陶士勇,張 翔**,夏軍強(qiáng),肖 洋,熊興基,徐 晶

(1:武漢大學(xué)水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)(2:長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,武漢 430051)(3:武漢大學(xué)海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)

濕地是自然界中最富生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng),在涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候等諸多方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。濕地水文過程與生態(tài)過程存在復(fù)雜的耦合關(guān)系,濕地生態(tài)系統(tǒng)以水文循環(huán)為紐帶進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)及信息傳遞,制約著濕地的形成、發(fā)育和演替[2]。受氣候變化和人類活動(dòng)等因素影響,鄱陽(yáng)湖的水文節(jié)律發(fā)生明顯改變,導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖濕地面臨洲灘植被退化、生物多樣性減退、越冬候鳥棲息地功能衰退等生態(tài)環(huán)境問題[3]。碟形湖和河流作為鄱陽(yáng)湖濕地水體主要的自然單元組成,儲(chǔ)存著豐富的區(qū)域性環(huán)境變化信息,由碟形湖-河流水構(gòu)成的濕地地表水資源系統(tǒng)直接影響著濕地水文循環(huán)及生物地球化學(xué)過程[4-5]。研究鄱陽(yáng)湖濕地地表水資源動(dòng)態(tài)變化及其指示意義,有助于完善對(duì)區(qū)域復(fù)雜水循環(huán)過程規(guī)律的認(rèn)識(shí),也是探索基于自然的濕地生態(tài)修復(fù)解決方案的理論基礎(chǔ)。

穩(wěn)定同位素是理想的天然環(huán)境示蹤劑,近年來,穩(wěn)定同位素方法的成功應(yīng)用推進(jìn)了對(duì)不同時(shí)空尺度上水循環(huán)過程的理解,為水文循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)變特性產(chǎn)出了諸多啟發(fā)性的前沿新觀點(diǎn)[6]。不同水體中氫氧穩(wěn)定同位素組成的時(shí)空變化特征有效地指示了區(qū)域水循環(huán)過程,被廣泛應(yīng)用于評(píng)估河流平均滯留時(shí)間(mean residence time,MRT)、濕地水文連通性、生態(tài)系統(tǒng)蒸散比例分配等[7-9]。在徑流過程研究中,常用MRT表示水分以降水的形式進(jìn)入流域內(nèi)至徑流輸出所經(jīng)歷的平均時(shí)間,能夠在一定程度上反映流域水體貯存、降雨徑流路徑、河水主要補(bǔ)給來源等特性[10]。過去的研究認(rèn)為,MRT作為流域的基本描述性指標(biāo)之一,對(duì)表征流域的環(huán)境變化響應(yīng)至關(guān)重要[11]。由于生物地球化學(xué)反應(yīng)與時(shí)間直接相關(guān),MRT被認(rèn)為在反映流域水環(huán)境質(zhì)量方面起到關(guān)鍵作用,即更大的MRT代表徑流與流域內(nèi)環(huán)境介質(zhì)更長(zhǎng)的接觸時(shí)間[12]。許多研究聚焦于利用MRT調(diào)查流域水文過程,根據(jù)河流及其區(qū)域降水的同位素特性量化不同子流域之間MRT的差異,辨析流域地形地貌等自然地理要素對(duì)MRT的控制機(jī)理,探究水資源動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化-人類干擾的敏感程度[13-14]。此外,蒸發(fā)是區(qū)域水循環(huán)研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),蒸發(fā)過程的同位素分餾會(huì)引起水體的重同位素相對(duì)富集,這種富集程度可以作為水體蒸發(fā)強(qiáng)度的標(biāo)志?；诜€(wěn)定同位素的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及對(duì)其變化機(jī)制的認(rèn)識(shí),許多學(xué)者開展了濕地、湖泊和河流蒸發(fā)量的定量評(píng)估。王雨山等[15]結(jié)合瑞利分餾方程推導(dǎo)了特定地區(qū)水體蒸發(fā)程度的估算方法,探究了白洋淀濕地在夏、秋兩個(gè)時(shí)期的蒸發(fā)作用差異;Wassenaar等[16]通過建立同位素質(zhì)量平衡模型估算了加拿大Lake Okanagan的水體蒸發(fā)量,發(fā)現(xiàn)大約35%的入湖水量因蒸發(fā)而損失;也有研究使用瑞利分餾模型識(shí)別內(nèi)陸河流的蒸發(fā)損失量,揭示內(nèi)陸干旱地區(qū)地表水體經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用[17-18]。Vystavna等[19]應(yīng)用穩(wěn)定同位素探究全球湖泊蒸發(fā)程度的空間分異特征,發(fā)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境條件是控制湖泊水同位素組成和蒸發(fā)過程的主要因素,強(qiáng)調(diào)了穩(wěn)定同位素對(duì)表征水文循環(huán)和預(yù)測(cè)湖泊對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要作用。

