李宗杰， 段 然， 柯浩成， 劉曉穎， 謝庚淼， 高文德，， 宋玲玲，張百娟， 桂 娟， 薛 健， 南富森， 梁鵬飛， 李玉辰

（1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050； 2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省祁連山生態(tài)環(huán)境研究中心，甘肅蘭州 730000； 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

水的化學(xué)成分是水與周?chē)h(huán)境長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果，在水和溶解物的轉(zhuǎn)化遷移過(guò)程中，化學(xué)成分隨水量的變化而變化。因此，水的化學(xué)成分記錄了水的形成和遷移的歷史，水的離子組成是水化學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要方面[1-4］。水化學(xué)離子的研究對(duì)了解地表水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系、離子組成和來(lái)源具有重要意義，同時(shí)水化學(xué)對(duì)環(huán)境也具有指示意義，能反映巖石風(fēng)化、土地利用變化的影響、流域大氣沉積和人類(lèi)活動(dòng)的影響等。水的化學(xué)特征受各種自然和人為因素的影響，水中主要離子的組成被廣泛用于識(shí)別控制水化學(xué)組成的基本過(guò)程，如巖石風(fēng)化和大氣降水物質(zhì)的輸入[5］。

大氣降水的化學(xué)成分揭示了該地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣降水的影響，也反映了氣溶膠的長(zhǎng)距離傳播過(guò)程及其對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響。大氣降水化學(xué)特征的研究對(duì)于分析地殼和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的大氣質(zhì)量具有重要意義。此外，大氣降水和水汽來(lái)源的識(shí)別與量化對(duì)大氣環(huán)境模型的解釋具有重要意義[6-7］。近年來(lái)，氣候變暖加快了凍土區(qū)地下水循環(huán)速度，縮短了凍土區(qū)的水文循環(huán)周期。多年凍土區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化和生態(tài)環(huán)境的變化較為復(fù)雜，最終導(dǎo)致多年凍土層上水的多源性和隨機(jī)性增強(qiáng)。研究?jī)鐾翆由纤幕瘜W(xué)特征可以揭示寒冷地區(qū)氣候變暖對(duì)水循環(huán)的影響機(jī)理。對(duì)寒區(qū)水文過(guò)程的演變趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，是全面認(rèn)識(shí)水收支時(shí)空結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)[8-9］。一般來(lái)說(shuō)，冰雪融水的化學(xué)成分直接反映了冰雪融水徑流的水文地質(zhì)特征。同時(shí)，冰雪融水徑流對(duì)氣候變化最為敏感[10］。因此，研究加速消融背景下寒區(qū)各水體水化學(xué)特征指示的生態(tài)水文學(xué)意義，是我國(guó)水資源預(yù)測(cè)研究的重要依據(jù)，對(duì)寒冷地區(qū)的建設(shè)工程和生態(tài)保護(hù)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

河流不僅是全球和區(qū)域水循環(huán)的重要組成部分，而且在全球地球化學(xué)循環(huán)中起著非常重要的作用[11］。河流水化學(xué)成分及分布特征是水資源質(zhì)量、區(qū)域環(huán)境化學(xué)特征和水體元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的表征。研究河流水化學(xué)特征，對(duì)于了解地表水補(bǔ)給與地下水的關(guān)系，分析河流水化學(xué)成分的控制源具有重要意義[12-13］。因此，在河流地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行流域化學(xué)風(fēng)化侵蝕過(guò)程、地殼化學(xué)和同位素組成以及水系化學(xué)元素的相關(guān)研究[14］。

