全 文 ：第 35 卷第 22 期
2015年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.22
Nov., 2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(51279143,71073115)
收稿日期:2014鄄04鄄16; 摇 摇 网络出版日期:2015鄄04鄄20
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail:zhangxiang@ whu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201404160739
张翔,邓志民,潘国艳,吴绍飞,肖洋,朱才荣.鄱阳湖湿地土壤水稳定同位素变化特征.生态学报,2015,35(22):7580鄄7589.
Zhang X, Deng Z M, Pan G Y,Wu S F,Xiao Y,Zhu C R.Variation in stable isotope composition in soil water in Poyang Lake Wetland.Acta Ecologica
Sinica,2015,35(22):7580鄄7589.
鄱阳湖湿地土壤水稳定同位素变化特征
张摇 翔1,2,*,邓志民1,2,潘国艳1,2,吴绍飞1,2, 肖摇 洋1,2,朱才荣1,2
1 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉大学, 武汉摇 430072
2 水资源安全保障湖北省协同创新中心,武汉大学, 武汉摇 430072
摘要:土壤水稳定同位素组成的时空变化反映了区域降水与前期水分的混合及蒸散发过程。 2013 年 7—9月对鄱阳湖湿地保
护区 3个断面不同土地覆盖下 0—2 m剖面土壤水进行分层采样,以及采集修水和赣江的河水,测定其氢、氧稳定同位素,分析
土壤水稳定同位素沿土壤剖面的变化规律、土壤水运动机制及其主要补给来源。 研究结果表明,鄱阳湖采样区 3个断面土壤水
同位素 啄18O值变化范围-10.63译—-1.17译,其中 7 月份的土壤水 啄18O 均值最小,8、9 月份土壤水 啄18O 均值相对较大。 表层
(0—60 cm)土壤水同位素富集可能因为蒸发作用,深层土壤水同位素组成变化因降水入渗与前期水分混合作用。 不同土地覆
盖表层土壤水同位素变化较大,随着深度的增加,同位素变化减少。 从水分溯源上,断面一的土壤水同位素组成主要受降水的
影响,断面二的土壤水同位素组成主要受赣江和降水的影响,而断面三则主要受鄱阳湖水体和降水的影响。 研究结果可为鄱阳
湖区域地下水资源的评价提供参考
关键词:鄱阳湖;土壤水;稳定同位素
Variation in stable isotope composition in soil water in Poyang Lake Wetland
ZHANG Xiang1,2,*,DENG Zhimin1,2,PAN Guoyan1,2,WU Shaofei1,2,XIAO Yang1,2,ZHU Cairong1,2
1 State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, Chna
2 Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security, Wuhan 430072, China
Abstract: Soil water plays a crucial role in the hydrological cycle by, for example, delivering nutrients to plants, acting as
storage to buffer deficiencies in surface water availability, and serving as a medium to transfer suspended and dissolved
material. Understanding water balance processes can be aided by knowledge of the relative contributions of soil water source
components, which could be a mix of recent precipitation, older groundwater, and water that has been subjected to
evapotranspiration. We used stable oxygen isotopes as a geochemical tracer to identify soil water composition in a wetland
