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干旱区地理 >

2024 , Vol. 47 >Issue 7: 1127 - 1135

DOI: https://doi.org/10.12118/j.issn.1000-6060.2024.105

第三次新疆综合科学考察

昆仑山北坡地表水氢氧稳定同位素空间分布特征

  • 石玉东 , 1 ,
  • 王圣杰 , 1 ,
  • 张明军 1 ,
  • 朱成刚 2 ,
  • 车彦军 3
展开
  • 1.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070
  • 2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011
  • 3.宜春学院地理科学系，江西 宜春 336000
王圣杰（1987-），男，副教授，主要从事同位素水文气候研究. E-mail:

石玉东（1995-），男，博士研究生，主要从事全球变化与水循环过程研究. E-mail:

收稿日期: 2024-02-23

  修回日期: 2024-05-07

  网络出版日期: 2026-03-11

基金资助

国家科技基础资源调查专项(2021xjkk0101)

国家自然科学基金项目(42261008)

收起

Spatial distribution characteristics of stable hydrogen and oxygen isotopes in surface waters on the northern slope of the Kunlun Mountains

  • Yudong SHI , 1 ,
  • Shengjie WANG , 1 ,
  • Mingjun ZHANG 1 ,
  • Chenggang ZHU 2 ,
  • Yanjun CHE 3
Expand
  • 1. College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, Gansu, China
  • 2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, Xinjiang, China
  • 3. Department of Geographical Science, Yichun University, Yichun 336000, Jiangxi, China

Received date: 2024-02-23

  Revised date: 2024-05-07

  Online published: 2026-03-11

Fold

摘要

氢氧稳定同位素作为示踪剂被广泛用于水文循环过程研究。地表水是水循环的重要组成部分，是区域水汽来源和现代水文过程分析的有效载体。基于新疆第三次科学考察，于2018年8月至2023年8月在昆仑山北坡采集了地表水样本并测量其氢氧稳定同位素数据，同时汇编了区域以往的地表水同位素数据，分析了昆仑山北坡地表水氢氧稳定同位素的空间分布特征。结果表明：（1） 昆仑山北坡地表水同位素值呈现出西低东高的空间变化特征，区域地表水线为δ2H=5.98×δ18O-6.86（R2=0.65，n=141）。（2） 对比昆仑山北坡地表水和降水氢氧稳定同位素值发现地表水同位素平均值普遍低于加权降水同位素值。（3） 昆仑山北坡地表水同位素空间格局受到西风携带的外来水汽和局地再循环水汽共同影响，此外蒸发也会改变区域地表水同位素值。

关键词： 昆仑山北坡; 地表水; 氢氧稳定同位素; 新疆

本文引用格式

石玉东 , 王圣杰 , 张明军 , 朱成刚 , 车彦军 . 昆仑山北坡地表水氢氧稳定同位素空间分布特征[J]. 干旱区地理, 2024 , 47(7) : 1127 -1135 . DOI: 10.12118/j.issn.1000-6060.2024.105

Abstract

Stable hydrogen and oxygen isotopes are widely used as tracers in studying hydrologic processes. Surface water is an important component of the water cycle, and it is an effective vehicle for analyzing regional moisture sources and modern hydrologic processes. We collected surface water samples from August 2018 to August 2023 on the northern slope of the Kunlun Mountains during the Third Xinjiang Scientific Expedition and measured the stable hydrogen and oxygen isotope values. Additionally, we compiled the previous surface water isotope data in the region. We analyzed the spatial distribution characteristics of the stable hydrogen and oxygen isotopes of surface water on the northern slope of the Kunlun Mountains. The results showed that: (1) The surface water isotope values on the northern slope of the Kunlun Mountains showed spatial variations characterized by low values in the west and high values in the east. The local surface water line is δ2H=5.98×δ18O-6.86 (R2=0.65, n=141). (2) A comparison of the stable isotope values of surface water and precipitation on the northern slope of the Kunlun Mountains reveals that the regional surface water isotope value averages are generally lower than the weighted precipitation isotope values. (3) The spatial distribution of surface water isotopes on the northern slope of the Kunlun Mountains is influenced by the interplay of two key factors: the water vapor advection by westerly winds and the local recycled moisture; additionally, evaporation also changed the regional surface water isotope values.

