稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用

第17卷第2期水土保持学报

. 17N o . 2V ol 　

稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用

石　辉1, 2, 刘世荣2, 赵晓广3Ξ

(1. 西南师范大学资源环境学院, 重庆北碚400715; 2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京100091;

3. 西安科技大学地质与环境工程系, 西安710045)

摘要:稳定性氢氧同位素是广泛存在于水中的环境同位素。在降水、地表水、地下水、土壤水和植物体内水转化循

环过程中, 发生氢氧同位素的分馏, 不同的水有不同的氢氧同位素值。利用这种差异, 可研究水分来源、径流响应

和植物用水, 本文综述了这一方面的研究和进展。

关键词:稳定性氢氧同位素; 　水分循环; 　水分来源; 　径流响应; 　植物用水

中图分类号:O 611. 7; TV 213. 4　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100922242(2003) 0220163204

Appl i ca ti on of St able Hydrogen and Oxygen Isotope i n W a ter C i rcula ti on

1, 223SH I H ui , L I U Sh i 2rong , ZHAO X iao 2guang

(1. S chool of R esources and E nv ironm ents , S outhw est N al U , , 400715;

2. Institute of F orest E colog y , E nv ironm ent and P rotection , e m y of F B 100091;

3. D ep art m ent of Geolog y and E nv rionm ental E ng U S and T echnolog y , X i πan 710045)

Abstract :T he stable hydrogen and tal is otope , w h ich ex tensively exists in vari ous k inds w ater . T he its is o tope compo siti on , due to the is otope fracti onati on in the transfer and p itati on , surface w ater , ground w ater , s oil moisture and p lan t w ater . T he w ater s ource , runoff ponse and p lant w ater s ource can be researched by using these differ of is otope compo si 2ti on . T he advance about app licati on of stable hydrogen and oxygen is o tope in the w ater circulati on w ere revie w ed . Key words :stable hydrogen and oxygen is o tope ; 　w ater circulati on ; 　w ater s ource ; 　runoff res ponse ;

p lant w ater s ources

地球上的水分通过蒸发、凝聚、降落、渗透和径流形成水分的循环。由于水分子的某些热力学性质与组成它的氢、氧原子的质量有关, 因而在水分循环过程中会产生同位素分馏。由于存在着3种稳定性的氧同位素和两种稳定性的氢同位素, 所以普通的水分子存在9种不同的同位素组合, 即H 216O (分子量18) , H 217O (分子量19) , [1**********]7H 2O (分子量20) , HD O (分子量19) , HD O (分子量20) , HD O (分子量21) , D 2O (分子量20) , D 2O (分子量21) , D 218O (分子量22) 。由于各种同位素水分子的蒸汽压与分子的质量成反比, 因而H 216O 比D 218O 的蒸汽压要高得多, 这样蒸发的液体水生成的水蒸气富集H 和16O , 残余水富集D 和18O 。在水分循环过程中导致了氢、氧稳定性同位素的分馏, 因此可用水中氢、氧同位素含量的高低研究水分的循环。

1　天然降水的氢、氧同位素关系——雨水线

同位素分馏可用分馏系数定义:Α=R A R B (1) 式中:R A 是分子A 或者A 相中重同位素与轻同位素的比值; R B 是在B 相中的二者比值。

对于某一特定的温度, 如果蒸气和液体处于平衡状态, 则分馏系数就等于蒸汽压之比。

将天然水的循环可比拟为一个向贮存器凝聚回流的多层蒸馏柱, 其中海洋相当于贮存器, 两极的冰原相当于柱的最高层。由于上述9种组合水分的蒸气压不同, 这样从空气团水蒸气中凝聚的水, 要比蒸气更富集D 和18

16当富含水蒸气的空气团从海洋向内陆移动时, 随着距离海洋的远近不同, 降O , 这样云中的H 和O 愈来愈多。

水中的H 和16O 愈来愈多[1]。

由于自然界中重同位素与轻同位素的比值(分馏系数) 很小, 对于水中的氢、氧同位素组成一般用相对于S M OW 标准(标准平均海水) 的千分差表示:

Ξ收稿日期:2002212223

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2002CB 111502) 和国家杰出青年基金项目(30125036) 资助

作者简介:石辉, 生于1968年, 博士后, 教授。主要从事土壤物理、水土保持方面的研究。

164水土保持学报第17卷

∆O =

181816(1816×103‰1816(O -O ) S MOW (2)

