筑坝拦截对深水型水库硫循环的影响——以龙滩水库为例

选取珠江上游深水型水库龙滩水库为研究对象,于2019年4、7、10月和2020年1月4个季节采集了水库支流表层水、库区分层水和下泄水,分析其水化学参数、SO₄^2-浓度及δ³⁴S_SO4与δ¹⁸O_SO4同位素组成,基于冗余分析和贝叶斯稳定同位素混合模型等手段,阐明了筑坝拦截影响下的水动力条件改变对龙滩水库水体硫循环的影响。结果表明：龙滩水库SO₄^2-的主要来源是硫化物矿物氧化(以O₂或Fe³⁺为电子受体),此外,还包括大气降水、人为源。筑坝拦截后,水体SO₄^2-浓度以及δ³⁴S_SO4和δ¹⁸O_SO4值波动范围显著增大。筑坝蓄水会导致水体相对水柱稳定度(relative water column stability, RWCS)升高,在较高的RW...     

梯级水库群水体碳、硫元素循环及耦合效应——以嘉陵江为例

河流筑坝拦截对水体碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环产生了重要影响。为了研究在梯级水库影响下C、S元素循环的响应过程,本研究以嘉陵江干流4座代表性的梯级水库为对象,于2016年冬季(1月)和夏季(7月)采集各个水库的河流入库水、库区分层水和下泄水,分析DIC浓度、SO_4~(2-)浓度和δ13CDIC及δ34S-SO_4~(2-)。结果表明:(1)研究区水体的水化学组成主要受碳酸对碳酸盐风化控制,同时,来源于流域黄铁矿和大气SO2氧化产生的H2SO4也广泛参与到区域碳酸盐岩风化;(2)DIC主要来源于土壤CO2和碳酸盐岩风化,SO_4~(2-)主要受大气降水和黄铁矿氧化过程影响;(3)水库水体DIC浓度、SO_4~(2-)浓度、δ34S值及δ13CDIC值两两之间存在相关性(P0.05),表明水库水体C、S元素的时空演变受到相似过程(物理、化学、生物)的影响。经过筑坝拦截,河流水环境及营养元素循环发生很大改变,运用C、S双同位素可以有效示踪水库的湖沼化演化过程。     

河道型水库溶解无机碳同位素组成特征与来源——以万安水库为例

以江西万安水库为研究对象,于2014年9月至2015年6月进行4次季节性采样,对该区域9处采样点的溶解无机碳(DIC)及其同位素(δ13CDIC)进行分析。结果表明:夏、秋季DIC含量较春、冬低;δ13CDIC也较冬、春季偏负。DIC含量从上游到下游呈下降趋势,碳同位素值则趋于偏正。光合作用与有机质分解是影响库区表层水体δ13CDIC值变化的主要因素。垂直剖面上,表、底层水温等参数差异不显著,上下水体混合较为均匀。DIC含量基本上随深度的增加而增大,δ13CDIC值趋于偏负。利用质量平衡计算得出:入库水体中DIC约57%来自于土壤CO2,而坝下水体中DIC约49%来自土壤CO2,万安水库拦截对河流地球化学过程信息有一定的改造作用。     

江苏高邮大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

为了研究江苏高邮局地水循环特征,应对气候变化和减缓洪涝灾害.本研究采集江苏高邮自2015年7月—2017年10月的121个大气降水样品及环境因子数据,分析该区大气降水氢氧同位素特征,揭示不同季节水汽来源及影响因素.结果表明: 大气降水δD(δ¹⁸O)季节变化明显,冬半年偏正,夏半年偏负;过量氘值亦呈现冬高夏低;年尺度上,大气降水中δD(δ¹⁸O)与温度和降水量皆为负相关关系,呈现“反温度效应”和“降水量效应”;季节尺度上,均未呈现出“温度效应”,秋冬两季呈现出“降水量效应”;HYSPLIT气团轨迹模型结果进一步表明,江苏高邮夏季水汽主要来源于我国南海、印度洋及太平洋,而春、秋、冬季水汽主要来源于亚欧大陆、大西洋、北冰洋水汽混合及局地蒸发.大气降水δD(δ¹⁸O)值的季节变化主要受到季风活动以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响,降水中氢氧同位素值清晰地记录了厄尔尼诺向拉尼拉之间的过渡.     

