全 文 ：林业科学研究 2007, 20( 3): 297~ 301
Forest R esearch
文章编号: 10011498( 2007) 03029705
卧龙巴郎山流域大气降水与河水关系的研究
徐 庆1, 蒋有绪 1, 刘世荣 1* , 安树青 2, 段正峰 3
( 1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,北京 100091;
2.南京大学生命科学院森林生态与全球变化实验室,江苏南京 210093; 3.西南大学地理科学学院,重庆 400715 )
摘要: 根据四川卧龙自然保护区巴朗山流域皮条河河水的氢氧同位素组成分析, 并与同期降水中氢氧同位素进行比
较, 研究了河水和降水氢氧同位素的变化规律。结果表明: ( 1)卧龙地区皮条河河水 (D~ 18O线性关系为: (D =
3. 88818O- 45. 614(R 2= 0. 494, p < 0. 05, n= 61)。河水 D、18O变化幅度远小于降水 D、18O值的变化幅度。河
水氘过量参数 ( d)与大气降水的氘过量参数 ( d)的季节变化趋势基本一致, 冬春季氘过量参数 ( d)值较高, 而夏秋季
较低。 ( 2)不同的季节, 雪水和冰雪融水补给河水不同, 雪水和冰雪融水补给河水主要发生在 11月至翌年 6月。
( 3)当降水量在 0~ 10 mm时,降水 D、18O的升高 (或降低 )引起河水 D、18O升高 (或降低 ),这种影响在降水后
第 3天滞后发生。当降水量在 10~ 20 mm时,降水 D、18O的升高或降低引起河水 D、18O升高或降低, 这种影响
在降水后第 2天滞后发生。降水量在 20~ 30 mm时, 这种影响在降水后第 1~ 2天发生。这表明河水 D、18O的响
应时间与降水强度紧密相关,显示出发育良好的亚高山暗针叶林植被结构有利于土壤对降水的吸收、渗透和运移,
从而调节和补充河川径流。
关键词: 氢氧稳定同位素;降水; 河水;径流 ;雪融;森林流域;卧龙
中图分类号: S715 文献标识码: A
收稿日期: 20061215
基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 ( 2002CB111504 )、国家林业局 948项目 ( 2006404)、国家自然科学基金杰出青年基金项目
( No. 30125036)和国家科技攻关项目 ( No. 2001BA510B06 )
作者简介: 徐庆 ( 1964 ) ,女,安徽青阳县人,副研究员,博士.
* 通讯作者. L iu sr@ ca.f ac. cn
Study on the Relationship between Precipitation and R iverW ater at Balang
M ountainW atershed inW olong Nature Reserve of Sichuan Province
XU Qing
1
, JIANG Youxu 1, LIU Shirong 1, AN Shuqing2, DUAN Zhengf eng3
( 1. Inst itu te ofForest Eco logy, Environm ent and Protect ion, CAF, K ey Laboratory of Forest E cology and Environm en ,t S tate Forestry
Adm in istrat ion, B eijing 100091, Ch ina; 2. Laboratory of Forest E cology and Global Changes, Schoo l ofL ife Science, Nan j ing Un iversity,
Nan j ing 210093, J iangsu, Ch ina; 3. Col lege ofG eograph ic Science, Sou thwes tUn iversity, Chongq ing 400715, Ch ina)
Abstract: The authors investigated hydrogen and oxygen stab le iso tope (D and 18O ) ofw ater in Pit iao R iver, and com
pared them w ith the D and 18O of precipitation atW olong Nature Reserve o f Sichuan Prov ince to explore the relation
ship betw een riverw ater D and 18O. Itw as found that thewater D was positively correlated w ith water18O, name ly,
D = 3. 888 18O - 45. 614 ( R 2 = 0. 494, p < 0. 05, n = 61 ). The variat ions o f18O and D in the riverwaterweremuch
sam ller than those in the precipitation. The excess deuterium ( d) in the river water and in the precipitat ion show ed a
very smi ilar patterns o f the seasonal variat ion, w ith the h igher values in w inter than in summer. Snow and snowicemelt
ing w ater discharg ing into the river variedw ith seasons and th is process occurredmainly from November to nex t June. The
response tmi es of18O and D in the riverw ater to precipitation depended on the intensity of prec ipitation. G iven the in
tensities of precipitation at 0~ 10mm, 10~ 20 mm and 20~ 30 mm, the response tmi es o f D and 18O in the river
林 业 科 学 研 究 第 20卷
waterw ere 3 d, 2 d, and 1~ 2 d, respectively, after the occurrence of prec ipitat ion. This suggested thatw ellstructured
suba lpine dark brown coniferous forests could mi prove rain w ater permeab ility into so il and facilitatew atermovement into
the adjacent rivers, byw hich the forest regulated the runoff process and w ater discharge into the river.
