陳　曦, 李　志,,*, 程立平, 劉文兆, 王　銳

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌　712100

2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌　712100

3 平頂山學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，平頂山　467000

4 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，焦作　454000

黃土塬區(qū)大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素特征及水汽來(lái)源

陳曦1, 李志1,2,*, 程立平3, 劉文兆2, 王銳4

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌712100

2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100

3 平頂山學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，平頂山467000

4 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，焦作454000

摘要:降水是水資源的主要輸入，分析其氫氧穩(wěn)定同位素特征可為水循環(huán)研究提供重要的背景信息?；?a的降水樣品采集，測(cè)定和分析了黃土塬區(qū)降水氫氧同位素(2H,17O和18O)的組成特征，進(jìn)而分析了其水汽來(lái)源。降水同位素有明顯的年內(nèi)變化，2—6月富集而7—11月貧化；δD和δ18O存在雨量效應(yīng)和溫度效應(yīng)，分別出現(xiàn)在6—9月和10—5月；但這些組成特征受氣候變異影響存在年際差異。綜合分析降水方程線(xiàn)、D盈余和17O盈余，發(fā)現(xiàn)黃土塬區(qū)6—9月降水來(lái)自海洋性氣團(tuán)，10—5月降水是局地水汽蒸發(fā)和大陸性氣團(tuán)起主導(dǎo)作用；雨季少數(shù)降水事件直接來(lái)源于海洋性氣團(tuán)，其他降水事件則是海洋性氣團(tuán)經(jīng)再分配相對(duì)濕度達(dá)90%左右時(shí)才產(chǎn)生。全年至少30%的降水事件經(jīng)歷了嚴(yán)重的二次蒸發(fā)。

關(guān)鍵詞：大氣降水；氫氧同位素；水汽來(lái)源；黃土塬區(qū)；17O盈余

Analysis of stable isotopic composition and vapor source of precipitation at the

Changwu Loess Tableland

氫氧穩(wěn)定同位素是水分子重要的構(gòu)成成分，作為示蹤元素廣泛應(yīng)用于水循環(huán)的研究[1- 3]。大氣降水是陸地水資源的基本來(lái)源[4]，是水循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)降水中氫氧同位素進(jìn)行研究是利用同位素技術(shù)研究區(qū)域水循環(huán)的前提[5]。大量研究證明降水中穩(wěn)定同位素組成存在很大的時(shí)空差異，受到多種因素的影響，如水汽源地、緯度、降雨量、溫度和與海岸線(xiàn)距離等[3- 4,6]。研究降水同位素的變化特征，對(duì)揭示水汽源地、降水形成氣象條件，深入了解區(qū)域水循環(huán)過(guò)程具有重要的意義。

1966年在珠穆朗瑪峰的科學(xué)考察為我國(guó)的降水穩(wěn)定同位素研究拉開(kāi)了序幕[7]，至今已有50年歷史，在此期間開(kāi)展了不同規(guī)模的取樣工作。在全國(guó)范圍，柳鑒容和宋獻(xiàn)方[8]等依據(jù)GNIP與CHNIP的數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)大氣降水的同位素特征進(jìn)行分析，將全國(guó)分為不同區(qū)域進(jìn)行了比較。區(qū)域范圍上，李小飛、張明軍[9]等通過(guò)降水同位素分析并結(jié)合HYSPLIT模型，得出東北地區(qū)水汽來(lái)源于大西洋和北冰洋的冷濕水汽與太平洋的暖濕水汽；章新平、劉晶淼等[10]發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)旱季水汽來(lái)源于西風(fēng)帶輸送和內(nèi)陸再補(bǔ)給水汽，雨季來(lái)源于低緯度海洋。流域尺度上也有不少研究，如東臺(tái)溝流域[11]、錫林河流域[12]、烏魯木齊河流域[5]、岔巴溝流域[2]。