鄱阳湖湿地土壤水稳定同位素变化特征

土壤水稳定同位素组成的时空变化反映了区域降水与前期水分的混合及蒸散发过程。2013年7-9月对鄱阳湖湿地保护区3个断面不同土地覆盖下0-2 m剖面土壤水进行分层采样,以及采集修水和贛江的河水,测定其氢、氧稳定同位素,分析土壤水稳定同位素沿土壤剖面的变化规律、土壤水运动机制及其主要补给来源。研究结果表明,鄱阳湖采样区3个断面土壤水同位素δ~(18)O值变化范围-10.63‰—-1.17‰,其中7月份的土壤水δ~(18)O均值最小,8、9月份土壤水δ~(18)O均值相对较大。表层(0-60 cm)土壤水同位素富集可能因为蒸发作用,深层土壤水同位素组成变化因降水入渗与前期水分混合作用。不同土地覆盖表层土壤水同位素变化较大,随着深度的增加,同位素变化减少。从水分溯源上,断面一的土壤水同位素组成主要受降水的影响,断面二的土壤水同位素组成主要受赣江和降水的影响,而断面三则主要受鄱阳湖水体和降水的影响。研究结果可为鄱阳湖区域地下水资源的评价提供参考     

洪家渡水库溶解二氧化碳分压的时空分布特征及其扩散通量

为了了解水库温室气体的释放特征,于2006年4月、7月、10月和2007年1月对中国西南喀斯特地区新建的洪家渡水库入库水体、出库水体和水库坝前水体的CO2分压(pCO2)特征进行了分析.结果表明:入库河流pCO2为春季<夏季<秋季<冬季,其中,六冲河全年平均值为488μatm,凹水河全年平均值为624 μatm;水库库区表层水体pCO2冬季最高,春季最低,分别为925和279 μatm,全年平均值为598 μatm;在水体垂直剖面上,pCO2随水深的增加而增加;出库水体pCO2夏季最高,达8 417 μatm,春季最低,为382 μatm,全年平均值为3 260 μatm.就全年平均而言,入库水体、水库库区表层水体以及出库水体PCO2均高于大气CO2分压(380 μatm),其向大气中释放的CO2通量分别为3.93～6.29、4.87～7.79和64.29～102.86 mmol·m-2·d-1.该水库总体上是大气CO2的源,天然河流水体经水库作用后CO2释放强度增加,导致水库泄水pCO2为天然河流的16倍、水库库区表层水体的13倍,其向大气中释放CO2量也相应增加.因此,水库泄水的CO2释放问题值得关注.     

黄土塬区大气降水的氢氧稳定同位素特征及水汽来源

降水是水资源的主要输入,分析其氢氧稳定同位素特征可为水循环研究提供重要的背景信息。基于4a的降水样品采集,测定和分析了黄土塬区降水氢氧同位素(2H,17O和18O)的组成特征,进而分析了其水汽来源。降水同位素有明显的年内变化,2—6月富集而7—11月贫化;δD和δ18O存在雨量效应和温度效应,分别出现在6—9月和10—5月;但这些组成特征受气候变异影响存在年际差异。综合分析降水方程线、D盈余和17O盈余,发现黄土塬区6—9月降水来自海洋性气团,10—5月降水是局地水汽蒸发和大陆性气团起主导作用;雨季少数降水事件直接来源于海洋性气团,其他降水事件则是海洋性气团经再分配相对湿度达90%左右时才产生。全年至少30%的降水事件经历了严重的二次蒸发。     

哈尼梯田水源区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

基于哈尼梯田水源区2014年6—8月和2015年全年(共15个月)采集的89个事件降水同位素数据,结合相关气象资料,分析了降水中氢氧同位素组成的变化及其影响因子.利用后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪了梯田水源区降水的水汽来源.结果表明:研究区大气降水中稳定同位素组成具有明显季节差异,湿季(5月—10月)δD和δ18O...     