area of Poyang Lake, the largest freshwater lake in China, which contains the largest single area of habitat for migratory
birds. The focus was on characterizing the variation with depth of the stable isotope composition in soil water profiles,
understanding the mechanisms of soil water movement, and identifying the main source of soil water recharge. Sampling was
undertaken from July to September 2013 in Poyang Lake National Nature Protection Area at three wetland sites with different
land cover characteristics and different degrees of proximity to the lake and river environments. Water samples collected from
the Xiu and Gan rivers, which flow into the study area, and soil water sampled at 10 cm intervals over the top 200 cm, were
analyzed for stable oxygen isotope composition. For all soil water samples, the value of 啄D relative to 啄18O plotted above the
global meteoric water line (GMWL), implying an evaporation level lower than the global average. The 啄18O value of soil
water from all samples ranged from -10.63译 to -1.17译, with mean values of -3.99译, -4.99译, and -5.02译 for the
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three sites. The mean 啄18O value of soil water was lowest in July. The stable isotope compositions of soil water were found to
be mainly controlled by precipitation and evaporation. The value of 啄18O declined with increasing soil depth, with most
values of 啄18O at depths of 10 to 60 cm ranging from -6译 to -2译, at depths of 80 to 150 cm ranging from -8译 to -3译,
and at a depth of 200 cm ranging from -7译 to -4译. The 18O-enrichment of shallow ( <60 cm) soil water was probably
due to evaporation, while the stable isotope composition of water in deep soil layers suggested it was a mix of recent
precipitation and older groundwater. For shallow (<80 cm) soil water, the three sites had a similar pattern of stable isotope
composition with depth, but there were differences among sites in absolute values. At one site, stable isotope compositions
of soil water were mainly influenced by precipitation; at another site, by precipitation and Gan River water; and at the third
