长沙降水中稳定同位素的昼夜差别

基于长沙地区降水稳定同位素的实测数据,对不同季节（暖半年、冷半年）、不同降水类型（对流降水、平流降水）、不同降水强度下昼、夜降水中稳定同位素的变化特征进行分析和比较,旨在揭示昼夜降水中稳定同位素的差异及其影响因素,深化对季风区降水稳定同位素变化规律的认识。结果表明：降水中δ¹⁸O在暖半年时段夜间比白天偏正,而在冷半年时段白天比夜间偏正,且均与降水量呈反比;无论在暖半年还是冷半年,相较于白天,夜间温度低相对湿度大,降落雨滴中重同位素蒸发富集作用较弱,从而降水中过量氘d在夜间偏正;由于下垫面水汽再循环对大气水线（LMWL）的影响大于雨滴云下二次蒸发的影响,LMWL的斜率在白天较夜间偏正。在对流降水主导条件下,强烈的辐合气流携带低层具有相对富集同位素的水汽上升,形成降水中的δ¹⁸O明显偏正;相较于对流降水主导,平流云中微弱的空气垂直运动使得高层具有相对贫化同位素的水汽辐合,形成降水中的δ¹⁸O较为偏负;LMWL的斜率则在平流降水主导时更大。随降水强度的增加,降水中稳定同位素逐渐偏负,LMWL斜率和截距均明显增大;在降水强度≥0.1 mm/12 h时,LMWL的斜率在白天更大,截距在暖半年晚上和冷半年白天更大;降水强度≥5.0 mm/12 h时,LMWL的斜率和截距在暖半年白天和冷半年晚上更大。     

河西走廊典型荒漠区土壤水分对降水脉动响应的稳定同位素分析

基于稳定同位素技术研究了河西走廊中部典型荒漠区土壤水分对降水脉动的响应。结果表明：降水分布及其δ¹⁸O值都存在显著的季节变化特征,降水事件多发生在夏季,且有较高的δ¹⁸O值,而冬季降水稀少,且δ¹⁸O值偏低。降水以脉动方式输入土壤中,不同量级的降水事件会导致土壤含水量和δ¹⁸O值不同程度的响应。降水入渗后不同深度的土壤含水量和δ¹⁸O值的响应程度和响应时间不同,土壤深度越大,响应程度越小且响应时间越滞后。对比降水δ¹⁸O值和降水后不同深度的土壤水δ¹⁸O值的变化发现,表层土壤能够迅速的对降水做出响应,下层土壤的响应具有滞后性。即这种自上而下的活塞式下渗是该区主要的降水入渗方式。荒漠区土壤水分受降水的调节和控制,但是深层土壤水受小降水事件的影响较小,大降水事件虽然发生频率较小,但是能够对深层土壤水形成有效的补给,对整个荒漠生态系统的可持续发展都具有十分重要的意义。     

祁连山排露沟流域降水δ18O和δD特征及水汽来源

降水氢氧同位素受气温、降水量、海拔、水汽来源等多种因素控制,是研究区域水文循环过程的重要手段。基于祁连山中段排露沟流域3个站点降水稳定氢氧同位素数据（δ¹⁸O、δD、d-excess）和气象观测资料,结合临近GNIP站点监测资料和HYSPLIT 4.9模型对流域降水同位素特征及水汽来源进行分析。结果表明：流域降水δ¹⁸O值波动范围大（-32.32‰~+3.23‰）,季节性变化明显,冬季δ¹⁸O值较低,夏季δ¹⁸O值较高。降水δ¹⁸O和δD值与日均气温均存在密切正相关关系,即温度效应明显。受山区气候和地理条件影响,各站点局地大气降水线（LMWL）截距和斜率相似;与临近GNIP站点（张掖）进行对比,流域降水明显受局地水汽和二次蒸发影响较少。降水d-excess值表现出与δ¹⁸O值相反的季节性变化趋势。结合HYSPLIT 4.9气团轨迹模型,得出流域夏季水汽主要来源西风环流输送,冬季受西风环流和极地气团共同影响。     

