长江水δ~(18)O和δD时空变化特征及其影响因素分析

稳定同位素示踪技术已成为研究河流的水文过程及其变化的重要手段,尤其在河网交错密集和水力关系复杂的长江流域。通过分析枯水期和丰水期长江水及大气降水中δ~(18)O和δD组成的变化,揭示其时空变化特征及其影响因素。结果发现长江流域大气降水δ~(18)O组成表征出明显的空间分布差异特征,长江河源区降水δ~(18)O值最低,随着海拔高度降低降水中δ~(18)O值自长江上游向下游地区逐渐减小,这与流域的水汽来源及海拔高度密切有关;枯水期长江水δ~(18)O和δD值明显要高于丰水期,原因在于丰水期河水受到较弱的蒸发富集作用和大量降水补给影响;无论在丰水期还是枯水期长江水自上游到下游其同位素值呈逐渐增大的趋势,这主要受不同河段支流和湖泊等水体补给的影响。三峡大坝的蓄水和放水过程对河水同位素组成产生一定的影响,丰水期对相应河段河水同位素组成的影响不大,但在枯水期则影响较为明显,这将对充分认识长江流域大气降水-河水-湖水间水力联系与探讨其水资源合理利用提供科学依据。     

城市湖泊有机质氮同位素差异及其对水污染的指示作用分析

如何对湖泊生态环境修复效果进行评价是当前湖泊生态修复工作的难点所在,以武汉市内不同修复状态湖泊为研究对象,通过分析湖泊水体营养盐浓度、水质类别、综合营养状态指数TLI(Σ)与湖泊不同有机质δ~(15)N的关系,探讨以水体中某一有机质δ~(15)N指示城市湖泊水污染状态,进而作为湖泊修复效果评价指标的可行性。结果表明:武汉南湖、东湖、内沙湖水质分别为劣Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类;水体富营养化程度分别为重度富营养、轻度富营养、中营养;南湖有机质δ~(15)N均值最高为13. 193‰(8. 394‰～19. 380‰);东湖δ~(15)N次之为8. 191‰(5. 162‰～13. 488‰);内沙湖δ~(15)N最低为2. 940‰(0. 001‰～6. 433‰)。不同湖泊有机质δ~(15)N与表层水c(TN)、c(DIN)、c(NH+4-N)、c(TP)、水质类别和TLI(Σ)呈正相关趋势,其中悬浮有机质、沉水植物δ~(15)N与水污染参数的相关性最为显著,均能有效表征城市湖泊水污染状态;为了采样的简便性及样品的通用性,建议以悬浮有机质δ~(15)N作为城市湖泊水污染状态及水环境治理效果的快速评价指标。     

城市湖泊有机质氮同位素差异及其对水污染的指示作用分析

如何对湖泊生态环境修复效果进行评价是当前湖泊生态修复工作的难点所在，以武汉市内不同修复状态湖泊为研究对象，通过分析湖泊水体营养盐浓度、水质类别、综合营养状态指数TLI（Σ）与湖泊不同有机质δ15N的关系，探讨以水体中某一有机质δ15N指示城市湖泊水污染状态，进而作为湖泊修复效果评价指标的可行性。结果表明：武汉南湖、东湖、内沙湖水质分别为劣Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类；水体富营养化程度分别为重度富营养、轻度富营养、中营养；南湖有机质δ15N均值最高为13.193‰（8.394‰~19.380‰）；东湖δ15N次之为8.191‰（5.162‰~13.488‰）；内沙湖δ15N最低为2.940‰（0.001‰~6.433‰）。不同湖泊有机质δ15N与表层水 c(TN)、c(DIN)、c(NH+4-N)、c(TP)、水质类别和TLI（Σ）呈正相关趋势，其中悬浮有机质、沉水植物δ15N与水污染参数的相关性最为显著，均能有效表征城市湖泊水污染状态；为了采样的简便性及样品的通用性，建议以悬浮有机质δ15N作为城市湖泊水污染状态及水环境治理效果的快速评价指标。     

