陆地生态系统氢氧稳定同位素能为陆地与大气的水分交换和陆地生态系统水文循环研究提供独特的示踪信息.基于2009年生长季加拿大落叶林生态系统氢氧稳定同位素组成及环境要素的观测数据,分析了生态系统不同来源液态水和大气水汽同位素组成的时空变化特征,分析了生态系统蒸散与土壤蒸发的同位素组成和同位素通量(Isoflux)的变化特征,并讨论了主要的环境控制因素.结果表明,生态系统中不同来源液态水的同位素组成差别较大,与枝条水和土壤水相比,叶片水同位素组成最富集且变化幅度最大.大气水汽H2O和HDO同位素组成随着高度升高而降低,水汽同位素值日变化呈“W”型分布,上午水汽同位素值降低,正午有一定的起伏,傍晚回升.水汽同位素组成与大气湿度有显著的相关性,大气水汽过量氘下午均值与表面相对湿度和水汽混合比的相关系数分别为-0.61 (P＜0.01)和-0.57(P＜0.01).受蒸腾速率和叶水同位素富集程度的共同作用,白天蒸散H28O组成在正午和傍晚高,下午低.Isoflux的计算结果表明白天下垫面蒸散有助于大气水汽同位素富集,蒸散同位素通量最高可达147.5 mmol m-2 s-1‰.本研究结果能为同位素水文模型提供数据支持和理论参考.

河水氢氧稳定同位素特征是研究水体转化和示踪水循环过程的重要内容.为研究河水氢氧稳定同位素特征,揭示河水补给来源,于2017年4-8月对亚热带农业小流域脱甲河4级河段(S1、S2、S3和S4)水体氢(D)、氧(18O)稳定同位素进行了监测,分析其时空动态特征和过量氘(d-excess)的变化规律,并探讨了它们与降水、高程和水质等影响因子的相关关系.结果表明:δD、δ18 O和d-excess的变化范围分别在-43.17‰～-26.43‰(-35.50‰±5.44‰)、-7.94‰ ～-5.70‰(-6.86‰±0.74‰)和16.77‰～ 23.49‰(19.39‰± 1.95‰).受季风环流的影响,δD和δ18O具有明显的季节变化特征,即春季(δD和δ18O为-29.88‰±3.31‰和-6.18‰±0.57‰)＞夏季(δD和δ18O为-39.25‰±2.65‰和-7.32‰±0.42‰);空间上,δD和δ18O表现出明显的沿程变化,随着采样点的位置到河流源头的距离波动增加,δD为S1＜S4＜S3＜S2,δ18O为S1＜ S3＜ S4＜S2·d-excess在时间尺度上无显著变化,在空间上随河流级别的上升呈下降趋势.脱甲河河水水线方程斜率和截距均略小于当地大气降水线,表明大气降水是河水的主要补给来源.相关分析表明,在季节尺度上,δD和δ18O与水温呈显著负相关(δD:r=-0.92;δ18O:r=-0.88);δ18O与海拔呈显著负相关(r=-0.96);在空间上,δ18O与水温呈显著正相关(r=0.98);δD和δ18O与降水量呈不显著负相关.

为了研究江苏高邮局地水循环特征,应对气候变化和减缓洪涝灾害.本研究采集江苏高邮自2015年7月-2017年10月的121个大气降水样品及环境因子数据,分析该区大气降水氢氧同位素特征,揭示不同季节水汽来源及影响因素.结果表明:大气降水δD(δ18O)季节变化明显,冬半年偏正,夏半年偏负;过量氘值亦呈现冬高夏低;年尺度上,大气降水中δD(δ18O)与温度和降水量皆为负相关关系,呈现“反温度效应”和“降水量效应”;季节尺度上,均未呈现出“温度效应”,秋冬两季呈现出“降水量效应”;HYSPLIT气团轨迹模型结果进一步表明,江苏高邮夏季水汽主要来源于我国南海、印度洋及太平洋,而春、秋、冬季水汽主要来源于亚欧大陆、大西洋、北冰洋水汽混合及局地蒸发.大气降水δD(δ18O)值的季节变化主要受到季风活动以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响,降水中氢氧同位素值清晰地记录了厄尔尼诺向拉尼拉之间的过渡.