鄱陽(yáng)湖濕地具有季節(jié)性干濕交替顯著、河流-濕地-湖泊相互作用頻繁等特點(diǎn),是開展水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素變化特征及影響機(jī)理研究的熱點(diǎn)區(qū)域。水文過程的變化特性與濕地生態(tài)效應(yīng)緊密聯(lián)系,能夠引起濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化,使其成為濕地生態(tài)系統(tǒng)空間分布格局演變的重要表征。當(dāng)前大多數(shù)研究側(cè)重于濕地水分在地下水-土壤-植被-大氣連續(xù)體中的運(yùn)動(dòng)機(jī)制,探究地表水-地下水的補(bǔ)給關(guān)系、土壤水分運(yùn)移規(guī)律以及植物水分利用來源等方面[20-22],然而,針對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地碟形湖-河流水穩(wěn)定同位素動(dòng)態(tài)變化特征的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

本研究于2019年1-12月開展了鄱陽(yáng)湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)主要碟形湖及河流水樣品的系統(tǒng)采集,分析地表水穩(wěn)定同位素的基本特征及季節(jié)性變化規(guī)律,結(jié)合當(dāng)?shù)亟邓凰氐臅r(shí)間變化特性,探討河水的MRT及其對(duì)區(qū)域水循環(huán)過程的指示意義,辨析主要碟形湖水同位素時(shí)空分異的潛在影響因素,并定量評(píng)估碟形湖水的年平均蒸發(fā)損失量。研究結(jié)果可為環(huán)境變化下鄱陽(yáng)湖濕地水資源管理、生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)目前最大的淡水湖,也是由湖泊、洲灘、河流、沼澤和沖積平原等組成的復(fù)合多類型濕地系統(tǒng),其獨(dú)特的季節(jié)性水文情勢(shì)變化孕育了豐富多樣的濕地類群,在涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、維護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮重大作用。本研究選取鄱陽(yáng)湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(29°02′～29°18′N, 115°52′～116°08′E)為研究對(duì)象,該區(qū)域位于鄱陽(yáng)湖的西北角,修河和贛江交匯處,管轄有蚌湖、沙湖、大湖池等共9個(gè)碟形湖及湖灘草洲,總面積達(dá)224 km2,是具有國(guó)際保護(hù)意義的重要淡水濕地生態(tài)系統(tǒng),地理位置如圖1所示。保護(hù)區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,雨量豐沛,四季分明,多年平均氣溫為17.4℃,多年平均降雨量為1511 mm,主要集中在4-7月,約占全年降水的55%。根據(jù)國(guó)家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù),2019年保護(hù)區(qū)的年平均氣溫為18.4℃,年降水量為1312 mm,年平均相對(duì)濕度為76%。

圖1 研究區(qū)的地理位置Fig.1 Geographical location map of the study area

受鄱陽(yáng)湖季節(jié)性水位變化的影響,保護(hù)區(qū)內(nèi)的碟形湖總體上呈現(xiàn)季節(jié)性的顯露規(guī)律。同時(shí),基于防洪、蓄水、捕魚等管理目的,沿湖居民通過修建水閘或圩堤將部分碟形湖與主湖區(qū)隔斷開來,從而形成人控湖汊以控制其水位變化,由此碟形湖主要存在2種水文連通特征,即自然連通碟形湖和局部控制碟形湖[23]。在豐水期,各碟形湖與主湖區(qū)連成一體,相應(yīng)水位與河水位漲落一致,鄱陽(yáng)湖完全展現(xiàn)出大湖特征。在退水期,碟形湖逐漸與主湖區(qū)脫離聯(lián)系,以蚌湖為代表的自然連通碟形湖的水位變化相對(duì)鄱陽(yáng)湖沒有表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象,以沙湖和大湖池為代表的局部控制碟形湖的退水過程相對(duì)緩慢[23-24]。在枯水期,碟形湖與主湖區(qū)沒有直接的水流聯(lián)系,在沒有生態(tài)補(bǔ)水的情況下,碟形湖水位取決于降水、蒸發(fā)和下滲等的共同作用,保持著淺水湖泊的特征[4]。