黃土高原地形復(fù)雜,地理?xiàng)l件惡劣，水資源先天不足且分布不均，土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài)，土壤干層、地下水位下降等問(wèn)題日益嚴(yán)重。同位素示蹤法在研究這些問(wèn)題時(shí)具有極大的優(yōu)勢(shì)，但需要明確該區(qū)的大氣輸入情況。目前有少數(shù)研究評(píng)估了黃土高原的降水同位素特征，如干旱半干旱區(qū)的延安地區(qū)[13]、蘭州及周邊區(qū)域[14]和榆林市岔巴溝流域[2]。在岔巴溝流域，劉鑫等進(jìn)一步結(jié)合地下水同位素?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地下水主要來(lái)源于降水，并且大部分降水經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。比較而言，對(duì)于半濕潤(rùn)區(qū)的大氣降水同位素特征研究很少。為此，本研究選取黃土塬區(qū)的長(zhǎng)武塬作為研究區(qū)域，結(jié)合多年降水同位素?cái)?shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，從同位素變化特征、氘盈余、17O盈余等方面，深入探討黃土塬區(qū)的降水水汽來(lái)源，以期能夠?yàn)辄S土高原的水循環(huán)研究提供基本的參考信息。

1樣品采集與數(shù)據(jù)分析

1.1區(qū)域概況

圖1　研究區(qū)域地理位置Fig.1　Location of research area

研究區(qū)域?yàn)辄S土高原中南部的長(zhǎng)武塬區(qū)(圖1)，海拔1220m，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。多年平均降水量578mm，年均氣溫9.1℃，>10℃積溫3029℃，無(wú)霜期171d。全年降水分布極不均勻，集中于7—9月，其間的降水量占全年降水量的55%以上，且多以中到暴雨的形式落下，而其他月份的降雨多以小到中雨形式落下。長(zhǎng)武塬區(qū)為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，黃土堆積深厚，土地利用方式主要為農(nóng)地、草地、林地、果園及非生產(chǎn)地(居民用地、道路利用及難利用地等)，絕大部分生產(chǎn)可利用地都分布在塬面和梁頂上。土壤主要是黑壚土和黃墡土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土，土壤容重在1.23—1.44g/cm3之間，主要變化在0—1m土層[15- 16]。黃土塬區(qū)非飽和層深厚，地下水埋深40—80m。

1.2降水樣采集與測(cè)定

在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(35°14′30″N、107°41′17″E)對(duì)歷次降水事件的雨水進(jìn)行收集，密封于100 mL的聚乙二烯塑料瓶中，低溫保存；同時(shí)對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)降雨事件進(jìn)行了雨水過(guò)程樣的收集，取樣的年份為2005年、2010年和2012—2013年。其中，2012年降水樣僅包括7—10月。氫氧穩(wěn)定同位素使用LGR LIWA V2進(jìn)行測(cè)定，δD和δ18O的精度分別為0.5‰和0.1‰ (2013年水樣采用LGR IWA- 45EP進(jìn)行測(cè)定，能同時(shí)分析δD、δ17O和δ18O，精度分別為0.5‰、0.1‰和0.1‰)。

此外，文中所用降水量、氣溫等氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站觀測(cè)資料，氣象站采用的是人工記錄與自動(dòng)記錄結(jié)合的方法采集數(shù)據(jù)。降雨量采用RG13型雨量計(jì)觀測(cè)，溫度與濕度采用HMP45D溫濕度傳感器觀測(cè)，在自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失情況下，日降雨量通過(guò)SMI-A雨量器人工觀測(cè)，取每日8時(shí)至次日8時(shí)雨量和。

1.3數(shù)據(jù)分析

首先分析降水氫氧同位素的基本特征，氫氧同位素含量隨時(shí)間的變化；其次，分析降水同位素組成的影響因子，主要從降水量效應(yīng)和溫度效應(yīng)兩個(gè)方面進(jìn)行；最后，建立區(qū)域降水方程線(xiàn)、計(jì)算D盈余和17O盈余，分析水汽來(lái)源。需要注意的是，2012年僅收集了4個(gè)月的降水樣，分析年際變化時(shí)不采用；17O僅有2013年的數(shù)據(jù)，分析時(shí)可能存在一定的局限。

