基于环境同位素的鄱阳湖与长江关系变化解析

在气候变化和三峡工程调节的双重影响下,长江中下游通江湖泊江湖关系发生显著改变,而最大的通江湖泊—鄱阳湖—水情的变化及其引发的一系列生态和环境问题受到了高度重视和关注。为了揭示不同时期鄱阳湖与长江间的江湖关系,并初步分析三峡运行对鄱阳湖水情的影响,通过对鄱阳湖北部通江水道湖水、降水和九江段长江干流水同位素特征进行调查并探讨长江水与湖水同位素联系。结果表明:湖水、降水和长江水中δ~(18)O和δ~2H值存在明显的季节和空间变化,可用于揭示湖泊与长江间的关系。在三峡调洪削峰期(7月)湖水δ~(18)O和δ~2H值明显要高于长江水,且湖水主要以外排形式补给长江为主,其比例达75%;在三峡蓄水期(10月)长江水位高于湖口水位,从鄱阳湖出口到老爷庙湖水与长江水同位素值具有较高的相似性,表明了此水域受长江水倒灌影响;而在三峡蓄水期(11和12月)湖水同位素值偏大说明了其受到一定较强的蒸发富集影响。三峡水库运行明显改变了长江水位和流量,进而影响了鄱阳湖与长江的补排关系,调洪削峰调度阶段,较高的长江水位对鄱阳湖存在一定的顶托作用,导致湖水难以排泄。因此,三峡水库的调度需要考虑到鄱阳湖流域水情,以免加重该流域丰水期的洪涝灾害和枯水期的水资源短缺。     

2013年长江丰水期河水化学特征及控制因素

为掌握长江河水化学组成特征及其控制因素,笔者运用Gibbs图、多种离子比例系数法和主成分分析法综合分析了长江流域丰水期河水化学及氢氧同位素特征。结果表明,长江丰水期河水主要来源为大气降水,河水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca型,化学成分主要受流域内广泛分布的碳酸盐岩等岩石风化作用控制;河水p H值、浓度沿长江径流方向降低,、Ca2+浓度沿长江径流方向升高。2013年丰水期,长江河水化学组成特征变化的主要影响因子,是易溶盐岩溶解和人类活动(贡献率40%),其次为川贵及长江三角洲地区的酸雨沉降以及人为酸性废水排放促进了流域内石灰岩和富含碳酸盐的三叠系砂页岩溶解(贡献率20%),最后为硅酸盐矿物及其风化产物的溶解(贡献率19%)。为了解长江河水水质状况及其演变趋势,合理评价长江流域水资源提供很好的科学依据。     

2013年长江丰水期河水化学特征及控制因素

为掌握长江河水化学组成特征及其控制因素,笔者运用Gibbs图、多种离子比例系数法和主成分分析法综合分析了长江流域丰水期河水化学及氢氧同位素特征。结果表明,长江丰水期河水主要来源为大气降水,河水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca型,化学成分主要受流域内广泛分布的碳酸盐岩等岩石风化作用控制;河水pH值、HCO₃^-浓度沿长江径流方向降低,SO₄^2-、Ca²⁺浓度沿长江径流方向升高。2013年丰水期,长江河水化学组成特征变化的主要影响因子,是易溶盐岩溶解和人类活动(贡献率40%),其次为川贵及长江三角洲地区的酸雨沉降以及人为酸性废水排放促进了流域内石灰岩和富含碳酸盐的三叠系砂页岩溶解(贡献率20%),最后为硅酸盐矿物及其风化产物的溶解(贡献率19%)。为了解长江河水水质状况及其演变趋势,合理评价长江流域水资源提供很好的科学依据。     