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。     

运用碳氮稳定同位素技术探究中华绒螯蟹与无齿螳臂相手蟹的营养生态位特征

为进一步保护中华绒螯蟹栖息地和种质资源，科学评估长江蟹类的营养关系及资源的可持续开发利用，运用稳定同位素技术分析了在长江靖江、新开沙及狼山沙3个采集区域的中华绒螯蟹和无齿螳臂相手蟹的稳定同位素特征，并根据δ13C、δ15N值分析二者的生态宽幅及营养生态位面积。结果表明：中华绒螯蟹与无齿螳臂相手蟹的δ13C、δ15N值差异均具有统计学意义（P＜0.05）。中华绒螯蟹的δ13C值频率分布相对集中在-25.00‰~-23.00‰；无齿螳臂相手蟹的δ13C值频率分布相对集中在-26.00‰~-24.00‰，表明两种蟹均对某种饵料生物有所偏好，且中华绒螯蟹的δ13C值频率分布范围大于无齿螳臂相手蟹，表明其食物来源更广。中华绒螯蟹与无齿螳臂相手蟹的营养生态位存在重叠，表明二者存在饵料竞争关系。其中靖江江段两种蟹的营养生态位重叠程度最大，表明二者在靖江江段食物竞争最激烈。中华绒螯蟹的δ13C值变幅(CR)、δ15N值变幅(NR)及营养生态位总面积(Ta)均大于无齿螳臂相手蟹，说明中华绒螯蟹对于饵料资源的竞争能力更强。     

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.     

基于15N同位素技术的地下河硝酸盐污染来源对比——以重庆青木关地下河为例

根据2008年3~11月逐月对青木关北段地下河水质的监测,以及2010年6~11月逐月对青木关南段地下河水质的监测,利用15N同位素技术并结合水化学指标,分析地下河的水化学特征以及硝酸盐来源的时空变化特征。结果表明：在北段和南段地下河出口硝酸盐平均浓度分别为2035 mg/L和5077 mg/L,入口分别为320 mg/L和0842 mg/L,两段的硝酸盐平均浓度在出口处均比入口处高6倍多。此外,通过分析青木关整个地下河流域的SymboldA@15N空间分布情况,可以得出：南段地下河水中NO-3 δ15N值较高,且变化显著,最高值37825‰出现在9月21日丁家龙洞取样点,其硝酸盐来源可能是粪便和污水;而北段地下河水中NO-3 δ15N值都比较低,变化幅度较小,均未超过10‰,说明北段地下河水中硝酸盐的主要来源是土壤有机氮或农业氮肥     

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。     

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。     

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。     

川中遂宁地区红层地下水水化学特征及主要离子来源分析

四川红层区居民用水主要为就近开采的地下水,水质参差不齐,研究红层地下水水文地球化学特征,对于宜井区选择,红层水源地用水安全具有重要意义。利用在遂宁船山区采集的70组浅层地下水水样,采用数理统计分析、离子比例关系等方法,分析了红层浅层地下水水化学特征及主要离子来源,研究得出:区内地下水中阴离子以HCO_3~-(164.00～571.91 mg·L~(-1))为主,其次是SO_4~(2-)(13.96～1 000.00 mg·L~(-1)),阳离子以Ca~(2+)(45.70～313.00 mg·L~(-1))为主,其中孔隙水的水化学类型主要为HCO_3,SO_4-Ca,SO_4-Mg型,裂隙水以HCO_3-Ca,Mg型与HCO_3-Ca型为主;地下水中离子成分主要由岩石风化产生,来源于地层中的方解石、白云石、石膏、芒硝等矿物的风化溶解,蒸发浓缩、地下水酸碱环境及人类活动对地下水成分造成了一定的影响;浅层地下水质量以Ⅲ～Ⅳ类为主,污染物主要为TDS、Fe~(3+)等原生污染,也存在NO_3~-、NO_2~-等人类活动污染;红层宜井区主要为平坝、丘坡坡脚及沟谷一带,为避免污染指标超标,井深不宜超过25m,远离养殖场、农厕等地下水易受人类活动污染的环境,防止鱼塘、农田等地表水进入井中。     

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。     

常州市大气PM_(2.5)中水溶性离子组成及来源

于2013年3月~2014年4月采集常州市郊区、工业区、居民区和背景点的春季、秋季大气PM_(2.5)样品,用离子色谱法分析其中水溶性离子成分,对其组成、分布特征及来源等进行研究。结果表明:SO_4~(2–)、NO_3~–和NH_4~+是常州市PM_(2.5)中的主要水溶性离子,3种离子在PM_(2.5)中占比为18%~33%。不同功能区之间水溶性离子的占比和差异较小,常州背景点可能受到周边城市污染输送的影响。在PM_(2.5)中,NH_4~+与SO_4~(2–)和NO_3~–主要以(NH_4)_2SO_4和NH_NO_3存在;硫转化率(SOR)和氮转化率(NOR)是衡量二次无机粒子转化的有效手段,常州市各功能区的SOR均大于NOR;春季SOR0.25,NOR0.1,满足发生强烈光化学氧化反应的条件。     