海河流域降水稳定同位素的云底二次蒸发效应

云底二次蒸发导致的同位素动力分馏可显著影响观测的降水同位素组成和大气水线。本文利用海河流域7个监测站点的降水δ²H和δ¹⁸O数据,分析了云底二次蒸发对流域降水同位素的影响。结果表明：流域降雨水样的大气水线为δ²H=7.19δ¹⁸O-0.74,显著不同于降雪水样的大气水线(δ²H=8.42δ¹⁸O+15.88);流域降雨,特别是小降雨(<5 mm)事件,易受到云底二次蒸发的影响,导致其大气水线的斜率和截距均随着降雨量的减小而减小。流域降雨同位素的云底二次蒸发主要受气温和相对湿度控制,随着气温的升高和相对湿度的减小,云底二次蒸发加剧,导致观测的地面降雨富集重的同位素,同时伴随的同位素动力分馏导致流域降水过量氘(d)值以及大气水线的斜率和截距均减小。与平原地区相比较,流域山间盆地地区受“雨影效应”影响,气候相对干燥,其降雨同位素受更强的云底二次蒸发影响。观测期间,流域小的降雨事件占总降水事件的42%,故云底二次蒸发对流域降水同位素具有重要的影响。     

乌鲁木齐降水中δ18O的温度和降水强度效应的季节转换

受到温度和降水季节变化的双重影响,温带大陆和季风气候地区降水中的δ¹⁸O有很强的季节动态。在中国北方由于受到强烈的温度季节变化的控制,降水中δ¹⁸O有很强的温度效应,甚至在月尺度上与温度呈显著的正相关。然而,在降水事件尺度上,特别是多雨的夏季,显著的降水量效应仍然存在。本研究结合气象数据分析了来源于GNIP的乌鲁木齐月尺度上的降水中δ¹⁸O与平均气温和降水量之间的关系。结果表明:在年尺度上,保持气温和降水频率不变,扣除两者的影响,δ¹⁸O与降水强度有显著的负相关关系(P=0.012)。温度和降水强度效应分别为(0.45±0.03)‰·℃^-1(T=17.38,P<0.001)和(-0.28±0.12)‰·mm^-1(T=-2.29,P=0.023)。温度和降水效应在一年四季均存在,且两者存在季节转化,分别主导了一年中不同季节降水中δ¹⁸O的动态变化。在气温剧烈变动的春季(3-5月)和秋季(9-11月),显著的温度效应占主导。而在夏季(6-8月),显著的降水强度效应(T=-2.93,P=0.006)主导了降水中δ¹⁸O的动态。尽管在冬季(12月至翌年2月)降水强度效应和温度效应很微弱也不显著,但是前者仍然大于后者。     

基于LMDZ模型的蒙古高原降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源分析

基于LMDZ（Laboratoire de Météorologie Dynamique-Zoom）模型的模拟数据、NCEP/ NCAR格点气象数据和北极涛动指数（Arctic Oscillation Index,AOI),验证了LMDZ模型在蒙古高原的适用性,分析了局地大气水线（Local Meteoric Water Line,LMWL）、降水中δ¹⁸O与环境因子的关系,探索了降水中δ¹⁸O、氘盈余（d-excess）的时空变化,并结合HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型对蒙古高原气团运输轨迹进行了模拟。结果表明：在LMDZ模型的2种结果中,LMDZ-nudged模拟蒙古高原降水稳定同位素效果较好;计算得到的蒙古高原LMWL为δD=7.78δ¹⁸O+3.31(R²=0.995),其斜率和截距均小于全球大气水线( Global Meteoric Water Line,GMWL)斜率和截距,表明该区域雨滴下落中受云下二次蒸发影响较大;降水中δ¹⁸O夏高冬低,与温度、北极涛动指数呈正相关,而与相对湿度呈负相关。降水中d-excess呈现夏低冬高的特点;对蒙古高原后向轨迹追踪并对其进行聚类分析发现,研究区主要有3条水汽路径：西风带水汽（约88.39%）、东亚季风水汽（约5.73%）与极地水汽（约5.88%）,其中西风带水汽为主控水汽。     

敦煌盆地降水稳定同位素特征及水汽来源

基于敦煌盆地2012年11月至2013年11月降水氢、氧稳定同位素数据 (δD、δ¹⁸O和d-excess),结合GNIP降水同位素监测资料和HYSPLIT 4模型对降水后向气团传输路径模拟结果,对敦煌盆地降水稳定同位素特征及水汽来源进行研究。结果表明:敦煌盆地降水δD和δ¹⁸O存在明显的季节效应,即降水δD和δ¹⁸O具有夏高冬低的变化特征;同时降水δD和δ¹⁸O表现出显著的温度效应,温度每升高1 ℃,δD增加6.89‰,δ¹⁸O增加0.92‰。敦煌盆地局地大气水线(LMWL)为δD=7.45δ¹⁸O+2.72(R²=0.98),受降水二次蒸发的影响,其斜率和截距均低于全球大气水线(GMWL)。降水d-excess受当地气温和相对湿度的影响,冬半年(11月至次年4月)偏正,夏半年(5-10月)偏负。从全年来看,敦煌盆地降水水汽主要来源于西风输送,冬季和春季受极地气团的影响,夏季部分降水事件受西南季风和局地再循环水汽的影响。     