長(zhǎng)江源是我國(guó)淡水資源的重要補(bǔ)給地，是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)和重要啟動(dòng)區(qū)，是全球生物多樣性保護(hù)的重要區(qū)域，特殊的地理位置、豐富的自然資源、重要的生態(tài)功能使其成為我國(guó)乃至亞洲重要的生態(tài)安全屏障，是“亞洲水塔”的重要組成部分，在全國(guó)生態(tài)文明建設(shè)中具有特殊重要地位。源區(qū)徑流量占長(zhǎng)江總流量的近25%。該區(qū)流域面積約13.8×104km2，約占長(zhǎng)江流域總面積的7.8%。該區(qū)是寒區(qū)水文、生態(tài)學(xué)和氣象學(xué)相互作用研究的典型地區(qū)之一。近年來(lái)，在全球氣候變化的影響下，湖泊和濕地的萎縮、草地退化和永久凍土的融化威脅著整個(gè)青藏高原和長(zhǎng)江流域[15-16］。氣候變暖背景下高寒區(qū)多相態(tài)水體轉(zhuǎn)換明顯加速，冰凍圈融水已成為高寒區(qū)水資源的關(guān)鍵組成和生態(tài)系統(tǒng)的重要水源，高寒區(qū)水化學(xué)特征的水文學(xué)意義亟待深入。

為此，2016 年以來(lái)，在長(zhǎng)江源構(gòu)建依據(jù)海拔梯度的觀測(cè)采樣體系（表1），進(jìn)一步加密水文與氣象觀測(cè)，定期系統(tǒng)采集河水、冰雪融水以及凍土層上水等各類(lèi)水體樣品，同時(shí)在不同海拔按降水事件收集大氣降水樣品。如表1 所示，共布設(shè)大氣降水連續(xù)采樣點(diǎn)3 個(gè)，干流河水采樣點(diǎn)2 個(gè)，凍土層上水定點(diǎn)采樣點(diǎn)3 個(gè)，冰雪融水采樣點(diǎn)3 個(gè)。除了定點(diǎn)采樣以外，在消融期（消融期：5—10 月，其中消融初期（5—6 月）、強(qiáng)消融期（7—8 月）和消融末期（9—10月））對(duì)河水和凍土層上水也進(jìn)行區(qū)域尺度的樣品采集，基本實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)水體樣品的全流域采集，積累了寶貴的數(shù)據(jù)。歷時(shí)3年，共采集大氣降水、冰雪融水、凍土層上水、河水樣品1 770 組，并完成了各水體化學(xué)離子測(cè)試，所有水體的水化學(xué)離子（陽(yáng)離子為：Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Li+，陰離子為：Cl-、NO3-、SO42-、NO2-、F-）都用ICS-2500 型離子色譜儀測(cè)定，測(cè)試精度可達(dá)到ng·g-1級(jí)，測(cè)試誤差范圍＜±5%。通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)的采樣網(wǎng)絡(luò)，綜合應(yīng)用各類(lèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)，初步建立了一整套適合在高寒區(qū)應(yīng)用的水化學(xué)特征分析方法，分析各水體的水化學(xué)組成特征，研究各水體水化學(xué)特征的時(shí)空變化及轉(zhuǎn)換機(jī)制，解析各水體陰陽(yáng)離子的主要控制因素，剖析各水體水化學(xué)特征所指示的環(huán)境意義。

表1 長(zhǎng)江源區(qū)各水體采樣點(diǎn)位置Table 1 Locations of sampling points in various water bodies in the source region of the Yangtze River

1 研究方法

1.1 富集因子分析

富集因子分析（EF）被廣泛應(yīng)用于識(shí)別各種水中可能的主要離子來(lái)源。根據(jù)先前的研究[17-18］，將Ca2+作為土壤源的主要參考元素，將Na+作為海洋源的參考元素。計(jì)算如下：

式中：X 是目標(biāo)離子的濃度。主要水樣有河水、降水、泉水、冰川融水和凍土層上水。[X/Ca2+］是各目標(biāo)離子的土壤比，由Okay 等[18］得出。而[X/Na+］是基于這些水成分的各目標(biāo)離子的海相比率。一般情況下，EF≤1 表示水中目標(biāo)離子被海鹽稀釋?zhuān)珽F≥1表示土壤對(duì)目標(biāo)離子的富集。方程式（1）和（2）中使用的所有濃度單位均為mol·L-1。通過(guò)先前的研究，該方法已用于評(píng)估降水、河水、地下水和凍土層上水中主要離子的可能來(lái)源[17-18］。