site, by precipitation and Poyang Lake water. This study provided reference data that could make a useful contribution to the
assessment of regional groundwater resources in Poyang Lake.
Key Words: Poyang Lake; soil water; stable isotope
湿地水文在植被变化中起着关键作用,湿地植被生长及组成变化与土壤含水量、地下水位以及土壤质地
等密切相关[1鄄3]。 鄱阳湖是中国的第一大淡水湖,也是国际重要湿地。 近年来,受长江上游来水和省内降水
减少的双重影响,鄱阳湖水位持续走低。 2013年 9月份鄱阳湖星子站水位跌破 12 m,十分罕见。 鄱阳湖水位
的降低直接影响着湿地土壤水分的补给,导致鄱阳湖呈现一片大草原的景观。 土壤水是水循环过程重要环节
之一。 了解土壤水及地下水的补给过程对区域水资源评价非常重要。 稳定同位素( 18O 和 D)已被广泛地用
于评价区域补给与蒸发[4鄄5],特别是,作为地球化学示踪剂用于溯源分析[6鄄7]。
土壤水中的稳定同位素变化受大气降水入渗、地表蒸发、土壤水分的水平迁移和垂直运动等多种因素的
影响。 因此利用土壤水稳定同位素的变化可以揭示其他技术难于获取的土壤水通量信息(如蒸发、蒸腾、入
渗和渗透等)。 国外学者对土壤水同位素的研究较早,早在 1967 年 Zimmermann 等[8]就利用氢同位素技术报
道了非饱和层土壤水分运动机制;Hsieh等[6]通过土壤水中氧同位素的组成定量分析了水量平衡中蒸发与蒸
腾的变化趋势,指出蒸发与蒸腾比随着年降水的增加和温度的降低而减小;Gazis和 Feng[9]通过 6个站点的土
壤水稳定同位素组成,证实了土壤水流中存在着混合流和优先流。 国内学者对土壤水同位素的研究较晚,但
发展较快。 田立德等[10]根据 1998年夏季测得的降水和土壤水中稳定同位素研究了青藏高原中部不同层位
土壤剖面中稳定同位素的变化特征;Li 等[11]应用稳定同位素研究了中国北部太行山的降水鄄土壤水鄄地下水
的补给过程;程立平和刘文兆[12]分析了陕西长武县黄土塬区 5种不同土地利用的土壤水稳定同位素特征;陈
格君[13]探讨了鄱阳湖湿地土壤碳同位素的组成,并对土壤有机质的溯源进行了分析。 但目前对鄱阳湖湿地
土壤水稳定同位素特征的研究尚为空白。 为此,本文以鄱阳湖湿地国家自然保护区为试验点,对三个断面的
不同土地利用下 0—2 m剖面土壤样品进行稳定同位素分析,研究土壤水稳定同位素剖面分布及其变化特征,
揭示土壤水流运动机制及土壤水补给来源,为鄱阳湖区水资源的调控与规划及湿地生态系统的保护与恢复提
供参考。
1摇 研究区域与方法
1.1摇 研究区域
鄱阳湖是我国最大的淡水湖和国际重要湿地,位于长江中下游南岸的江西省的北部,地理坐标是 115毅
49忆—116毅46忆E,28毅21忆—29毅52忆N,上接江西境内赣江、信江、抚河、饶河、修水五大干流(下称“五河冶),下有湖
口通长江。 本文以鄱阳湖国家级自然保护区为研究对象(图 1),其管辖有大湖池、沙湖、蚌湖、朱市湖、梅西
湖、中湖池、大汊湖、象湖、常湖池等 9个湖泊,是当今世界上重要的候鸟越冬栖息地,全球最主要的白鹤与东
方白鹳越冬地,而且是全球重要生态区。 年平均气温为 16.5—17.8 益,年降水量为 1368.7—1633.8 mm,其中
4—6月份占全年 46%。 蒸发量 800—1200 mm,其中 7—9月占全年的一半,故形成夏季洪涝,秋季干旱的气
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候特点[14]。 除沙湖山、吉山和太阳山为砂质质地外,湿地土壤主要分布比较均一的壤土质地。 区内主要发育
有 5种土壤类型:红壤、水稻土、黄褐土、冲积土和潮土,其分布与高程和微地形有关,其中潮土是区内的典型
湿地土壤,主要分布于圩堤到湖盆的生态交错带[15]。
图 1摇 研究区域及采样分布图
Fig.1摇 Sketch map of the study area and location of investigated sites
1.2摇 样品采集及分析
2013年 7—9月于九江市永修县吴城镇湿地保护区的 3个断面采集土壤样品(图 1),共 403 个,3 个断面
的剖面示意图及采样点分布如图 2所示。 其中断面一采样点为 8个,共采集样品数 175个;断面二采样点为 7
个,共采集样品数 134个,且采样时间仅为 9月份;断面三采样点为 5个,共采集样品数 94个。 采用圆筒土钻
钻取 2 m深的土壤样品,每 10 cm深取样 1次,其中有 4 个采样点处,由于土壤质地或土壤含水量等原因,最
深层处(地下深 2 m)的土壤样品无法收集。 现场将土样用保鲜袋包装,再用保鲜膜包扎放入密封袋带回实验
室,采用真空蒸馏技术[16]提取土壤水样。 所有水样采集后立刻装入 5 mL玻璃瓶密封冷藏保存。 同期在赣江