典型林区水分氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气连续体中的分布特征

土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水循环是水文学和生态学研究的重要内容,氢氧稳定同位素在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程。本研究通过分析成都平原区亚热带常绿阔叶林中降水、土壤水、植物水的同位素组成,探讨SPAC系统中水分的氢氧稳定同位素演化特征,揭示区域水循环不同界面过程。结果表明: 研究区雨季大气降水线方程为: δD=7.13δ¹⁸O+2.35(R²=0.99),土壤蒸发线方程为: δD=6.98δ¹⁸O-0.32(R²=0.92)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集。浅层土壤(0～35 cm)水δ¹⁸O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35～100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。     

长江源多年冻土区季节性河流氢、氧同位素组成

氢、氧稳定同位素方法是研究多年冻土区水文过程的一种有效手段。基于2009年风火山流域降水和河水δD和δ18O数据,结合水文气象资料,分析多年冻土区季节性河流氢、氧同位素组成。研究表明,研究期间(6—10月)δ18O、δD和氘过剩河水与降水均呈下降的趋势,表明研究区降水是河水的重要补给来源。2#、3#流域δD分别为-66.8‰和-69.6‰,与降水δD(-66.7‰)基本相当;5#流域δD为-62.4‰,显著高于降水。5#流域较高的植被覆盖使地表具有更高的有机质含量、水分和蒸散量,其强烈的蒸发分馏作用使河水富集重同位素。6月份,随着土壤向下融化,降水(δD=-12.1‰)驱替冻结封存的重同位素贫化的土壤水(δD=-71.3‰)补给河流;10月份,地表冻结后抑制降水下渗,使降水和河水δD趋于一致,反映了土壤冻融过程在多年冻土区径流过程中起到的重要影响。该研究为多年冻土区水文过程的变化规律提供了同位素证据。     

三峡水库干-支流作用下生态水文过程的氢氧同位素示踪

三峡工程蓄水运行后,三峡库区支流不同区域的水动力状态存在差异。为了阐明支流库湾的生态水文过程,本文以库腹支流(朱衣河)为研究对象,应用同位素示踪技术,分析了2015年朱衣河及其毗邻长江干流的氢氧同位素时空变化特征,并揭示了干-支流、源头-支流等端元混合过程中的水团特性。结果表明:(1)朱衣河库湾回水区河水的δD组成范围为-84.1‰~-54.4‰,δ~(18)O组成范围为-11.71‰~-8.13‰,与毗邻的干流水体接近,明显低于支流源头来水(δD为-49.6‰~-46.1‰,δ~(18)O为-7.61‰~-7.19‰)。(2)运用二元线性混合模型估算出长江干流对朱衣河回水区的水量补给率约为95%,库湾水体主要受干流倒灌作用的支配。(3)长江干流水体对朱衣河库湾的倒灌模式主要为:汛前消落期和枯水期集中在河口中层;汛期和蓄水期则集中在河口中上层。氢氧同位素示踪技术在分析库湾受干流倒灌模式上具有较好的适用性。(4)长江流域位于季风性气候区域,雨季影响朱衣河库湾氢氧同位素组成的主要因素排序为:干流倒灌作用降水同位素分馏作用,不同于旱季(干流倒灌作用同位素分馏作用降水)。     

河流拦截背景下水库氧化亚氮(N_2O)排放的研究进展

大规模筑坝拦截是当前世界河流普遍面临的共同趋势,河流筑坝导致水体温室气体排放的环境效应近年来在全球范围内引起广泛关注,其中河流拦截背景下的水库中氧化亚氮(N_2O)的产生与释放是理解河流-水库体系氮的生物地球化学循环的重要内容,也是评价水库温室气体排放水平的重要依据。然而,当前对水库N_2O产生与排放的研究存在着不足,对其产生机理、释放水平及控制因素的认识依然缺乏系统性。本文归纳总结了国内外有关水库氮循环过程和N_2O排放的研究成果,分析了水库N_2O排放研究趋势及尚未解决的关键问题,以期为准确评估河流筑坝背景下水库N_2O排放提供借鉴。     