1.2 Gibbs圖

為了解流域水化學(xué)類(lèi)型的特征和組成，通常采用吉布斯半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖分析水體的水化學(xué)特征，縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，代表河水中總?cè)芙饬髁俊M坐標(biāo)用Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+HCO3-）的比率表示。吉布斯圖可以直接反映地表水的主導(dǎo)因素，如“降水控制類(lèi)型”“巖石風(fēng)化類(lèi)型”或“蒸發(fā)濃度類(lèi)型”。為流域地表水的影響提供了定性參考[19-21］。Gibbs圖用Origin 19.0繪制。

1.3 非海洋源計(jì)算

本研究通過(guò)海洋源和非海洋源兩種來(lái)源的計(jì)算，定量分析了不同來(lái)源對(duì)研究區(qū)水化學(xué)的貢獻(xiàn)。除人類(lèi)活動(dòng)對(duì)降水化學(xué)特征的影響外，影響研究區(qū)降水水化學(xué)特征的主要來(lái)源是遠(yuǎn)程傳輸?shù)暮Ｑ笤春偷貧ぴ?。為了研究降水中水化學(xué)離子的來(lái)源，計(jì)算了海洋源（SSF）、地殼源（CF）和人為源（AF）。在本研究中，Ca2+被用作土壤源的參考元素，而Na+被用作海洋源[20-21］。計(jì)算公式如下：

式中：X是目標(biāo)離子；[X/Na+］海水比和[X/Ca2+］土壤比參考現(xiàn)有文獻(xiàn)[20，22］。為了量化主要離子的主要來(lái)源，計(jì)算了地殼源、海洋源和人為源對(duì)離子的貢獻(xiàn)。

1.4 后向軌跡模型

HYSPLIT 是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局為模擬氣流軌跡而開(kāi)發(fā)的擴(kuò)散模型。HYSPLIT4 模型（http：//www. arl. noaa. gov/ready/hysplit4. html）是一個(gè)完整的計(jì)算軌跡的系統(tǒng)，可用于進(jìn)行復(fù)雜的分散和沉積模擬。利用5 天的日分辨率反向軌跡，研究北京時(shí)間12：00（04：00 UTC）空氣氣團(tuán)到達(dá)采樣點(diǎn)的路徑。軌道模型中使用的氣象數(shù)據(jù)是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。模擬高度為距地表500 m，為了確定水汽來(lái)源，將所有反向氣流軌跡分為四類(lèi)。