Key words: hydrogen and oxygen stab le isotope; prec ip itat ion; riverw ater; runof;f snow me lt ing; forestw atershed;
W olong
河水作为区域水循环过程中的一个重要环节,
通过蒸发和补排途径与大气降水和地下水不断地发
生转化。江河、湖泊水的来源及组成是水文学研究
中的重要问题, 测定它们的氢氧同位素组成就可以
确定其补给的来源、补给的数量和各种来源水的混
合比。对河流水的同位素分析可以得到各种水源的
成因和贡献给河流水量的信息, 并进一步去研究河
流水的定量模式 [ 1]。关于河水的氢氧同位素示踪研
究国外报道较多 [ 2~ 5]。在我国, 程汝楠 [ 6]研究了禹
城地区的水分循环,发现降水、河水、地下水中的 D
值差异明显。尹观等 [ 7]根据氢氧稳定同位素研究了
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、补给方式不同,
各种水体中 18O和 D存在较大的差异。田立德
等 [ 8]对青藏高原那曲河流域降水及河流水体中氧稳
定同位素研究发现河水中 18O与流域降水中 18O
的差异可能反映了该流域强烈的地表和湖面蒸发作
用。近几十年来,稳定同位素技术因具有很高的灵
敏度和准确性, 在生态学研究领域得到了广泛的应
用,为区域水循环研究提供了新的手段 [ 9 ~ 11 ]。但国
内关于森林流域河流水的氢氧稳定同位素变化特征
研究方面还相对比较薄弱。
卧龙自然保护区是保护森林生态系统和大熊猫
的国家级自然保护区。皮条河是贯穿整个卧龙自然
保护区的一条主要河流,它发源于卧龙巴郎山东麓,
位于长江上游重要支流岷江的源头地区 [ 12] , 对于保
持水土、涵养水源、维持生态平衡起着重要作用。本
文在卧龙地区大气降水氢氧同位素特征及降水分配
过程中穿透水、土壤水氢氧同位素的变化研究基础
上 [ 11~ 14 ] ,进一步开展了卧龙地区巴朗山流域河水
的氢氧稳定同位素示踪研究, 旨在探讨皮条河河水
的补给来源、河水与大气降水的转化关系及不同的
降水强度对皮条河河水的影响, 对揭示川西亚高山
暗针叶林降水分配过程中各水体的转化规律, 建立
亚高山暗针叶林集水区的水循环模式以及查明区域
水资源时空分布规律并制定水资源的可持续管理模
式皆具有十分重要的理论意义。
1 研究地区概况
本研究在四川省卧龙自然保护区巴郎山流域河流
水源头区进行,选择四川省林业科学研究院邓生亚高
山暗针叶林定位站 ( 102 58!21∀E, 30 51!41∀N; 海拔
2 745m )附近的岷江冷杉 (Abies faxoniana Rehd. et
W ils. )暗针叶林山脚下唯一的一条河流 皮条河为
采样点。研究地区植被概况见文献 [ 11, 12 ]。根据卧
龙生态定位站 2003年 7月 2005年 6月 2个水文年的
气象资料分析,本区年降水量 1 001. 25mm,年相对湿度
80%, 1月平均降水量 11. 05mm, 7月平均降水量 165. 4
mm,降水量集中在 5 10月,占全年降水量的 85. 86%。
降水量月变化大致呈单峰型分布, 呈较典型的内陆降
水分布特征。气温的季节变化则呈单峰型分布,从 3月
开始升温,至 7月达到最高峰,而后逐渐回落。该区平
均气温 8. 71 # , 2月平均气温 - 2. 5 # , 7月平均气温
19 # 。
2 研究方法
2. 1 样品的采集
2003年 7月 24日 2005年 6月 24日在四川
卧龙邓生生态定位站进行了为期 2个水文年的降水
的观测和采样工作。其中, 2003年 7月 24日 9月
8日为连续 (集中 )采样期 (每天 1次 ) , 2003年 10
月 2005年 6月为季节采样期 ( 1月 3次 )。共采集
降水水样 74个,其中,雪水水样 31个。
在卧龙岷江冷杉暗针叶林山脚下皮条河采集河
水水样。2003年 7月 24日 9月 8日为集中采样
期,即分 3个采样期: 采样 ∃期: 7月 28日 8月 6
日 (降水为 0~ 10mm级 ) ;采样 %期: 8月 10日 20
日 (降水为 10~ 20mm级 ) ;采样 &期: 8月 30日 9
月 8日 (降水为 20~ 30mm级 )。 7月 24日、8月 24
日采集对照样品。采集河水水样 33个。
2004年 9月 2005年 6月,采集河水水样频率为 1
月 3次。采集河水样品 28个。2年共采集河水样品
61个。
收集降水和河水水样时间为早晨 8∋00。所采
集的降水、河水样品立即装入塑料瓶密封,并存放在
低温室 ( 0~ 5 # )保存。
