研究背景
作為我國(guó)西部重要的生態(tài)安全屏障，祁連山南坡的阿咪東索小流域地處高寒干旱帶，不僅承載著獨(dú)特的山地生態(tài)系統(tǒng)，更是下游河西走廊及綠洲農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵補(bǔ)給水源。在高寒干旱區(qū)，極端氣候條件和強(qiáng)烈的蒸發(fā)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致水體同位素信號(hào)呈現(xiàn)出顯著的時(shí)空變異性。穩(wěn)定氫氧同位素作為示蹤水文循環(huán)路徑的“天然指紋”，成為精準(zhǔn)揭示降水、地表水、地下水和土壤水之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化關(guān)系與補(bǔ)給機(jī)制的理想手段。然而，盡管穩(wěn)定同位素在水文學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，但以往研究多集中于單一水體或大尺度區(qū)域，對(duì)于像阿咪東索這樣的高寒干旱小流域尺度下多種水體（降水、河水、土壤水、地下水）同位素特征的綜合演化規(guī)律及其與區(qū)域氣候 - 水文過(guò)程的關(guān)系，尚缺乏系統(tǒng)性解釋。阿咪東索小流域憑借其高海拔、強(qiáng)季節(jié)性波動(dòng)及干旱特征，成為了解析高寒干旱區(qū)水文動(dòng)態(tài)、彌補(bǔ)研究尺度缺口的天然實(shí)驗(yàn)室。
基于此，青海師范大學(xué)曹廣超老師團(tuán)隊(duì)以祁連山南坡阿咪東索小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)2023-2024年間降水、河水、地下水及土壤水等多水體的氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)與分析，揭示了高寒干旱區(qū)水體同位素季節(jié)性強(qiáng)烈波動(dòng)、地表水快速響應(yīng)與地下水緩慢更新、高海拔氣候地形協(xié)同調(diào)控的演化規(guī)律。相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Water》。該研究為高寒干旱區(qū)水資源管理，特別是干季水源配置、地下水保護(hù)及水文過(guò)程預(yù)測(cè)提供了新的數(shù)據(jù)支持，奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
圖1.研究區(qū)域及采樣點(diǎn)示意圖。
研究方法
研究設(shè)計(jì)：以青海省海北藏族自治州祁連縣阿咪東索小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在2023-2024年開(kāi)展多水體野外采樣工作，具體如下：
降水樣品：2023年7-9月及2024年4-9月采集，共11個(gè)采樣點(diǎn)；
土壤水樣品：在灌叢、草地、森林三種生態(tài)系統(tǒng)中分層采集(0-70cm)，共13個(gè)采樣點(diǎn)；
河水樣品：沿流域4條支流布設(shè)，共40個(gè)采樣點(diǎn)；
地下水樣品：選取6處自然流動(dòng)的地下水（泉水）；
研究團(tuán)隊(duì)采用LI-2100 全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）提取土壤樣品中的水分。每批次處理14個(gè)樣品，提取時(shí)長(zhǎng)為3 h，該系統(tǒng)能在高溫條件下有效獲取土壤水（提取率>98%），并嚴(yán)格控制提取過(guò)程以避免蒸發(fā)引發(fā)的同位素分餾，確保氫氧同位素分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后，對(duì)所有水體樣品（包括降水、河水、地下水及提取的土壤水）使用液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定其氫氧穩(wěn)定同位素比值。并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析與處理。
圖2.四條支流河水中δ18O的時(shí)間變化特征。
圖3.地下水穩(wěn)定同位素的時(shí)間變化特征。
圖4.不同水體δ18O和δD的關(guān)系及蒸發(fā)趨勢(shì)線。
圖5.不同生態(tài)系統(tǒng)不同土壤深度土壤水中δ18O值的時(shí)間變化趨勢(shì)。注：（a）灌叢生態(tài)系統(tǒng)；（b）草地生態(tài)系統(tǒng)；（c）森林生態(tài)系統(tǒng)；（d）流域尺度。
研究發(fā)現(xiàn)
（1）降水在干旱季節(jié)表現(xiàn)出顯著的同位素富集，主要受到蒸發(fā)效應(yīng)的影響；
（2）河水的同位素變化較小，受降水補(bǔ)給和蒸發(fā)雙重影響，蒸發(fā)效應(yīng)在干旱季節(jié)更加顯著；
?。?）地下水的同位素特征較為穩(wěn)定，變化較小，表明其更新過(guò)程較慢，受季節(jié)性變化影響較少；
（4）三種生態(tài)系統(tǒng)土壤水同位素均呈現(xiàn)“表層活躍 - 深層穩(wěn)定”的分層模式，受降水脈沖與蒸發(fā)交替驅(qū)動(dòng)且響應(yīng)幅度因植被而異；
?。?）蒸發(fā)線斜率定量比較證實(shí)不同水體對(duì)蒸發(fā)敏感性存在層級(jí)差異，表現(xiàn)為降水較顯著、河水次之、地下水較弱；
結(jié)語(yǔ)
本研究基于氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，通過(guò)對(duì)祁連山南坡阿咪東索小流域開(kāi)展跨年度的多水體系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，深入解析了高寒旱區(qū)降水、地表水、土壤水及地下水的同位素演化特征與補(bǔ)給機(jī)制。研究明確了流域降水受強(qiáng)烈蒸發(fā)分餾調(diào)控的本質(zhì)，并闡明了土壤水表層劇烈波動(dòng)，而深層穩(wěn)定蓄水的垂直轉(zhuǎn)換模式，為解析高寒脆弱生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的動(dòng)力過(guò)程提供了關(guān)鍵的原位觀測(cè)數(shù)據(jù)支撐。未來(lái)研究可進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量與監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)，結(jié)合多源數(shù)據(jù)與水文模型，深入探討氣候變化下水文過(guò)程的響應(yīng)規(guī)律，為流域水資源可持續(xù)管理提供更精確的科學(xué)依據(jù)。
發(fā)表期刊：Water【影響因子：3.0】
研究單位：青海師范大學(xué)
研究地點(diǎn)：青海省海北藏族自治州祁連縣阿咪東索流域
使用設(shè)備：LI-2100全自動(dòng)真空冷凝抽提系統(tǒng)