2 主要進(jìn)展

2.1 大氣降水水化學(xué)特征的演化機(jī)制

長(zhǎng)江源區(qū)的水汽來(lái)源存在明顯的地域差異，不同的站點(diǎn)的水汽路徑往往隨季節(jié)變化，但研究區(qū)的水汽主要受西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流的控制[24-25］。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)直門(mén)達(dá)站的184 次降水事件、曲麻萊站的104 次降水事件和沱沱河站的201 次降水事件的HYSPLIT4 模式的分析得出：不同季節(jié)不同采樣點(diǎn)的水汽源存在明顯差異，但長(zhǎng)江源區(qū)的大氣降水的水汽來(lái)源主要受西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流的控制（圖1）。西風(fēng)環(huán)流是主要來(lái)源于西亞的水汽，而季風(fēng)環(huán)流是指來(lái)自印度洋的水汽。春季，直門(mén)達(dá)站的水汽來(lái)源主要受控于西風(fēng)環(huán)流和局地環(huán)流。而在西風(fēng)環(huán)流的基礎(chǔ)上，曲麻萊站的水汽也受到極地環(huán)流的影響，但是沱沱河的春季水汽主要受控于西風(fēng)環(huán)流。當(dāng)夏季來(lái)臨時(shí)，季風(fēng)環(huán)流開(kāi)始影響長(zhǎng)江源區(qū)的降水水汽。直門(mén)達(dá)夏季的水汽主要來(lái)自西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流，而曲麻萊和沱沱河夏季的水汽路徑基本相同，主要受控于西風(fēng)環(huán)流和局地環(huán)流。因此，長(zhǎng)江源區(qū)夏季水汽路徑是混合的。秋季，直門(mén)達(dá)大氣降水的水汽來(lái)源主要受季風(fēng)環(huán)流影響，曲麻萊的水汽來(lái)源主要受局地環(huán)流影響，而沱沱河的水汽來(lái)源主要受西風(fēng)環(huán)流影響。冬季，西風(fēng)環(huán)流是長(zhǎng)江源區(qū)主要的水汽路徑，但季風(fēng)環(huán)流會(huì)影響直門(mén)達(dá)站的水汽來(lái)源，這可能主要是由于直門(mén)達(dá)的低海拔及其在季風(fēng)影響區(qū)的位置所致。從直門(mén)達(dá)、曲麻萊和沱沱河不同季節(jié)水汽來(lái)源的變化可以看出，隨著長(zhǎng)江源區(qū)海拔的升高，從下游直門(mén)達(dá)站到上游沱沱河站的水汽來(lái)源越來(lái)越單一。沱沱河站是研究區(qū)域內(nèi)最高的觀測(cè)站，海拔梯度高，而本站水汽主要來(lái)源為西風(fēng)環(huán)流，而在下游的直門(mén)達(dá)站，水汽主要來(lái)源為西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流，也有大量的局部環(huán)流影響，這些變化也就說(shuō)明了水汽源的高程效應(yīng)[24］。

圖1 基于后向軌跡的長(zhǎng)江源區(qū)水汽源的時(shí)空變化Fig. 1 Temporal and spatial variation of water vapor source based on back trajectories in the source region of Yangtze River

為了定量分析研究區(qū)水汽來(lái)源對(duì)大氣降水水化學(xué)過(guò)程的貢獻(xiàn)，本文分析了直門(mén)達(dá)、曲麻萊和沱沱河三個(gè)觀測(cè)站同時(shí)發(fā)生的32 次降水事件的水汽來(lái)源。某一環(huán)流對(duì)大氣降水的貢獻(xiàn)依據(jù)某一環(huán)流主導(dǎo)的降水事件占總降水事件的百分比確定，而某一環(huán)流對(duì)大氣降水離子的貢獻(xiàn)也是依據(jù)某一環(huán)流主導(dǎo)的降水中離子濃度占總離子濃度的百分比確定。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)水汽來(lái)源對(duì)大氣降水水化學(xué)過(guò)程的貢獻(xiàn)的定量分析表明，研究區(qū)的水汽來(lái)源可分 為 四 類(lèi)[24］：西 風(fēng) 環(huán) 流（28.13%）、季 風(fēng) 環(huán) 流（18.75%）、西風(fēng)環(huán)流-季風(fēng)環(huán)流（33.33%）和西風(fēng)環(huán)流-局地環(huán)流（21.88%）。水汽對(duì)降水事件的貢獻(xiàn)率分別為12.97%、41.56%、19.95%和25.53%（圖2）。西風(fēng)環(huán)流對(duì)Cl-和K+貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率分別為50.19%和52.99%。季風(fēng)環(huán)流主要對(duì)NH4+濃度發(fā)揮貢獻(xiàn)作用，但是西風(fēng)環(huán)流-季風(fēng)環(huán)流對(duì)離子濃度的貢獻(xiàn)最大，對(duì)F-、NO2-、SO42-、Li+、Na+、Mg2+和Ca2+的貢獻(xiàn)率分別為51.20%、41.60%、42.30%、53.68%、40.36%、40.22%和34.20%。同時(shí)，NO3-主要由西風(fēng)環(huán)流-局地環(huán)流貢獻(xiàn)?？傮w來(lái)看，西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流的混合影響主要控制著長(zhǎng)江源區(qū)降水的水化學(xué)特征。由于西風(fēng)環(huán)流主要來(lái)自西亞，而西亞氣候干旱，水資源稀缺，大氣降水中的主要地殼源離子可能主要來(lái)源于西亞干旱地區(qū)。季風(fēng)環(huán)流主要為西南季風(fēng)環(huán)流，西南季風(fēng)環(huán)流主要來(lái)自印度洋，研究區(qū)降水量的41.56%來(lái)自季風(fēng)環(huán)流。然而，由于局地環(huán)流的影響，局地源對(duì)研究區(qū)降水水化學(xué)也有一定的影響。但西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流在研究區(qū)的降水化學(xué)中起著決定性的作用[24］。