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第 3期 徐 庆等:卧龙巴郎山流域大气降水与河水关系的研究
2. 2 样品的测试
所有河水、降水水样 D、18O的测定在中国科
学院北京植物所生态中心稳定同位素实验室 Delta
plus XP和 TC /EA 2气体质谱仪上进行。样品中 D
的测试精度 ( 5 ) , 18O的测试精度 0. 5 )。
由于稳定同位素在自然界中含量极低, 用绝对
量表示同位素的差异比较困难, 因此,国际上规定使
用相对量即待测样品的同位素比值 ( R sam ple )与一标
准物质的同位素比值 (R s tandard )作比较,比较结果称
为样品的 值, 其定义为
= (R samp le /R standard ) ∗ 1 000 )
式中, R samp le是样品中元素的重轻同位素丰度之
比,如: ( D /H ) samp le与 ( 18O /16O ) samp le; R standard是国际
通用标准物的重轻同位素丰度之比, 如: ( D /
H ) s tan dard与 ( 18O /16O) standard。
通过分析 值变化来分析区域大气降水与河水
的关系等实际问题。
2. 3 气象数据的获取
气象数据由卧龙邓生生态定位站无林地和林内
两个气候观测站提供。林内气象站自计雨量计 ( DSJ2
型,天津气象仪器厂 )测量天然降水量 ( P ), 并与约
300m外的邓生定位站的 SM1型标准雨量计作比较。
2. 4 数据分析
本研究运用 SPSS软件进行统计分析、线性回归
分析和 F检验。
3 结果与分析
3. 1 卧龙地区皮条河河水氢氧同位素特征
根据卧龙地区 2003年 7月 2005年 6月 2个
水文年皮条河河水 61个 D ( 18O )的实测值分析,
卧龙亚高山暗针叶林皮条河河水中 D、18O值变化
幅度较小, D介于 - 76. 336 ) ~ - 107. 064 ) 之
间, 18O介于 - 10. 855 ) ~ - 15. 360 )之间。变
化幅度分别为 30. 728 )和 4. 505 )。
根据卧龙地区 2003年 7月 2005年 6月 2个
水文年 74个大气降水的 D ( 18O )的实测值分析,
大气降水 D介于 - 38. 567 ) ~ - 156. 168 ) 之
间,变化幅度为 99. 677 ) ; 18O介于 - 6. 903 ) ~
- 17. 731 )之间,变化幅度为 8. 892 ) [ 13]。
由此可见,河水 D (18O)值的变化幅度远远小
于降水 D( 18O )值的变化幅度。将河水 D与 18O
进行线性相关性分析,结果表明:河水 D与 18O相
关性显著,关系式为: D= 3. 888 18O - 45. 614(R2
= 0. 494 6, n= 61, p< 0. 05, F = 57. 705) (如图 1)。
图 1 卧龙地区皮条河河水 D ~ 18O关系图
3. 2 河水与降水氢氧同位素的关系
根据卧龙地区 2003年 7月 2005年 6月 2个
水文年 74个大气降水的 D ( 18O )的实测值, 将卧
龙地区大气降水的 D对 18O进行一元线性回归分
析,结果表明:大气降水 D与 18O线性相关性显著
(R
2
= 0. 889 1, p < 0. 01) , 关系式为: D = 9. 442 7
18O + 28. 658( n= 74﹚ (如图 2)。
将河水取样点标于降水 D ~ 18O关系图上。
从图 2a可以看出,河水 D、18O样均位于地区降水
线 ( y= 9. 442 7x + 28. 658)和全球雨水线 ( y= 8x +
10)附近, 表明河水与大气降水有着密切的联系, 降
水是河水的主要补给来源。
将丰水期 ( 5 10月 )与枯水期 ( 11月至翌年 4
月 )河水取样点分别标于卧龙地区大气降水 D ~ 18
O关系图上。
从图 2b, 2 c可以看出, 丰水期和枯水期的河
水样氢氧同位素值均位于地区雨水线两侧附近,
在 D~ 18O关系图上, 丰水期河水样点多位于
雨水线右下方 , 而枯水期则多位于雨水线左下
方, 这与丰水期降水 D、18O较低, 而枯水期降
水 D、18O较高相一致, 但河水 D、18O值变化
幅度远远小于降水 D、18O值的变化幅度, 说明
河水主要由降水补给之外, 与其它水体之间也存
在着一定的联系。
3. 3 河水与雪水氢氧同位素的关系
将 7 9月河水和 11月至翌年 6月的河水取样
点分别标于雪水 D ~ 18O关系图上。从图 3a可以
