徐秋娥,劉澄靜,角媛梅,肖敏軒,丁銀平,張育豪,馬 帆,張園園

云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500

利用穩(wěn)定氫氧同位素追蹤降水的水汽來(lái)源是國(guó)際大氣和水文科學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1- 3]。降水中穩(wěn)定氧(O18)和氘(D)同位素是水汽來(lái)源的天然示蹤劑[4-5],是區(qū)域及全球水循環(huán)中的一個(gè)重要輸入項(xiàng),其豐度與形成時(shí)的氣象條件及水汽源區(qū)的初始狀態(tài)存在密切聯(lián)系[3,6]。因此,同位素環(huán)境效應(yīng)可作為降水來(lái)源的自然示蹤劑來(lái)反演大氣過(guò)程[7],判別不同區(qū)域的水汽來(lái)源[4,8],反映區(qū)域氣候特征[9],進(jìn)而深入了解區(qū)域水循環(huán)過(guò)程[10]。目前關(guān)于降水穩(wěn)定氫氧同位素組成及其水汽來(lái)源的研究,已在中國(guó)的西南地區(qū)[11]、西北地區(qū)[12]、東北地區(qū)[13]、東部沿海地區(qū)[14]、青藏高原[15]等地區(qū)展開(kāi),這些研究深入探討了不同區(qū)域水汽來(lái)源的方向、數(shù)量等特征,以及季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)、冬季風(fēng)與夏季風(fēng)的水汽來(lái)源差異等方面。整體上,大區(qū)域乃至全國(guó)范圍的大氣穩(wěn)定氫氧同位素分布特征、同位素效應(yīng)及其輸送過(guò)程變化規(guī)律與機(jī)制等已經(jīng)取得了重要的研究成果[16-20]。但目前的研究,在空間上對(duì)北方非季風(fēng)區(qū)水汽來(lái)源的研究要多于對(duì)南方季風(fēng)區(qū)的研究；在尺度上則缺乏對(duì)于小尺度地區(qū)的水汽來(lái)源及其運(yùn)移過(guò)程的精細(xì)研究；在時(shí)間上則比較注重對(duì)雨季(夏季風(fēng))水汽來(lái)源的研究而缺乏對(duì)旱季(冬季風(fēng))的研究。在季風(fēng)區(qū),相比于降水較多的雨季,旱季較少的降水和水汽來(lái)源及其區(qū)域效應(yīng)則更應(yīng)該受到較多的研究和關(guān)注。

哈尼梯田世界文化景觀遺產(chǎn)位于我國(guó)西南部,屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),旱季(11月—次年4月)降水較少和雨季(5月—10月)降水較多[21]。研究區(qū)內(nèi)降水水汽來(lái)源及其影響因素非常復(fù)雜,旱雨季存在明顯差異[22]。水作為維系哈尼梯田遺產(chǎn)景觀穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,尤其在降水匱乏的旱季梯田內(nèi)“灌水養(yǎng)田”和“沖水肥田”等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)都需要大量水源支持,降水作為哈尼梯田區(qū)最主要的補(bǔ)給水源,明晰旱季降水水汽來(lái)源、循環(huán)過(guò)程及其影響因素對(duì)哈尼梯田的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、遺產(chǎn)保護(hù)都具有十分重要的作用。因此,本研究通過(guò)對(duì)哈尼梯田區(qū)旱季降水穩(wěn)定氫氧同位素時(shí)空變化特征的分析,旨在揭示1)影響旱季降水穩(wěn)定同位素組成的主要環(huán)境因子及其相互關(guān)系；2)旱季水汽來(lái)源及其比例；3)哈尼梯田區(qū)旱季降水對(duì)梯田的補(bǔ)給情況及其生態(tài)意義。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于全福莊河小流域,屬于哈尼梯田文化景觀遺產(chǎn)核心區(qū)的壩達(dá)片區(qū)[23],地處云南省紅河哈尼族彝族自治州元陽(yáng)縣。經(jīng)緯度范圍在102°43′16″—102°50′39″E、23°5′20″—23°13′18″N之間。研究區(qū)地處哀牢山南段,屬紅河一級(jí)支流麻栗寨河的源頭區(qū)為扇形小流域,流域地勢(shì)南高北低,呈階梯狀逐漸降低,海拔范圍在1450—2261 m之間,相對(duì)高度811 m,面積約13.92 km2。區(qū)內(nèi)垂直氣候差異明顯,1800 m以上為北亞熱帶氣候和溫帶氣候,年均溫在15 ℃左右,年均降水量1800 mm；海拔1800 m以下地區(qū)為中、南亞熱帶氣候,為梯田主要分布區(qū),年均溫為17 ℃,年均降水量1500 mm。旱雨季分明[24],雨季降水量1089.7 mm,旱季降水量?jī)H為307.9 mm,降水的水汽來(lái)源與影響降水的因素比較復(fù)雜。