西南水汽通道上昆明站降水中的稳定同位素

位于西南水汽通道上的昆明站降水中的稳定同位素比率具有显著的季节变化。旱季(11~4月)降水中平均δ18O明显高于雨季(5~10月)。显著的降水量效应说明昆明站降水的水汽主要来源于低纬度海洋。与全球大气水线相比,昆明站大气水线的斜率和常数项均较小。这与雨滴在未饱和大气中降落时重同位素的蒸发富集作用有关。统计分析显示,近地面温度露点差ΔTd与降水中稳定同位素比率存在显著的正相关关系。在旱季,受大陆性气团的影响,空气干燥,降水量小,大气中ΔTd大,因此蒸发强,重同位素的富集作用强,从而降水中稳定同位素比率高;在雨季,受来自海洋水汽的影响,空气湿润,降水量大,大气中ΔTd小,因此蒸发弱,重同位素的富集作用轻,从而降水中稳定同位素比率低。据此推测,降水量效应可能是不同水汽来源对降水中稳定同位素影响的产物。     

鄱阳湖流域乐安河水化学特征及影响因素

通过在2016年12月和2017年7月采集乐安河水样30个,检测了水化学离子、营养盐和溶解态重金属浓度等22项水化学指标,运用多元统计分析方法对河流水化学特征及影响因素进行分析。结果表明:乐安河水化学类型空间差异明显,上游为HCO_3-Ca型水,中游为SO_4-Mg-Ca型水,下游转为SO_4-Ca-Na型水;上游水化学离子主要受岩石风化控制,中、下游受人类活动控制。营养盐浓度中、下游高于上游,中、下游之间差异不明显;枯水期平均浓度高于丰水期;NH_4~+-N、TP在部分采样点超出中国地表水Ⅲ类水质标准。重金属浓度在中、下游之间差异不显著。乐安河水化学特征的主要影响因素为:NH_4~+-N、Cl~-受城市污水影响;Cr、Cu、Zn、Fe、Pb、SO_4~(2-)主要受工矿活动影响;NO_3~--N受城市污水、农业施肥和矿山活动共同影响;TP丰水期影响因素复杂,可能是受土壤可溶性有机物与农业施肥影响,枯水期受城市污水影响。以上研究结果可为流域水环境保护提供参考依据。     

青藏高原拉萨河流域水化学时空变化特征控制因素研究

根据丰、枯水期采集的拉萨河河水、地下水、降水以及冰川水样品,提取采样点子流域面积、地形、岩性以及冰川面积占比等流域特征因子。采用Piper图、Gibbs图分析河流水化学受岩石风化的控制作用;采用主成分分析和相关性分析方法,分析河流水化学主成分及其与子流域特征因子之间的关系。结果表明：拉萨河河水为HCO₃-Ca型水,主要受碳酸盐岩风化控制,蒸发盐岩溶解影响次之,丰水期河水水化学还受降水、冰川融水补给影响。河水水化学特征总体呈现为,随着子流域面积增加、海拔降低,水岩作用增强,碳酸盐岩风化作用增强,蒸发盐岩溶解作用减弱。而枯水期的冰川影响区,由于采样点控制面积大且枯水期地下水补给较强,蒸发盐岩影响作用随碳酸盐岩溶解增强而加强。研究结果为揭示高寒山区河水水化学特征的控制因素及区域规律研究提供科学依据。     

鄱阳湖湿地土壤-植物-地下水稳定氧同位素组成分析

近年来,鄱阳湖水位持续走低,极端干旱事件频繁发生,湿地生态系统结构与功能遭受破坏。为此,于2014年鄱阳湖湿地保护区两个断面分层采集0~100 cm土壤,并采集优势种植物和河湖水以及地下水数据,运用稳定同位素技术,分析了土壤-植物-河湖水-地下水稳定同位素变化特征,并探寻它们之间的补给关系。结果表明,两断面土壤水氧同位素变化范围分别为–10.48‰~–5.23‰和–12.39‰~–6.55‰,算术平均值分别为–8.36‰和–8.63‰。断面一表层(0~30 cm)土壤水氧重同位素较富集,且随深度增加而减小;断面二表层(0~40 cm)土壤水中氧同位素组成基本无变化。断面一的地下水主要是受降水补给,断面二可能是受降水和河湖水共同补给。鄱阳湖湿地两断面优势种植物虉草叶片水的氧同位素值最大,为–0.9‰,其次是灰化苔草和芦苇,分别为–4.23‰和–5.25‰。     