圖2 長(zhǎng)江源區(qū)主要水汽源量化的概念模型Fig. 2 Conceptual model of preliminary quantification of water vapor sources to the hydrochemistry of atmospheric precipitation in the source region of Yangtze River

2.2 冰雪融水水化學(xué)特征指示的水文過(guò)程

運(yùn)用相關(guān)分析、富集因子法、Gibbs 圖法，對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)定點(diǎn)采集的（玉珠峰冰川、各拉丹冬冰川及冬克瑪?shù)妆ǎ┍┤谒Ａ侩x子的化學(xué)特征分析表明：研究區(qū)無(wú)機(jī)酸、堿、鹽含量較高，冰雪融水pH的平均值為8.34，電導(dǎo)率的平均值為171.51 us·cm-1；離子濃度順序?yàn)椋篠O42-＞Cl-＞Ca2+＞Na+＞Mg2+＞NO3-＞K+＞NH4+＞NO2-＞F-＞Li+，其中Cl-，Na+，SO42-和Ca2+離子濃度較大，占總量的87.03%[10］。通過(guò)對(duì)研究區(qū)冰雪融水常量離子的化學(xué)特征分析得出，高寒區(qū)冰雪融水的水化學(xué)主要受蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖等地殼源的影響（圖3）。玉珠峰冰川冰雪融水的水化學(xué)主要受蒸發(fā)結(jié)晶作用控制，冬克瑪?shù)妆ㄖ饕軒r石風(fēng)化作用控制，而由于各拉丹冬冰川所采集到的樣品較少，所以其分布不是很明顯。通過(guò)Mg2+/Ca2+和Na+/Ca2+的比值區(qū)分溶質(zhì)來(lái)源發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江源區(qū)的Mg2+/Ca2+和Na+/Ca2+的比值均較低，表明研究區(qū)冰雪融水中的離子主要是方解石和白云石的溶解[26-28］。（Na++K+）/Cl-的比值遠(yuǎn)大于1，這表明巖鹽和硅酸鹽礦物溶解對(duì)冰雪融水水化學(xué)特征的影響[27］。

圖3 長(zhǎng)江源區(qū)冰雪融水TDS與Na+/（Na++Ca2+）的Gibbs圖（a）和Mg2+/Na+與Ca2+/Na+的摩爾比（b）Fig. 3 Gibbs-type TDS versus Na+/（Na++Ca2+）diagram（a）and molar ratios of Mg2+/Na+and Ca2+/Na+（b）for glacier snow meltwater in the source region of Yangtze River

