013)降水中氫氧穩(wěn)定同位素的溫度效應(yīng)卻較弱。本研究中, 安慶地區(qū)δD和δ18O值與氣溫顯著負(fù)相關(guān), 表現(xiàn)出反溫度效應(yīng)。這可能與研究區(qū)所處的緯度有關(guān)。一般而言, 溫度效應(yīng)主要體現(xiàn)在高緯度地區(qū), 而對于低緯度及部分中緯度地區(qū), 由于受顯著季風(fēng)氣候、冷凝時的溫度、云下蒸發(fā)、空氣濕度等因素的綜合影響, 氫氧同位素的溫度效應(yīng)可能被掩蓋(李廣等, 2016)。安慶地區(qū)位于中低緯度交界處,受到顯著季風(fēng)氣候影響,地表濕度較大且溫度較高,加之其南鄰長江,地表蒸發(fā)水汽及長江水汽混入云團,增加了降水量,對溫度效應(yīng)產(chǎn)生干擾,進而表現(xiàn)出反溫度效應(yīng)。這種反溫度效應(yīng)在我國貴州安順(毛慶亞等, 2017)、廣西桂林(朱曉燕等, 2017)、云南蒙自(李廣等, 2016)及湖北武漢(鄧志民等, 2016)等地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)。
類似于溫度效應(yīng), 同位素理論中的降水量效應(yīng)是指同位素的組成與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是, 安慶地區(qū)未表現(xiàn)出明顯的降水量效應(yīng)。在國內(nèi)外其他一些地區(qū), 同樣也有類似發(fā)現(xiàn): 如重慶北碚區(qū)(胡菡等, 2015)、祁連山西北部排露溝(Fengetal., 2017)及印度梅加拉亞邦(Breitenbachetal., 2010)等。造成降雨量效應(yīng)不顯著的原因,可能有以下三點: 1)單次降水更容易受到風(fēng)速、濕度、水汽來源等短期天氣因素的影響, 導(dǎo)致降水中的δD和δ18O離散程度高, 與降水量相關(guān)性減弱(毛慶亞等, 2017); 2)局部地區(qū)受溫度的影響過大, 掩蓋了降水量效應(yīng)(陳中笑等, 2010); 3)地區(qū)的水汽來源地較為復(fù)雜, 不同來源的水汽組合引起降水量差異顯著, 從而導(dǎo)致降水同位素值也表現(xiàn)出差異(胡菡等, 2015)。
地區(qū)大氣降水中的過量氘值變化取決于水汽源地的氣象條件, 如空氣相對濕度、風(fēng)速、水體表面溫度等(李廣等, 2016)。因此可以通過過量氘值推斷降水的水汽來源。就安慶地區(qū)而言, 春季降水過量氘值略高于10‰, 表明春季存在一定不平衡蒸發(fā), 水汽來源于相對濕度較低的干燥區(qū), 而其他3個季節(jié)降水過量氘值接近10‰, 表明其主要受海洋氣團的影響。
本研究同時還發(fā)現(xiàn), 安慶大氣降水過量氘值與該區(qū)空氣相對濕度顯著正相關(guān), 表明空氣相對濕度是影響過量氘值的重要因素之一(Breitenbachetal., 2010)。與該結(jié)果相似, Crawford等(2017)在澳大利亞干旱區(qū)及Ren等(2013)在青藏高原瑪多地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。出現(xiàn)這種正相關(guān)關(guān)系的原因可能是隨著濕度增加,尤其是達到85%時, 水汽循環(huán)會引起高過量氘富集(Renetal., 2013)。安慶地區(qū)月均空氣相對濕度為72%~88%,較高的濕度加速了水汽循環(huán),從而引起過量氘富集。但是, 一些關(guān)于北大西洋海岸水汽的研究卻表明, 過量氘值與空氣相對濕度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(Benettietal., 2014; Steen-Larsenetal., 2014; 2015)。這可能是由于較低的空氣相對濕度加速了蒸發(fā)速率, 動力分餾過程隨之加劇, 從而導(dǎo)致過量氘富集(Dansgaard, 1964; Benettietal., 2014)。
從過量氘及HYSPLIT氣團軌跡模型結(jié)果可以看出, 春季時, 安慶大氣降水的水汽主要來源于大陸性氣團的輸送, 也有局地再蒸發(fā)水汽及近源海洋水汽的補充。由于大陸性氣團較穩(wěn)定, 沿途發(fā)生的降水事件少, 加上近源海洋水汽以及局地再蒸發(fā)水汽的運移路徑較短(李廣等, 2016)。因此, 重同位素經(jīng)歷的沖刷作用并不強烈, 水汽到達安慶地區(qū)形成降水后使得其中氫氧穩(wěn)定同位素值整體偏高。而在其他3個季節(jié), 安慶地區(qū)降水水汽主要來源于遠(yuǎn)源海洋水汽的輸送, 印度洋的東南季風(fēng)及太平洋西南季風(fēng)是安慶地區(qū)濕季降水的重要水汽來源。由于遠(yuǎn)源海洋水汽經(jīng)過長距離的運移輸送, 沿途經(jīng)歷了多次降水事件, 水汽團中的重穩(wěn)定同位素不斷被淋洗(李廣等, 2016), 所以當(dāng)水汽抵達安慶地區(qū)形成降水時, 降水中氫氧同位素值也普遍偏低。
安慶地區(qū)大氣降水線方程和拉格朗日積分軌跡模型結(jié)果均表明該地區(qū)降水過程由海洋水汽主導(dǎo)。但該區(qū)水汽來源也存在季節(jié)變化: 春季的水汽主要來源于我國華北、華南地區(qū)的大陸性氣團及局地蒸發(fā)水汽, 降雨量較大時也會受到太平洋東南季風(fēng)的影響, 夏、秋、冬季的水汽主要受我國南海氣團、印度洋的西南季風(fēng)及太平洋的東南季風(fēng)的影響。
與傳統(tǒng)大氣降水穩(wěn)定同位素理論中的溫度效應(yīng)不同的是, 安慶地區(qū)呈現(xiàn)出顯著的反溫度效應(yīng), 這可能與其所處緯度有關(guān), 表明不同地理位置會對大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素組成產(chǎn)生影響, 有些地區(qū)的大氣降水穩(wěn)定同位素不符合經(jīng)典同位素理論, 以后研究中需加以區(qū)分。
安慶地區(qū)過量氘與空氣相對濕度顯著正相關(guān), 表明空氣相對濕度是影響過量氘值的重要因素之一, 后續(xù)研究需重視這一指標(biāo)。
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