LI-2100 | 祁连山南坡小流域多水体氢氧稳定同位素特征及水源更新机制

LI-2100

研究背景

作为我国西部重要的生态安全屏障，祁连山南坡的阿咪东索小流域地处高寒干旱带，不仅承载着独特的山地生态系统，更是下游河西走廊及绿洲农业的关键补给水源。在高寒干旱区，极端气候条件和强烈的蒸发效应会导致水体同位素信号呈现出显著的时空变异性。稳定氢氧同位素作为示踪水文循环路径的“天然指纹”，成为精准揭示降水、地表水、地下水和土壤水之间的复杂转化关系与补给机制的理想手段。然而，尽管稳定同位素在水文学中的应用进行了大量的研究，但以往研究多集中于单一水体或大尺度区域，对于像阿咪东索这样的高寒干旱小流域尺度下多种水体（降水、河水、土壤水、地下水）同位素特征的综合演化规律及其与区域气候 - 水文过程的关系，尚缺乏系统性解释。阿咪东索小流域凭借其高海拔、强季节性波动及干旱特征，成为了解析高寒干旱区水文动态、弥补研究尺度缺口的天然实验室。

基于此，青海师范大学曹广超老师团队以祁连山南坡阿咪东索小流域为研究对象，通过对2023-2024年间降水、河水、地下水及土壤水等多水体的氢氧稳定同位素进行系统观测与分析，揭示了高寒干旱区水体同位素季节性强烈波动、地表水快速响应与地下水缓慢更新、高海拔气候地形协同调控的演化规律。相关研究成果发表于国际学术期刊《Water》。该研究为高寒干旱区水资源管理，特别是干季水源配置、地下水保护及水文过程预测提供了新的数据支持，奠定了科学基础。

图1.研究区域及采样点示意图。

研究设计：以青海省海北藏族自治州祁连县阿咪东索小流域为研究区域，在2023-2024年开展多水体野外采样工作，具体如下：

降水样品：2023年7-9月及2024年4-9月采集，共11个采样点；

土壤水样品：在灌丛、草地、森林三种生态系统中分层采集(0-70cm)，共13个采样点；

河水样品：沿流域4条支流布设，共40个采样点；

地下水样品：选取6处自然流动的地下水（泉水）。

研究团队采用 LI-2100 全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司）提取土壤样品中的水分。每批次处理14个样品，提取时长为3 h，该系统能在高温条件下高效获取土壤水（提取率>98%），并严格控制提取过程以避免蒸发引发的同位素分馏，确保氢氧同位素分析结果的准确性。最后，对所有水体样品（包括降水、河水、地下水及提取的土壤水）使用液态水同位素分析仪测定其氢氧稳定同位素比值。并结合统计学方法对测量数据进行系统分析与处理。

图2.四条支流河水中δ¹⁸O的时间变化特征。

图3.地下水稳定同位素的时间变化特征。

图4.不同水体δ¹⁸O和δD的关系及蒸发趋势线。

图5.不同生态系统不同土壤深度土壤水中δ¹⁸O值的时间变化趋势。注：（a）灌丛生态系统；（b）草地生态系统；（c）森林生态系统；（d）流域尺度。

（1）降水在干旱季节表现出显著的同位素富集，主要受到蒸发效应的影响；

（2）河水的同位素变化较小，受降水补给和蒸发双重影响，蒸发效应在干旱季节更加显著；

（3）地下水的同位素特征较为稳定，变化较小，表明其更新过程较慢，受季节性变化影响较少；

（4）三种生态系统土壤水同位素均呈现“表层活跃 - 深层稳定”的分层模式，受降水脉冲与蒸发交替驱动且响应幅度因植被而异；

（5）蒸发线斜率定量比较证实不同水体对蒸发敏感性存在层级差异，表现为降水最显著、河水次之、地下水最弱。

本研究基于氢氧稳定同位素示踪技术，通过对祁连山南坡阿咪东索小流域开展跨年度的多水体系统监测，深入解析了高寒旱区降水、地表水、土壤水及地下水的同位素演化特征与补给机制。研究明确了流域降水受强烈蒸发分馏调控的本质，并阐明了土壤水表层剧烈波动，而深层稳定蓄水的垂直转换模式，为解析高寒脆弱生态系统水分循环的动力过程提供了关键的原位观测数据支撑。未来研究可进一步扩大样本量与监测时长，结合多源数据与水文模型，深入探讨气候变化下水文过程的响应规律，为流域水资源可持续管理提供更精确的科学依据。