為了更進(jìn)一步探究冰雪融水水化學(xué)特征，本文選擇了與冰雪融水水化學(xué)特征關(guān)系最為密切的氣候因子（溫度、降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)）進(jìn)行討論分析。通過(guò)分析水化學(xué)特征與氣象因子之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)6—9月日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)為先下降后上升，而冰雪融水中K+的變化趨勢(shì)與日照時(shí)數(shù)相似，說(shuō)明K+的控制源與日照時(shí)數(shù)的影響有很大的關(guān)系。由溫度與冰雪融水水化學(xué)特征的關(guān)系可以看出，隨著溫度的升高，冰雪融水徑流流量越大，對(duì)離子濃度的稀釋作用越明顯。6—8 月氣溫呈上升趨勢(shì)，8—9 月呈下降趨勢(shì)，6—8 月各離子濃度呈下降趨勢(shì)，8—9 月各離子濃度呈上升趨勢(shì)（圖4）。風(fēng)速的變化特征與除K+以外的其他所有離子的變化特征均不一致，這可能主要是因?yàn)镵+的控制源受到風(fēng)速的影響較大。更為重要的是，6—9 月降水量和相對(duì)濕度呈先增后減的變化趨勢(shì)，但相對(duì)濕度和降水量對(duì)冰雪融水水化學(xué)的影響主要表現(xiàn)為濕沉降，從降水量和相對(duì)濕度變化特征與冰雪融水水化學(xué)特征的關(guān)系發(fā)現(xiàn)濕沉降對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)冰雪融水水化學(xué)特征的影響較?。▓D4）[10］。

圖4 長(zhǎng)江源區(qū)冰雪融水離子濃度與氣候因子的關(guān)系Fig. 4 Relationship between ion concentration in glacier snow meltwater and meteorological factors in the source region of Yangtze River

2.3 凍土層上水水化學(xué)特征指示的水文過(guò)程

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)凍土層上水常量離子的化學(xué)特征分析表明（圖5）：消融初期凍土層上水的離子濃度也存在明顯的空間變化，隨著消融的不斷進(jìn)行，離子濃度在強(qiáng)消融期和消融末期的空間變化更為穩(wěn)定[9］。海拔在4 500 m 的地區(qū)是研究區(qū)凍土層上水水化學(xué)特征對(duì)研究區(qū)離子控制源較為敏感的地區(qū)。通過(guò)對(duì)離子源的分析，研究區(qū)凍土層上水的陰離子和陽(yáng)離子主要受蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖等地殼源的控制。降水和融雪水的補(bǔ)給效應(yīng)只影響Cl-、NH4+、NO2-、F-、Li+和K+的濃度，而不影響氮離子、硫離子、鎂離子和鈣離子的濃度。高海拔區(qū)（4 800 m以上）的水化學(xué)類(lèi)型為Ca2+-SO42-，而中海拔區(qū)（4 400～4 700 m）的水化學(xué)類(lèi)型為Na+-Cl-，但是低海拔區(qū)的水化學(xué)類(lèi)型比中海拔區(qū)和高海拔區(qū)都復(fù)雜[29］。總體而言，長(zhǎng)江源區(qū)凍土層上水水化學(xué)特征時(shí)空變化明顯，同時(shí)水化學(xué)類(lèi)型相對(duì)簡(jiǎn)單。研究區(qū)凍土層上水的水化學(xué)類(lèi)型的垂直分布與研究區(qū)巖相的垂直分布一致。不管是在消融初期還是強(qiáng)消融期和消融末期NO2-、SO42-、Mg2+和Ca2+的最大值都是穩(wěn)定的，表明這些離子的濃度很少受到降水和融雪水補(bǔ)給的影響。此外，這些穩(wěn)定離子還進(jìn)一步證實(shí)了它們的主要來(lái)源（地殼來(lái)源）。從消融初期到消融末期，Cl-、NH4+和K+的最大值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而NO3-的最大值呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。F-的最大值從消融初期到消融末期都呈上升趨勢(shì)。長(zhǎng)江源區(qū)凍土層上水的化學(xué)特征隨消融期的不同也就是消融強(qiáng)度的不同而有明顯變化，同時(shí)不同消融期凍土層上水的主要補(bǔ)給源的變化也嚴(yán)重影響了研究區(qū)凍土層上水的水化學(xué)特征[9，29］。