青海湖沙柳河流域土壤水氢氧稳定同位素组成空间变化特征

土壤水氢氧同位素组成的空间变化特征, 对于水循环以及不同水体之间相互关系的研究具有重要意义。以青海湖沙柳河流域为研究对象, 基于该流域2018—2019年7、8月土壤水氢氧稳定同位素组成(δ2H、δ18O)数据, 借助ARcGIS空间插值方法, 对土壤水δ2H和δ18O空间变化特征进行了研究。结果表明: 青海湖沙柳河流域2018—2019年7、8月土壤水δ2H和δ18O的变化范围为–126.53‰— –16.13‰和–16.48‰— –1.26‰。研究期内0—30 cm土壤水δ2H和δ18O平均值的土壤水线分别为: SWL2018.07 (δ2H=5.83δ18O–8.36, R2=0.93)、SWL2018.08 (δ2H=6.28δ18O–8.35, R2=0.93)、SWL2019.07 (δ2H=6.53δ18O–5.70, R2=0.94)、SWL2019.08 (δ2H=6.86δ18O–1.37, R2=0.92)。整体上SWL的斜率随深度的变化整体上呈现先增大后减小的趋势, 截距则表现出随着深度增加逐渐增大的特点, 2019年8月SWL的斜率表现为随着深度增加而逐渐减小, 截距的变化差距不大。大气降水是土壤水的重要来源, 蒸发富集作用导致不同深度SWL斜率小于局部大气降水线(LWML)斜率。空间分布上, 青海湖沙柳河流域土壤水稳定氢氧同位素的海拔效应并不明显, 但它还是受到了局地蒸发强度、地形地势、植被盖度等的影响, 在流域面上呈现出斑块状分区。研究结果可为进一步研究流域水分循环, 土壤水补给机制等提供数据支撑和理论参考。     

基于GCM的中国土壤水中δ~(18)O的分布特征

土壤水中稳定同位素的大尺度空间分布是降水同位素与自然环境综合影响的结果,也是陆面过程模拟中不同水体同位素相互作用的重要环节。限于定位监测在反映大尺度土壤水同位素空间特征中的不足,GCM(General Circulation Models)则有助于深入理解土壤水同位素组成变化的空间格局。本文选用LMDZ(free)、LMDZ(nudged)和MIROC(free)3种模拟结果,对中国陆地表层土壤水δ~(18)O的时空分布特征及土壤水δ~(18)O与气温、降水δ~(18)O之间的关系进行研究。结果表明:(1)中国东南地区土壤水δ~(18)O偏大,东北、西北和青藏高原地区土壤水δ~(18)O偏小,其中青藏高原地区δ~(18)O最小;从全国尺度来看,土壤水δ~(18)O变化特征符合降水δ~(18)O的变化特征;1979—2007年,年均土壤水δ~(18)O、夏季土壤水δ~(18)O和冬季土壤水δ~(18)O均呈现上升趋势。(2)土壤水δ~(18)O与气温的相关性较好,温度效应出现在中高纬度地区,距海洋越远,正相关关系越显著。(3)在全国范围内,3种模拟结果均表明,中国土壤水δ~(18)O与降水δ~(18)O普遍呈正相关,说明大多数地区土壤水的补给来自于降水;相关系数在西北地区较大,在东北地区由南至北逐渐递减,在青藏高原地区出现环状分布,相关系数由内向外递增。     