1.2 樣品采集及分析

于2019年1-12月開展對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)修河、贛江以及主要碟形湖水的逐月采集工作,采樣活動(dòng)選取在連續(xù)多日無(wú)明顯降水之后進(jìn)行,除1月之外,其余各月均在月底開展。為識(shí)別保護(hù)區(qū)內(nèi)河流水穩(wěn)定同位素的空間變化,本研究沿河道間隔大約2 km布設(shè)河水采樣點(diǎn),對(duì)修河、贛江水樣進(jìn)行系統(tǒng)采集,每月采集修河樣品8個(gè)、贛江樣品16個(gè)(交匯點(diǎn)上游樣品7個(gè)、下游樣品9個(gè)),全年總共采集河水樣品264個(gè)。保護(hù)區(qū)河水位在豐、枯水期的變化幅度較大。因此,本研究采用2種形式開展對(duì)主要碟形湖水的采樣工作:在水位較高的6-8月,當(dāng)?shù)魏c修河、贛江完全連通時(shí),對(duì)蚌湖、沙湖、大湖池進(jìn)行大范圍的船只采樣;在水位降低,洲灘出露,碟形湖與修河、贛江分離的其他月份,對(duì)蚌湖、沙湖、大湖池與洲灘濕地下緣地帶相連的開闊水域進(jìn)行涉水采樣。根據(jù)水位情況,每月采集蚌湖、沙湖、大湖池樣品各5～10個(gè),全年總共采集碟形湖水樣品271個(gè)。此外,在2019年1-12月期間,于保護(hù)區(qū)中心的吳城鎮(zhèn)對(duì)大氣降水進(jìn)行連續(xù)收集,全年共采集到日降水樣品58個(gè)。需要強(qiáng)調(diào)的是,根據(jù)不同月份水文情勢(shì)的差異,碟形湖水的采樣點(diǎn)布設(shè)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,以2019年1和7月為例,修河、贛江、主要碟形湖水以及降水采樣點(diǎn)位置的空間分布如圖2所示。

圖2 修河、贛江、主要碟形湖水以及降水采樣點(diǎn)位置的空間分布Fig.2 Spatial distribution of Xiuhe River, Ganjiang River, main shallow lakes and precipitation sampling sites

所有樣品的處理和分析工作在武漢大學(xué)水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,水樣經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后,采用MAT253穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀連接Flash 2000HT元素分析儀進(jìn)行δ2H和δ18O值測(cè)定,測(cè)定結(jié)果以V-SMOW為參考標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示,分析不確定性分別小于1‰和0.1‰。上述測(cè)定結(jié)果的δR可以表示為:

δR=(Rsample/Rstandard-1)×1000‰

(1)

式中,Rsample和Rstandard分別代表水樣和標(biāo)準(zhǔn)樣品中氫或氧元素的重同位素與輕同位素的豐度之比。

1.3 河水的MRT估算

河水的MRT有多種評(píng)估方法,在使用氫氧穩(wěn)定同位素作為示蹤劑的研究中,基于穩(wěn)態(tài)水流和降水輸入與滯留水分充分混合假設(shè)的指數(shù)模型在應(yīng)用中最為廣泛[13]。指數(shù)模型方法首先利用周期性函數(shù)模擬大氣降水和河水穩(wěn)定同位素的時(shí)間變化,其中周期性函數(shù)多采用余弦函數(shù)進(jìn)行表示:

δ18O=δ18Oave+A[cos(c·t-θ)]

(2)

式中,δ18Oave為降水或河水的年平均δ18O值,A為周期性波動(dòng)的振幅,c為周期性波動(dòng)的徑向頻率(取值為2π/365 rad/d),t為采樣周期開始后的時(shí)間(d),θ為曲線的相位滯后。

降水在坡面徑流進(jìn)入河道或者入滲形成地下水基流進(jìn)而補(bǔ)給河流之后,擬合曲線會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,利用降水和河水穩(wěn)定同位素余弦函數(shù)的擬合結(jié)果,根據(jù)振幅之間的差異可對(duì)河水的MRT進(jìn)行估算,可以表示為:

MRT=c-1×[(AZ2/AZ1)-2-1]0.5

(3)

式中,AZ1為降水穩(wěn)定同位素周期性波動(dòng)的振幅,AZ2為河水穩(wěn)定同位素周期性波動(dòng)的振幅,c為周期性波動(dòng)的徑向頻率(取值為2π/365 rad/d)。

1.4 碟形湖水的蒸發(fā)比例估算

在開放系統(tǒng)中,蒸發(fā)剩余水體的穩(wěn)定同位素變化可以通過瑞利分餾模型表述[25]:

δ=(1000+δ0)fα(v-w)-1-1000

(4)

式中,δ0為水體初始的穩(wěn)定同位素組成,f為蒸發(fā)剩余水體的比例,α(v-w)為包含平衡分餾和動(dòng)力分餾的總分餾系數(shù),可以表示為:

α(v-w)=1/α(w-v)≈1/(αe(w-v)+Δε)

(5)

式中,αe(w-v)為與溫度(T)有關(guān)的平衡分餾系數(shù),Δε為與相對(duì)濕度(h)有關(guān)的動(dòng)力富集系數(shù),分別表示為:

1000ln2αe(w-v)=24.844(106/T2)-76.248(103/T)+52.612

(6)

1000ln18αe(w-v)=1.137(106/T2)-0.4156(103/T)-2.0667

(7)

Δ2ε=12.5×(1-h)‰

(8)

Δ18ε=14.2×(1-h)‰

(9)

Dansgaard[26]定義了氘盈余(d-excess)參數(shù)的概念,常被用于反映水汽源地的氣象條件等:

d-excess=δ2H-8δ18O

(10)

聯(lián)袂瑞利分餾方程和氘盈余的定義式可得基于氘盈余的蒸發(fā)剩余水體比例的估算方法[27]:

d-excess=(1000+δ2H0)f2α(v-w)-1-8(1000+δ18O0)f18α(v-w)-1+7000

(11)

因而,結(jié)合保護(hù)區(qū)年平均氣溫和相對(duì)濕度,由碟形湖水的初始穩(wěn)定同位素組成及年平均d-excess值可以估算蒸發(fā)剩余水體的比例,從而得到主要碟形湖水的年平均蒸發(fā)損失量。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣降水同位素特性

明確大氣降水同位素的基本特性是應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)探索區(qū)域水文循環(huán)過程的重要前提。采樣期間,保護(hù)區(qū)降水δ2H值的變化范圍為-86.8‰～16.9‰,平均值為-19.8‰,δ18O值的變化范圍為-11.4‰～0.9‰,平均值為-3.9‰。基于2019年全年收集到的日降水樣品,建立降水δ2H和δ18O值的線性關(guān)系如圖3a所示,得到當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(local meteoric water line,LMWL2019)如式(12)。可以看到,LMWL2019的斜率與全球大氣降水線(global meteoric water line,GMWL)相近,且截距略高于GMWL。以δ18O值為例,保護(hù)區(qū)降水同位素的時(shí)間變化如圖3b所示。結(jié)果表明,降水δ18O值存在明顯的季節(jié)變化特征,同位素組成最為富集的降水大體上出現(xiàn)在4月周圍,5-7月降水同位素具有明顯的貧化趨勢(shì),9月之后降水同位素又表現(xiàn)出逐漸富集。余弦函數(shù)擬合得到其周期性變化曲線如式(13),結(jié)果簡(jiǎn)明地呈現(xiàn)了采樣期間保護(hù)區(qū)降水同位素的動(dòng)態(tài)變化過程,得到降水同位素周期性變化振幅AZP為2.33。

圖3 保護(hù)區(qū)降水的δ2H-δ18O關(guān)系及δ18O值的時(shí)間變化Fig.3 δ2H-δ18O relationship and δ18O temporal variation of precipitation in the study area

δ2H=8.29δ18O+12.52(R2=0.96,P<0.01,n=58)

(12)

δ18O=-3.90+2.33×cos(0.017214t-1.21)(R2=0.29,P<0.01,n=58)

(13)

2.2 河流水同位素特性

采樣期間,保護(hù)區(qū)內(nèi)修河δ2H值的變化范圍為-37.5‰～-22.3‰,平均值為-30.0‰,δ18O值的變化范圍為-5.7‰～-3.9‰,平均值為-4.8‰;贛江在交匯點(diǎn)上游(簡(jiǎn)稱贛江上游)δ2H值的變化范圍為-38.6‰～-22.8‰,平均值為-30.8‰,δ18O值的變化范圍為-5.8‰～-4.0‰,平均值為-4.8‰;贛江在交匯點(diǎn)下游(簡(jiǎn)稱贛江下游)δ2H值的變化范圍為-38.4‰～-23.2‰,平均值為-30.5‰,δ18O值的變化范圍為-5.9‰～-4.0‰,平均值為-4.8‰。以δ18O值為例,保護(hù)區(qū)內(nèi)修河、贛江同位素的時(shí)空變化特征如圖4所示?？梢钥吹?在空間分布上,修河和贛江各段水體的同位素組成均具有相對(duì)穩(wěn)定的沿程分布特征。與贛江上游相比,修河匯入后,贛江下游的同位素特性在大多數(shù)月份沒有呈現(xiàn)出明顯變化(P>0.05),這可能與相應(yīng)時(shí)期修河、贛江較大的水量差異有關(guān)。在相同月份,修河和贛江的同位素特性表現(xiàn)出明顯差異,如1、5、12月修河的δ18O 值相比于贛江顯著貧化(P<0.01),而4、6-8月修河的δ18O值相比于贛江顯著富集(P<0.01)。