1.2 降水樣品采集與測(cè)試

在收集研究區(qū)相關(guān)資料和前人研究方法的基礎(chǔ)上結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,于2015年11月和12月至2016年1月至4月在研究區(qū)按月采集研究區(qū)旱季降水,采樣點(diǎn)位置通過(guò)手持GPS確定,所設(shè)置的7個(gè)樣點(diǎn)按海拔梯度分布：樣點(diǎn)1(1500 m)、樣點(diǎn)2(1680 m)、樣點(diǎn)3(1798 m)、樣點(diǎn)4(1889 m)、樣點(diǎn)5(1957 m)、樣點(diǎn)6(2004 m)和樣點(diǎn)7(2024 m),共采集有效大氣降水樣品42個(gè)(圖1)。采集樣品時(shí),先用自制的雨水收集器收集雨水,到該月結(jié)束后對(duì)桶內(nèi)收集的雨水進(jìn)行采集,并記錄月降水量。收集雨水收集器中雨水樣品時(shí),先將100 mL聚乙烯瓶用雨水清洗3次,迅速灌滿,使瓶?jī)?nèi)無(wú)氣泡后用密封膠封口,貼好標(biāo)簽。氣象數(shù)據(jù)采集來(lái)自設(shè)立于全福莊中寨(樣點(diǎn)3)的DAVIS Vantag自動(dòng)氣象站,每小時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù),具體采集氣象數(shù)據(jù)包括降水量、室外溫度、室外濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等。

圖1 研究區(qū)與采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Study area and distribution of sampling sites

穩(wěn)定氫氧同位素測(cè)試在云南師范大學(xué)高原湖泊生態(tài)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用Picarro L2130-i超高精度液態(tài)水和水汽同位素分析儀上測(cè)定,液態(tài)水測(cè)試結(jié)果的δ18O確保精度±0.1‰,δD確保精度±0.5‰,最終分析結(jié)果是用相對(duì)于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(V-SMOW)的千分差表示：

(1)

(2)

式中,RO-sample為水樣中穩(wěn)定氧同位素比率R(18O/16O),RD-sample為為水樣中穩(wěn)定氫同位素比率R(D/H),RV-SMOW為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水中穩(wěn)定氧和氫同位素比率R(18O/16O)和R(D/H)。

1964年Dansgaard[1]根據(jù)Craig[7]得出的全球大氣降水線提出并定義了氘盈余值(又稱過(guò)量參數(shù),簡(jiǎn)稱d-excess值),用來(lái)反映本地降水與全球降水的穩(wěn)定氫氧同位素分餾程度。

d=δD-8×δ18O

(3)

1.3 數(shù)據(jù)處理與后向軌跡模型(HYSPLIT)