2大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素組成特征

2.1時(shí)間變化

所有降水事件中的δD、δ17O和δ18O變化范圍較大，分別介于-142.01‰—-0.51‰、-9.12‰—-0.84‰和-19.62‰—-1.17‰；月均加權(quán)值波動(dòng)變小，分別介于-88.62‰—-27.90‰、-6.97‰—-2.28‰和-12.42‰—-5.08‰。降水中的氫氧同位素組成存在明顯的年內(nèi)變化，7—11月同位素貧化(δ18O: -12.42‰ — -9.96‰、δD:-88.62‰ — -65.18‰)而2—6月富集(δ18O: -7.89‰— -5.08‰、δD:- 50.08‰— -27.90‰)；最小值多出現(xiàn)在7月，重同位素含量明顯低于其他月份；而富集月份的同位素組成相對(duì)穩(wěn)定，δ18O基本在-6‰微弱變化，δ17O基本在-4‰左右(圖2)。全年整體呈現(xiàn)夏低冬高的特點(diǎn)，與西北干旱區(qū)[17]、烏魯木齊河流域[5]、黃河上游區(qū)域[18]的降水同位素組成特點(diǎn)相反，而與云南地區(qū)[19]、長(zhǎng)江流域[20]的特點(diǎn)相似，表明了黃土塬區(qū)不同季節(jié)水汽來(lái)源的不同，且水汽源地與受季風(fēng)影響的長(zhǎng)江流域、西南地區(qū)更接近。同時(shí)，相較于長(zhǎng)江流域(6月)，黃土塬區(qū)7月降水同位素貧化，也表明了水汽在輸送過(guò)程中時(shí)間上的推移。

圖2　月降水量與月均加權(quán)δ18O和δ17O Fig.2　Monthly precipitation amount and the volume-weighted δ18O and δ17O

δD、δ17O和δ18O的年均加權(quán)平均值為-72.33‰、-5.89‰和-10.38‰；但存在年際變化，2005年明顯高于2010和2013年(表1)。2005年δ18O的最小值沒(méi)有出現(xiàn)在降水量最充足的7月，且3—7月明顯較其他年份富集。而2005年5月的降水量達(dá)到99.8 mm，遠(yuǎn)高于多年平均值(52.9 mm)。2005年夏季和秋季氣溫是1951年以來(lái)同期最高和第二高，這導(dǎo)致了更強(qiáng)的蒸發(fā)和同位素分餾；冬季氣溫偏低甚至出現(xiàn)了突襲全球的暴雪[21]。因此，受氣候變異的影響，2005年同位素組成偏高。同時(shí)，東亞夏季季風(fēng)在2005年較常年偏強(qiáng)，導(dǎo)致我國(guó)降雨帶北移[22]，這可能是5月降水較常年偏高的原因，進(jìn)而影響到降雨中穩(wěn)定同位素的組成。

表1　年降水量和年均加權(quán)的同位素值

2.2降水量效應(yīng)與溫度效應(yīng)

對(duì)降水量與同位素組成進(jìn)行回歸分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)在年尺度上僅2005年不存在雨量效應(yīng)，將全年分成6—9月(雨季)和10—5月(干季)進(jìn)一步分析，分別進(jìn)行回歸分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)2005年10—5月、2010和2013年6—9月降水量與δ18O顯著負(fù)相關(guān)：δ18O=-0.073P-3.09 (R2=0.65)，δ18O=-0.093P-8.19 (R2=0.38)，δ18O=-0.091P-6.79 (R2=0.40)。2010與2013年的雨量效應(yīng)均發(fā)生在雨季且線(xiàn)性方程相似，而2005年的雨量效應(yīng)出現(xiàn)在干季，這進(jìn)一步體現(xiàn)了降水同位素的年際變異。另外，與前人研究比較發(fā)現(xiàn)，黃土塬區(qū)降水同位素組成與降水量的關(guān)系(不考慮2005年)與柳鑒容[17]等在西北干旱半干旱地區(qū)的研究一致，均在雨季具有明顯的雨量效應(yīng)，但黃土塬區(qū)斜率約為-0.09‰/mm，變化幅度為西北地區(qū)的225%，進(jìn)一步說(shuō)明黃土塬區(qū)與西北內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)在雨季有著不同的水汽來(lái)源。

