大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨
1 引言
氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素是广泛地存在于自然水体中的环境同位素.自然水体通过蒸发、凝聚、降落、渗透和径流等形成水分的循环，且在水分循环过程中产生同位素分馏现象，即较轻的同位素(1H和16O)会先蒸发到气相中，同时较重的同位素(2D和18O)则先凝结到液相.降水是水循环过程中的一个重要环节.大气降水中氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素组成及分布主要受到蒸发和凝结作用的制约，当云中的水蒸汽冷凝形成雨滴时，18O和D不断由潮湿的空气中优先冷凝，当降水不断进行，降水中中重的18O和D不断被淋洗，则表现为降水中δD和δ18O逐渐贫化.大气降水中稳定同位素组成及分布与产生降水水汽来源的初始状态及水汽输送过程发生的变化密切相关，同时，降水中氢氧同位素存在着大陆效应、温度效应、降水量效应和纬度效应等.不同时间和区域大气降水的同位素发生有规律的变化，因此，国内外学者常借助降水中氢氧稳定同位素变化来研究水汽的来源地域、水循环过程的历史信息、天气气候特征等.早在1961年，世界气象组织WMO和国际原子能机构IAEA就已建立全球大气降水同位素观测网络，开始对大气降水中同位素组成进行观测，为研究全球和局地大气环流及循环的机制提供同位素资料数据.我国对降水中氢氧同位素的研究起步较早，大量的研究对大气降水稳定同位素组成与温度、降水量、蒸发等因素进行了探讨分析并建立降水线方程，如我国较干旱的东北地区、西北内陆地区及华北地区，较湿润的西南地区、华东地区和华南地区，这些基础数据为研究水循环特征提供了依据.HYSPLIT后向轨迹模型主要用于降水水汽源的模拟和分析，确定各水汽源的来源和输送路径，特别是基于聚类分析的结果具有较好的可信性，可用于确定不同水汽输送路径的权重比例.
厦门地处东南沿海地区，是典型的亚热带季风气候区.虽已有学者对厦门岛内大气降水的同位素分布特征及同位素值与温度、降水量等影响因素的关系进行了比较深入的探讨，积累了重要的原始数据基础，然而观测点主要局限于厦门岛内单个点，对于整个厦门地区的降水同位素情况了解不够全面.此外，对于降水水汽来源及输送路径缺乏模型模拟的分析，而关于水汽来源及输送路径所占的权重比例研究更是未见报道.因此，本研究同步采集厦门地区6个站点的典型月份降水来分析其降水中氢(δD)、氧(δ18O)同位素值的变化特征，同时，利用测定的降水中δD和δ18O 基础数据建立厦门地区大气降水线方程，并分析年尺度和月尺度下降水中稳定同位素值与降水量之间是否存在显著的“降水量效应”.同时，采用HYSPLIT后向模型模拟厦门地区的水汽来源及输送路径，并基于聚类分析的结果探讨不同水汽输送路径的权重比例.
2 材料与方法
2.1 监测布点
本研究在厦门地区共设立6个雨水监测点(图 1)，分别为海沧新阳工业区(缩写XY)、翔安混合区(缩写XA)、洪文商住混合区(缩写HW)、鼓浪屿商住混合区(缩写GLY)、坂头水库区(缩写BT)、小坪森林公园(缩写XP).其中，坂头水库区和小坪森林公园为自然保护区，鼓浪屿作为厦门市重要的旅游区.
图1 厦门地区大气降水采样点分布图
2.2 样品的采集与贮存
降水样品的收集采用智能降水采集器(ZJC-Ⅱ型，杭州恒达公司生产)自动搜集降雨.若一天中有几次降水过程，可合并为一个样品测定;若遇连续几天降雨，则收集当日上午8：00至次日上午8：00的降水，即24 h降水样品作为一个样品进行测定.为避免干沉降的影响，降水结束后0.5 h 内立即取回.采集的样品移入洁净干燥的聚乙烯塑料瓶中，密封保存.样品带回实验室后立即经0.45 μm的混合纤维素滤膜过滤后置于4 ℃冰箱保存待测.所有样品在10 d内完成从采样到分析的全过程.
根据厦门沿海地区气象条件的特点，选取采样期降水量多的月份、并且可代表各个季节的典型月份.其中，以2012年12月、2013年4月和7月分别代表冬季、春季和夏季，在6个站位共收集到60个降水样品.