云南腾冲地区大气降水中氢氧稳定同位素特征

为了揭示腾冲地区降水中氢氧稳定同位素特征,利用2009年1月～2011年12月腾冲地区339个降水样品资料,对降水中的氢、氧同位素组成及其影响因素进行了分析和研究。结果表明：腾冲地区大气降水中δ18O值变化范围为-2678‰～405‰,δD值变化范围为-20095‰～3689‰,均处于全球降水δ18O与δD值变化范围内。天气尺度下,腾冲地区降水中δ18O的变化具有显著的降水量效应以及反温度效应。但是,在季风降水期间,如果相邻两天都有降水发生时,腾冲地区降水中δ18O值变化并不一定遵循“降水量效应”。利用ECMWF（European Centre for Medium Range Weather Forecasts）提供的TCWV（Total Column Water Vapour）再分析资料,发现TCWV与δ18O的日变化存在明显的反位相对应关系。腾冲地区的大气降水线为：δD=818δ18O+1172,斜率与截距均比全球和全国的大气降水线偏大,说明该地区气候湿润多雨。d值分布具有季节差异,在雨季（4～9月）,腾冲地区降水的水汽主要来源于低纬度海洋,空气湿度大,降水中d值较小;在干季（10～3月）,由于受大陆性气团控制,腾冲地区降水的水汽主要来源于西风带的输送以及局地再蒸发水汽的补充,空气湿度小,降水中d值较大     

贵州省三岔河流域水化学特征及其控制因素

对乌江源区三岔河流域枯水期和丰水期河水样品离子浓度及组成特征分析表明,河水主要的阴阳离子分别是HCO_3~–和Ca~(2+),分别占到总阴离子量的55%和总阳离子量的70%,与喀斯特地区流域相似。主要离子的时空分布的对比分析表明,Ca~(2+)、Mg~(2+)、Na~+、HCO_3~–、Cl~–枯水期浓度略高于丰水期,而K+、SO_4~(2–)、NO_3~–两期浓度变化相对较小;空间分布的多样化,反映了不同小流域在地质背景、生态环境、人为活动等方面的差异对河水离子的影响。通过Gibbs图分析表明,研究区河水水化学主要受到岩石风化的影响,通过阴阳离子三角图分析表明,研究区河水水化学主要受到碳酸岩盐的影响,并且硫酸广泛参与到岩石风化中,人为活动对流域水化学组成也有一定影响。     

鄱阳湖流域水化学环境参数的变化特征

分别于2010年2月和7月，对鄱阳湖湖区和入湖河流的pH、TDS以及主要离子浓度进行了测定，分析了主要离子组成的时空变化特征及其影响机制。结果表明，鄱阳湖流域水体属于弱矿化度软水，Ca2+是湖水和河水的主要阳离子，分别占阳离子总数〖JP〗的5935%、4989%；HCO-3是湖水和河水的主要阴离子，分别占阴离子总数的5337%、5937%，水质类型为Ca-HCO-3型水；主要离子组成和TDS浓度具有明显的季节和沿程变化特征，这与降雨季节性变化以及不同水系的地质背景有关；从河流水系上游至湖区的水化学特征依次为HCO-3型、HCO-3-SO2-4和SO2-4型。从水化学控制机制上看，鄱阳湖丰水期受大气降水作用和地质条件影响显著，而枯水期降雨量大大减少，主要受岩石风化、蒸发沉淀作用和人为输入的影响。除此之外，SO2-4型水的增加与长江干流酸化以及丰水期长江顶托倒灌现象有密切关系     