圖3　降水量與δ18O的關(guān)系Fig.3　Relationship between δ18O and precipitation amount

圖4　降雨δ18O與溫度的關(guān)系Fig.4　Relationship between isotopic composition (δ18O) of precipitation and temperature

圖5　大氣降水δD和δ18O的關(guān)系Fig.5　Relationship between δD and δ18O

對(duì)日降水的δ18O值與日均氣溫進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，數(shù)據(jù)散布范圍較大，在年尺度上沒(méi)有相關(guān)性。但將數(shù)據(jù)按照雨季與干季分別統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，2005年的雨季、2010與2013年的干季降水δ18O具有較為明顯的溫度效應(yīng)：δ18O=0.36T-14.77 (R2=0.11)、δ18O=0.21T-9.31 (R2=0.13)和δ18O=0.52T-11.48 (R2=0.36)，而在西北干旱半干旱區(qū)，降水同位素在年尺度上溫度效應(yīng)十分顯著。表明了在雨季溫度效應(yīng)被雨量效應(yīng)所掩蓋，也驗(yàn)證了隨著向內(nèi)陸的延伸, 溫度逐漸代替降水量而成為影響δ18O變化的主要因子[23]。

3水汽來(lái)源

3.1降水線(xiàn)方程

受大尺度海洋大氣環(huán)流以及近地面氣象條件影響，不同地區(qū)都有反映其降水規(guī)律的區(qū)域降水線(xiàn)(LMWL)[19]。根據(jù)所有水樣的δD和δ18O求得大氣降水線(xiàn)方程(圖6)為：δD=7.36δ18O +3.59 (R2=0.94)。該方程與Craig[24]于1961首次提出的全球降水線(xiàn)方程(GMWL)δD=8δ18O+10、鄭淑慧[25]等于1983年首次提出的中國(guó)降水線(xiàn)方程δD=7.9δ18O+8.2相比較，斜率與截距均偏小。較低的斜率和截距表明雨滴降落過(guò)程受到了二次蒸發(fā)的影響，同位素發(fā)生了不平衡分餾。孟玉川、劉國(guó)東[26]研究表明小降雨事件的雨滴在降水過(guò)程中受云下二次蒸發(fā)的影響而發(fā)生強(qiáng)烈的同位素動(dòng)力分餾效應(yīng)，使降水線(xiàn)的斜率和截距變小，本研究監(jiān)測(cè)的各場(chǎng)次降雨事件絕大多數(shù)屬于0—10 mm的小降雨事件。同時(shí)，斜率小于8表明該區(qū)降水的來(lái)源于具有不同穩(wěn)定同位素比率的源地[7]；圖6中GMWL與LMWL的交點(diǎn)(δD=-70.16‰，δ18O=-10.02‰)，可近似反映出水汽源的原始平均同位素組成[18]。

圖6 　氘盈余的年內(nèi)變化Fig.6　Variations of deuterium excess in precipitation

黃土塬區(qū)LMWL為δD=7.36δ18O + 3.59 (R2=0.94)，與榆林市岔巴溝流域2004—2006年δD=7.57δ18O +3.9 (R2=0.94)[2]和GNIP西安站1985—1992年δD=7.49δ18O+6.1 (R2=0.92)相似，但與西北地區(qū)[17]2005年δD=7.05δ18O-2.17 (R2=0.95)、GNIP蘭州站1985—1999年的δD=7.01δ18O+1.53 (R2=0.94)差異較大。沿西安—長(zhǎng)武—蘭州，LMWL的斜率和截距都在不斷下降，表明西安—長(zhǎng)武—蘭州處于同一水汽路徑上，水汽輸送過(guò)程中，水汽蒸發(fā)強(qiáng)烈，越往內(nèi)陸同位素分餾越嚴(yán)重。