2.3 样品的分析
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 03 第三章(氢氧同位素) Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes第三章氢氧稳定同位素Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes 1/ 49
轻元素稳定同位素的基本特点1.原子量低，一般小于36。 2.同位素相对质量差大。 3.形成共价键，键性与同位素分馏有很大关系。 4.化学价可变，在化合价变化过程中会发生大的同位素分馏 5.小丰度同位素的相对丰度为千分之几到百分之几，便于精确测定。 研究稳定同位素的组成特征、变化机理、分馏原理并应用它们作为地球化学示踪剂研究各种地质过程Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ Outline1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征3.氢氧稳定同位素的应用Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes 3/ 49
稳定同位素样品取样方法讲座大纲 林光辉陈世苹 中国科学院植物研究所北京100093 第一部分固体样品采集 1 植物水分利用效率的研究： 取样部位：叶片 测定指标：δ13C 基本原理：δ13C分析是评估C3植物叶片中细胞间平均CO2浓度的有效方法。根据Farquhar 等(1982)，植物的δ13C值可由下式来表示： δ13C p= δ13C a-a-(b-a)×C i /C a 式中，δ13C p和δ13C a分别为植物组织及大气CO2的碳同位素比率，a和b分别为CO2扩散和羧化过程中的同位素分馏，而C i和C a分别为细胞间及大气的CO2浓度。可明显看出，植物的δ13C值与C i和C a有密切的联系。植物组织的δ13C值不仅反映了大气CO2的碳同位素比值，也反映了C i /C a比值。C i /C a比值是一重要的植物生理生态特征值，它不仅与叶光合羧化酶有关也与叶片气孔开闭调节有关，因而C i /C a值大小也与环境因子有关。另一方面，根据水分利用效率的定义，植物水分利用效率也与C i和C a有密切的联系，这可由下列方程式中看出： A= g×(C a-C i)/1.6 E= g×ΔW WUE=A/E= (C a-C i)/1.6ΔW 式中，A和E分别为光合速率和蒸腾速率，g为气孔传导率，而ΔW为叶内外水气压之差。这样，δ13C值可间接地揭示出植物长时期的水分利用效率： WUE= 1313 [1()]/1.6 a p a C C a C W b a δδ -- -? - 由于植物组织的碳是在一段时间（如整个生长期）内累积起来的，其δ13C值可以指示出这段时间内平均的C i /C a值及WUE值。 注意事项： ?阳生叶片； ?光合活性强的叶片（避免新生和衰老叶片）； ?比较不同种或不同地区植物的水分利用率时应注意大气CO2本底的δ13C值与气候和水 分条件是否接近。特别是在森林生态系统中，植物叶片δ13C值存在明显的冠层效应，即愈接近森林地表，植物叶片的同位素贫化（isotopic depletion）效应愈明显，产生这
第22卷 第4期世 界 林 业 研 究Vol.22 No.4 2009年8月World Forestry Research Aug12009 氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用3 徐 庆1 冀春雷1 王海英1 李 旸2 (1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091; 2中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091) 摘要:综述了氢氧碳稳定同位素的概念、示踪原理及其应用于定量确定植物水分来源、水分利用格局和水分利用效率等方面研究进展。同时展望了全球气候变化条件下,氢氧碳多种稳定同位素联合示踪先进技术在定量研究植物水分利用策略以及植被对全球气候变化的响应机制研究中的应用前景。 关键词:氢氧碳稳定同位素,植物水分来源,水分利用效率,水分利用策略 中图分类号:S718.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2009)04-0041-06 Use of St able Isotopes of Hydrogen,O xygen and Carbon to I den ti fy W a ter Use Stra tegy by Pl an ts Xu Q ing1 J i Chunlei1 W ang Haiying1 L i yang2 (1Research I nstitute of Forest Ecol ogy,Envir on ment and Pr otecti on,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2Research I nstitute of Wood I ndustry,Chinese Academy of Forestry,Beijing100091,China) Abstract:Stable is ot op ic technol ogy is a ne w method t o deter m ine s ources and utilizati on patterns of p lant water.The main advantage of this technol ogy is that it can p r ovide results of relatively high ac2 curacy and sensitivity.The pur pose of this paper is t o p resent an overvie w of the concep ts