荔波板寨小流域水化学和溶解无机碳的稳定同位素特征

通过采集贵州荔波自然保护区内的板寨地上河小流域的地表和地下水样品,测试了阴阳离子含量及其HCO_3~-中的δ~(13)C同位素值,分析不同季节该流域水体的水化学特征,并结合δ~(13)C同位素值探讨水体溶质的来源和水化学过程。结果表明:小流域水体的主要阴离子为HCO_3~-和SO_4~(2-),二者分别占了水体总阴离子当量的86.2%和10.4%,主要阳离子Ca~(2+)和Mg~(2+)则分别占总阳离子当量的76.9%和20.5%。河水较多的Mg~(2+)表明其可能受白云岩风化的影响。小流域水体DIC的δ~(13)C值在-16.87‰至-10.80‰之间,夏季相对于冬季偏负,并且HCO_3~-含量与其δ~(13)C值之间存在负相关关系,这可能是不同季节温度和降水强度共同作用的结果。水体的SO_4~(2-)含量与DIC的δ~(13)C同位素值之间存在明显正相关性,这说明H_2SO_4可能参与了小流域内碳酸盐岩的风化过程。     

湖南长沙地区大气降水中稳定同位素特征变化

根据2010年1月~2011年2月长沙地区日降水中δD、δ18O资料,分析了该地区天气尺度下降水中δD、δ18O变化特征。结果表明:在天气尺度下长沙地区大气降水中δ18O与降水量、水汽压、温度及相对湿度之间存在显著的负相关关系,表明该地区降水中δ18O的变化具有显著的降水量效应、湿度效应及反温度效应。长沙地区的大气降水线为:δD=8.38δ18O+173〖WTBZ〗,该方程与GNIP（Globe Network of Isotopes in Precipitation）提供的长沙在月尺度下所得到的大气水线方程的斜率和截距相近,但斜率和截距都比GMWL(Globe Meteoric Water Line)偏大,说明该地区具有湿润多雨的气候特点。研究结果对揭示东亚季风区稳定同位素变化特征以及古气候的解释具有重要意义     

贡嘎山亚高山降水稳定同位素特征及水汽来源研究

为揭示青藏高原东南缘贡嘎山地区的大气降水稳定同位素特征和水汽来源,利用贡嘎山东坡亚高山地区2012年5月至10月实测的大气降水稳定氢氧同位素和气象资料,分析了贡嘎山地区的降水线特征、降水稳定氢氧同位素时空分异特征及其与气候因子之间的关系和氘盈余特征,并运用HYSPLIT模型探讨了该区的水汽来源特点。结果表明:贡嘎山亚高山地区大气降水线方程为δD=9.401 9×δ¹⁸O+28.530 3(‰)(R²=0.983 3,p < 0.001),反映了该区湿润、多雨、气温较低的气候特点;该区大气降水稳定氢氧同位素季节变化明显,雨季先降低后升高;降水中氢氧同位素的高程效应显著且存在季节差异;降水稳定氢氧同位素受温度、降水气象因子影响较大,降水量效应显著并且与温度存在负相关关系;后向轨迹模型模拟结合同位素特征分析表明该地区雨季水汽来源较为复杂,主要有西风输送、东部季风和局地水汽内循环3个来源。研究结果可为区域水汽循环和降水特征提供科学依据。     

近35a长江中游大型通江湖泊季节性水情变化规律研究

长江中游自然通江的洞庭湖和鄱阳湖,在长期的季风气候以及江湖交互作用下形成了相对稳定的涨-丰-退-枯季节性水位波动模式。近几十年来,受水利工程及气候变化的双重影响,两湖季节性水情均发生了显著改变。揭示和对比两湖季节性水位波动近年来的变化趋势及强度并分析其形成的可能原因,对于指导两湖地区的湖泊管理与实践,理解长江中游江湖关系演变现状具有重要意义。基于此,以2003年为断点(即1980~2002年与2003~2014年两时段),首先通过湖区多站点水文要素的单因素方差分析揭示两湖各自的季节性水情变化特征;然后通过两湖季节性水情变化状况的对比,分析长江中游大型通江湖泊水情变化的规律及其形成原因。得出的主要结论如下:(1)2003年后,涨水期和枯水期的两湖水情均呈偏枯趋势,且水位降幅均在由上游到中游的过程中扩大,由中游到下游的过程中减小,甚至涨水和枯水期的洞庭湖下游湖区还出现了水位的小幅抬升。(2)2003年后,丰水期和退水期的洞庭湖偏枯趋势呈现不同的空间分异,丰水期的洞庭湖水位下降程度在上、中游湖区更为剧烈,而退水期的水位下降程度在中、下游湖区更为剧烈。与此同时段的鄱阳湖偏枯趋势在丰水期和退水期均在由上游至下游的过程中增加。(3)2003年后的洞庭湖水位降幅在各个季节各个湖区均显著小于位于其下游的鄱阳湖。江湖关系对两湖及其不同湖区的作用方式和强度的差异是造成两湖季节性水情演变差异的主要原因。     