研究區(qū)采樣點(diǎn)和地形圖由地理空間數(shù)據(jù)域提供的30 m×30 m的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)在ArcGIS 10.0軟件中進(jìn)行制圖綜合得出。穩(wěn)定氫氧同位素測(cè)試結(jié)果采用SPSS 20軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,主要分析方法包括相關(guān)性分析、一元回歸分析和假設(shè)檢驗(yàn)等,分析結(jié)果圖采用Grapher 12軟件制作。

旱季不同時(shí)間大氣降水水汽的來(lái)源軌跡,采用的是后向軌跡模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,簡(jiǎn)稱HYSPLIT模型)[25-26]的軌跡模擬結(jié)果,該模型是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡,并可以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)形勢(shì)、研究水汽輸送軌跡的專業(yè)模型。模型運(yùn)行的初始時(shí)間為UTC時(shí)間0時(shí),高度為500 m(距研究區(qū)地面),追蹤點(diǎn)為位于研究區(qū)樣點(diǎn)中間位置的樣點(diǎn)3,向后追蹤5 d,即120 h,這樣即可覆蓋連續(xù)性降水,還可提高追蹤水汽來(lái)源的精度。同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況和前人相關(guān)研究對(duì)軌跡模擬結(jié)果進(jìn)行聚類分析和GIS制圖綜合,得出旱季大氣運(yùn)動(dòng)的后向軌跡圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水中穩(wěn)定氫氧同位素分析

2.1.1本地大氣降水線

依據(jù)研究區(qū)所采旱季降水穩(wěn)定氫氧同位素?cái)?shù)據(jù),得出研究區(qū)局地大氣降水線(Local Meteoric Water Line, LMWL)方程為:δD=7.31δ18O+19.8 (R2=0.94,P<0.01,n=42),表明研究區(qū)旱季降水的穩(wěn)定氫氧同位素組成具有極好的相關(guān)性(圖2)。如圖2所示,研究區(qū)降水穩(wěn)定氫氧同位素值全部位于全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line, GMWL)上方,且LMWL的斜率7.31要小于GMWL的斜率8,這表明該區(qū)降水來(lái)源于具有不同穩(wěn)定氫氧同位素比率的源地,且降水形成過(guò)程中還受到蒸發(fā)等其他環(huán)境因素的影響,故出現(xiàn)18O偏離GMWL的現(xiàn)象。此外在局地降水上,旱季降水穩(wěn)定氫氧同位素值存在明顯的月間差異,同位素值呈現(xiàn)出隨時(shí)間變化而不斷富集的趨勢(shì),這種趨勢(shì)在一定程度上也反映了研究區(qū)不同月份降水的形成過(guò)程存在差異。

2.1.2大氣降水δ18O、d-excess變化特征

根據(jù)旱季7個(gè)樣點(diǎn)降水同位素δ18O在不同月份的分布情況可知(圖3),δ18O的變化范圍在-8.97‰—-0.92‰之間,平均值為-4.47,總體上旱季δ18O富集。從時(shí)間上看,旱季降水同位素δ18O值隨旱季的深入逐漸富集,并呈現(xiàn)出旱季前期(11月至次年1月)和后期(次年2月至次年4月)兩個(gè)不同的增長(zhǎng)階段。其中,在旱季前期降水同位素素δ18O值快速富集,變化率為2.69‰/月；在旱季后期降水δ18O值富集的速度減緩,變化率為0.60‰/月。從空間上看,各月樣點(diǎn)降水同位素值差異較小,隨海拔變化的情況不明顯,這與相對(duì)較小的海拔梯度有關(guān)。

圖2 大氣降水δ18O和δD的關(guān)系Fig.2 Relationship between δ18O and δD

圖3 旱季降水δ18O和d-excess的時(shí)間變化 Fig.3 The monthly variation of deuterium excess and δ18O in precipitation during the dry season