哈尼梯田景观格局对地表水δ18O海拔效应的影响

本研究以哈尼梯田文化景观遗产核心区的全福庄河小流域为对象,对在2015年5月—2016年4月间逐月采集的森林景观类型和梯田景观类型下12个样点的地表水样品进行氢氧稳定同位素组成和效应分析。结果表明: 1)在地表水氢氧稳定同位素组成上,森林斑块δ¹⁸O平均值小于梯田斑块,森林斑块δ¹⁸O随时间的变化幅度也小于梯田斑块;2)研究区地表水δ¹⁸O除8月和3月外,均具有显著的海拔效应,其一元线性回归方程为:δ¹⁸O=-0.012H+13.84(r=-0.83, n=12);3)地表水δ¹⁸O海拔梯度为-1.2‰·(100 m)^-1,但并不是受降水影响的“真”海拔梯度,而是森林斑块和梯田斑块间地表水δ¹⁸O景观梯度影响下的海拔梯度;4)在森林-梯田的景观格局组合下,森林斑块与梯田斑块间的地表水δ¹⁸O值差异增强了海拔效应。因此,当流域景观格局异质性强时,地表水稳定同位素效应会被强化或者出现完全相反的同位素效应。     

新安江源区典型植物稳定氢氧同位素组成特征

为了解暴雨时期亚热带森林生态系统水分在植物体内运移转换过程中同位素组成的变化特征以及对环境的响应机制,基于2020年7月梅汛期新安江源区亚热带常绿针叶林典型植物氢氧稳定同位素测试,结合黄山水文站涡动通量塔环境要素监测数据,分析了代表性树种杉木(Cunninghamia lanceolata)不同部位(根、皮、枝、叶)和样地多种优势植物叶片水同位素组成(δ¹⁸O和δ²H)的日间变化特征及δ¹⁸O-δ²H相关关系,并讨论了不同植物叶片水δ¹⁸O和δ²H的环境控制因子。结果表明：杉木根、皮及枝水分同位素组成较为接近且日间变化平缓,叶片水同位素最为富集且日间变幅较大。受随机性强降雨影响,7月2—4日各来源δ¹⁸O和δ²H昼间变化无显著一致性规律,三日分别大致呈单峰型、单谷型和波动型变化。5种典型植物叶片水δ¹⁸O-δ²H线性回归得出的蒸腾线斜率从高到低依次为：狗脊(Woodwa...     

哈尼梯田区优势景观类型对泉水氢氧同位素效应的影响

氢氧稳定同位素是示踪流域水循环过程的有效手段,流域景观类型及其格局对泉水同位素效应的影响是景观生态学与同位素水文学的全新交叉领域.本文以哈尼梯田文化景观遗产核心区的全福庄河小流域为研究对象,在2015年3月—2016年3月间,逐月在海拔1500 m的梯田、1700 m的梯田和1900 m的森林景观类型下分别采集78个泉水样和39个大气降水样进行氢氧稳定同位素分析.结果表明:小流域的优势景观类型是森林和梯田,两者面积分别占总面积的66.6％和22.1％,并具有森林在上、梯田在下的垂直格局.相关分析表明,泉水除受降水补给外,还受到景观内其他同位素值偏正的水源补给,景观位置较高的森林区泉水主要由降水补给,位于森林之下的梯田泉水受大气降水、河水、梯田水、地下水等多种水源补给,其同位素混合作用强烈;泉水δ¹⁸O和δD值整体海拔效应明显,其海拔梯度分别为-0.125‰·(100 m)^-1和-0.688‰·(100 m)^-1;研究区氘盈余值随海拔升高而增大与景观格局和同位素循环过程有关.总之,优势景观类型对泉水氢氧同位素效应具有显著影响,泉水氢氧同位素可作为景观水文过程对景观格局的响应指标.     