(3) ∆D =() ×103‰(D -H ) S M OW

18当∆18O 和∆D 为正值时, 表示样品被S M OW 标准富集了O 和D ; 当为负值时, 表明样品中的两种同位素比

S M OW 标准中亏缺。

当水从海洋表面蒸发时, 由于H 216O 具有较高的蒸气压, 因而水气中富集了H 和16O , 因此海洋上空水蒸气中的∆18O 和∆当云中的水蒸气冷凝形成雨滴时, 液相中相对富集18O 和D , 由于18O 和D 不断地D 和均为负值。

由潮湿的空气中优先冷凝, 从而使剩余的气相中富集H 和16O 。这样, 当降水不断地进行, 空气中∆18O 和∆D 值逐渐变得更负, 而液相和固体降水中的∆值也因蒸气中18O 和D 的减少而变负[2]。

根据不同地区收集的大量雨水资料分析, C raig [3]提出了降水样品对S M OW 的∆18O 和∆D 值成线性关系的全球雨水线方程:

18(4) ∆D =8∆O +10

公式中截距10为全球大气降水的平均值, 如果截距大于10, 则意味着降水云气形成过程中气、液两相同位素分馏不平衡的程度偏大, 小于10则表明在降雨过程存在蒸发作用的影响。

[4], :

18∆D =7. 8∆+这一结果与全球雨水线相近; , , ∆18O 和∆D 值逐渐

18降低, 随着海拔升高, ∆18O 和, 100m , ∆O 和∆D 值分别下降0. 3‰和

1. 3‰。对于∆海拔效应和大陆效应的综合影响, 因此不同地区的降D , 、

水有不同的含量, , 但并不相等。部分地区的研究结果也证明了这一点[5]。

2　利用稳定性氢氧同位素研究水分来源

由于不同来源的水分有着不同的氢氧同位素组成, 因此可利用其同位素含量的差异研究水分的来源。

[6]18C raig 在研究中性和弱碱性地热水时发现, 任何地热区喷出的热水及蒸气的∆O 值是变化不定的, 而∆D 值则保持基本不变, 经研究, 他认为这是水中的氧同位素和硅酸盐岩石、碳酸盐岩石中氧逐步平衡的结果, 这些水

[7]的来源是大气降水。伊利诺斯、密执安和阿尔伯达采集水样的氢氧同位素, 发现这C layton 研究了海湾地区、

[8]些卤水来源主要是更新世时期的降水, 是一种大气降水来源而非海水的衍生物。C raig 在研究红海中部裂谷

的卤水来源时发现, 卤水的同位素组成位于红海的海水同位素组成线上, 并解决了该卤水的来源问题。

稳定性氢氧同位素除用于地热水、卤水的来源研究外, 还用于浅层地下水的研究。Payne 等人(1979) 在厄瓜多尔研究了大气降水和河水与浅层地下水的关系。认为浅层地下水是两个水源的不同比例的混合物, 每一个水源均有自己的稳定性氢氧同位素成分特征。按浅层地下水∆D 值的频率分布柱状图解, 查明了频率分布为高偏态, 最大频率接近于降水入渗补给的稳定性同位素指标。低频率主要与河水的∆D 值有关, 据此还计算出了河水补给浅层地下水的比例及范围。M organ te 等人(1966) 研究了意大利东北部Is onzo 河流对Gorizia 平原地下水的渗透作用, 发现随着河流的距离增加, 地下水∆18O 值明显增加, 河水的渗透作用主要发生在东部和南部, 呈现高偏态频率分布, 最大值-7. 25%, 与当地的降水补给有关, 低频率的∆18O 值类似于河水的值。B row n 和T ayl or (1974) 研究了新西兰Kaikoura 平原Kow ai 河流侧向渗透对地下水补给的重要性, 认为氢氧稳定性同位素技术可用于评价山洪对地下水的补给作用[9]。戴克(1980) 用稳定性同位素方法研究了匈牙利大平原第四纪沉积中的地下水, 发现第四纪地下水不但有大气降水补给, 还有来源于深部地下水的补给[10]。在California 到N evada 的广大区域, 每一点次降水的氢同位素组成并不能代表年平均值, 其变异高达40%, 地表水和浅层地下水的同位素组成与大气降水密切相关; 不同条带的地表水和浅层地下水∆D 差异明显; 在大多数地区, 从海岸到内陆每100km 的∆～45‰, 表明降水、径流和蒸发之间有着不同的比例, 说明了内陆不同地D 值变化在3‰

区的水循环模式不同[11]。

在我国, 程汝楠通过采集地表水样、雨水样、地下水样, 研究了禹城地区的水分循环, 发现降水、河水、地下水中∆地下水中的∆～20m 以上为43. 7～85. 7TU , 变幅较大; 21～384m 为10. 9～D 的值差异明显。D 值在0

