四川若尔盖湿地国家级自然保护区水体氢氧同位素与水化学特征

孙荣卿，董李勤*，张 昆，刘宏强，王耠熠，胡昭佚

(1.西南林业大学地理与生态旅游学院，云南 昆明 650224;2.西南林业大学湿地学院，云南 昆明 650224;3.国家高原湿地研究中心，云南 昆明 650224)

若尔盖高原湿地是青藏高原重要的生态水源涵养区，也是至关重要的气候调节者[1]。它在抵御洪水、控制污染、美化环境、维护生态系统多样性和区域生态平衡等方面均具有重要作用[2]。自20世纪60年代开始，发生了湿地排水、开采泥炭、开发旅游和过度放牧等一系列破坏湿地环境的人为活动，出现了沼泽旱化、逆向演替、沼泽区沙化、野生动物种类减少、鼠害猖獗等问题[3]，湿地生态环境发生了很大变化，景观格局遭到破坏，湿地功能开始削减[4]。而水是湿地形成的重要条件和环境因素，是湿地景观格局变化的驱动因素[5]，阐明若尔盖湿地水体化学特征及水文循环过程，具有重要的科学意义。

分析水体离子组成是水化学的重要内容，分析离子特征能够指示水体形成和运移的历史[6]。稳定同位素广泛存在于自然界水体中，分馏效应使流域生态系统不同水体的氢氧同位素组成存在差异，据此可判定指示流域各组分水分来源、形成成因，目前主要应用于大气降水水汽来源、地下水与地表水转换关系、地下水补给机制、水体蒸发、植物水分利用、土壤水分运移及不同水体相互转化等方面[7-13]。近年来，国内外学者对西北干旱区水体[14]、季风区降水[15]、大型内陆湖泊[16]、熔岩流域[17]的同位素和水化学特征进行了研究，但针对高寒湿地的水化学和同位素研究较少，尤其是对若尔盖高原的研究鲜见。因此，本研究采用稳定同位素技术和水化学分析方法，分析若尔盖沼泽水体与黑河河流水体和浅层地下水的水体特征及联系，揭示湿地水体与各水体的补给关系，以期为合理保护和改善湿地水生态环境、流域水资源评价及水资源合理开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

若尔盖湿地国家级自然保护区(102°29′～102°59′E,33°25′～34°00′N)，地处青藏高原东北边缘，四川省阿坝藏族羌族自治州若尔盖县境内。保护区东西宽47 km，南北长63 km。总面积为166 570.6 hm2，占若尔盖县辖区总面积的16.0%[18]。

保护区属黄河水系，向西面30 km抵黄河。区内的主要河流是黄河的一级支流黑河(墨曲)及其上游支流热曲。整个流域沼泽率达23.5%，其中中下游为21.3%～43.2%，上游为12.3%～17.4%[19]。

黑河从东南至西北贯穿若尔盖湿地自然保护区，保护区东边为黑河的3条支流：果曲、津曲、阿蒙曲，自东部的高山、冰川流入保护区内部的沼泽(在下文中简写为入湖河流)。保护区的东南角(若尔盖县城)为黑河上游——热曲与黑河干流交汇处，保护区南部有德纳曲自南向北补给黑河；达水曲发源于若尔盖县阿西乡，流入保护区后，在黑河的北面与黑河呈平行流动，在保护区西北边与黑河交汇，与花湖的出水口大坝相连(在下文中简写为出湖河流)。保护区内沼泽遍布，湖泊众多，较大的湿地沼泽有喀哈尔乔、纳勒乔、哈干乔、黑青乔、鄂列格纳和日十乔等，较大湿地湖泊有花湖、哈丘、措拉坚和莫乌错尔格等。研究区域多为第四系松散层中的孔隙水，含水层厚度稳定，为40～50 m。地下水深埋一般为2.5～8.0 m，主要为砂卵石层孔隙水，地下水整体流向由东南向西，区域泉水集中出露于向东村、阿西村、嫩哇乡。

1.2 样点布设

为研究水体同位素空间分布特征和河水与沼泽补给关系，具体取样情况如下：分别在黑河上中下游、各支流(果曲、津曲、阿蒙曲、德纳)、黑河上游(热曲)和达水曲均匀布点采样，在花湖(距离黑河21.9 km)、黑青乔、纳勒桥(距离黑河17.3 km)、喀哈尔乔和哈干乔多布点，重点采样，皆为常年积水区域；井水取自向东村、阿西村、嫩哇乡的村民自家使用的井内，平均井深7～8 m，其中一个样采样于保护区中部草原牧民家中，井深达50 m。海拔介于3 380～3 859 m。