荒漠绿洲湿地水分来源及植物水分利用策略

水分是干旱区不同景观界面间的水分循环过程与水力联系的主体,维持着干旱区湿地生态系统的结构与功能。为量化水分来源及其对植物水分的贡献率,以河岸灌木湿地和草地盐沼湿地为研究对象,通过测定降水、径流、地下水、土壤水和植物水中δD、δ¹⁸O组成,利用多源线性混合模型分析水分来源对荒漠植物水分利用的贡献率。结果表明：（1） 黑河流域荒漠绿洲湿地年均降水量104.6 mm,约占蒸散量（604.47 mm）的17.03%,具有明显的季节性分布特征。地下水位与土壤含水量的波动取决于河流距离,离河道较近的河岸灌木湿地地下水深度及土壤含水量随季节波动较小,而离河道较远的草地盐沼湿地则变化很大。（2） 当地大气降水线δD=6.33δ¹⁸O+4.04 （R²=0.931）,斜率和截距均略小于全球大气降水线则符合黑河流域湿地整体降水少而蒸散量大的特点。黑河径流δD和δ¹⁸O均值分别为-43.80‰±12.09‰和-8.65‰±23.33‰,地下水为-50.98‰±13.18‰和-9.74‰±25.49‰,土壤水为 -42.07‰±6.89‰和-7.22‰±2.49‰,植物水为-51.84‰±14.46‰和-8.50‰±24.13‰。（3） 地表蒸发是荒漠绿洲湿地土壤氢、氧同位素富集的主要原因。地下水和河水分别是草地盐沼湿地与河岸灌木湿地的主要水分来源,贡献率分别约为61%和50%,表明湿地植物相比于干旱区脉冲式降水更依赖较为稳定的水源。（4） 植物根系深度和毛细根分布是决定荒漠绿洲湿地植物水分利用策略的重要因素。     

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015 年13 号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”（1513）影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ¹⁸O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1）整个台风影响过程水汽δ¹⁸O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2）根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ¹⁸O变化特征,将其划分为3个阶段：Ⅰ阶段水汽δ¹⁸O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ¹⁸O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ¹⁸O和高水汽过量氘。     

高寒地区生态修复草地和林地土壤颗粒有机碳分解特征

为探讨高寒地区生态修复用地土壤颗粒有机碳（POC）分解特征,以祁连山南坡的修复草地和修复林地为研究对象,使用离心法将土壤分为砂粒（2 000—50 μm）、粉粒（2—50 μm）和黏粒（<2 μm）,对土壤颗粒有机碳含量、土壤颗粒有机碳分配及颗粒有机碳稳定同位素组成特征进行了研究。结果表明：（1）两种修复用地均能提高颗粒有机碳的含量,新增的颗粒有机碳在修复草地中以砂粒有机碳为主体,在修复林地以粉粒和黏粒有机碳为主体。（2）3种土壤颗粒δ¹³C值均随粒径变小而增大,δ¹³C值与颗粒有机碳含量对数的回归斜率随着粒径变小而降低,修复林地叶片与表土有机碳的δ¹³C值分馏幅度高于修复草地,根系与表土有机碳的δ¹³C值分馏幅度小于修复草地。（3）修复草地砂粒、粉粒、黏粒有机碳平均周转时间分为9、20、34 a,修复林地分别为20、29、94 a,且两种修复用地的3种颗粒有机碳周转时间均有随修复年限增加而变长趋势。两种生态修复用地土壤颗粒有机碳的分解程度和周转速率均随着粒径减小而增大,从叶片转换为黏粒有机碳的过程中,修复林地周转速率较大,从根系转换成黏粒有机碳的过程中,修复草地更快。     