21. 7TU , 变幅较小; 其中在20m 附近, ∆D 值发生突变, 骤然降低, 说明以20m 为界, 上下两部分的地下水来源不同。对于上层的地下水, ∆20m 以下部D 值与现代降水和地表水相近, 其补给来源主要为大气降水和河水。

第2期石辉等:稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用165

18分, 其∆D 值含量明显低于当地现代大气降水和河水, 且其空间变化比较稳定; ∆O 和∆D 的关系落在全球雨

水线附近而不是当地河水与该雨水线之间的连线上, 表明这层地下水主要是由于过去大气降水入渗补给的[12]。尹观等根据氢氧稳定性同位素研究了九寨沟风景区的水分循环, 发现尽管大气降水是九寨沟的主要水分来源, 但是由于大气降水补给到各种水体内的时间、补给源区的高度、补给方式以及地下水库容的大小、水滞

[13]留时间和新老水更替周期, 导致了各种水体中∆18O 和∆D 存在较大的差异。

3　利用稳定性氢氧同位素研究径流响应过程

降雨径流问题是水文循环的关键组成部分, 其研究的主要内容是径流数量和分配的降雨径流关系和单位线, 基础是流量过程线的直接径流划分, 一般是采用传统概念的经验划分方法[14], 但由于这些方法包含了一些假设, 这些假说是否合理, 仍有待于进一步研究, 稳定性氢氧同位素技术为这些研究提供了新的技术。

顾慰祖利用氚和18O 研究了实验集水区内降雨和径流的响应关系, 发现地表径流必源于本次降雨的概念不明确, 其中往往有非本次降雨的水量, 在部分年份非本次降雨对径流的贡献高达50%; 非饱和带壤中流和饱和带地下径流中必有非本次降雨的水量, 与地表径流相似, 在次降雨径流过程中有时程变化; 对于不同径流组成的流量过程, 非本次降雨所占的比重不同。这些研究结果表明了传统的降雨径流相关关系中一一对应假定不确切, 从而对降雨径流经验关系和单位线概念需要重新考虑[15]。利用18O 地面、地下径流的响应关系进行了研究, 11数遵循常用的D arcy 定律, D 定律不相符[16]。在实, 结果表明, , :(1) 基流和地下水以均一的同位素含量表征; (2) ; (3) 本次降水与基流或地下水之间; (5) 地表蓄水对河流流量的影响也可忽略; (6) ; (7) 各种水源在汇集过程中的同位素分馏影响忽略不计; (8) 基于经典的简化产流机制[17]。其中大多假定是不正确的, 对于天然流域流量过程线使用氢氧稳定性同位素划分两种或两种以上径流组分时, 必须具有4项必要条件, 才能取得合理的结果[18]。

4　利用稳定性氢氧同位素分析确定植物水分来源

植物中氢的主要来源是水, 植物所能利用的水分主要来自降水、土壤水、径流(包括融雪) 和地下水。对一般植物而言, 水分在被植物根系吸收和从根向叶移动时不发生氢氧同位素分馏[19]。因此, 通过分析对比植物体内水分与各种水源的同位素组成, 可以确定植物对不同水源利用的选择性。

植物体内水分的∆D 值是各种水分来源∆D 的混合物, 根据来源的不同, 可按照线性组合混合:

∆D 植物体内水分=X 1∆D 1+X 2∆D 2+X 3∆D 3+……(5)

式中:∆D 植物体内水分是植物体内水分的∆D ; X 1, X 2, X 3分别是不同来源水分中∆D 所占的分数; ∆D 1, ∆D 2, ∆D 3分别是不同来源水中的∆对于两种水分来源, 则为:D 值。

(6) ∆D 植物体内水分=X 1∆D 1+(1-X 1) ∆D 2

公式变换可求得X 1为:

W h ite 等[20](∆X 1=(∆D 植物体内水分-∆D 2) D 1-∆D 2) (7) 第2种水分来源所占的比例则为(1-X 1) 。利用这种方法研究了树木T ax od ium d istichum 的水分来源, 发现树木的根在浅水层之下, 降水不能影响它所利用地下水的∆对地下水位较深地区, P inus strobus D , 这样木质部溶液中的∆D 不受降雨的影响。

在雨后主要利用雨水, 没有利用地下水; 而在地下水位相对较浅地区, 雨后P inus strobus 木质部溶液的∆D 值界于雨水和地下水值之间, 说明雨水和地下水均被树木所利用, 随着时间的推移, 木质部溶液的∆D 值与地下水∆计算结果表明, 对于P inus strobus 树木在地下水位相对较深的地区, 在D 值相等, 说明此时主要利用地下水。