2019年8月在若尔盖湿地国家级自然保护区内进行定点采样，一共采集各水样样本20个，其中河水水样9个，沼泽水水样7个，雨水样2个，井水水样2个；2020年8—9月在若尔盖湿地国家级自然保护区内进行定点采样，共采集水样33个，其中沼泽水水样7个，河水水样16个，井水水样2个，雨水样8个；2021年8月，共采集水样34个，其中沼泽水水样17个，河水水样10个，井水水样7个，采样点位置见图1。使用“GPS工具箱”软件进行坐标定位与海拔备注工作。

底图审图号：GS(2019)3333号。图1 若尔盖湿地国家级自然保护区水体采样点分布示意图Fig.1 Distribution diagram of water sampling points

1.3 样品采集

用于氢氧同位素分析的水体样品取样如下：用原水(河水、沼泽水、沼泽水、雨水、地下水)润洗3次一次性注射器，用涮洗过的注射器摄取水样使其通过0.45 μm的滤膜过滤后保存于2 mL棕色细口聚乙烯瓶中，进行密封避光保存，防止蒸发分馏。用于离子分析的水样样品保存于100 mL细口聚乙烯瓶中，并及时运回实验室进行样品检测，过滤后滤液用于阴、阳离子的测定。整个过程所有样品保存于0～4℃冰箱内[20]。

河水采样时保持自然水流状态并在水面下0.2～0.5 m处取样，避免搅动底部沉积物，避免靠近岸边采滞留、回旋水样，而是在河流中间采其流动部分，保证样品代表性；沼泽水采样时尽量走入远离牧道、公路以及牲畜的沼泽内部，先原地静止2 min并用长柄瓢在尽量远的水面下0.2～0.5 m处取样，避免搅动沼泽剖面、活根层和泥炭层；井水的采集取自当地牧民所用水井，开启水泵后，让水流动20 min，待积水排尽，水流稳定及水质达标后再接取水样；大气降水采集地点位于若尔盖湿地管理局试验样地，放置干燥洁净的大气降水采集器于露天环境[21]，所有样品均为一次完整降水过程的雨水样品，每次降水结束后及时采集并测量计算降雨量。

1.4 样品检测

样品的同位素测试分析使用的是中国科学院东北地理研究所实验室的PicarroL2130-i 超高精度液态水和水汽同位素分析仪进行。为确保液态水测试结果的精度，最终分析结果是用相对于维也纳标准平均海洋水(V-SMOW)的千分差表示[22]：

(1)

(2)

公式中，δ值为所采集的水体样品中的两种稳定同位素的比值与标准样品的稳定同位素比值相比较所偏离的千分差。Ro-sample为水样中稳定氧同位素比率R(18O/16O),RD-sample为水样中稳定氢同位素R(D/H),Rv-smow(18O/16O)和Rv-smow(D/H)为维也纳标准平均海洋水中稳定氧和氢同位素比率R(18O/16O)和R(D/H)。SMOW表示维也纳标准平均海洋水样品的稳定同位素值，18O和16O表示为中子数为10和16、相对原子质量为18的氧元素的同位素。

1.5 数据处理

利用 Excel 2016对数据进行整理，稳定氢氧同位素测试结果采用SPSS 20软件进行统计分析，主要分析方法包括相关性分析、一元回归分析，分析结果图采用Grapher 12软件制作。大气降水水汽的来源轨迹采用的是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的后向轨迹模型。利用AquaChem软件，制作Piper图，从而分析水化学类型。

2 结果与分析

2.1 若尔盖湿地不同类型水体化学特征

2.1.1 水体主要离子组成

表1 保护区沼泽水和河水主要离子浓度Table 1 Main components of water samples in swamp water and river

2.1.2 水体水化学类型及离子来源分析

图2 保护区不同类型水体的水化学Piper图Fig.2 A piper trilinear diagram of water in the Zoige Wetland National Nature Reserve

图3 各水体中Ca2+/Na+与Mg2+/Na+的关系Fig.3 Relationship between Ca2+/Na+ and Mg2+/Na+ in various water bodies