和修水上采集河水样品共 20个。 水样的氢氧稳定同位素在武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室稳
定同位素分析实验室测定,采用 MAT253同位素比质谱仪连接 Flash EA / HT测定水样中 啄18O和 啄D的含量,啄18O
和 啄D的仪器分析精度分别为 0.2译和 2译。 所有水样测定结果以 V鄄SMOW为标准的千分差表示:
啄18O=
18O / 16O样品
18O / 16OV鄄SMOW
-é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú1 伊1000,啄D=
(D / H)样品
(D / H) V鄄SMOW
-é
ë
êê
ù
û
úú1 伊1000 (1)
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图 2摇 采样区 3个断面的剖面示意图
Fig.2摇 Sketch map of three sections in the sampled site
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图 3摇 土壤水同位素总体变化特征
Fig.3摇 Characteristics of stable isotope in soil water
摇 图 4摇 南昌市月降水量、蒸发量和平均相对湿度(中国气象科
学数据共享服务网)
摇 Fig. 4 摇 monthly precipitation, evaporation and average
relative humidity in Nanchang city ( provided by China
Meteorological Data Sharing Service System)
2摇 结果与讨论
2.1摇 鄱阳湖采样区土壤水同位素总体特征
图 3显示鄱阳湖采样区 3个断面土壤水同位素总体分
布特征,啄18O值变化范围-10.63译 —-1.17译,其中断面二
的啄18O值变化范围最小,其次是断面一和三;断面二的 啄18O
均值>断面三的>断面一的,分别为- 3. 99译、- 4. 99译和
-5.02译。 由图 3可知,7月份的土壤水 啄18O均值最小,8、9
月份土壤水 啄18O 均值较大。 由于吴城镇位于永修县东北
部,距南昌市 90 km,距九江市 120 km,故本文用南昌市的
气候特征代替吴城镇气候(采样区的气候)。 由图 4 可知,
南昌市 7月份的降水量最大,蒸发量介于中间;8 月份的蒸
发量最大,降水量较低;9 月份的降水量最小,蒸发量也最
小。 故本研究认为降水和蒸发是控制该断面土壤水同位素组成的重要因素。 由图 3 可以看出,3 个断面土壤
水同位素值均落于全球大气降水线(Global Meteoric Water Line, GMWL)之上,表明 3个断面的蒸发作用均小
于全球蒸发平均值。 鄱阳湖土壤水同位素氘盈余(3.78译)小于全球大气降水(10译),因为鄱阳湖为亚热带
温暖湿润气候,而 GMWL是根据世界各地的采样数据而得到,是综合了干旱地区与湿润地区的降水数据。 断
面一和断面三土壤水同位素的斜率相接近,均大于断面二的。 断面二氘盈余小于断面一和三的,是因为断面
二的土壤采样时间为 9月份,其他两个断面的采样时间为 7—9月份,9 月份的平均相对湿度大于 7 和 8 月份
的,而 9月份的蒸发量小于 7和 8月份的。
2.2摇 鄱阳湖采样区土壤水 啄18O值剖面
降水和河湖水(修水、赣江和鄱阳湖水)是该研究区土壤水来源。 蒸发是表层土壤水同位素富集的主要
因素。 Depalol等[17]指出能够引起土壤水同位素分馏的土壤深度一般只有 0.5—3 m。 基于 403个土壤样品的
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土壤水同位素组成如图 5所示。 结果显示,所有土壤水同位素值均位于当地大气降水线的左上侧。 在土壤深
10—60 cm间,大部分 啄18O值落在-6译—-2译之间;在土壤深度 80—150 cm 间,大部分 啄18O 值落在-8译—
-3译之间;随着深度的增加,啄18O值继续减小,在土壤深度 180 cm、200 cm,大部分 啄18O值落在-7译—-4译之
间,而 6—9月的降水 啄18O 值的变化范围-13.33译—-5.29译,表明蒸发作用在该研究区域所影响的深度在
60 cm左右,从而能够引起更深层土壤水同位素组成变化的只有混合作用,降水存在以优先流形式快速通过土
壤剖面到达土壤深处。 Chung 和 Horton[18]以及 Bristow和 Horton[19]研究表明,土壤表层覆盖物可能对近地表的
土壤物理环境具有巨大的影响,特别是在土壤深度 40 cm以上。 不同的覆盖物对土壤水蒸发的抑制强度不同。
因此,三个断面的蒸发趋势线不同可能是因为不同的地表植物对表层土壤水同位素组成的影响程度不同。