圖4 保護(hù)區(qū)內(nèi)修河和贛江δ18O值的時(shí)空變化特征Fig.4 Temporal and spatial variation of δ18O values in Xiuhe River and Ganjiang River in the study area

采用修河和贛江各段水體沿程同位素組成的平均值反映相應(yīng)河段同位素特性的平均情況,建立各段水體δ2H和δ18O值之間的相關(guān)關(guān)系,得到各自的地表水蒸發(fā)線(local evaporation line,LEL),可以看到,贛江上游和贛江下游具有相近的LEL,斜率和截距小于LMWL2019(圖5a)。相對(duì)于贛江而言,修河LEL的斜率和截距更高,總體上與LMWL2019相近。整體上,所有河水的同位素結(jié)果均落在LMWL2019正下方,并且LEL與LMWL2019不存在明顯交點(diǎn),可能是由于河水整合了降水和地下水的補(bǔ)給作用[28],同時(shí)受到上游水利工程調(diào)控等影響,沒有表現(xiàn)出與LMWL2019的緊密聯(lián)系。保護(hù)區(qū)內(nèi)修河及贛江下游水體δ18O值的時(shí)間變化如圖5b、c所示?？梢钥吹?修河和贛江具有相似的同位素時(shí)間變化規(guī)律,4月河水的同位素組成更加富集,5-7月河水同位素組成逐漸貧化,之后呈現(xiàn)出不斷富集的變化趨勢(shì),整體上與降水同位素的時(shí)間變化特性相似(圖3b)。許多學(xué)者在分析鄱陽(yáng)湖主要入湖支流水體的氫氧穩(wěn)定同位素時(shí),也發(fā)現(xiàn)總體上4月同位素相對(duì)富集,7月同位素相對(duì)貧化的現(xiàn)象,表明河水在一定程度上對(duì)區(qū)域大氣降水補(bǔ)給作用的響應(yīng)[29-30]。采用余弦函數(shù)對(duì)河水的同位素結(jié)果進(jìn)行擬合,得到修河和贛江下游水體同位素的周期性變化曲線如式(14)和式(15),周期性變化振幅AZX和AZG分別為0.24和0.45,進(jìn)而基于指數(shù)模型方法估算得到修河和贛江的MRT分別為 1.54 和0.81年。

圖5 保護(hù)區(qū)內(nèi)修河和贛江的δ2H-δ18O關(guān)系及δ18O值的時(shí)間變化Fig.5 δ2H-δ18O relationship and δ18O temporal variation in Xiuhe River and Ganjiang River in the study area

δ18O=-4.78+0.24×cos(0.017214t-0.76)(R2=0.18,P<0.01)

(14)

δ18O=-4.77+0.45×cos(0.017214t-0.71)(R2=0.33,P<0.01)

(15)

2.3 碟形湖水同位素特性

采樣期間,蚌湖δ2H值的變化范圍為-36.0‰～3.7‰,平均值為-11.8‰,δ18O值的變化范圍為-5.9‰～1.7‰,平均值為-2.4‰;沙湖δ2H值的變化范圍為-33.9‰～-2.2‰,平均值為-17.6‰,δ18O值的變化范圍為-5.7‰～-0.7‰,平均值為-3.1‰;大湖池δ2H值的變化范圍為-37.0‰～9.8‰,平均值為-17.0‰,δ18O值的變化范圍為-6.0‰～0.5‰,平均值為-3.0‰?？傮w來說,碟形湖水同位素組成的年內(nèi)變化范圍比修河、贛江更大,并且相對(duì)富集,符合淺水湖泊氫氧同位素組成的基本特性[31]。蚌湖、沙湖、大湖池水體δ18O值隨時(shí)間的變化特征如圖6所示,可以看到,各碟形湖水同位素表現(xiàn)出相似的時(shí)間變化規(guī)律,整體上呈現(xiàn)出4月相對(duì)富集,7月最為貧化,隨之至11月逐漸富集的變化趨勢(shì),與降水和河水同位素的時(shí)間變化規(guī)律一致。在大多數(shù)月份,碟形湖水的同位素組成具有較小的變化幅度,反映了水體基本處于良好的混合狀態(tài)。然而,在部分月份,碟形湖水也存在同位素空間變異性較大的情況,如5月的蚌湖、沙湖、大湖池以及10月的蚌湖。