干旱和湿润的夏季分别利用了雨水20%和32%; 而在地下水位相对较浅的地区, 这个值为10%和16%。

[21]Strernberg 和Sw art 研究了佛罗里达海岸红树林的用水情况, 发现利用海水的植物体内氢同位素与利用

淡水的有显著差异, 稳定性氢同位素是研究红树林使用淡水还是海水的有效方法。对于海水和淡水交界处的海

1816岸植物群落, 植物茎中水的D H 和O O 与黎明时的叶水势高度相关, 不同的植物主要利用海水或淡水一种

水源, 只有极少种类植物茎中水的同位素组界于海水和淡水之间, 是他们不同比例的混合[22]。

[23]D a w s on 和Eh leringer 以河流旁边的树木为什么不用河水为题研究了河岸植物的水分利用状况, 发现当

166水土保持学报第17卷地雨水的∆树木木质部溶液分析发现, 对于D 值冬季为-200%, 夏季为-20%, 但河水则基本稳定在-121%。

非河岸生境的小树主要利用土壤水, 靠近河流的小树主要利用河水; 对于大树, 无论是否生长于河岸, ∆D 值与地下水相同, 与河水存在差异, 表明大树的水分吸收最活跃的区位在土壤的较深层次。由于当地河流的河道经常随洪水而改道, 且水位不稳定, 如果树木要在经常性干旱环境中存活下来, 需具备有利于利用地下水的潜能, 这解释了河岸树木不利用河水这一现象的原因。在地中海气候生态系统中, 利用稳定性氢氧同位素研究发现, 水生植物B . a A ttenuata 和B . ilicif olia 在干湿循环中主要通过地下水满足需求, 除非地下水深达30m 以下时才不用地下水; 在炎热的夏季, 地表土壤干旱增加深层土壤水和地下水的利用; 在湿润的冬季, 植物主要利用上层土壤水; 地下水的利用程度主要取决于地下水位高低, 表层土壤有效含水量, 根系分布状态和最大根长[24]。

在荒漠地区, 春季多年生植物∆D 的值没有明显差异, 与冬季降水相似, 这说明植被在早春利用的主要是冬季的降水。到了夏季, 一年生植物和肉质植物只利用夏季降水, 而草本和木本多年生植物可同时利用夏季降水和深层土壤储水, 其含水量的91%和57%来自于夏季降水。深根系多年生植物体内水分的∆D 值与泉水相

[26]似, 表明这些植物主要利用地下水和土壤水, 基本不利用夏季降水[25]。Ph illi p s 和Eh leringer 的研究同样表

明, 幼年植物更多地依赖夏季降水, 而成年树木均不利用表层土壤水分, 主要利用深层土壤水分。在夜晚, 植物根系将深层吸收的水分在表层分泌出来, 提高表层土壤的含水量, 在随后的白天被植物所利用, 称为根系提水作用(hydraulic lift ) [27], 一些田间和实验室研究提供了部分证据, [28]。Caldw ell 和

利用稳定性氢氧同位素研究了这一现象, 浅根系rop y m d ∆D 值说明含有

它所不能吸收到的深层地下水, A ,

[30]A g rop y ro m d esertorum , 。D a w s on 采用稳定性氢

存在, ; 对于表层浅根植物, 深根植物根系提水是它水R ichards [29]分的一个重要来源; 。

水资源问题是人类社会面临的一个严峻问题, 而水文循环则是合理利用水资源的基础, 稳定性氢氧同位素技术的应用则为水文循环研究提供了新的手段。但当前有关稳定性氢氧同位素的应用, 主要是针对水文循环中的大气降水、地表水、地下水、土壤水和植物水某一方面进行研究的, 没有将水文循环过程作为一个统一的整体, 在包含整个“五水转化”过程研究中的应用尚未开展。将稳定性氢氧同位素技术与“五水转化”相联系, 可解决水文循环中的一些重大关键问题和生产实践问题。如通过研究降水、土壤水、地下水、洪峰径流、基流和植物体内水分的氢氧同位素的组成, 可进一步认识植被主要利用的是降水、土壤水、地下水还是径流; 河川径流基流的主要来源是次降水还是地下水; 以及上述水分之间的转化关系如何? 这些问题的解决, 可深化对水文循环的认识, 解决干旱半干旱区植被建设中的生态需水、土壤干层、植被恢复等关键性科学问题, 为西部的生态环境建设提供科学的依据。

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