北京土石山区水分在土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的稳定同位素特征

氢氧稳定同位素是广泛存在于自然界水体中的环境同位素,其在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程及植物用水机制.本研究在北京山区选取了两种主要的绿化树种——常绿针叶林侧柏和落叶阔叶林栓皮栎为研究对象,通过对降水、土壤水、泉水、植物茎干水和叶片水同位素的变化特征进行分析,讨论了水分在大气-土壤-植物连续体中的运动过程.结果表明: 研究区大气降水线方程为δD=7.17δ¹⁸O+1.45(R²=0.93), 土壤蒸发线方程为δD=3.85δ¹⁸O-38.02(R²=0.76), 降水入渗补给土壤水的过程中存在一定程度的蒸发分馏.在不同季节,降水、土壤水和泉水δD和δ¹⁸O值变化规律不同;雨季,δD和δ¹⁸O平均值大小为降水>地下水>土壤水,降水和土壤水共同补充地下水;旱季,δD和δ¹⁸O值大小排序为降水> 土壤水>地下水,降水和地下水都对土壤水有贡献.侧柏和栓皮栎年内茎干水分δD和δ¹⁸O的拟合线性方程分别为δD=5.03δ¹⁸O-30.78 和δD=3.0δ¹⁸O-48.92,栓皮栎利用的土壤水分相对于侧柏更加富集,其水分来源深度更浅.栓皮栎叶片水分同位素变化特征相对于侧柏对大气微环境的反应更加敏感,且其叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强,但是它们对环境条件的变化反应一致.     

基于δD和δ18O的青海湖流域芨芨草水分利用来源变化研究

水分条件是限制干旱半干旱地区植物生长重要的生态因子,为了揭示青海湖流域典型生态系统下芨芨草植物的水分利用来源及其如何响应水分条件的变化,选择了自然和干旱控制条件下芨芨草植物,通过测定芨芨草植物茎水和各潜在水源(土壤水、地下水及降水)中δD、δ~(18)O组成,并利用直接比较分析法和多源混合模型计算芨芨草植物对土壤水的利用比例。研究结果表明:表层土壤水分和土壤水中δD、δ~(18)O值表征出较大波动范围,其直接受降水和蒸发作用影响,土壤蒸发线的斜率和截距明显小于大气水线斜率和截距,表明土壤水中同位素组成经历了强烈的蒸发分馏过程,而芨芨草茎水中δD、δ~(18)O值都集中分布土壤水蒸发线附近,说明芨芨草根系主要利用不同深度的土壤水。自然条件下芨芨草在生长季初期(6月)利用表层土壤水(0—10cm,45.1%),8—9月份大降水事件影响土壤含水量和同位素组成,降水入渗深度较深且芨芨草根系对土壤水分吸收的比例相差不大,表明根系在土壤含水量较高时均能吸水不同深度土壤水。在干旱控制条件下芨芨草在7月初主要利用表层土壤水(0-30cm),随着表层土壤水分的减少,根系吸收深度转向较深土壤层,而灌溉后表层土壤水分明显增加,其吸收深度又转向表层,表明芨芨草根系吸收深度能敏感地响应土壤水分的变化。另外还发现芨芨草在生长季内并未直接利用地下水。     

沁河流域水化学组成的空间和时间变化特征

选择我国北方小流域(沁河)作为研究对象,分丰水期(8月)和平水期(12月)采集干流和支流河水样品,结合野外现场测试和室内分析等方法,辨析河水化学组成的空间和时间变化特征,阐明人类活动和自然因素对河水溶解组分的控制作用。结果表明:(1)沁河流域河水丰水期和平水期阳离子主要以Ca~(2+)和Mg~(2+)为主,丰水期当量浓度占比均值分别为45%和41%,平水期分别为43%和41%。阴离子主要以HCO_3~-和SO_4~(2-)为主,丰水期当量浓度占比均值分别为46%和39%,平水期分别为55%和27%。水化学类型表现为HCO_3~--SO_4~(2-)-Ca~(2+)-Mg~(2+)。(2)丰水期河水δD和δ18O均值分别为-65.4‰和-8.76‰,平水期河水δD和δ~(18)O均值分别为-64.6‰和-8.68‰,大气降水是沁河河水主要补给来源,部分水体由于蒸发作用表现为富集氢氧同位素。(3)丰水期和平水期河水[SO_4~(2-)]/[HCO_3~-]当量浓度比值均值分别为0.96和0.54,[Ca~(2+)+Mg~(2+)]/[HCO_3~-]当量浓度比值均值分别为1.88和1.78,硫酸参与碳酸盐矿物化学风化过程,硫酸的来源包括酸雨和硫化物矿物氧化等。(4)沁河流域下游河水NO_3~-和THg含量逐渐升高,受人为活动影响较大,主要来源包括生活污水、工业废水以及农业活动等。