and theory of stable is ot ope tracing,and the methods of using stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon t o quantify s ources of p lant water and pattern and efficiency of p lant water use.This paper uses s ome exa mp les t o demonstrate how the stable is ot op ic technol ogy may be used t o address different issues re2 lated t o p lant water use strategies,and p r ovides s ome pers pectives on app licati ons of the advanced technol ogy of si m ultaneously tracing multi p le stable is ot opes(hydr ogen,oxygen and carbon)in stud2 ying mechanis m s of potential vegetati on res ponses t o gl obal cli m ate change. Key words:stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon,water s ource of p lant,water use effi2 ciency,water use strategy 水是植物生命活动中最活跃的成分之一,对植物生长发育、数量和分布具有显著影响,尤其在干旱和半干旱地区,水成为植物生长的主要限制因子[1]。全球气候变化的一个重要方面是区域降雨格局的变化[2],植物吸收和利用水分的模式一定程度上决定了生态系统对环境水分状况发生改变时的响应结果[3],因此,对植物水分利用策略及水分来源的了解,将有助于我们了解和预测降雨格局变化导致未来植被时空变化的规律[4],有助于林业科技人员根据生境选择合适的造林树种进行植被建设和恢复工作。氢氧碳稳定同位素示踪技术有较高的灵敏度与准确性,为定量研究植物水分来源,水分利用格局和水分利用效率等提供了新的技术手段。 3收稿日期:2009-04-30 基金项目:国家自然基金项目(30771712);“十一五”林业科技支撑项目(2006BAD03A04);948项目(2006-4-04) 作者简介:徐庆,女,中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所副研究员,博士,研究方向:稳定同位素生态学,E-mail:xu2 qing@https://www.doczj.com/doc/9a13642664.html,
室外水体蒸发氢氧同位素日变化特征 为研究室外水体蒸发氢氧同位素变化特征，连续12个小时采集四川大学听荷池的水样，获得了水体蒸发氢氧稳定同位素与温度的关系。实验结果表明，水体蒸发实验中，温度越高，蒸发速度越快，在同样的蒸发时间内水体重同位素富集程度越大；室外水体自由蒸发实验中得出的蒸发线方程斜率较大地偏离了当地降水线，表明实验期间水体蒸发分馏作用较明显。该研究为进一步揭示水体蒸发分馏规律提供了可靠的实验依据。 标签：水体蒸发；氢氧同位素；日变化；实验研究 1 实验区概况 取样点位于成都市武侯区四川大学听荷池，北纬30°38’3.64〃，东经104°05’12.38〃，海拔大约为490m，池面积为1.2hm2，降水是听荷池水量的主要来源。成都市属于中亚热带湿润季风气候区，常年最多风向是静风，冬湿冷、春早、无霜期较长，四季分明，热量丰富，年平均气温16°C，最高气温38.6°C，最低气温-5.9°C，无霜期为287d，初霜期出现的时候大约为11月底，终霜期一般在2月，冬季的平均气温大概为5°C，平均气温比同纬度的长江中下游地区高1～2°C。冬春雨少，夏秋多雨，雨量充沛，多年平均降雨量约为900～1300mm，多集中在7～9月份。光、热、水基本同季，气候资源的组合合理，很有利于生物繁衍。风速小，风速为1～1.5m/s，晴天少，日照率在24～32%之间，年平均日照时数为1042～1412小时。 2 样品收集与分析 2.1 样品收集 2016年12月4日，在听荷池采集水样，气象数据为当时现场测量记录。 取样品之前，需要把塑料瓶放入7N的HNO3浸泡一整天，然后用超纯水清洗多次，接着放入烘箱将塑料瓶的水烘干，为了保证取样工具的洁净与干燥，以免污染样品。采取样品时，尽量将水样装满瓶子，这是因为考虑到液态水分子之间存在着范德华力，它会使水分子的运动速度远远小于气态情形，这样可以降低蒸发时的分馏作用。 取样采集：2016年12月4日，8：00至20：00，每个小时分别在听荷池东南西北角采集水样，每次取样的地点以及取样的深度基本上都没有变化。每次将取好的水样装入50ml的塑料瓶中，现场记录日期和温度等，用封口膜将瓶口封住，以免造成分馏。最后把装好的样品带回实验室进行分析。 2.2 样品处理及分析
核技术与核安全课程作业 稳 定 同 位 素 技 术 的 发 展 及 其 应 用