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。     

赤水河流域土地利用结构对氮素输出的影响

以赤水河流域为研究对象,根据Landsat8 OLI卫星影像获取流域土地利用现状,利用ArcGIS的水文、空间分析模块提取22个子流域,分析子流域不同形态氮(TN、NO_3~--N、NH_4~+-N)的输出特征及其与土地利用结构之间的关系。结果表明:赤水河各子流域TN、NO_3~--N、NH_4~+-N浓度范围分别为1. 27～4. 13、1. 14～3. 97、0. 01～0. 35 mg/L。TN和NO_3~--N与流域内耕地、灌草的相关系数分别为0. 663 (p 0. 01)、0. 538 (p 0. 05)和0. 631(p0. 01)、0. 530(p0. 05),TN、NO_3~--N、NH_4~+-N与流域内耕地、灌草浓度表现为显著正相关,流域内耕地、灌草对TN、NO_3~--N输出均表现为显著的"氮源"作用。NH_4~+-N的相关系数为-0. 558(p 0. 01),耕地对NH_4~+-N输出起显著"氮汇"作用。TN、 NO_3~--N与林地的相关系数为-0. 673 (p 0. 01)、-0. 652(p0. 01),林地对TN、NO_3~--N输出起到了显著的"氮汇"作用。NH_4~+-N与林地的相关系数为0. 435(p0. 05),林地对NH_4~+-N的输出起"氮源"作用。各子流域的分析结果表明,流域受土地利用结构带来的面源污染影响显著。     

亚高山旅游景区岩溶地下水水化学动态变化及其影响因素

岩溶地下水是岩溶区重要的水资源，因岩溶水文系统具有敏感性和脆弱性，其一旦遭受污染便很难再恢复。以重庆亚高山金佛山水房泉为例，通过计算2008年和2016年各水化学参数的浓度增降幅度和地球化学敏感性指数，对比分析各水化学参数及其地球化学敏感性变化特征。结果表明：水房泉水化学类型为Ca-HCO₃型，受水 岩作用控制。旅游活动产生的生活污水自2013年起被分成两条管道，住宿排污经过泉域内化粪池的沉淀降解后排入地下，使得2016年水房泉中K⁺、Na⁺、PO₄^3-浓度较2008年降低，显示化粪池对污染物具有有效的调节作用；而餐饮排污未经处理仍直接排入地下，导致流域出口水房泉中Cl^-、NO₃^-浓度呈翻倍增长，水质恶化。污水还加剧了碳酸盐岩的溶蚀，地下水中HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺浓度上升。由于旅游高峰期与非高峰期的游客量差距逐渐缩小，2016年各化学组分的敏感性指数多低于2008年，地下水受旅游活动影响的时间变长；分别对比不同水文年各主量组分的敏感性指数大小和离子当量浓度大小，发现2008年两者排序基本一致，而2016年较为混乱，这可能表明研究区地下水系统逐渐从有序转向无序的状态，稳定性被破坏，熵值增大。     

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‰。     

基于Hydrus-1D模型的太湖流域农田系统水分渗漏和氮磷淋失特征分析

在土壤水分长期定位观测基础上,应用Hydrus-1D模型对太湖流域典型稻麦轮作农田土壤水分渗漏进行动态模拟,并结合深层土壤溶液取样及氮磷浓度测定,分析了当前耕作方式下农田水分渗漏和氮磷淋失特征。结果表明,土壤水渗漏与降雨、灌溉及前期土壤含水率有关;麦季深层渗漏量小但持续时间长,而稻季单次渗漏量大却持续时间短。模拟时段内铵态氮和可溶解性总磷的淋失主要发生在稻季,淋失量分别为2.62、0.49 kg/hm²,分别占稻麦轮作期总淋失量的96.0%、96.0%,而硝态氮淋失主要发生在麦季,淋失量为57.97 kg/hm²,占总淋失量的80.2%;无机氮淋失的主要形态为硝态氮,其淋失量占总淋失量的96.4%。综合看来,硝态氮应作为主要阻控对象,以减少农田面源污染对地下水及太湖水体的污染风险。此外,氮磷淋失在6、7月份即休耕期和水稻生长早期容易达到峰值,应得到重视。     

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。