(数据来源：国家气象信息中心 http://data.cma.cn)图4 若尔盖的月均气温和降水的变化趋势Fig.4 The average monthly precipitation and average temperature of Zoige

2.2 若尔盖地区降水氢氧稳定同位素特征

从研究区降水量(图4)来看，若尔盖县雨水充沛，其中5—10月降水量占全年降水总量的80%以上，故将5—10月定义为该区的湿季，且该时段月均温较高，称为夏半年；而每年的11月至次年4月，降水较少故为旱季，且该时段月均温较低也称为冬半年。年平均雨季降水量为539.6 mm，月均降水量为54.5 mm。

2.2.1 大气水线

Craig[25]提出了降水中δ(D)、δ(18O)值呈线性关系的全球大气降水线方程(global meteoric water line,GMWL)：δ(D)=8δ(18O) +10。近年来国内不同区域的“大气水线”也已经被广泛建立[26-28]。当地夏季大气降水线(LMWL)方程为:δ(D)=8.28δ(18O)+13.86，R2=0.97，P<0.01，见图5。与Craig[25]提出的全球降水线方程和Yurtsever[29]的全球降水线方程δ(D)=8.17δ(18O)+10.56[29]以及郑淑蕙等[30]提出的中国降水线方程δ(D)=7.9δ(18O)+8.2相比较，该方程的斜率和截距均稍大。但发现若尔盖研究区域大气降水线方程与我国东部季风区特别是重庆[δ(D)=8.28δ(18O)+12.34][28]、长沙[δ(D)=8.47δ(18O)+15.46][31]、卧龙(δ(D)=8.165δ(18O)+9.48)[32]、武汉[δ(D)=8.97δ(18O)+15.99][33]、宜昌[δ(D)=8.45δ(18O) +11.55][34]的斜率和截距十分接近，反映上述地区的大气降水水汽来源的性质基本相同。

图5 若尔盖湿地国家级自然保护区降水δ(D)和δ(18O)的关系Fig.5 The relationship between δ(D) and δ(18O) in the precipitation in the Zoige

较低的斜率和截距主要是由于雨滴降落过程中受到不平衡的二次蒸发引起的同位素分馏导致的，降水量越少，雨滴在降水过程中受到的云下二次蒸发而引起的同位素动力分馏越强烈，使得斜率和截距越小[35]。比如干旱、热带地区乌鲁木齐站大气降水线方程为δ(D)=6.97δ(18O)+0.43[36]。反之，若尔盖“大气水线”的斜率(8.28)和截距(13.86)都偏大，说明若尔盖湿地国家级自然保护区受局地水汽、二次蒸发影响少，但蒸发强烈。其中斜率比较接近全球“大气水线”的斜率，说明若尔盖受到了西南夏季风降水效应的影响。

2.2.2 降水氢氧同位素变化特征

测定可知，若尔盖县夏季大气降水的δ(18O)值为-2.885 4～-0.736 2%，δ(D)为-22.210 9%～-4.333 6%，δ(18O)平均为-1.253 3%，δ(D)平均为-8.990 3%。全球大气降水中δ(D)和δ(18O)变化范围分别为-30.0%～13.1%和-5.4%～3.1%，平均值分别是-2.2%和-0.4%[37]；若尔盖地区降水中δ(18O)和δ(D)值在全球δ(18O)和δ(D)值变化范围内波动，且与全球大气降水δ(18O)和δ(D)均值相比偏小，表明若尔盖地区降水气团是经历了一定程度的分馏过程才抵达了该地区。其中，8月23日同位素出现异常值，δ(18O)和δ(D)异常贫化，主要因为该场降雨是以冰雹的形式出现，降落急促，持续时间短，大气对其蒸发分馏作用较弱，导致降水同位素贫化的结果。

来自海洋性气团的降水δ(18O)和δ(D)值较低，来自局地蒸发形成的降水δ(18O)(δ(D))较高[38]。若尔盖地区处于中国季风区和青藏高原区的交汇地带，既是东南季风影响区域的西部界限，也是西南季风影响区域的北界。若尔盖偏小的δ(18O)和δ(D)值印证了季风的影响，反映了雨季受海洋性暖湿气团的影响，降水集中且丰沛，沿途气团输送过程中雨水冲刷重同位素作用较强直接导致δ(18O)偏低的特点。因此，雨季大量的连续性降水的稀释作用使得该区降水δ(18O)明显贫化，这种贫化是由于雨季降水量的增加和持续性的降水过程共同作用的[39]。