原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子称为同位素，它们处在周期表上的同一位置，可分为稳定性同位素和放射性同位素。放射性同位素的原子核是不稳定的，它通过自发的放出粒子而衰变成另一种同位素。而不具有放射性的同位素称为稳定同位素，其中一部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物，称为放射成因同位素；另一部分是天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定，迄今为止还未发现它们能够自发衰变形成其他同位素。自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有270余种。有的元素由很多的稳定同位素组成，如第50号元素锡含有10个稳定同位素；而有的稳定同位素却仅仅只有一个稳定同位素，如元素氟、钠等。 稳定同位素较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点，在地质、生态、医药、农业等领域研究中得到广泛应用。 1.稳定同位素技术的发展过程 稳定同位素的发现比放射性同位素要晚一些，1912年汤姆孙用电磁分析器（近代质谱计的雏形）才第一次确定了氖-20和氖-22的存在；1927年发现了氧的稳定同位素O 17和O 18 ；1932年发现了重氢（D ）。1936年尤里等用精馏法从水中富集了O 18，随后又用化学交换法富集了Li 8，C 13，N 15和S 34，不但证实了早年发表过的有关分离的计算理论，同时也发现了化学交换法对大量分离轻同位素很合适的。与此同时也采取了几种物理方法分离了若干种同位素。 在1930-1941年期间稳定同位素分离还处于探索阶段，此时尚无工业规模的生产，少量分离物只是提供研究同位素本身的核性质以及作为示踪原子用。到20世纪50年代后期，由于科学技术的进步及稳定同位素特殊性质的逐步显示，才使之得以迅速发展。我国稳定同位素的研制工作起步于50年代中，60年代首先在农业上获得应用。之后，在医药学中的应用也取得初步成果。目前，我国已有一支稳定同位素的研究、生产机应用的技术队伍，个别产品进入了国际市场。 2.稳定同位素分析技术 稳定同位素分析是分离研究、生产和应用的前提，它是稳定同位素科学技术中不可缺少的组成部分。其中最重要的方法是质谱分析，它用于同位素分析已有70年历史，是经典、常用，准确的方法，适用于各种元素同位素质量和浓度测定以及物质成分和结构分析。近来在样品引入、离子源、分析器以及检出系统等四个主要方面都有重大的改进。在样品引入部分加上气相色谱，构成色质联用仪器，可以分析复杂混合物样品而不必转化为简单气体。此外，现在又出现高压液相色谱与质谱联用的更新技术。在离子化方面出现了许多新型离子化型式，如化学离子化，在离子源中产生的离子基本上是分子离子，谱线要比普通的电子轰击离子化单纯得多，大大提高了检测灵敏度。又如场致离子化和场解吸离子化，它们都是不直接轰击样品分子，是一种软离子化技术，不出现离子碎片，基本上没有同位素效应的干扰问题，可以直接分析多成分的混合物样品，而且不必像GC-MS 那样需要引入适合于气相色谱的诱导体，所以操作更为简单。这对多重标记物的分析十分有利，能测定稀释了一百万倍的样品，最小检测量可低到fs(1510 g)。此外，还有激光离子化、大气压离子化和多点场离子化等。在分析器方面，除了磁场偏转形式外，还有一种简便的四重极质量过滤器，它是用四根圆棒电极(最好是双曲线断面型式)代替了笨重的磁铁。对角线上两根电极互成一对，分别加上高
杞麓湖水质参数及水体稳定同位素特征研究湖泊对区域气候调节及地区社会经济发展发挥着至关重要的作用。杞麓湖作为通海县的“母亲湖”,近年来在自然与人类活动的双重影响下,生态环境面临着诸多威胁。 基于此,本文首先利用2016年11月至2017年10月时段内对杞麓湖水质参数水温(Temp)、溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)、p H及总磷(TP)、总氮(TN)的逐月监测,对湖泊生态环境状况和水质月际变化作进一步探讨。同时,结合已有气象数据,利用杞麓湖流域各水体稳定氢氧同位素组成特征对湖泊水动力、水汽来源及季节变化进行研究,探讨各水质参数对湖水同位素的影响,通过对各水体稳定氢氧同位素的组成及季节变化特征分析,深入讨论分析流域水循环过程,进一步分析探讨杞麓湖水更换过程及周期。 本文主要的研究结论如下:(1)杞麓湖对流域气候环境有着显著的调节作用,维持流域气温较为恒定,同时减少极端天气对区域气候带来的影响。湖水在不同深度热量分布较为均衡。 水温受风力作用及湖泊动力影响较大。同时,温度是影响湖泊水循环、水生生物活动强度的控制因素。 (2)杞麓湖受流域人类活动的强烈影响,外源输入的影响成为引起湖泊水体理化性质(溶解氧、叶绿素a浓度、p H)的主要因素。营养盐的输入引起的藻类活动的增强,以及污染物的排放与分解,使不同湖区水体酸碱度出现较明显的差异。 有机污染物的分解同时消耗了水体中的溶解氧,因而在湖滨处及入湖河流较为集中的西南部出现较低的溶解氧浓度及p H值,这一现象在雨季尤为明显。不
同湖区营养盐的差异引起藻类空间分布的不同,在工农业排放较集中的东部、西南部湖区,水体叶绿素a浓度远高于其他湖区。 夏季水温及光照的增强、外源输入的增加、以及生物活性的加强,加重了不同湖区水体理化性质的空间差异性。进而引起湖泊底质释放增加、水生物种结构单一化、水体自净能力下降等诸多环境问题。 (3)杞麓湖富营养化程度较高,监测时期内处于中度—重度富营养化状态,水体氮磷浓度全年处于较高水平。磷是湖泊藻类生长繁殖的限制因子。 湖泊总磷浓度季节波动较大,夏季相较冬季总磷浓度增加了近40%,总氮季 节变化相对较小,夏季高于冬季。湖滨化工业排放使湖泊氮磷含量(特别是总磷)大幅上升,农业排放对水体总氮影响较大,对总磷影响则相对较小。 流域河水、地下水营养盐浓度也很高,当地的水资源及水安全问题较为突出。 (4)湖水同位素组成随深度变化不明显,蒸发和河水补给的作用决定了湖泊水同位素的空间分布特征。 水温对表层湖水同位素分馏有一定的影响,对其空间分布的作用也存在,但整体影响不大。其他水质参数与湖泊水同位素组成之间没有必然的联系,在空间分布变化上也没有明显的规律。 (5)杞麓湖无论是全年还是各季节湖水蒸发线方程的斜率、截距相较全球大气水线有着明显的偏离,湖水受到了长时期蒸发分馏作用的影响。杞麓湖流域内河水、地下水的同位素组成相对湖水偏负,蒸发水线的偏离程度也小于湖水,地下水受到的非平衡分馏作用更弱一些。 海洋水汽是当地降水主要来源,入湖河流补给是湖泊水主要补给方式。(6)根据雨季前后湖水同位素组成的差异,利用降水数据我们模拟得出湖水换水周期