圖5 長(zhǎng)江源區(qū)凍土層上水水化學(xué)類(lèi)型的概念模型圖Fig. 5 The conceptual diagram of temporal and spatial distribution of hydrochemical characteristics on supra-permafrost water in the source region of Yangtze River

2.4 河水水化學(xué)特征指示的水文過(guò)程

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)河水水化學(xué)特征的分析表明[30-34］：河水離子濃度從海拔4 000 m 到5 000 m 離子濃度呈上升趨勢(shì)，而當(dāng)海拔在5 000 m 以上時(shí)河水的離子濃度呈下降趨勢(shì)。這主要因?yàn)殡S著海拔高度的增加，降雨直接補(bǔ)給對(duì)河水中化學(xué)離子的稀釋作用逐漸減弱，同時(shí)，海拔4 500 m 至5 000 m 范圍內(nèi)河水中離子濃度受降水稀釋影響最大，而在海拔5 000 m 以上河流主要受冰雪融水的補(bǔ)給，降水和消融期的變化對(duì)河水水化學(xué)的影響很小[30］。如圖6所示，海拔低于5 000 m 的區(qū)域內(nèi)河水在消融初期的水化學(xué)類(lèi)型為SO42--Ca2+-Mg2+，而海拔超過(guò)5 000 m 的區(qū)域，消融初期的水化學(xué)類(lèi)型為Cl--Ca2+-SO42-。而海拔低于5 000 m 的區(qū)域內(nèi)河水在消融末期的水化學(xué)類(lèi)型為Cl--SO42--Na+。海拔在5 000 m以上的地區(qū)不同消融時(shí)期的水化學(xué)類(lèi)型不同，這也就說(shuō)明不同消融時(shí)期冰雪融水的水化學(xué)控制源不同[27-29］。一方面，不同消融期的水化學(xué)類(lèi)型的差異性表明海拔在5 000 m 以上的區(qū)域水化學(xué)類(lèi)型對(duì)消融期極為敏感。另一方面，冰雪融水的離子濃度主要受冰川和積雪中化學(xué)成分控制。當(dāng)然，冰川和積雪的融化速率對(duì)離子濃度也有一定的影響[30］。

圖6 長(zhǎng)江源區(qū)河水水化學(xué)類(lèi)型與可能補(bǔ)給源的概念模型（HT代表水化學(xué)類(lèi)型）Fig. 6 The conceptual diagram of hydrochemical type and recharge source on river water in the area with elevation higher than 5 000 m（a）and from 3 500 to 5 000 m（b）（HT means hydrochemical type）

海拔在3 500～5 000 m 區(qū)域內(nèi)在消融初期和強(qiáng)消融期河水的水化學(xué)類(lèi)型都為Cl--Na+-SO42-，而消融末期河水的水化學(xué)類(lèi)型為Cl--SO42--Na+。該區(qū)段內(nèi)河水的水化學(xué)類(lèi)型不隨消融期的變化而變化，這就表明該區(qū)域內(nèi)河水水化學(xué)類(lèi)型對(duì)消融期不太敏感。同時(shí)，水化學(xué)類(lèi)型的穩(wěn)定也在一定程度上表明凍土層上水對(duì)河水的主要補(bǔ)給，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)段內(nèi)河水的水化學(xué)類(lèi)型與凍土層上水的水化學(xué)類(lèi)型基本相同。對(duì)比海拔高于5 000 m 和海拔在3 500～5 000 m之間各消融期河水水化學(xué)類(lèi)型的變化發(fā)現(xiàn)，不管是哪個(gè)區(qū)域，消融末期的水化學(xué)類(lèi)型是相同的，這就表明水化學(xué)類(lèi)型在消融期不存在海拔效應(yīng)，也就是說(shuō)消融末期的河水水化學(xué)類(lèi)型不隨海拔梯度的變化而改變[30-32］。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)大氣降水、凍土層上水、冰雪融水和河水水化學(xué)特征的系統(tǒng)分析，研究表明：