看出, 7 9月河水偏离地区雪水线 ( y= 9. 376 1x +
33. 245, R
2
= 0. 918 9, n = 31); 7 9月河水多位于雨
水线右下方, 而 11月至翌年 6月的河水取样点则大
多位于雪水线上 (图 3b)。这一结果表明,雪水和冰
雪融水补给河水主要发生在 11月至翌年 6月, 7 9
月冰雪融水补给河水较少。
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林 业 科 学 研 究 第 20卷
3. 4 不同强度降水对河水氢氧同位素变化的影响
不同降水强度对暗针叶林山脚下皮条河河水的
D、18O的影响不同。
图 2 河水与降水氢氧同位素关系图
图 3 皮条河河水和雪水 D~ 18O关系图
图 4 河水 D、18O和降水 D、18O随日期的变化
从图 4可以看出,当降水量在 0~ 10 mm时, 即采
样∃期,降水对河水的影响甚微。河水 D、18O值接
近降水 D、18O的平均值。降水 D、18O的升高或
降低引起河水 D、18O升高或降低,这种影响在降水
后第 3天才滞后发生。当降水量在 10~ 20mm时,即
采样%期,在降水量、日平均降水量较大和降水连续性
较高时,降水 D、18O的升高或降低引起河水 D、18
O升高或降低,这种影响在降水后第 2天滞后发生。
降水量在 20~ 30 mm时,即采样&期,前 3天也是每
天一场雨,河水 D变化曲线随降水的 D曲线变化而
变化,这种影响在降雨当天发生 (图 4a) ;河水 18O变
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第 3期 徐 庆等:卧龙巴郎山流域大气降水与河水关系的研究
化曲线随降水的 18O曲线变化而变化, 这种影响在
降水的第 2天发生 (图 4b)。
上述结果表明, 发育良好的原始亚高山暗针叶
林林冠层、地被层和土壤结构有利于土壤对降水的
吸收、渗透和运移,从而调节和补充河川径流。
3. 5 河水氘过量参数 ( d )与大气降水的氘过量参
数 ( d )的季节变化
图 5给出了 2个水文年的月平均河水氘过量参
数 ( d )与月平均大气降水的氘过量参数 ( d )的变化。
图 5 卧龙地区皮条河河水和降水月平均氘过量参数 (d )的变化
从图 5可以看出,一年四季,大气降水的氘过量
参数 ( d )与河水氘过量参数 ( d )的变化趋势基本一
致。大气降水 (河水 )中的 d值在冬、春季明显较
高,夏、秋季较低。降水的 d值的变化幅度大于河水
d值的变化幅度。从不同月份的测试结果来看, 4月
降水的 d值最大达 19. 961 ) , 9月最低 1. 111 ) ,
相差 18. 850 ) ; 6月河水的 d值最大达 18. 720 ) , 8
月最低 3. 678 ) ,相差 15. 042 )。引起这种差异的
主要原因是有雨量效应,且河水中除了由降水补给
外,还含有其它水体 (地下水等 )的成份。但月平均
降水 d值与月平均河水 d值相差不大,月平均降水
d值为 13. 409 ) ,月平均河水 d值为 13. 157 )。
从中国气候区划上看, 卧龙自然保护区大气降
水的氘过量参数 ( dj )与皮条河河水的氘过量参数
( dh )作线性回归分析, d j = 0. 584 dh + 5. 331(R 2 =
0. 466, F = 8. 771, n = 12, p< 0. 05)。
河水 d接近大气降水 d, 反应河水在很大程度
上受当地季节性大气降水影响, 即河水中有相当比
例的大气降水。皮条河河水为大气降水、地下水和
冰雪融水的混合体。
4 结论
( 1)卧龙地区皮条河河水 D ~ 18O线性关系
为: D = 3. 888 18O - 45. 614。河水氘过量参数 ( d )
与大气降水的氘过量参数 ( d )的季节变化趋势基本
一致,冬春季较高,夏秋季较低。
( 2)雪水和高山冰雪融水补给河水是有季节性
的。雪水和冰雪融水补给河水主要发生在 11月至
翌年 6月。7 9月,冰雪融水补给河水较少。
( 3)不同的降水强度对皮条河河水的 D、18O
的影响不同。当降水量在 0~ 10 mm时, 降水 D、
18O的升高 (或降低 )引起河水 D、18O升高 (或降
低 ) ,这种影响在降水后第 3天才滞后发生, 当降水
量在 10~ 20mm时, 这种影响在降水后第 2天滞后
发生。降水量在 20~ 30mm时,这种影响在降水后
第 1~ 2天发生。这显示出亚高山暗针叶林植被结
构对暗针叶林流域中的河流具有明显的调节作用。
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