氢氧稳定同位素在水团混合计算中的应用初探 氢氧稳定同位素作为天然示踪剂，研究降水与地表水的混合作用、地表水与地下水的补给作用以及地表水之间的相互作用等过程中具有重要作用，通过二源线性混合模型可以计算二源和三源水团混合过程中端元的贡献率，而在计算多源混合过程中，则需要采用局部分析或者补充其他示踪剂等方式来综合计算。 标签：稳定同位素；水体贡献率；二源线性混合模型 近年來，河流和湖泊水体的富营养化问题日益严重，尤其对于大中型水库而言，库区干流水体营养状态良好，而支流大多保持中营养状态或者富营养化状态，部分支流呈现重度富营养化状态。研究表明，水体富营养化状态主要由营养物质的输入以及水动力条件的变化两方面导致，水作为营养物质的载体以及藻类植物的生长繁衍环境，其自身的运动转移过程直接影响到水体中营养盐的迁移和转化，以及对藻类植物生长繁殖过程的控制，因此计算水体内不同水团的混合比率对于研究水体富营养化状态有着重要意义。目前，氢氧同位素作为一种稳定示踪剂，在河川径流、降雨径流、水源划分以及植物体水分输出等研究方面应用较广[1]，不同水体具有不同的氢氧同位素特征，因此可以利用氢氧稳定同位素来计算河流和湖泊不同水团混合过程中各水源的贡献率。 1 氢氧稳定同位素的天然示踪效果 氢氧同位素均称为稳定同位素，这是因为以水分子存在的D和18O在常温（低于40摄氏度）下非常稳定，很难与接触到的有机质或矿物发生反应，而影响其含量。氢氧稳定同位素在自然界中含量极低，一般的表达方式较为复杂，因此，国际上规定统一采用待测样品中某元素的同位素比值（R）与标准样品中的同位素的相应同位素比值（R标准）的相对千分差作为量度，记为δ（‰）值[2]，即 δ=（R/R标准-1）×1000 式中：R是样品中元素的重轻同位素丰度之比，如（D/H）和（18O/16O）；R标准是国际通用标准物的重轻同位素丰度之比，如（D/H）标准和（18O/16O）标准，一般水体中氢氧同位素测定标准采用国际原子能机构（IAEA）颁布的平均标准大洋水（Standard Mean Ocean Water，即SMOW），而后IAEA通过海水蒸馏后加入其他水配置的，非常接近SMOW的水样作为新的标准，称为VSMOW。由于水分蒸发和冷凝过程中同位素的分馏作用，使得自然界氢氧稳定同位素的分布具有如下效应：纬度效应、大陆效应、季节效应和高度效应，这也使得自然界中不同水体拥有不同的氢氧同位素特征。因此我们可以通过不同水团混合过程中端元水团氢氧同位素特征的变化来研究水团混合的详细过程，计算不同水团的混合比率等。 2 降雨与地表水的混合作用
第26卷第5期2014年10月 云南地理环境研究 YUNNAN GEOGＲAPHIC ENVIＲONMENT ＲESEAＲCH Vol.26，No.5Oct.，2014 收稿日期：2014－09－03；修订日期：2014－10－08． 基金项目：国家自然科学基金“滇东岩溶高原峰林湖盆水源枯竭机制研究”（41261007）；云南省自然科学基金“基于稳定同位素的滇东 岩溶区云南松水分策略研究”（2011FZ077）共同资助. 作者简介：朱磊（1989－），女，云南省曲靖市宣威人，硕士研究生，主要研究方向为资源环境与区域发展.*通信作者. 西南地区大气降水中氢氧稳定同位素特征与水汽来源 朱磊，范弢* ，郭欢（云南师范大学旅游与地理科学学院，云南昆明650500） 摘要：为阐明西南地区稳定同位素与大气降水的关系，对GNIP 昆明、贵阳、桂林、成都站点δD 和δ18 O 进行分 析，初步建立当地大气降水线方程，并与中国及全国降水线方程进行对比，揭示该降水线方程的特征。研究表明：大气降水稳定同位素组成受到温度、蒸发、水汽源地等多种因素的相互影响，在不同时间有很大差异。西南 地区降水中的δ18 O 值表现出“夏高冬低”的季节特点。d 值呈现出降水中过量氘水汽来源不同的特点，贵阳和 桂林地区d 值表现为“冬高夏低”的季节特点，而昆明和成都地区却与此相反，d 值则表现为“夏高冬低”独特的季节性特征。 关键词：大气降雨；同位素；西南地区中图分类号：P426.612 文献标识码：A 文章编号：1001－7852（2014）05－0061－07 0引言 大气降水作为自然界中水气循环的一个重要的 环节，在各种时空间尺度下发生着变化［1］ 。降水中同位素中各元素丰度的变化与水汽源区的初始状态、大尺度的天气系统变化，以及产生降水的气象 过程存在密切的联系 ［2，3］ ，并随着时间和空间的变化而异。因此，对于降水的研究显得极其重要［4］ 。 降水中氢氧稳定同位素可以作为水汽源区理想的自然示踪剂或利用其变化来反演大气过程，能在一定程度上反映区域的地理因素及气候特征［5］ 。近年 来，国内不少学者对四川地区 ［6，7］、昆明［8，9］ 、桂林地区 ［10，11］ 、南方地区［12］等区域降水稳定氢氧同位素都进行了深入探讨，大多数对局部（或某些站 点）进行研究，但对西南地区降水同位素的研究相对较少。西南地区地处温带季风、亚热带季风相互作用的区域，地形地貌复杂多样，垂直气候差异明 显，属于典型的气候区。因此，本文试图利用全球降水同位素监测网（GNIP ）西南地区的昆明站、贵阳站、桂林站、成都站的数据为基础资料，研究西南地区主要气象要素与大气降水中氢氧同位素的变化特征的相关关系，并探讨年际变化的特征及其水汽来源的关系，对西南地区的旱涝灾害有一定的指示作用，也对西南地区近几年来气候异常变化提供科学的依据，有助于对中国西南地区水汽循环有更深入的理解。 1研究区概况 昆明位于云贵高原中部（24?23' 26?22'N ， 102?10' 103?40'E ），海拔约1900m ，属于低纬度亚热带高原山地季风气候，由于受印度洋西南暖湿气流的影响，年均温和年降雨量分别为15?、1035mm 。贵阳地处云贵高原东部（26?11' 26?55'N ，106?27' 107?03'E ），海拔约1070m ，常年