氘(D)和18O是水中常见的环境示踪剂,研究大气降水氢氧稳定同位素组成是研究区域及全球水循环过程的必要前提.为了揭示降水同位素组成对环境因子的响应机制,本研究在中国科学院会同森林生态实验站收集了2017年5月-2019年8月149次不同量级大气降水样品及环境因子数据,分析该地区大气降水氢氧同位素的时间变化特征,探讨水汽来源和环境因素对降水氢氧稳定同位素组成的影响.结果 表明:湖南会同大气降水线方程为:δD=(7.45±0.17)δ18O+(10.10±1.25) (R2 =0.93,P＜O.01),斜率比中国及全球大气降水线斜率略低;大气降水中稳定同位素组成与局地环境因子密切相关,并对季风气候中的水汽来源响应敏感,表现为夏季风期间18O和D贫化,冬季风期间18O和D富集;夏季风期间,受到孟加拉湾、南海和西太平洋在夏季风和季风后3种不同气压下远距离海洋水汽的影响,过量氘均值接近全球平均值;冬季风期间,大气降水氢氧同位素值受到远距离西风气团、孟加拉湾退化热带海洋气团、季风前期内陆水汽和局地环境因子的共同作用,大气降水线斜率偏低,过量氘值偏大.

大气降水过程中,雨滴由云层底部降落至地面经过不饱和空气时发生的蒸发现象,即为云下二次蒸发,这会使得降水同位素组成发生改变.利用氢氧稳定同位素方法研究云下二次蒸发效应的时空变化及其成因,对探讨区域水循环过程具有重要意义.本研究基于陕甘宁地区2018年3月-2019年2月187个气象站逐小时气象数据,采用改进后的Stewart模型,分析了该区域蒸发剩余比(f)与降水过量氘变化量(△d)的时空变化,并探讨了f以及气象要素与△d的关系.结果 表明:从小时尺度来看,该区域各省f与△d最小值均出现在白天,最大值出现在夜晚,即白天云下二次蒸发效应更明显.从月尺度来看,各省f、Δd月变化趋势较为一致,最小值多出现在夏半年,最大值多出现在冬半年,即夏半年云下二次蒸发效应更显著.研究区f、Δd值在季节尺度上的空间变化一致:春季,东、西部地区较大,中部较小;夏季,西北部地区偏小,其他地区偏大;秋季,由南向北减小;冬季,中部、南部较小,西部及东北部较大,研究区不同季节云下二次蒸发效应的空间差异显著.陕甘宁三省(区)f与Δd的线性关系的斜率均小于1‰-％-1,这可能与该地区干旱半干旱气候具有较大关系.当气温较高,相对湿度、水汽压、降水量和雨滴直径较小时,Δd值较小,云下二次蒸发效应较明显.

基于哈尼梯田水源区2014年6—8月和2015年全年(共15个月)采集的89个事件降水同位素数据,结合相关气象资料,分析了降水中氢氧同位素组成的变化及其影响因子.利用后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪了梯田水源区降水的水汽来源.结果表明:研究区大气降水中稳定同位素组成具有明显季节差异,湿季(5月—10月)δD和δ18O贫化,d值低;干季(11月至次年4月)δD和δ18O值相对偏正,d值偏高.区域降水线的斜率和截距均低于全球和中国大气降水线.降水同位素组成存在一定的降水量效应,但不存在温度效应.干季大气降水的水汽主要来源于西风带输送的印度洋水汽以及局地蒸发,湿季的水汽主要来源于西太平洋和印度洋.