Key words： the northern slope of Kunlun Mountains; surface water; stable hydrogen and oxygen isotopes; Xinjiang

氢氧稳定同位素作为水的组成部分，通过同位素分馏效应有效地记录水循环中蒸发、冷凝等水文过程留下的信息[1⇓-3]。自Craig[4]将氢氧稳定同位素作为示踪剂用于水循环研究，该方法被广泛应用于解释区域和全球尺度的水文过程[1,5]，包括降水过程[6-7]、大气水汽传输过程[8]、蒸散发过程[9]、地表水文过程[10-11]等。
作为大气水汽的直接凝结物，降水是研究大气水文过程的最常用的来源。亚洲中部距海遥远，海洋水汽难以到达，水资源匮乏。伴随全球气候变暖和亚洲中部干旱区暖湿化进一步加剧[12]，水循环过程发生明显变化，极端降水天气增加[13]，区域水资源的不确定性增强[14-15]。探索亚洲中部干旱区现代水文过程的内在机制能够进一步掌握该区域水循环影响因素及驱动机制。此前在天山基于降水氢氧稳定同位素已经开展了大量研究，包括再循环水汽对局地降水的贡献[16⇓-18]、不同水汽来源对局地水环境的影响[19-20]等。降水事件在时间和空间上的离散性将导致对水文过程分析不连续，也有学者直接将大气水汽作为研究对象，通过冷阱质谱法[21]或激光光谱法[8]等分析大气水汽同位素值，但受限于成本并没有被广泛应用于大面积观测[5]。
相较于降水和大气水汽，地表水被广泛认为是区域降水同位素组成的事件综合记录[11,22]。在青藏高原，一些研究[11,23⇓-25]通过区域地表水同位素，分析了区域大气水汽来源及其对区域古海拔重建的意义。在帕米尔高原，一些研究[26]分析了区域地表水同位素的空间变化及其与季节性降水模式的联系；另一些研究[27]则基于氢氧稳定同位素计算了区域地表水的影响因素。在天山[23]同样分析了季节性降水模式对地表水同位素组成的影响，并且进一步明晰了地表水同位素与海拔的相关性，为古海拔重建提供了重要的现代水文参考。
在昆仑山北坡尤其是高山区，无论是降水、大气水汽还是地表水，其氢氧稳定同位素研究均较少。昆仑山复杂的地貌和恶劣的环境限制了实地工作的开展。依托于新疆第三次科学考查，于2018年8月至2023年8月在昆仑山北坡山区采集地表水样本并分析其氢氧稳定同位素值，明晰昆仑山北坡地表水同位素的空间分布及区域大气水线，评估昆仑山北坡地表水同位素代替区域降水同位素的有效性，并且进一步探讨区域地表水同位素空间变化的控制因素。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

昆仑山北坡发育叶尔羌河流域、中昆仑山北麓流域、东昆仑-阿尔金山北麓流域等大型流域，包括叶尔羌河、和田河、克里雅河和车尔臣河等河流自昆仑山北坡向北流入塔里木盆地（图1），是南疆绿洲区域的主要水源，受气候变化和绿洲开发影响，流域下游易出现断流现象[28-29]。叶尔羌河形成于喀喇昆仑山、昆仑山和帕米尔高原之间的构造接触带，包括克勒青河和塔什库尔干河两大上游支流，流域总面积为8.57×104 km2；和田河由发源于昆仑山北麓的喀拉喀什河和玉龙喀什河汇集而成，流域面积为4.93×104 km2；克里雅河发源于昆仑山北麓，山口以上集水面积为0.84×104 km2；车尔臣河由发源于木孜塔格峰北麓的乌鲁克苏河和发源于库木巴彦山北麓的阿里雅力克河汇流而成，河流全长813 km，山区集水面积2.47×104 km2[29]。研究区域地处中纬度西风带，降水主要由西风和本地水汽贡献，山区属高山高原气候，盆地则为温带大陆性气候，干燥少雨[30]。
图1 研究区示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the study area