青海湖沙柳河流域浅层地下水氢氧稳定同位素分布特征

地下水氢氧稳定同位素的组成与空间分布规律可为研究地下水补给及深入认识水循环过程提供重要理论依据。基于青海湖沙柳河流域浅层地下水样品的氢氧稳定同位素数据,通过空间插值法和δD-δ¹⁸O线性关系法,分析了氢氧稳定同位素组成、空间分布特征及地下水补给关系。结果表明：沙柳河流域中下游地区浅层地下水δ¹⁸O与δD值分别为-8.54‰~-6.02‰和-58.6‰~-34.6‰,平均值分别为-6.79‰和-41.8‰;δ¹⁸O值在流域空间上表现为西北、中部高,南北低的特征;流域西北和中部地区地下水主要受降水补给,补给来源单一、蒸发作用强是该区域地下水同位素值较高的原因,降水→地下水→泉水是其主要补给、排泄关系;流域北部、南部地区地下水与降水、河水、泉水等水体水力联系密切,不同补给来源的平滑作用是该区域地下水同位素值较低的原因,其补给、排泄关系主要为降雨→河水→地下水→泉水（或降雨→地下水→泉水→河水）。     

青海湖沙柳河流域土壤水氢氧稳定同位素组成与土壤贮水量关系北大核心CSCD

氢氧稳定同位素技术和土壤贮水量是探究区域土壤水分特征的有效手段。基于青海湖沙柳河流域土壤水氢氧稳定同位素组成(δ2H和δ^(18)O)和土壤贮水量数据,分析其在流域的空间分布特征,探讨土壤水氢氧稳定同位素组成和土壤贮水量之间的相关性。结果表明:(1)沙柳河流域土壤水δ^(18)O值从西北向东南呈现富集—贫化—富集的趋势;土壤水d-excess值在流域南部最低,在流域东北部支流上游地区最高。(2)土壤贮水量在流域空间分布上表现为北高南低的趋势。(3)土壤水δ^(18)O值、d-excess值与土壤贮水量间存在分段线性关系。当0—30 cm各土层土壤贮水量≤30 mm时,各土层土壤贮水量与土壤水δ^(18)O值分别显著负相关、与d-excess值显著正相关。青海湖沙柳河流域自然地理环境和植被特征的空间差异导致其土壤水氢氧稳定同位素组成和土壤贮水量表现出明显的空间变异性。温度变化对土壤水氢氧稳定同位素组成与土壤贮水量之间的相关性影响是通过其对土壤蒸发作用的影响来实现的。     

呼图壁河流域水体氢氧稳定同位素特征及转化关系

在气候变化和人类活动影响下,水资源短缺是干旱区面临的一个严峻问题.解决问题的关键是要深入了解干旱区独特的水循环机理,而分析不同水体中氢氧同位素特征及转化关系,是应用同位素示踪技术研究水循环机理的基础。以呼图壁河流域为研究区,分析了大气降水、河水、地下水和积雪融水氢氧同位素变化特征及不同水体的δD~δ¹⁸O关系,探讨了地表水对地下水的补给关系。结果表明：呼图壁河流域大气降水、河水、地下水和积雪融水中δD、δ¹⁸O的组成和季节变化差异较大,δD值分别为-86.25‰、-66.66‰、-69.82‰和-150.79‰,而δ¹⁸O值依次为-12.42‰、-9.94‰、-10.23‰和-19.42‰;河水受大气降水和冰雪融水的混合补给导致同位素的贫化,积雪融水主要受蒸发的影响导致同位素的富集,而河水和积雪融水对地下水有密切的水力联系,导致地下水同位素的贫化;呼图壁河上游地区河水对地下水的补给仅占到18.45%,而中下游区域的地下水补给占到90%以上。     

祁连山东部大气降水分δ17O变化特征及水汽输送

祁连山作为我国西部重要生态安全屏障,是河西走廊内陆河流域核心水源区。通过测定2013年7月~2014年7月收集的降水样品中δ¹⁷O与δ¹⁷O值,分析了祁连山东部乌鞘岭大气降水中δ¹⁷O的特征,在此基础上对水汽来源进行了研究。结果表明：降水稳定同位素¹⁷O存在夏高冬低的变化特征;¹⁷O存在显著的温度效应而不存在降水量效应,¹⁷O与水汽压在干季呈现正相关关系。研究区大气降水的氧同位素降水线方程为：δ′¹⁷O = 0.509δ′¹⁷O -0.16,低于氧同位素全球降水线斜率;过量δ¹⁷O表现出夏低冬高的特点;综合分析氧同位素大气降水方程线和过量δ¹⁷O变化,发现该区域大气降水主要受局地水循环和大陆气团控制。祁连山东部地区主要受到西风和东南季风携带水汽影响,东南季风携带水汽对于祁连山东部的影响主要集中于夏季。研究可提高对祁连山区降水同位素演化的认知,为寒旱区同位素水文学的进一步研究奠定基础。