（1）對(duì)于長(zhǎng)江源區(qū)的大氣降水而言，影響研究區(qū)降水水化學(xué)特征的主要是來(lái)源于遠(yuǎn)程傳輸?shù)暮Ｑ笤春偷貧ぴ?。長(zhǎng)江源區(qū)的水汽來(lái)源存在明顯的地域差異，不同的站點(diǎn)的水汽路徑往往隨季節(jié)變化，但研究區(qū)的水汽主要受西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流的控制。

（2）冰雪融水的水化學(xué)主要受蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖等地殼源的影響。玉珠峰冰川融水的水化學(xué)主要受蒸發(fā)結(jié)晶作用控制，冬克瑪?shù)妆ㄖ饕軒r石風(fēng)化作用控制，而由于各拉丹冬冰川所采集到的樣品較少，所以其分布不是很明顯。

（3）消融初期凍土層上水的離子濃度也存在明顯的空間變化，隨著消融的不斷進(jìn)行，離子濃度在強(qiáng)消融期和消融末期的空間變化更為穩(wěn)定。海拔在4 500 m 的地區(qū)是凍土層上水水化學(xué)特征對(duì)研究區(qū)離子控制源較為敏感的區(qū)域。與冰雪融水相同的是，凍土層上水的水化學(xué)也主要受蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖等地殼源的控制。

（4）從河水離子濃度隨海拔梯度的變化來(lái)看，海拔從4 000 m 到5 000 m 離子濃度呈上升趨勢(shì)，而當(dāng)海拔在5 000 m 以上時(shí)河水的離子濃度呈下降趨勢(shì)。這主要因?yàn)殡S著海拔高度的增加，降雨直接補(bǔ)給對(duì)河水中化學(xué)離子的稀釋作用逐漸減弱，同時(shí)，海拔4 500 m 至5 000 m 范圍內(nèi)河水中離子濃度受降水稀釋影響最大，而在海拔5 000 m 以上河流主要受冰雪融水的補(bǔ)給，降水和消融期的變化對(duì)河水水化學(xué)的影響很小。河水中的陰陽(yáng)離子可能主要受蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖等地殼源的控制，并且研究區(qū)河水的水化學(xué)主要受河水及其補(bǔ)給源與巖石之間的水巖交互作用影響。

多年凍土的退化通過(guò)改變土壤的水力傳導(dǎo)性和水力連通性來(lái)影響地表水、土壤水和地下水之間的相互作用。青藏高原內(nèi)部富冰多年凍土層自身的退化，對(duì)地表徑流和熱溶湖泊的發(fā)育有重要貢獻(xiàn)[35］。由于青藏高原多年凍土儲(chǔ)水能力的下降，將導(dǎo)致旱季水資源有效性的降低，融水量增多可能導(dǎo)致洪水風(fēng)險(xiǎn)增加，并通過(guò)河流流量和地下水豐度的季節(jié)性變化降低生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力。所有這些變化都將影響青藏高原的水資源平衡和可持續(xù)發(fā)展，其中包括了亞洲主要河流的源頭區(qū)域，包括黃河，長(zhǎng)江，薩爾溫江（中國(guó)怒江）、湄公河（中國(guó)瀾滄江）、布拉馬普特拉河（中國(guó)雅魯藏布江）、恒河、印度河、伊犁河、塔里木河、額爾齊斯河和葉尼塞河，這些河流為約20億人的生存提供淡水。因此，未來(lái)的研究應(yīng)該更多地關(guān)注青藏高原多年凍土退化的環(huán)境效應(yīng)，特別是降水-凍土層上水之間的機(jī)制，這將全面闡明非平衡和穩(wěn)定狀態(tài)的“亞洲水塔”對(duì)環(huán)境的影響提供依據(jù)。