1.2 样本采集和同位素分析

本研究于昆仑山北坡至盆地区域共采集69个地表水样本（图1中的红色圆点）。其中，于2018年8月在西部叶尔羌河流域上游采集23个地表水样本，2022年5月于昆仑山东部采集25个地表水样本，2023年5月和8月再次在昆仑山东部和西部山区采集21个地表水样本。采集的样本涵盖昆仑山北坡的叶尔羌河、和田河、车尔臣河等主要流域。采样期间没有发生大降水事件，地表水同位素可以代表一定时间尺度的降水记录[11]。
将50 mL聚乙烯采样瓶用采样点地表水润洗3次，随后浸在水流中间距离河流表层5 cm处采集样品。所有样品瓶全部装满并使用封口膜密封，样品测量前统一于4 ℃恒温保存，以避免样本分析前的同位素分馏。在采样过程中，使用手持GPS对采样点的经纬度坐标进行记录。
在西北师范大学地理与环境科学学院（甘肃省绿洲资源环境与可持续发展重点实验室）和中国科学院新疆生态与地理研究所，使用ABB-Los Gatos Research公司生产的TLWIA-912型液态水同位素分析仪测量地表水样本的氢氧稳定同位素值（δ18O和δ2H）。测量的氢氧稳定同位素值以相对于维也纳平均标准海洋水（V-SMOW）的千分差（δ）表示：
δ = R 样 品 R 标 准 - 1 × 1000 ‰
式中：R样品为测量样本（本研究采集的地表水）的重轻同位素之比（18O/16O和2H/1H）；R标准为标样的重轻同位素之比。其中，δ2H和δ18O的测试误差分别不超过±1.0‰和±0.3‰。

1.3 其他数据

除了本研究采集的样本，还整理了研究范围内之前的地表水同位素数据[31⇓-33]，共计95个采样点（图1蓝色三角）。其中，丁林等[31]采集的23个样本只测量了δ18O值，其余样本均测量了δ2H和δ18O。
此外，本研究还收集了昆仑山区域范围且末、莎车、皮山、民丰、和田、塔什库尔干6个站点2018—2021年的降水同位素数据[34]，用于评估区域地表水代替降水的有效性。

1.4 HYSPLIT后向轨迹分析

在本研究中，选择研究区范围东部、中部和西部的3条河流，即车尔臣河、和田河和叶尔羌河，作为3个区域的代表，使用HYSPLIT后向轨迹模型分析3条河流上游集水区水汽来源，气象数据来自NCEP/NCAR再分析资料。后向轨迹的起始点选择在各流域上游集水区，以距地高度500 m为起始高度，回溯时间为4 d[20]。本研究采集的地表水样本集中在5—8月，因此对2018—2023年5—8月每天计算一条轨迹，每个流域上游集水区计算了123条轨迹，并对这些轨迹使用TrajStat模式[35]进行聚类分析，每个地点的所有轨迹都被聚类为2条平均轨迹，从而判断各流域上游集水区的主要水汽来源及比例。

2 结果与分析

2.1 δ18O和d-excess的空间分布

昆仑山北坡地表水δ18O值介于-12.68‰~0.39‰之间，低值出现在区域西部而高值出现在东部山区（图2a）。在昆仑山西部叶尔羌河流域，河流自西向东由昆仑山区流向塔里木盆地，海拔3000 m以上的山区地表水δ18O平均值为-11.24‰，海拔1500 m以下的平原地表水δ18O平均值为-10.31‰，两者差距较小。平原地区更高的氧同位素值表明地表水从山区到平原经历了明显的蒸发，导致地表水中的重同位素富集。在中昆仑山北麓流域，崎岖的地形导致很难获取山区地表水样本，因此样本集中采集于出山口盆地地区，δ18O平均值为-6.43‰，相较于西部平原有更高的同位素值。在东昆仑-阿尔金山北麓流域，海拔3000 m以上区域地表水δ18O平均值为-7.00‰，而海拔低于3000 m区域地表水δ18O平均值为-7.79‰。从地表水同位素的空间分布来看，昆仑山东部、中部和西部地表水同位素经历着不同的地表过程，受到不同程度的局地水循环过程（如地表水蒸发和局地水汽再循环）影响，此外不同的地表水补给源也导致不同区域地表水之间同位素值存在差异。
图2 昆仑山北坡地表水δ18O和氘盈余的空间分布