從降水同位素d-excess值在不同月份的分布情況來(lái)看(圖3),研究區(qū)旱季d-excess值范圍在12.44‰—31.11‰之間,平均值為22.87,要明顯大于全球d-excess值的10‰。在旱季氘盈余值隨時(shí)間的變化也存在兩個(gè)階段的特征,在旱季前期d-excess不斷上升,變化率為3.71‰/月；在旱季后期d-excess不斷降低,變化率為-4.80‰/月。在空間上,各月樣點(diǎn)降水d-excess值差異較小,隨海拔變化的情況不明顯。

2.2 影響降水δ18O的環(huán)境因子

將各樣點(diǎn)降水穩(wěn)定氧同位素的月平均值與各環(huán)境因子(降水量、溫度和相對(duì)濕度)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表1和圖4。

表1 研究區(qū)旱季降水平均δ18O與主要環(huán)境因子的關(guān)系

圖4 旱季降水量、溫度、相對(duì)濕度的變化Fig.4 Change of precipitation, temperature and relative humidity during the dry season

2.2.1大氣降水δ18O與各環(huán)境因子的一元回歸分析

7個(gè)樣點(diǎn)降水δ18O平均值與降水量、溫度和相對(duì)濕度的一次和二次擬合方程P值均大于0.05(表1),表明三者均不是影響降水δ18O變化的主要因素。這是由于大氣降水在凝結(jié)過(guò)程中,由于旱季相對(duì)濕度較低且溫度較高,降水分餾以動(dòng)力過(guò)程為主,雨滴在下降過(guò)程中經(jīng)歷了二次蒸發(fā)過(guò)程或雨滴凝結(jié)時(shí)混入了一定量的局地循環(huán)的水汽。

2.2.2大氣降水δ18O與各環(huán)境因子的多元回歸分析

通過(guò)以上分析,在旱季,各樣點(diǎn)旱季降水同位素值與溫度、降水量和相對(duì)濕度的相關(guān)性未通過(guò)相關(guān)系數(shù)臨界值檢驗(yàn),即旱季降水δ18O沒(méi)有明顯的主導(dǎo)性環(huán)境因子。綜合考慮旱季降水同位素δ18O與降水量、溫度和相對(duì)濕度各主要環(huán)境因子的影響,對(duì)旱季降水δ18O值與各環(huán)境因子做多元回歸分析,回歸方程為：δ18O=-0.002P-0.86T-0.39H+38.22 (R2=0.96,P=0.05),式中P為降水量(mm),T為溫度(℃),H為相對(duì)濕度(%),其相關(guān)系數(shù)為0.98,說(shuō)明旱季降水同位素變化是多因素綜合影響的結(jié)果,局地水汽循環(huán)過(guò)程顯著。

2.3 旱季降水的水汽來(lái)源

2.3.1氘盈余指示的水汽來(lái)源

從降水同位素d-excess值在不同月份的變化特征來(lái)看(圖3),旱季氘盈余值隨時(shí)間的變化也存在兩個(gè)階段的特征,在旱季前期d-excess不斷上升,變化率為3.71‰/月；在旱季后期d-excess不斷降低,變化率為-4.80‰/月。在與環(huán)境因子的相關(guān)性方面,d-excess與溫度和相對(duì)濕度都有顯著的相關(guān)性,在0.05的顯著性水平下,d-excess與溫度和相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)分別為-0.89,0.81。這說(shuō)明旱季降水的d-excess更能夠展現(xiàn)局地環(huán)境因子對(duì)降水同位素的影響,而與降水量較低的相關(guān)性則是由旱季降水較少和影響因素較多造成的。

從圖3可知,可根據(jù)d-excess變化情況將研究區(qū)的水汽來(lái)源分為旱季前期和后期兩類,旱季前期不斷升高的d-excess說(shuō)明研究區(qū)水汽來(lái)源正逐漸從海洋水汽向大陸水汽轉(zhuǎn)變,降水δ18O逐漸富集,整體上呈現(xiàn)出同位素富集的情況；旱季后期d-excess逐漸降低則說(shuō)明的水汽來(lái)源又從大陸水汽逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ笏?降水δ18O雖然沒(méi)有逐漸貧化,但富集趨勢(shì)開(kāi)始變得平緩,這可能與這個(gè)時(shí)段的降水量偏少有關(guān)。