丰水期乌江上游干流水库—河流体系硫同位素组成

2007年7月对乌江上游河流、乌江干流上的3座不同库龄的梯级水库(洪家渡水库、东风水库、乌江渡水库)表层及垂直剖面水体的可溶性硫酸盐的硫同位素组成进行了研究.在垂直剖面上,洪家渡水库硫同位素值(δ34S)介于+0.3‰～+3.1‰,下泄水为-0.7‰;东风水库δ34S值介于-7.5‰～-5.5‰,下泄水为-6.8‰;乌江渡水库δ34S值介于-4.3‰～-0.6‰,下泄水为-2.9‰.上述结论表明,硫同位素组成变化反映了水库硫的不同来源及生物地球化学过程.不同水库表层和垂直剖面水体的硫同位素平均值有差别,水库表层的硫同位素比值主要受输入水体的控制,垂直剖面由表层向下硫同位素比值偏负,主要是由于生物作用以及有机硫的氧化造成的.     

西南地区不同地形降水稳定同位素特征及其水汽来源

为阐明西南地区不同地形对于降水稳定同位素的影响以及各个水汽团在地理上的分界线，选取四川盆地、云贵高原、青藏高原东部及横断山脉3个地区共10个研究点作为本次研究的对象，分析了西南地区大气降水中δD、δ18O的时空变化特征，并初步建立了3个地区大气降水线，探讨了降水稳定同位素与温度、降水量及水汽来源之间的关系，并利用HYSPLIT4.9模型分析追踪冬夏半年降水事件的水汽来源及运移路径。结果表明：西南地区降水稳定同位素存在显著的高程效应；δ18O=-0.0028H-3.93,R=0.89，降水中δ18Ｏ和δＤ值表现出由四川盆地-云贵高原-青藏高原东部与横断山脉地区逐渐贫化的趋势，季节变化规律特征为冬半年整体偏重，而夏半年整体偏轻。同时西南地区除昆明与成都地区外，d值整体上表现出夏低冬高的特征，符合我国季风降水影响区域的特点。3处地区大气降水线（LMWL）与全球大气降水线（GMWL）相比，四川盆地、青藏高原东部及横断山脉地区斜率与截距明显偏小，而云贵高原斜率与截距偏大，其主要与水汽凝结时温度、蒸发条件、水汽来源以及输送方式有关。温度效应和降水量效应在不同地区主导性存在差异，四川盆地地区、云贵高原地区、青藏高原东部以及横断山脉地区整体上不存在温度效应，存在显著降水量效应。西南各地区主导型水汽团也存在差异性，通过对不同地区冬夏季风期间主导型水汽团初步分析，受单一性水汽团影响的区域主要分布于西南部与东北部，而受多种水汽团影响的区域主要分布于西北部与东南部；贵阳-安顺一线处于西太平洋水汽团与孟加拉湾水汽团交界处，成都-卧龙-黄龙一线处于西太平洋水汽团与西风带水汽团的交界处。 关键词： 大气降水；稳定同位素；水汽来源；不同地形；西南地区     

稳定同位素识别水体硝酸盐污染来源的研究进展

水体硝酸盐污染已经成为一个世界性的水质问题。为了确保供水安全和有效治理水环境中硝酸盐污染,准确识别水体中硝酸盐的污染来源显得尤为重要。近年来,硝酸盐稳定氮(δ15 N)和氧(δ18 O)同位素示踪技术被广泛用于识别水环境中硝酸盐的污染来源。然而,水环境中硝酸盐污染来源的复杂性和同位素分馏的影响,致使该项技术的应用存在一定的局限性。概括了硝酸盐中的δ15 N和δ18 O的典型值域范围,阐述了多种同位素技术联合识别水体中硝酸盐污染来源的方法以及应用模型定量解析硝酸盐污染源贡献率,最后,对该领域未来的发展方向进行了阐述。     