Fig. 2 Spatial distributions of surface water δ18O and d-excess on the northern slope of the Kunlun Mountains

氘盈余值（d-excess=δ2H-8×δ18O）能够用于反映水在相变过程中由于不同水同位素扩散率不同而产生的动力学分馏差异[5,36]。昆仑山地表水氘盈余值介于-30.87‰~25.49‰之间（图2b），高值出现在西部山区而低值出现在东部山区，整体上氘盈余与δ18O值大致呈现出反相关关系。昆仑山西部、中部和东部的氘盈余平均值分别为14.94‰、13.13‰和-0.09‰。由海面蒸发扩散获得的大气水氘盈余接近10‰[4]，位于昆仑山西部山区的塔什库尔干与中部北坡盆地的和田降水量加权的降水氘盈余值分别为2.95‰和11.92‰。可以发现，昆仑山西部地表水和降水氘盈余值表现出较大的差异，一方面，该区域地处昆仑山和帕米尔高原背风坡，降水的同位素雨影效应以及局地水汽过程导致降水同位素更偏离全球平均值；另一方面夏季地表水还受到较多冰川融水的补给导致其继承的降水同位素信息可能被掩盖。昆仑山北麓中部的地表水同位素和区域内和田站的降水同位素氘盈余值均高于10‰且两者差距较小，这是因为采样点均位于盆地边缘，受到更一致的气象因素影响。
这里进一步分析区域地表水δ18O值与经纬度的关系（图3）。δ18O与纬度（Lat）的回归结果为δ18O=-1.87×Lat+62.09（R2=0.19，n=164，图3a），而Li等[37]计算的青藏高原地表水δ18O的纬度梯度为1.13‰·(°)-1。昆仑山地表水δ18O与经度（Lon）的回归结果为δ18O=0.26×Lon-29.12（R2=0.24，n=164，图3b）。相较于纬度，东西走向的昆仑山覆盖了更广的经度范围，导致其东西变化更为明显。昆仑山地表水δ18O与海拔（Alt）没有表现出明显的相关性，回归结果为δ18O=0.00008×Alt-8.06（R2=0.002，n=164），这与此前在中亚山区和青藏高原的研究存在差异。Wu等[38]分析哈萨克斯坦地表水同位素发现其与海拔表现出明显的负相关关系，δ18O海拔梯度为-0.3‰·(100m)-1，在塔吉克斯坦的地表水同位素与海拔关系分析发现该区域地表水δ18O值的海拔梯度为-0.11‰·(100m)-1（R2=0.46）[26]，而青藏高原地表水δ18O海拔梯度在-0.16‰·(100m)-1~-0.44‰·(100m)-1之间[11,24,39]。
图3 昆仑山北坡地表水δ18O与纬度和经度的相关性

注：Lat为纬度；Lon为经度；R2为决定系数；n为样本数量。下同。

Fig. 3 Correlation of surface water δ18O with latitude and longitude on the northern slope of the Kunlun Mountains

无论是在中亚还是在青藏高原，以往的观测结果大多认为地表水同位素与海拔存在相关性。然而本研究在昆仑山并没有发现二者存在显著的相关性。地表水同位素的海拔梯度主要是气团受地形抬升的瑞利分馏过程形成[36]。在昆仑山地区，海拔梯度变化主要为南北走向，而水汽来源为东西走向，这就导致外来水汽并没有受到正向的海拔抬升作用影响。Bershaw等[10]认为在小流域地表水更能代表区域降水的多年平均，从而研究地表水与海拔的相关性。在前文分析中也发现昆仑山东部、中部和西部地表水同位素表现出不同的空间差异。因此，进一步分析昆仑山东部和西部地表水δ18O与海拔的相关性，回归结果分别为δ18O=0.0005×Alt-8.80（R2=0.089，n=164）和δ18O=-0.0001×Alt-10.52（R2=0.006，n=75），无论是东部还是西部，昆仑山地表水仍然没有表现出明显的海拔梯度。