2.3.2基于后向軌跡模型的水汽來(lái)源

不同的水汽來(lái)源是影響降水同位素組成的關(guān)鍵因素,利用HYSPLIT模型對(duì)旱季水汽來(lái)源進(jìn)行軌跡模擬得出旱季大氣運(yùn)動(dòng)的后向軌跡圖(圖5),結(jié)果如下：

在整個(gè)旱季,水汽輸送主要有西南輸送水汽(SW)、西風(fēng)南支輸送水汽(SB)、西風(fēng)北支輸送水汽(NB)、北方冷空氣輸送水汽(NE)以及東南太平洋水汽(SE),此外還有部分局地水汽(Local)等6個(gè)主要水汽來(lái)源。其中以西南輸送水汽最多,約占整個(gè)旱季的67%；其次為西風(fēng)南支輸送水汽,約占整個(gè)旱季的12%；其余水汽貢獻(xiàn)比例較少,整體上均小于10%,但在個(gè)別月份略有上升。因此,在整個(gè)旱季西南水汽和西風(fēng)南支水汽是研究區(qū)主要的水汽來(lái)源。

在旱季各月間,11月至次年2月,西南輸送水汽來(lái)源比例逐漸較少,次年3月至4月又逐漸增多,同時(shí)西南輸送水汽比例又在一定程度上與西風(fēng)南支和局地水汽比例成反比,這與d-excess的分析結(jié)果基本一致。其中,西風(fēng)南支輸送水汽比例在11月至次年1月逐漸增加,而次年2月至4月又逐漸減小；局地水汽比例則在次年2月急劇增加,而2月以后又逐漸減少。在降水δ18O方面,由于旱季前期源于西南輸送的海洋水汽逐漸減少,局地水汽和西風(fēng)南支輸送的大陸水汽逐漸增多,δ18O也在不斷富集；雖然在旱季后期西南季風(fēng)輸送水汽的比例逐漸增加,局地水汽和西風(fēng)南支輸送水汽比例不斷減少,但由于降水量較少且相對(duì)濕度較高(圖5),降水δ18O沒(méi)有出現(xiàn)逐漸貧化的情況,只是富集趨勢(shì)有所降低。這說(shuō)明,不同水汽來(lái)源的水汽也會(huì)受到局地環(huán)境因素的影響,影響結(jié)果大小一定程度上取決于水汽所形成的降水量的大小。

圖5 研究區(qū)旱季水汽來(lái)源后向軌跡示意圖Fig.5 Cluster of backward trajectory from study area during the dry season

3 討論

3.1 旱季大氣降水δ18O與各環(huán)境因子的關(guān)系

在本研究中,旱季降水同位素值與降水量、溫度和相對(duì)濕度的相關(guān)性并不顯著,即旱季降水δ18O沒(méi)有明顯的主導(dǎo)性環(huán)境因子。而一般認(rèn)為降水穩(wěn)定同位素組成變化受到了水汽凝結(jié)時(shí)溫度、水汽輸送方式、降水的季節(jié)變化、降水期間的溫度和濕度等因素影響[11]。Dansgaard定義了降水中δ18O與溫度之間存在顯著正相關(guān)性關(guān)系為溫度效應(yīng),而降水中δ18O與降水量之間存在反相關(guān)性,將此現(xiàn)象定義為降水量效應(yīng)[1]。田立德、劉忠方等[27]人認(rèn)為高緯度地區(qū)影響降水穩(wěn)定同位素組成變化的主要是溫度因素,而在低緯度熱帶及亞熱帶地區(qū)則為降水量。在季節(jié)尺度上,哈尼梯田地區(qū)的大氣降水穩(wěn)定氫氧同位素組成具有明顯的季節(jié)性,旱雨季差異較大,由于雨季平均氣溫較旱季大,且降水量集中在雨季,旱季與雨季水汽來(lái)存在差異,雨季存在明顯的溫度效應(yīng)[1],這與環(huán)境同位素的分餾作用主要受制于相變過(guò)程中的溫度的說(shuō)法一致[28-29],旱季降水量少,旱季沒(méi)有主導(dǎo)性因子。但在年尺度上看,由于季風(fēng)的控制哈尼梯田區(qū)降水多集中在溫度較高的雨季,全年降水δ18O值存在明顯降水量效應(yīng)[21]。