3.2氘盈余

氘盈余(d=δD-8δ18O)受水汽源地的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象條件以及水汽路徑中大陸蒸發(fā)水汽的影響[27]，直觀反映地區(qū)降水蒸發(fā)凝結(jié)過(guò)程的不平衡程度，是示蹤水汽源區(qū)的一個(gè)重要參數(shù)[18]。研究區(qū)域d值介于-18.75‰—28.73‰，平均值為10.8‰，接近全球平均的10‰，表明該區(qū)的水汽來(lái)源應(yīng)該是海洋氣團(tuán)主導(dǎo)；但從月變化上看(圖7)，d值除了雨季幾個(gè)月份低于10‰外，多數(shù)月份高于全球平均水平的10‰，而局地蒸發(fā)水汽參與水分循環(huán)是氘盈余偏大的一個(gè)重要因素[28- 29]，說(shuō)明局地蒸發(fā)水汽在降水中起到了重要的作用。

按照月降水量加權(quán)平均(圖7)，6—9月降水的d值較同年其他月份低，而低緯度地區(qū)的海洋性氣團(tuán)具有高濕度，低d值的特點(diǎn)，說(shuō)明其降水主要受海洋氣團(tuán)影響，而10—5月主要受局地蒸發(fā)與大陸性氣團(tuán)影響。δ18O 7—11月含量較低，與低d值的6—9月的在7—9月重疊，說(shuō)明海洋氣團(tuán)在7—9月起到主導(dǎo)作用，這也與當(dāng)?shù)亟邓吭?—9月最大表現(xiàn)一致。2013年5月氘盈余出現(xiàn)了極低值5.89‰，在這個(gè)月的三場(chǎng)降雨(5.6、5.24、5.26)中，其氘盈余分別為13.88‰、-2.67‰、8.76‰，5.6日降雨的氘盈余接近4月份的值，而5.24與5.26的兩場(chǎng)降雨氘盈余較低，說(shuō)明造成5月氘盈余出現(xiàn)極低值的原因可能是海洋氣團(tuán)于5月下旬提前到來(lái)，而此時(shí)大氣溫度不高，空氣濕度較高，海洋氣團(tuán)在水汽傳輸過(guò)程中，未發(fā)生強(qiáng)烈的不平衡分餾，使得氘盈余在5月能夠保持較低的水平。

圖7　氧同位素降水方程線(xiàn)與17O盈余和相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.7　The local meteoric water line of oxygen isotopes and the relationship between 17O-excess and relative humidity

3.317O盈余分析

按照質(zhì)量分餾原理，δ18O變化應(yīng)接近δ17O變化的兩倍[30]，故不能為水循環(huán)提供更多的信息，且17O在自然界的含量遠(yuǎn)較18O低(0.038%和0.2%)而難以測(cè)量，因此，17O常常被忽略。但1973年Clayton等發(fā)現(xiàn)了非質(zhì)量氧同位素分餾效應(yīng)[31]，2002年Miller進(jìn)而推導(dǎo)出了量化非質(zhì)量氧同位素分餾的公式?；谏鲜鲅芯浚?7O的全球大氣降水方程線(xiàn)(GMWL)和17O盈余的概念被陸續(xù)提出，并且發(fā)現(xiàn)17O盈余不受溫度影響而與海洋大氣的相對(duì)濕度(RH)顯著負(fù)相關(guān)[32]。這些研究表明17O可為水循環(huán)研究提供了一種重要的信息來(lái)源。

17O同位素GMWL：δ′17O=0.528δ′18O+0.000033(R2=099999)

17O盈余計(jì)算公式：17O-excess=δ′17O=0.528δ′18O

式中，δ18O和δ17O分別代表水體中18O和17O組成，而δ′=ln(δ+1)。由于17O-excess的量級(jí)非常小，所以最終結(jié)果乘以106。