2.2 局地大气水线

大气水线可以反映氢氧稳定同位素的基本规律，Craig等[4]计算的全球大气水线（Global meteoric water line，GMWL）为δ2H=8×δ18O+10，局地大气水线（Local meteoric water line，LMWL）与GMWL的偏离程度常用于表征局地过程（如水汽再循环、云下二次蒸发等）对降水同位素的影响，其中水汽再循环一般会导致LMWL的斜率高于GMWL，而云下二次蒸发则会导致LMWL斜率较GMWL更为平缓[40]。利用昆仑山地表水计算的LMWL为δ2H=5.98×δ18O-6.86（R2=0.65，n=141，图4）。相较于GMWL更低的斜率和截距表明该区域地表水经历了强烈的蒸发过程。在青藏高原计算的地表水LMWL斜率为8.55[37]，而塔里木盆地地表水同位素计算的LMWL斜率则为5.88[41]，昆仑山地表水计算的LMWL斜率介于两者之间。如图4所示，昆仑山地表水同位素值大都分布在GMWL的左侧，表明在整个区域地表水都经历了明显的蒸发过程。此外，部分站点分布在图4右下角，分析发现这些站点均位于昆仑山东部山区，表明该区域局地再循环水汽对区域降水会产生重要影响。分别计算昆仑山东部、中部和西部的地表水LMWL为δ2H=3.04×δ18O-32.78（R2=0.17，n=52），δ2H=8.54×δ18O+16.57（R2=0.84，n=50）和δ2H=7.66×δ18O+11.28（R2=0.93，n=39）。可以发现，昆仑山地表水水线斜率在中部和西部均靠近GMWL，而在昆仑山东部表现出明显的差异，地表水水线斜率仅有3.04，不仅远低于全球大气水线斜率（8）[4]也低于在天山（7.67）[42]、青藏高原西北部（8.22）[43]等周围区域基于降水同位素计算的局地大气水线。因此，进一步将昆仑山东部地表水按照季节划分，并计算了夏季和非夏季的LMWL分别为δ2H=10.85×δ18O-4.32（R2=0.97，n=14）和δ2H=4.13×δ18O-20.11（R2=0.37，n=38）。该区域夏季地表水水线斜率接近8，而非夏季则表现出更低的斜率。对比昆仑山中部和西部地表水数据发现，其余2个区域地表水数据均采集自夏季。因此，昆仑山东部地表水水线斜率更低是因为非夏季地表水更旺盛的蒸发以及更少的降水补给造成。
图4 昆仑山北坡地表水δ18O和δ2H相关性

注：LMWL为局地大气水线；GMWL为全球大气水线。

Fig. 4 Correlation between δ18O and δ2H values of surface water on the northern slope of the Kunlun Mountains

2.3 地表水代替降水有效性评估

青藏高原地表水与加权平均年降水同位素对比发现[37]，地表水可以很好地代替青藏高原内陆高海拔区域（海拔大于3300 m）降水量加权的多年平均同位素组成。昆仑山受限于复杂的地形以及不便的交通，降水依然难以采集，而地表水主要由地下水和降水补给，已有研究[22,44]认为地表水可以捕获当地降水的同位素组成，然而昆仑山地表水同位素能否作为区域降水的有效替代还需要进一步研究。本研究整理了昆仑山区域6个站点的降水同位素数据，并将其与周围采集的地表水同位素数据进行对比（图5），从而评估地表水代替降水同位素值的有效性。研究发现加权平均降水δ18O值普遍高于区域平均地表水δ18O值，仅有民丰站加权降水δ18O值低于区域平均地表水δ18O值。在这些站点中，民丰站两者相差最小，差值为0.37‰，莎车站差值最大，达到了4.16‰，加权平均降水同位素和区域平均地表水同位素值在6个站点的平均值为1.63‰。分析6个站点加权平均降水同位素值和经度、纬度和海拔的相关性分别为δ18O=0.25×Lon-26.15（R2=0.36，n=6）、δ18O=-0.42×Lat+9.69（R2=0.02，n=6）和δ18O=-0.0021×Alt-2.90（R2=0.93，n=6）。前文计算的区域地表水δ18O的经度、纬度和海拔梯度分别为0.24‰·(°)-1、-1.87‰·(°)-1和0.08‰·km-1。对比发现，在经度上加权平均降水同位素和区域地表水同位素值表现出较为一致的经度相关性；相较于地表水，降水采样点覆盖了更少的纬度范围，且大多站点均位于河流出山口以下的盆地区域，仅有塔什库尔干站位于山区，因此纬度和海拔梯度表现出了明显的差异。
图5 6个站点降水加权平均δ18O值和周围地表水平均δ18O值对比