重庆 利用2006年5月至2007年4月期间的δD、δ18O数据，建立了当地大气降 水线方程(LMWL): δD =8.73δ18O+ 15.73，相关系数r= 0.97。相对于全球以及中 国大气降水线斜率与截距都偏大。这是由于该大气降水线的数据建立在次降水 的数据基础上，由于“降水量效应”（淋滤效应），即多次降水过程，同位素分 馏作用会导致残余水汽中稳定同位素比例持续减轻。 重庆每年11月至第2年4月主要以锋面降水为主，西风气流以及偏北气流 带来的亚洲内陆地区的水汽来源于干旱半干旱地区，风速大，蒸发比较旺盛， 因此同位素偏重，这在δ18O和d中均有体现。而在5～ 10月期间，偏南气流的影响显著;特别是在夏季风影响深刻的6～ 9月期间，来自于热带和副热带大洋 的温暖潮湿气团给当地带来大量降水，使得降水中的过量氘d值减小。 结论：(1)初步建立了重庆大气降水线方程: δD= 8.73δ18O+ 15.73。 (2)重庆雨水中的稳定同位素值在年内具有明显的季节变化，夏季降水中 稳定同位素值比冬季降水中明显偏轻。夏季海洋性的水汽来源以及水汽由海洋 到陆地运移过程中的多次凝结降水是导致这一现象的主要原因。稳定同位素值 最偏重的降水事件出现在春末夏初，表明了由温度、湿度等控制的蒸发作用对 重同位素的富集效应。 (3)当地大气降水稳定同位素组成没有体现出温度效应，与温度呈现出一种 负相关的关系（与南方一致）但体现出一定的降水量效应。 (4)重庆春季和秋季的降水量占全年降水量的比例可达30%左右，这些非夏 季风影响时期的大气降水及其稳定同位素组成对当地全年大气降水稳定同位素 的加权平均值有重要影响。特别是在当夏季出现伏旱天气而导致降水显著减少 的年份。 成都 1）成都地区大气降水同位素值表现出非常明显的季节变化：夏半年偏负，冬半年偏正，符合季风气候的降水特征。成都地区是典型的季风影响区，夏季受东 亚季风、印度季风的双重影响，来源于海水蒸发的暖湿气团在每年的夏半年形 成丰富的季风降水；而由于大巴山的阻挡，本区受冬季风的影响比较微弱，所 以冬半年的水汽可能主要来源于当地地表水的蒸发。 2）成都地区1986~1998 年来的大气降水线方程是：δD=7.53δ18O+1.42。与全球 和中国降水线方程相比，截距和斜率都偏低，表明成都地区降水的不平衡条件，降水历经了一定的蒸发过程。成都地区的氘盈余相对很小，说明降水中蒸发与 凝聚的不平衡现象微弱，反映了海洋性的气候特征。 3)成都地区大气降水δ18O 与降雨量、温度和水汽压之间都是负相关关系，但是 降雨量对大气降水δ18O 的影响最大。 昆明 1) 昆明市的大气降水曲线为δ2H=6.56δ18O-2.96 ，与全球降水曲线、中国降水 线相比以及西南地区其他城市相比，其斜率和截距都偏小且斜率为负．可能是 因为其海拔较高的高原地形而产生的高程效应。 2)从年内和年际的总体特征看，δ 值均呈现出相应的同步变化．最小二乘法计 算结果显示两者相关关系得出，年内尺度上，昆明市降雨的δ18O值随着气温的 升高和降雨量的增加而减小，降水的δ 值与平均降水、气温均呈负相关关 系．就相关系数来看，与月均温的相关关系更好。
水化学及同位素特征在矿井水源判别中的应用 摘要：毛坪铅锌矿未采矿体均处当地最低侵蚀基准面洛泽河以下，为研究矿区 洛泽河水与矿坑充水之间的相互关系，进一步查清矿坑充水来源，对矿区地表河 水以及矿坑不同出水点采取水样，进行环境同位素测试和水质全分析。分析结果 表明：矿区浅层水和深层承压水在不同深度获得大气降水补给的速度有快有慢， 相差悬殊；河水对矿床充水不强，矿坑水主要补给源为不同标高补给区的非定水 头补给。研究成果为进一步判定矿坑充水水源、分析矿山水文地质条件以及矿山 防治水设计提供了科学的依据。 关键词：矿山防治水；水源判别；水化学特征；氢氧同位素 1 矿区水文地质概况 毛坪铅锌矿为已采矿山，主要矿体位于当地最低侵蚀基准面洛泽河之下[1-3]。区内龙潭河、铜厂沟溪、锈水沟溪等其它河、沟均为洛泽河支流[4]。洛泽河总体 上控制了区内的地下水流动系统。域内地下水接受降水补给后，依地势向洛泽河 汇聚，然后从南往北迳流，部分地下水在沟谷等地形切割强烈地带形成下降泉排泄，补给河水[5，6]；部分地下水仍以地下迳流形式运动，于矿区北部遇峨嵋山 组玄武岩隔水层，地下水径流受阻，沿东西向顺层裂隙溢出成泉，排泄地下水。 区内构造发育，地下水对构造裂隙长期溶蚀拓宽，岩溶裂隙水含水层具有一 定库容空间，大气降水对岩溶裂隙地下水补给在时间上把年内或年际不连续的降 水调整为连续的地下迳流，维持泉群长期排泄[7，8]；在空间上将较弱的区域裂 隙水汇聚成脉状迳流，最后，汇集于排泄区以泉水形式溢出排泄地下水，本区为 泉排型岩溶地下水系统[9]。 图1 矿区地下水矿化度等值线 2 水化学水源判别 2.1水质全分析特征 本次研究工作水质全分析采样在矿坑、泉水、河水等重要水体采集水样20件。矿床地下水水化学成份及矿化度值自北部、北东部二迭系栖霞茅口组岩溶裂隙水 含水层、石炭系威宁丰宁统岩溶裂隙水含水层、泥盆系宰格组岩溶裂隙水含水层 逐渐升高（见图1），表明矿床地下水接受二迭系栖霞茅口组岩溶裂隙水含水层 地下水补给，经矿床运移至洛泽河即F1弱透水断层一带，地下水迳流滞缓，溶 滤作用增强，水中盐分及矿化度值明显增高，特别是SO42-离子增加明显，同时 说明矿床地下水受洛泽河水淡化不明显，河水对矿床充水不强的特征。 3水体环境同位素水源判别 3.1水体环境同位素特征 本次研究工作环境同位素水样采集雨水1件、泉水4件、河水3件、矿坑水 7件，钻孔涌水5件。 以昆明市雨水线为研究标准。矿区雨水、河水、泉水和坑下水δD与δ18O关 系见图2。 图2 毛坪矿雨水、泉水、河水、坑下水δD与δ18O关系 本地区构造活动剧烈，岩溶裂隙发育，雨季矿床深部承压水涌水孔水头上涨 明显，氚进入水中仅按衰变规律变化，衰变公式如下：