圖6 蚌湖、沙湖、大湖池水體δ18O值的時(shí)間變化特征Fig.6 Temporal variation characteristics of δ18O values in Lake Banghu, Lake Shahu and Lake Dahuchi

基于主要碟形湖水各月同位素組成的平均情況,建立蚌湖、沙湖、大湖池δ2H和δ18O值之間的相關(guān)關(guān)系,得到各自的LEL(圖7)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與河水的同位素特性明顯不同,所有碟形湖水的同位素組成接近LMWL2019,并且落在LMWL2019的右下方,各碟形湖水的LEL均與LMWL2019存在明顯交點(diǎn),具有更小的LEL斜率和截距以及系統(tǒng)性偏離的特征,表明碟形湖水主要受到當(dāng)?shù)亟邓难a(bǔ)給作用,并且經(jīng)歷了一定程度的蒸發(fā)富集[32]。對(duì)于不同碟形湖來說,LEL的斜率和截距存在略微差異,其中,大湖池LEL的斜率略高于蚌湖和沙湖,表明大湖池的蒸發(fā)程度在主要碟形湖中相對(duì)較弱。過去的研究通常采用LEL和LMWL的交點(diǎn)反映受蒸發(fā)水體氫氧同位素的初始組成[27,33],基于碟形湖水在年內(nèi)總體上混合均勻和主要來源于降水補(bǔ)給的合理假設(shè),結(jié)合相應(yīng)的年平均d-excess值,估算得到蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸發(fā)損失量分別為15.5%、15.0%、14.1%。總體上,保護(hù)區(qū)內(nèi)主要碟形湖水的蒸發(fā)比例與全球尺度上大多數(shù)湖泊相近[19],不同碟形湖之間的蒸發(fā)程度略有不同,可能與地形、植被和水動(dòng)力條件等因素的綜合影響有關(guān)。

圖7 蚌湖、沙湖、大湖池水體的δ2H-δ18O關(guān)系Fig.7 δ2H-δ18O relationship in Lake Banghu, Lake Shahu and Lake Dahuchi

3 討論

3.1 對(duì)河水MRT的指示意義

河水的同位素組成在一定程度上反映了流域內(nèi)降水同位素信號(hào)的綜合結(jié)果,因而河水同位素的時(shí)間變化相比于降水更加穩(wěn)定[34]。已有研究發(fā)現(xiàn),在鄱陽(yáng)湖流域,河流不僅受到當(dāng)前降水的直接補(bǔ)給,更多地受到淺層地下水對(duì)降水集成后的間接補(bǔ)給[35],這也是導(dǎo)致修河、贛江水體同位素的周期性擬合結(jié)果具有較小波動(dòng)幅度的原因之一。許秀麗等[21]討論了不同水文時(shí)期鄱陽(yáng)湖洲灘濕地河水與地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系,發(fā)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)的周期性變化導(dǎo)致河水和地下水之間的相互作用存在明顯的時(shí)間分異,在鄱陽(yáng)湖的漲水期,河水和降水共同補(bǔ)給濕地地下水,退水期河水反過來受到濕地地下水的排泄補(bǔ)給。然而,在10-11月的鄱陽(yáng)湖退水期,本研究中保護(hù)區(qū)內(nèi)各段河流水體沿程的同位素組成沒有表現(xiàn)出明顯變化(圖4),可能與保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)濕地地下水排泄補(bǔ)給河水的水量有限有關(guān)。在季節(jié)變化方面,相比于贛江,修河在春季和冬季具有略微貧化的δ18O值,在夏季的δ18O值相對(duì)富集,兩條河流在秋季的δ18O值接近,表明不同河流之間同位素組成明顯的時(shí)空差異性,可能與子流域的地理位置以及河流上游水文過程的差別有關(guān)[30]。