2.2.3 过量氘的变化及降水水汽来源轨迹模拟

为评价地区降水因地理与气候因素偏离全球降水线的程度，Dansgaard定义了“氘盈余(d)”[40]，即d=δ(D)-8δ(18O)。氘盈余又称氘过量参数，指示蒸发过程中的不平衡程度。若尔盖降水氘盈余值(dexcess)为-0.560%～2.781%。若尔盖降水的氘盈余(dexcess)平均值为1.036%，比全球的氘盈余值(1.0%)略大，且绝大多数d值大于1.0%，这与地中海、里海、咸海及美国五大湖附近区域的降水氘盈余相似[41-42]，即大面积地表水体蒸发水汽与大气水汽(上风方向)混合参与降水过程[26]。

本研究结合NOAA所提供HYSPLIT4.9气团轨迹模型来验证过量氘的特征[43]，进一步确定研究区降水水汽来源。以若尔盖县城黑河桥(33.594 869°N，102.936 264°E)作为气团运动终点，分别计算采样期间每次降水120 h之前气团运动轨迹，每9 h输出一次轨迹点的位置，研究气团高度选取参数为地面以上3 500、4 500、5 500 m 3个高度带的输送轨迹，所有计算结果均由气团轨迹图表示。结果表明，夏季水汽来源于平稳的西风带，冬季水汽来源是西风带和极地气团共同作用的结果，水汽来源存在季节性变化[44-45]。HYSPLIT模拟结果再一次证明若尔盖位于欧亚大陆内部，远离海洋，夏季水汽受西风环流控制，夏季西风带强度变大，北大西洋暖湿气流湿度较大，形成的降水dexcess值较低。

2.3 若盖尔地区其他水体氢氧稳定同位素特征

2.3.1 沼泽水、河水和井水的氢氧同位素变化特征

沼泽水氢和氧同位素值变化范围分别为-11.908 2%～-2.679 3%和-1.675 6%～-0.143 6%，均值分别为-7.635 3%和-0.956 0%;河水氢和氧同位素值变化范围分别为-13.211 7%～-3.312 4%和-1.571 5%～-0.277 7%，均值分别为-8.733 1%和-1.199 9%。井水氢和氧同位素值变化范围分别为-9.193 8%～-8.091 8% 和-1.298 8%～-1.058 2%，均值分别为-8.599 9%和-1.198 6%。

沼泽水的重同位素值明显高于降水中的重同位素值，可能是由于风微浪稳沼泽平静，导致了强烈的蒸发分馏作用。河水δ(18O)、δ(D)的平均值相对偏小，大多数值都低于当地降水中的δ(18O)的平均值。一般地，发源地位于高海拔地区或冰川融水的河流河水中重同位素较贫化，δ(18O)较低，这与黑河发育实际情况相符。与同期河水样相比，沼泽水的取值范围和变化幅度均与河水非常接近，且其相近程度超过与降水的相近程度，说明沼泽接受河水的补给要大于来自降水的直接补给。地下水比降水更富集重同位素,表明地下水在接受初始源降水补给时经历了不同程度的蒸发。

其中沼泽北部水体氢氧同位素均值分别为-7.460 6%和-0.909 7%，沼泽南部水体氢氧同位素均值分别为-9.135 3%和-1.255 8%。沼泽北部水体氢氧同位素值高于南部水体，反映了沼泽南北部蒸发强度的差异，与降水量和蒸发量差异有关。

河水的δ(18O)值从上游源区、各支流至黑河下游、湖泊流域出口逐渐减小，沿程δ(18O)和δ(D)最小值(-13.211 7%和-1.571 5%)出现在黑河流出研究区——保护区边界处。这一现象主要由于黑河的上游源区都是水量较少，流速较慢的支流，蒸发作用相对较强，稳定同位素较为富集；但黑河干流流速快，蒸发相对较弱，氢氧同位素较为贫化。

区域降水中的同位素组成呈现一定的地理效应，包括高程效应[46]、大陆效应和纬度效应[47]，是指当海拔较高时，平均气温较低，降水中的同位素值减少。为了解该流域河流水体同位素空间差异的影响因素，对该流域河流水体的氧同位素值与海拔的相关性进行分析。结果(图6)显示，河流水体同位素与海拔(R2=0.002，P>0.05)不显著相关，不具备高程效应。