图 5摇 不同深度土壤水同位素组成(LMWL: Local Meteoric Water Line)
Fig.5摇 Stable isotope composition of soil water at different soil depth
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图 6摇 南昌市 2010年和 6-9月降水同位素组成
摇 Fig. 6 摇 Stable isotope composition of precipitation in 2010 and
from June to September in Nanchang city
2.3摇 降水同位素组成
图 6为基于 55个降水样品的 2010 年全年和 6—9
月的南昌市氢氧同位素组成[20],全年大气降水线的斜
率(8.97译)和截距(11.05译)均大于全球大气降水线的
(8译和 10译),而 6—9 月的降水线斜率(7.82译)和截
距(-3.67译)均小于全球大气降水线的。 全年降水 啄D
值的变化范围-105.48译—-2.52译,平均值和标准差分别
为- 43. 01译和 32. 10译; 啄18 O 值变化范围 - 13. 56译—
-0.99译,平均值和标准差分别为-6.03译和 3.46译。 6—
9月的降水 啄18O值的变化范围-13.33译—-5.29译,平均
值和标准差分别为-9.16译和 2.16译。 由此可见,6—9月
降水 啄18O值的平均值和标准差均小于全年的,因为 6—
9月为南昌市的雨季,降水集中,即所谓的“降水效应冶。
2.4摇 降水和土壤水入渗补给
由于气候条件、植被类型、下垫面条件以及包气带
岩性特征等不同,不同的地区具有不同的补给特征,土
壤水中的氢氧稳定同位素呈现出不同的变化特征。 7—9月各个断面土壤水 啄18O均值沿土壤剖面变化特征如
图 7所示。 结果显示,总体上,断面一和断面三沿土壤剖面变化趋势基本一致,但变化幅度有所差异,断面三
表层 0—30 cm土壤水 啄18O均值沿土壤剖面变化趋势与其他两个断面相同,而在土壤剖面最深处(2 m)则表
现出相反的趋势。 在土壤深度 80 cm以上,断面二的土壤水 啄18O均值与断面一和断面三差异较大,而在土壤
深度 80 cm以下,3个断面的土壤水同位素组成变化不大,主要是因为地表覆盖不同,导致净辐射及地表温度
差异进而影响蒸发作用。 断面一、断面二和断面三土壤水 啄18O 均值变化范围分别为-5.67译—-3.19译、
-4.76译—-3.19译和-5.91译—-4.36译。 6—9月的降水 啄18O值的变化范围-13.33译—-5.29译,7—9月的修
水 啄18O值的变化范围-4.75译—-3.75译(图 8),故断面一土壤水同位素组成主要受降水的影响;7—9月的赣
江 啄18O值的变化范围-5.36译—-3.30译(图 9),7—9月鄱阳湖湖体的 啄18O 值的变化范围-8.30译—-5.65译
(图 10),故断面二土壤水同位素组成主要受赣江和降水的影响,而断面三主要受鄱阳湖水体和降水的影响。
图 7摇 7—9月土壤水 啄18O均值剖面
摇 Fig.7摇 Variation of average 啄18O along soil profile from July to
September in 2014 at three sections
图 8摇 修水水体氧同位素变化特征
Fig.8摇 Variation of 啄18O in Xiu river
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图 9摇 赣江水体氧同位素变化特征
Fig.9摇 Variation of 啄18O in Gan river
图 10摇 鄱阳湖水体氧同位素变化特征[21鄄22]
Fig.10摇 Variation of 啄18O in Poyang Lake
3摇 结论
根据 2013年 7—9月鄱阳湖湿地保护区 3 个断面不同土地利用下 0—2 m 剖面土壤水稳定同位素的研
究,得出以下结论:
(1)土壤水同位素 啄18O值变化范围-10.63译—-1.17译,其中 7月份的土壤水 啄18O均值最小,8、9 月份土
壤水 啄18O均值相对较大,降水和蒸发是控制土壤水同位素组成的重要因素。
(2)土壤水同位素值均落于全球大气降水线之上,表明研究区的蒸发作用小于全球蒸发平均值,且蒸发
作用在该研究区域所影响的深度为 60 cm。
(3)不同土地利用对土壤同位素组成的影响程度不同,表层土壤深度(80 cm以上)表现的尤为突出。
(4)三个断面的土壤水补给源不同,断面一土壤水同位素组成主要受降水的影响,断面二土壤水同位素
组成主要受赣江和降水的影响,而断面三主要受鄱阳湖水体和降水的影响。
致谢:感谢武汉大学特聘专家 Christopher James Gippel博士对本文英文写作的修改。
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