MRT與流域內(nèi)徑流路徑的多樣性密切相關(guān),深入理解MRT有助于揭示流域水體更新能力等特性。基于指數(shù)模型方法的MRT估算結(jié)果表明,修河的MRT明顯大于贛江,雖然模擬曲線簡(jiǎn)化了降水和河水同位素的變化模式,但認(rèn)為結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上較為可靠(P<0.01),能夠作為保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)兩條河流MRT的初步估計(jì)。過去的研究也曾發(fā)現(xiàn)過相鄰流域河流之間具有差異較大的MRT,將其歸因于流域復(fù)雜的地形以及流域面積等因素[8]。河流MRT也被認(rèn)為與流域的地質(zhì)和土壤條件有關(guān)[14],大體來說,MRT可以解釋為受到兩個(gè)主要組分的影響:一個(gè)是由地表徑流補(bǔ)給導(dǎo)致的“快速”組分,另一個(gè)是由地下水補(bǔ)給導(dǎo)致的“緩慢”組分[13]。“快速”組分導(dǎo)致降水進(jìn)入河流的時(shí)間相對(duì)較短,而“緩慢”組分中的降水由于流經(jīng)了各種復(fù)雜的水文地質(zhì)系統(tǒng),通常不具有明顯的季節(jié)性同位素變化[36]。對(duì)比圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn),修河和贛江水體δ18O值的周期性變化規(guī)律實(shí)際上較好地響應(yīng)降水δ18O值的變化。Zhan等[35]發(fā)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖流域的河流主要由不同比例的基流以及近地表快速流補(bǔ)給,也有研究報(bào)道了鄱陽(yáng)湖洲灘濕地地下水位和湖泊水位之間的動(dòng)態(tài)變化存在高度一致性,兩者具有很好的水力聯(lián)系[37]。這就表明降水入滲之后,鄱陽(yáng)湖濕地的土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可能有利于降水在短期內(nèi)與原來的地下水混合,進(jìn)而以地下水的形式補(bǔ)給河流,贛江較短的MRT也進(jìn)一步驗(yàn)證了鄱陽(yáng)湖流域具有不同水體組分相互快速轉(zhuǎn)化的水力條件。楊守業(yè)等[38]基于穩(wěn)定同位素發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域水庫(kù)大壩建設(shè)導(dǎo)致長(zhǎng)江河水對(duì)大氣降水的響應(yīng)滯后時(shí)間延長(zhǎng),改變了長(zhǎng)江流域水循環(huán)的季節(jié)性變化模式。對(duì)于保護(hù)區(qū)內(nèi)修河來說,由于相對(duì)臨近上游柘林水庫(kù),水庫(kù)的調(diào)蓄作用可能導(dǎo)致其表現(xiàn)為更大的MRT,反映了水利工程對(duì)水資源更新速率的潛在影響,側(cè)面也證實(shí)穩(wěn)定同位素方法在量化河流MRT方面的有效性和關(guān)鍵作用。

3.2 對(duì)碟形湖蒸發(fā)的指示意義

許多針對(duì)淺水湖泊的調(diào)查研究揭示了水體同位素的時(shí)空變化特征和影響機(jī)制,認(rèn)為湖水所經(jīng)歷蒸發(fā)時(shí)間的非均質(zhì)性以及水動(dòng)力條件是影響同位素空間分布的主要因素[15,39]?？傮w上,保護(hù)區(qū)內(nèi)主要碟形湖水具有較好的混合狀態(tài),但是在漲水階段,當(dāng)洲灘濕地植被處于部分淹水的情況下,各碟形湖的同位素組成均存在較大的空間變異(圖6),可能與植物阻滯水體交換導(dǎo)致的蒸發(fā)分布不均勻性有關(guān)。作為比較,在豐水期碟形湖與修河、贛江完全連通時(shí),由于較好的內(nèi)部水動(dòng)力循環(huán)條件,全湖范圍的采樣結(jié)果呈現(xiàn)出較小的同位素變化。除12月之外,在相同采樣月份內(nèi),不同碟形湖之間的同位素組成存在明顯區(qū)別(P<0.05),可能是受到相應(yīng)湖泊地形特征及洲灘濕地植被覆蓋等因素導(dǎo)致的來水條件、水量交換以及蒸發(fā)作用的差異影響。需要關(guān)注的是,在9-10月鄱陽(yáng)湖退水階段,相對(duì)于沙湖和大湖池,蚌湖水體表現(xiàn)出顯著的同位素富集現(xiàn)象?？紤]到蚌湖與鄱陽(yáng)湖之間存在自然連通,更容易受到主湖區(qū)水位變化的影響[23],水位降低可能驅(qū)動(dòng)淹沒植物對(duì)水流的阻滯作用增加,加之退水期保護(hù)區(qū)降水較少,強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾導(dǎo)致蚌湖水體的重同位素格外富集。