第20卷第5期2005年5月 地球科学进展 A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC E V o l.20 N o.5 M a y.，2005 文章编号：1001-8166（2005）05-0511-09 黑河流域水循环过程中地下水同位素特征及补给效应* 张光辉1，聂振龙1，王金哲1，程旭学2 （1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061； 2.甘肃省地勘局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 734000） 摘 要：通过环境同位素及其T a m e r s、I AE A模型应用研究表明，黑河流域水循环过程中地下水同位素特征与补给源属性和数量密切相关，具有非均一性；东部以山区降水通过出山地表径流补给为主，西部冰川雪融水和山区基岩裂隙水是主要补给源，下游区依赖中游区河水下泄状况，蒸发特征明显。东部同位素较新且地下水更新较快，西部同位素较老且地下水更新较慢；祁连山前戈壁带地下水同位素与山区河水相近，细土平原带地下水补给河水；高台一带受酒泉低氚值地下水补给影响而河水和地下水氚值都偏低；近河道带地下水年龄较新，远离河道则较老。因此，充分利用地下水与地表水之间转化规律，联合优化调控，有利于该区地下水资源可持续利用。 关 键 词：黑河流域；地下水；转化过程；同位素特征；非均一性 中图分类号：P641.2 文献标识码：A 西北内陆黑河流域平原是典型的干旱地区，其地下水主要依赖祁连山区出山地表径流补给，包括冰川雪融水、降水和基岩裂隙水（基流）补给。自祁连山区至额济纳盆地，地下水同位素特征反映了它与地表水之间相互转化和补给非均一性。这一研究对该区水资源可持续利用具有重要意义。 丁永建等［1］、张杰等［2］阐明了近40年以来黑河流域降水时空变化特征。陈仁升等［3］和蓝永超等［4］阐述了黑河流域中游区地下水和出山地表径流量变化规律。王根绪等［5］揭示了近50年以来黑河流域水文变化与生态环境之间的关系。张光辉等［6，7］开展了黑河流域水循环过程与地下水形成模式研究。武选民［8］等应用环境同位素阐述了黑河流域下游区地下水补给问题。前人研究结果显示［8］，祁连山山前平原浅层地下水70％～80％来自山区地表径流补给，下游段细土平原65％～90％的地表水是山前平原地下水通过溢出带泉水排泄形成。但是，补给源的组成特征及其时空变化规律仍然是一个前沿课题［6～9］。 祁连山区各种水源成因及其在黑河流域时空再分配，受地面高程、气温和多源混合作用及流程衰变时效性等影响，各水源原固有的同位素特征在径流途径中发生变化，水的同位素变化真实地记录了它们过去的经历，包括水中放射性同位素氚的衰变［10］。由于水的同位素直接参与整个水循环过程，以致其成为示踪地表水—地下水间转化过程的较理想标记。在过去20年，同位素示踪技术广泛应用于研究水的起源、年龄和流动途径，并在利用各种测年技术确定水的年龄方面取得新进展。对于干旱区水资源问题，国际原子能机构出版了《利用同位素评价缺水地区地下水的更新性》（I AE A，2001），详细介绍了在干旱区利用同位素研究水循环更新的方法和可行性［10］。 氚是氢元素的一种放射性同位素，氚原子生成 * 收稿日期：2004-04-19；修回日期：2004-09-28. *基金项目：国土资源部重点基础研究项目“西北内流盆地水循环规律与地下水资源形成演化模式”（编号：200010301）；国家自然科学基金项目“人类活动对干旱区地下水循环变异影响阈识别”（编号：40472126）资助． 作者简介：张光辉（1959-），男，辽宁沈阳人，研究员，长期从事区域水循环演化规律和地下水可持续利用问题研究．E-m a i l：h u a n j i ng ＠h e i n f o. n et
在澳大利亚的降水稳定同位素 Jianrong Liu,1,2Guobin Fu,1,3Xianfang Song,1Stephen P. Charles,1,3Yinghua Zhang,1Dongmei Han,1and Shiqin Wang1 2010年4月22日收到；2010年7月修订；2010年8月被接受；2010年12月7日出版 [1 ]在1962到2002的降水从全球降水同位素观测网（GNIP）的七家澳大利亚站点得到稳定氘(δD)和δ18Ｏ同位素数据被用来研究同位素特征包括时间和空间在澳大利亚不同地区的分布。在1534个样本的基础上，当地站点降水线(LMWL)被确定为δD=7.10δ18Ｏ+8.21.δ18Ｏ显示从北向中部和南部澳大利亚（大陆效应）和从西到东耗尽的趋势。降水量一般大于温度的影响的影响，二次或对数相关描述D / T和D／P比线性关系。非线性逐步回归确定每个站控制的气象因子，解释50%或更多δ18Ｏ的变化。地理因素和δD控制δ18Ｏ的关系：δ18Ｏ（‰）＝0.005纬度或?0.034经度（°）-0.003高度（米）-4.753，进而表现出特别的降水形成条件主要有四个季节性降雨区。最后，证实δ18Ｏ小波相干（WTC）和SOI之间的ENSO影响了从东到西和北澳大利亚。 引用: Liu, J., G. Fu, X. Song, S. P. Charles, Y. Zhang, D. Han, and S. Wang (2010), Stable isotopic compositions inAustralian precipitation, J. Geophys. Res. , 115, D23307, doi:10.1029/2010JD014403. 1.引言 [2]用稳定氘和氧18降水同位素来探测水汽源[Celle‐Jeanton et al. , 2004; Iqbal, 2008], 地下水补给[ Tsujimura et al., 2007a]和地表水和地下水之间的相互作用[ Singleton et al., 2005; Songet al., 2006]是很有用的。系统调查降水同位素精度这样的应用程序是一个先决条件，降水是最重要的输入水文系统和气候系统的主要因素之一[Harvey and Welker, 2000]。为了在全球范围内获得系统和 连续稳定的同位素数据，1961年，国际原子能机构(IAEA)和世界气象组织(WMO)联合推出了全球降水同位素观测网(GNIP)。Dansgaard首先回顾GNIP数据,有关观测降水同位素组成的环境参数（如表面空气温度,降水,纬度、海拔高度和距离海岸）。一系列后续的研究[ e.g ., Yu rtsever and Gat, 1981; Rozanski et al., 1993; Araguás -Araguáset al., 2000]一般确认了这些实证结果。目前，GNIP项目已经从44个国家的大约100站扩展到800个国家超过800个站。一些国家把多个站,形成一个全国性的降水同位素网络[e.g.,Welker, 2000; Kralik et al. , 2003; Schürch et al., 2003;Liu et al., 2010; P. Fritz et al., 降水和地下水同位素组成在加拿大,论文发表在国际研讨会，1987]收集到的数据被广泛应用在各种不同的水文和气象研究。美国的一些研究调查同位素的变化包括降水[e.g., Wel ker , 2000; Harvey and Welker , 2000; Iqbal, 2008], 地表水[Kendall and Coplen , 2001; Gosselin et al., 1997; Lachniet and Patterson,2009], 和土壤水分[ Roberts on and Gazis, 2006]。在