图6 流域河流水体氧同位素随海拔的变化Fig.6 Variation of oxygen isotopes in river water with altitudes

2.3.2 各水体补给关系分析

一个地区的地表水或地下水同位素回归线被称作当地蒸发线(LEL)。通过对若尔盖湿地国家级自然保护区的沼泽水与河水氢氧同位素值进行回归拟合分析，得到若尔盖地区蒸发趋势线方程EL1为：δ(D)=7.76δ(18O)+7.08。

为探讨研究区河水δ(18O)和δ(D)的关系，将研究区河水δ(18O)和δ(D)作散点分布图(图7)，得到河水线方程，夏季河水线方程为δ(D)=6.03δ(18O)-14.96，R2= 0.91，与同期大气降水线方程相比，河水线的斜率和降水线的斜率几乎一致，表明河流同位素组成受到降水影响较大，河流主要由降水补给。但是截距过大，说明研究区河水继承降水中δ(18O)和δ(D)的变化特征外，同时也受到占比很小的冰川融水补给的影响。

图7 不同水体 δ(D)和δ(18O)的关系Fig.7 Plots of δ(D) and δ(18O) in waters

根据现有数据，对沼泽水δ(18O)和δ(D)作一元线性回归分析，得到研究区的沼泽水线方程为：δ(D)=6.07δ(18O)-18.31，R2=0.98(图7)。由图7可知，研究区沼泽水δ(18O)和δ(D)呈非常好的线性关系，相关系数高达0.98。但方程斜率和截距均远小于同期大气降水的值，采样点的同位素值位于当地降水线的右下方，说明沼泽水在参与水体循环的过程中受到强烈的蒸发作用影响。

根据雨季若尔盖湿地国家级自然保护区雨水、沼泽水、河水与井水氢氧同位素关系(图7)看出，降水的斜率和截距都是4种水中最大的，沼泽水、河水与地下水中的δ(D)和δ(18O)大多落在若尔盖地区大气降水线LMWL上，因此，可以说降水是其他水体的最初始的补给来源。而沼泽水的斜率截距在三者中为最小，说明沼泽水在水体循环中更新最为缓慢，“旧水”停留时间较长，自降水到地表水再到沼泽水的转化过程中，沼泽水受蒸发作用程度最为剧烈。河水斜率与沼泽水斜率相近，趋近平行，说明二者的补给关系最为频繁和密切，其中黑河的支流：果曲、津曲、阿蒙曲、德纳是沼泽水的补给源，而黑河干流与沼泽交汇补给。

3 讨 论

2)若尔盖当地夏季大气降水线(LMWL)方程为δ(D) = 8.28δ(18O)+13.86，说明受局地水汽、二次蒸发影响少，但蒸发强烈。偏小的δ(18O)和δ(D)值，反映了雨季受海洋性暖湿气团的影响。若尔盖降水氘盈余值(dexcess)为：-0.560%～2.781%，平均值为1.036%。HYSPLIT模拟结果证明若尔盖位于欧亚大陆内部，远离海洋，夏季水汽受西风环流控制，夏季西风带强度变大，形成的降水dexcess值较低。大多数学者提出青藏东缘主要受太平洋气流影响，某些地方受印度洋气流影响，Tian等[48]在天山也发现了类似的规律：降水同位素指示夏季水汽来源主要为印度洋水汽。但本研究结果是若尔盖地区夏季水汽受西风环流控制，这一结果与刘芳等[44]对黑河上游排露沟流域一个水文年连续降水的研究结果相同，也与宋春林等[45]得出的青藏高原东南缘贡嘎山地区的水汽来源一致。青藏高原以东的主要水汽来源于东部季风，而青藏高原地区还有很大比例的印度洋水汽、孟加拉湾水汽和西风水汽来源。综上所述，青藏高原东缘这一地区的水汽条件复杂，其水汽来源特征究竟是呈现出东部季风区还是青藏高原区的特征是需要具体地区具体分析的。

3)降水是研究区其他水体最初始的补给来源，沼泽水主要接受降水补给；沼泽水在水体循环中更新最为缓慢，“旧水”停留时间较长，受蒸发作用程度最为剧烈。河水斜率与沼泽水斜率相近，趋近平行，说明二者的补给关系最为频繁和密切，其中黑河的支流：果曲、津曲、阿蒙曲、德纳是沼泽水的补给源，而黑河干流与沼泽交汇补给。