蒸發(fā)對(duì)區(qū)域氣候調(diào)節(jié)以及濕地-大氣之間的能量與物質(zhì)交換具有重要作用。本研究假定碟形湖水的蒸發(fā)過程遵循瑞利分餾模型,根據(jù)全年的同位素監(jiān)測(cè)結(jié)果,揭示了14%～16%的年平均蒸發(fā)損失量,明顯低于內(nèi)陸干旱區(qū)湖泊蒸發(fā)的研究案例[16,33],反映了相對(duì)濕潤(rùn)的氣候條件。在過去的研究中,王雨山等[15]針對(duì)一般難以準(zhǔn)確獲取受蒸發(fā)水體的初始同位素組成,以LMWL作為區(qū)域基準(zhǔn),提出區(qū)域氘盈余(d-excessL)的概念,結(jié)合瑞利分餾模型推導(dǎo)了蒸發(fā)程度與d-excessL的定量關(guān)系。根據(jù)該方法,本研究建立了主要碟形湖水逐月蒸發(fā)剩余比例與d-excessL的關(guān)系如圖8所示,得出蚌湖、沙湖、大湖池在各月的蒸發(fā)損失分別為0～41.5%、0～29.0%、0～28.1%。進(jìn)一步在年尺度上應(yīng)用該方法,計(jì)算蚌湖、沙湖、大湖池的年平均d-excessL值,最終得到年平均蒸發(fā)損失量分別為15.7%、15.5%、16.5%,與基于LEL和LMWL交點(diǎn)確定初始同位素組成的估算方法得到的研究結(jié)果相近。雖然理論上,對(duì)于瑞利分餾模型的推導(dǎo)和應(yīng)用都是假定分餾系數(shù)不隨時(shí)間變化以及在封閉水域內(nèi)持續(xù)蒸發(fā)的理想條件下進(jìn)行,但是對(duì)于碟形湖這類具有特殊地貌特征和水文特性的濕地景觀來說,穩(wěn)定同位素方法能在初步估算蒸發(fā)損失量方面起到關(guān)鍵作用。相比于基于遙感等技術(shù)方法的湖泊蒸發(fā)評(píng)價(jià),穩(wěn)定同位素變化直接反映了受原位水文氣象條件影響所發(fā)生的相變與混合過程,除此之外,不同類型水體同位素的系統(tǒng)性長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)也有助于探究環(huán)境變化對(duì)區(qū)域水循環(huán)過程的影響,可為鄱陽(yáng)湖濕地的水資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)支撐。

圖8 蚌湖、沙湖、大湖池水體逐月蒸發(fā)剩余比例與d-excessL的關(guān)系Fig.8 Relationship between the monthly evaporation residual fraction and d-excessL in Lake Banghu, Lake Shahu and Lake Dahuchi

4 結(jié)論

本研究通過分析2019年1-12月鄱陽(yáng)湖濕地碟形湖-河流水穩(wěn)定同位素的動(dòng)態(tài)變化特征,探討河水的MRT及其對(duì)區(qū)域水循環(huán)過程的指示意義,估算主要碟形湖水的年平均蒸發(fā)損失量。

1)修河和贛江的同位素組成具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律,4月河水同位素最為富集,5-7月逐漸貧化,之后呈現(xiàn)出不斷富集的變化趨勢(shì),整體上與降水同位素的時(shí)間變化特性相似。

2)碟形湖水同位素組成的年內(nèi)變化范圍比修河、贛江更大,并且相對(duì)富集。碟形湖在大多數(shù)月份基本處于良好的混合狀態(tài),主要受到當(dāng)?shù)亟邓a(bǔ)給,經(jīng)歷了一定程度的蒸發(fā)作用。

3)基于指數(shù)模型方法估算修河和贛江的MRT分別為1.54年和0.81年,贛江較短的MRT表明鄱陽(yáng)湖流域具有不同水體組分相互快速轉(zhuǎn)化的水力條件,對(duì)于保護(hù)區(qū)內(nèi)修河來說,上游柘林水庫(kù)的調(diào)蓄作用導(dǎo)致其MRT明顯大于贛江。

4)在漲水階段,植物阻滯水體交換導(dǎo)致的蒸發(fā)分布不均勻性可能是碟形湖水同位素存在較大空間變異的原因?；谌鹄逐s模型得到蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸發(fā)損失量分別為15.5%、15.0%、14.1%,穩(wěn)定同位素方法在量化缺資料地區(qū)水體蒸發(fā)方面可以起到關(guān)鍵作用。