大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨 1 引言 氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素是广泛地存在于自然水体中的环境同位素.自然水体通过蒸发、凝聚、降落、渗透和径流等形成水分的循环，且在水分循环过程中产生同位素分馏现象，即较轻的同位素(1H和16O)会先蒸发到气相中，同时较重的同位素(2D和18O)则先凝结到液相.降水是水循环过程中的一个重要环节.大气降水中氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素组成及分布主要受到蒸发和凝结作用的制约，当云中的水蒸汽冷凝形成雨滴时，18O和D不断由潮湿的空气中优先冷凝，当降水不断进行，降水中中重的18O和D不断被淋洗，则表现为降水中δD和δ18O逐渐贫化.大气降水中稳定同位素组成及分布与产生降水水汽来源的初始状态及水汽输送过程发生的变化密切相关，同时，降水中氢氧同位素存在着大陆效应、温度效应、降水量效应和纬度效应等.不同时间和区域大气降水的同位素发生有规律的变化，因此，国内外学者常借助降水中氢氧稳定同位素变化来研究水汽的来源地域、水循环过程的历史信息、天气气候特征等.早在1961年，世界气象组织WMO和国际原子能机构IAEA就已建立全球大气降水同位素观测网络，开始对大气降水中同位素组成进行观测，为研究全球和局地大气环流及循环的机制提供同位素资料数据.我国对降水中氢氧同位素的研究起步较早，大量的研究对大气降水稳定同位素组成与温度、降水量、蒸发等因素进行了探讨分析并建立降水线方程，如我国较干旱的东北地区、西北内陆地区及华北地区，较湿润的西南地区、华东地区和华南地区，这些基础数据为研究水循环特征提供了依据.HYSPLIT后向轨迹模型主要用于降水水汽源的模拟和分析，确定各水汽源的来源和输送路径，特别是基于聚类分析的结果具有较好的可信性，可用于确定不同水汽输送路径的权重比例. 厦门地处东南沿海地区，是典型的亚热带季风气候区.虽已有学者对厦门岛内大气降水的同位素分布特征及同位素值与温度、降水量等影响因素的关系进行了比较深入的探讨，积累了重要的原始数据基础，然而观测点主要局限于厦门岛内单个点，对于整个厦门地区的降水同位素情况了解不够全面.此外，对于降水水汽来源及输送路径缺乏模型模拟的分析，而关于水汽来源及输送路径所占的权重比例研究更是未见报道.因此，本研究同步采集厦门地区6个站点的典型月份降水来分析其降水中氢(δD)、氧(δ18O)同位素值的变化特征，同时，利用测定的降水中δD和δ18O 基础数据建立厦门地区大气降水线方程，并分析年尺度和月尺度下降水中稳定同位素值与降水量之间是否存在显著的“降水量效应”.同时，采用HYSPLIT后向模型模拟厦门地区的水汽来源及输送路径，并基于聚类分析的结果探讨不同水汽输送路径的权重比例. 2 材料与方法 2.1 监测布点 本研究在厦门地区共设立6个雨水监测点(图 1)，分别为海沧新阳工业区(缩写XY)、翔安混合区(缩写XA)、洪文商住混合区(缩写HW)、鼓浪屿商住混合区(缩写GLY)、坂头水库区(缩写BT)、小坪森林公园(缩写XP).其中，坂头水库区和小坪森林公园为自然保护区，鼓浪屿作为厦门市重要的旅游区.
碳氮氢氧稳定同位素示踪技术在生态系统研究案例稳定同位素作为示踪剂广泛应用于生态循环和大气循环中的相关研究。研究人员通过测量空气、植物和土壤中的稳定性同位素组成，进而研究传统生态学无法解释的复杂生态学过程，例如：碳同位素用于分析生态系统CO2循环，区分碳通量研究中各组分的贡献率，确定不同物种对全球生产力的分配和贡献；氢氧同位素用于分析植物对土壤水分的利用效率，进而区分土壤水分的蒸腾与蒸散；氮同位素用于分析植物及生态系统的氮素循环，通过反硝化细菌转化成N2O，根据15N在N2O分子的不同位置，可以示踪N素循环的不同化学反应过程。在这些生态研究中，要求使用的设备同时具备高环境耐受性、高精度、高测量速度及宽量程等特点。 美国Los Gatos公司采用专利的OA-ICOS技术（第4代CRDS技术）设计的一系列稳定同位素分析仪，具有操作温度范围宽、量程宽、高速、高精度的优点。能够满足实验室野外多点长期同步监测、不同高度长期同步监测等研究的需要。其与其他传统测量方法相比，改进了对外界温度、压力变化比较敏感的缺陷，具备无法比拟的优势，适用范围也大大得到扩展。 一、测量原理 LGR：采用OA-ICOAS技术，符合Beer-Lambert定律，通过测量光损失来确定未知物质的浓度；通过改变入射激光的波长，一次扫描测量需要的全部光谱，每秒300次测量，做平均，从而保证了多点连续监测的同步性以及高精度性。 特点：1、测量速度非常快，每秒300次全光谱扫描取平均，测量速度及精度远超传统质谱仪； 2、一次扫描测量全光谱，实时显示光谱曲线，即使温度压力的变化引起峰漂移 也不会影响到峰面积的变化； 3、离轴的光腔设计，避免反射光与入射光直接的相互干扰，信噪比低； 4、通过峰面积来计算位置物质的浓度，所以测量范围很宽； 二、 试验方案 1、碳氧稳定同位素示踪设计方案 1.1土壤-植物根系呼吸的区分 利用土壤、植物根系呼吸产生的CO2中13C同位素信息，可以区分它们各自在总呼吸中所占的比例，同时对18O同位素进行监测，使得多混合源的同位素区分成为可能。