Fig. 5 Comparison of precipitation-weighted mean δ18O values and surface water mean δ18O values at six stations

2.4 地表水同位素空间变化的控制因素

2.4.1 水汽来源分析

环流模式是影响区域水汽来源的重要原因，为昆仑山降水提供水汽的外部来源主要是西风。在前文观测到昆仑山区域地表水同位素在空间上存在东西方向的经向梯度，这是否是由水汽来源造成的结果需要进一步明晰。分析昆仑山东部、中部和西部3条河流上游集水区在5—8月的区域水汽来源（图6）发现，3个站点均有一条占比较大的轨迹来自于流域西部，代表西风对区域水汽的贡献，从西到东西风的贡献分别为：62.7%、66.9%和82.1%，从西至东依次增加，这主要是因为越往东部区域整体水汽越少，尽管西风携带的水汽逐渐衰减，依然对区域水汽有较多的贡献比率。值得注意的是，在单一风向影响下降水同位素遵循瑞利分馏，即随着传输路径降水重同位素逐渐贫化[36]，然而昆仑山似乎表现出与之相反的特征（图2a、图6）。实际上，尽管区域外来水汽主要由西风贡献，然而具体的水汽源构成依然存在差异。在昆仑山西部，西风携带的外来水汽来自中亚西部平原蒸发，而到了昆仑山东部，西风携带的外来水汽则可能包括了来自天山山区的地表蒸发贡献。内陆再蒸发的水汽同位素值重同位素更加富集，这也就导致了最终地表水同位素表现出了由西至东逐渐富集的空间变化特征。
图6 昆仑山东部、中部、西部3个流域上游集水区水汽来源分析

Fig. 6 Analysis of moisture sources in the three upper catchments in the east, central, and west regions along the northern slope of the Kunlun Mountains

2.4.2 地表水蒸发和水汽再循环

除了外来水汽的影响，地表水蒸发乃至局地再循环水汽也是影响区域地表水同位素空间分布的主要原因之一。如图2所示，尽管地表水δ18O值在大范围表现出相似的空间变化特征，但是局部区域内仍然存在差异。蒸发会直接导致地表水的重同位素更加富集，而干旱区不同地表水体（河流、湖泊）以及土壤和植被的蒸发过程均会贡献大量的区域水汽，这些由本地再蒸发贡献的水汽往往具有更高的氢氧稳定同位素值[17,45]。基于数值模拟计算的新疆降水再循环率为7.8%[46]；昆仑山西部山前盆地的局地水汽再循环率平均为36.2%，且地表蒸发和植物蒸腾分别为2.4%和33.8%[18]；青藏高原中部的局地水汽再循环率在14%~31.6%之间[47]。由此可见，地表水蒸发和局地再循环水汽对昆仑山区域降水产生重要影响，进一步导致区域地表水的空间差异。

3 结论

（1） 昆仑山北坡地表水δ18O值表现出西低东高的空间变化特征，地表水氧同位素随经度和纬度的变化梯度分别为0.26‰·(°)-1（R2=0.24）和-1.87‰·(°)-1（R2=0.19）。区域地表水线为δ2H=5.98×δ18O-6.86（R2=0.65，n=141），其斜率和截距均低于GMWL。
（2） 对比昆仑山北坡地表水和降水氢氧稳定同位素值发现，加权平均降水δ18O值普遍高于区域平均地表水δ18O值，两者表现出较为一致的经度相关性。
（3） 水汽后向轨迹表明，昆仑山北坡区域大气水汽主要由西风携带的外部平流水汽和局地再循环水汽2部分组成，此外蒸发也是改变区域地表水空间分布的重要局地因素。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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