长江靖江段近岸小型渔业生物碳氮稳定同位素特征分析

长江靖江段是众多洄游性渔业生物的重要栖息地,为进一步的研究和渔业资源评估提供基础生物学资料、掌握该水域食物网结构特征,应用碳、氮稳定同位素技术测定了2016年8月在长江靖江段近岸采集的蟹类、小型鱼类、虾类等渔业生物样品的δ~(13)C值和δ~(15)N值,并由此构建了所采集的各类渔业生物的连续营养谱。结果表明:长江靖江段近岸各类生物中浮游动物的δ~(13)C值最低,为-30.34‰;其次是底栖碎屑的-30.24‰;贝类、水生植物类、鱼类和虾类居中,它们的δ~(13)C值均值分别为-29.75‰±0.75‰、-28.98‰±0.88‰、-26.74‰±2.37‰、-26.1‰±0.16‰;蟹类最高,为-25.86‰±0.74‰。水生植物类的δ~(15)N均值最低,为5.16‰±0.85‰;底栖碎屑其次,为5.58‰;贝类、鱼类、浮游动物和蟹类的δ~(15)N值均居中,δ~(15)N均值分别为8.13‰±0.31‰、11.56‰±1.59‰、12.02‰和12.51‰±1.43‰;虾类的δ~(15)N均值最高,为13.05‰±0.45‰;营养级由低到高依次为:水生植物类、底栖碎屑、贝类、浮游动物、小型鱼类、蟹类和虾类。近岸水域的小型鱼类、蟹类和虾类拥有着比较接近的食物源,生态位重叠较为明显。     

近40年来长江流域水沙变化趋势及可能影响因素探讨

利用Mann Kendall方法,分析了近40年长江流域主要水文站点（长江干流水文站：屏山站、宜昌站、汉口站与大通站;支流水文站：嘉陵江的北碚站和汉江的皇庄站）的流量及输沙率的变化特征。结果表明：①长江流域流量与输沙量变化受人类活动（土地利用、水利设施建设等）与自然因素（如降水的时空变化）综合因素影响,变化趋势表现出复杂性,上、中、下游各有特点;②长江流域屏山站以上流域输沙率有上升趋势（1~5月份上升趋势达到95%的置信度水平）,这与上游河床坡度较大,使泥沙不易沉积以及暴雨与降水增加有关;③长江中下游输沙呈显著下降趋势。计算结果表明,宜昌-汉口河段是长江流域泥沙主要沉积区,加上葛州坝与三峡工程的建成与投入使用,从而进一步使中下游输沙量呈下降趋势。由于下游降水增加,使下游径流量自1980s以来有微弱上升趋势,但未达到95%的置信度水平,中上游流量变化不显著。对上、中、下游人为因素与自然因素对流域流量与输沙量的变化贡献率方面需要做进一步的研究。     

长沙大气水线及与局地气象要素的关系

基于2010年1月1日至2012年12月31日长沙降水事件同位素资料，计算了长沙不同季节的大气水线，同时结合广州降水事件同位素资料，分析了影响大气水线的局地因素。研究发现：（1）长沙全年大气水线为δD=857×δ18O+1855，它与我国东部季风区尤其是南方多地的大气水线非常接近。夏季大气水线很可能受西南季风和东南季风输送不同水汽的影响而斜率小于8；（2）与以前的研究结果不同，长沙、广州两地降水量与大气水线的关系均表明降水量与大气水线并不存在必然联系。气温、湿度对大气水线的影响也并非依照它们对分馏效应比的作用结果，这表明影响大气水线的因素是复杂的；（3）降雨、降雪的大气水线存在差异不能简单归因于降雨过程中同位素云下二次蒸发引起的同位素分馏比降雪明显，还需考虑液-汽、固-汽相变过程中，分别对应的凝结、凝华产生的分馏效应比差异