3.2 旱季降水水汽來(lái)源對(duì)哈尼梯田降水補(bǔ)給的影響

圖6 旱季降水量和蒸發(fā)量Fig.6 Precipitation and evaporation during the dry season

章新平等[30]的研究表明,中國(guó)西南地區(qū)旱季降水穩(wěn)定同位素比率和d-excess較大,主要受大陸性氣團(tuán)影響,水汽主要來(lái)源于西風(fēng)帶的輸送和內(nèi)陸再蒸發(fā)水汽的補(bǔ)給。本研究的水汽來(lái)源分析表明,哈尼梯田區(qū)不僅受少量的西風(fēng)南支和局地水汽補(bǔ)給,更多的是受西南季風(fēng)的影響,除2月份占比為43%外,其余月份均占70%左右(圖5),使11月和次年4月都出現(xiàn)較多的降水量(圖4),從而為哈尼梯田秋末(11月)的“灌水養(yǎng)田”活動(dòng)和春初(4月)的“沖水肥田”活動(dòng)所需的水源提供有效補(bǔ)給。在研究區(qū)的梯田內(nèi),旱季灌水養(yǎng)田時(shí)的水深一般為20—25 cm,梯田儲(chǔ)水量為0.25 m3/m2[31]。由于旱季灌水養(yǎng)田時(shí)田水一般不會(huì)排出,且梯田底泥底一般為黏土,透水性弱,因此蒸發(fā)是旱季田水損失的主要原因。要保證研究區(qū)旱季梯田水體的穩(wěn)定和持續(xù),研究區(qū)旱季的降水量必須要大于蒸發(fā)量。根據(jù)研究區(qū)2015—2016年的旱季降水量(424.93 mm)和旱季蒸發(fā)量(393.24 mm)計(jì)算出的干燥度為0.93,小于1(圖6),研究區(qū)在旱季依然達(dá)到了濕潤(rùn)地區(qū)的指標(biāo)。這說(shuō)明研究區(qū)旱季的降水能夠完全保證梯田區(qū)旱季灌水養(yǎng)田的需求,保障了旱季哈尼梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),是實(shí)現(xiàn)哈尼梯田千年的可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

哈尼梯田世界遺產(chǎn)核心區(qū)全福莊河流的局地大氣降水線方程為δD=7.31δ18O+19.8 (R2=0.94,P<0.01,n=42),δ18O和d-excess前期均快速富集,后期則是δ18O富集速度減緩但d-excess快速降低。在旱季中,降水δ18O與降水量、溫度和相對(duì)濕度等因子方程為δ18O=-0.002P-0.86T-0.39H+38.22 (R2=0.96,P=0.05,n=42)。HYSPLIT模型結(jié)果顯示旱季主要有西南季風(fēng)(67%)、西風(fēng)南支(12%)和局地水汽(8%)等3個(gè)水汽來(lái)源,西南季風(fēng)帶來(lái)的降水在旱季末期(11月)為“灌水養(yǎng)田”,以及次年最干旱月份(4月)的“沖水肥田”和“栽插準(zhǔn)備”等梯田農(nóng)事活動(dòng)提供了充足的水源保障。

致謝：云南師范大學(xué)高原湖泊生態(tài)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)同位素測(cè)試給予支持,特此致謝。