研究區(qū)2013年δ17O介于-9.12‰—-0.84‰，平均值為-4.34‰。對(duì)氧同位素(17O、18O)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，建立了氧同位素的LMWL為δ′17O =0.5258δ′18O +0.0003 (R2=0.996)。氧同位素GMWL在海面上海水蒸發(fā)達(dá)到平衡分餾(RH=100%)時(shí)其斜率是0.529，但擴(kuò)散到干空氣后斜率會(huì)逐漸降低至0.518[33]。研究區(qū)氧同位素LMWL的斜率介于海面水汽斜率0.529與干空氣0.518之間，這表明該區(qū)處于海洋氣團(tuán)向內(nèi)陸干旱區(qū)遷移的路徑上，大氣降水主要來(lái)自海洋氣團(tuán)。

研究區(qū)降水的17O盈余變幅很大，介于-123.66—341.12 meg，平均值為71.63 meg，遠(yuǎn)較海水的17O盈余(一般為負(fù)值)大，說(shuō)明海洋氣團(tuán)到達(dá)該區(qū)過(guò)程中同位素經(jīng)歷了嚴(yán)重的富集。17O盈余的負(fù)值和正值分別占總數(shù)的30%和70%，但Luz和Barkan的研究中來(lái)自世界52個(gè)場(chǎng)次降水中17O盈余的負(fù)值僅有2個(gè)[33]。此種差異可以通過(guò)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果解釋?zhuān)舭l(fā)導(dǎo)致水殘留比率降低，δ′18O不斷增加而17O盈余降低并下降為負(fù)值[33]。17O盈余為負(fù)的降水事件的RH為79%，低于17O盈余為正的降水事件(88%)。而干季和雨季都存在17O盈余為負(fù)的情況，可見(jiàn)，該區(qū)降水形成過(guò)程中普遍經(jīng)歷了嚴(yán)重的二次蒸發(fā)，其比例可能大于17O盈余為負(fù)的30%。

2013年降水的17O盈余在干季隨RH增高而顯著升高(y=6.99x-520.62,R2=0.70)，在濕季和全年也都存在不顯著的正相關(guān)趨勢(shì)，而相關(guān)研究表明17O盈余與海面大氣的RH顯著負(fù)相關(guān)[34]。雨季少數(shù)降水事件的17O盈余在RH增加過(guò)程中(57%—82%)確實(shí)降低，但其他降水的17O盈余基本都在RH=90%這條直接上，這表明雨季少數(shù)降水可能直接來(lái)源于海洋氣團(tuán)，而其他降水則是海洋氣團(tuán)經(jīng)歷了復(fù)雜的重新分配過(guò)程導(dǎo)致RH達(dá)到90%左右時(shí)才能發(fā)生降水。而干季降水17O盈余與RH顯著正相關(guān)，說(shuō)明其水汽來(lái)源是內(nèi)陸；具體來(lái)說(shuō)，RH大時(shí)蒸發(fā)能力弱故17O盈余大，而RH小時(shí)需要過(guò)度蒸發(fā)以形成降水而導(dǎo)致17O盈余小甚至是負(fù)值。

4結(jié)論

黃土塬區(qū)降水穩(wěn)定同位素在觀測(cè)期間表現(xiàn)出明顯的年際變化。受氣候變異的影響，2005年的降水同位素組成明顯偏高，進(jìn)而使得溫度、雨量與同位素組成之間關(guān)系與其他年份相反，6—9月降水同位素受溫度控制，9月后受降雨量影響。同時(shí)，同位素組成存在年內(nèi)變化，2—6月富集，7—11月貧化。研究結(jié)果顯示，黃土塬區(qū)降水同位素的變化特征與西北干旱半干旱地區(qū)研究結(jié)果相反，而與受東亞季風(fēng)影響的長(zhǎng)江流域相似。這是由于西北地區(qū)干旱半干旱區(qū)幾乎常年處于西風(fēng)帶中[35]，而黃土塬區(qū)處于季風(fēng)非季風(fēng)過(guò)渡區(qū)，水汽來(lái)源主要受東亞季風(fēng)影響。

通過(guò)建立黃土塬區(qū)降水線(xiàn)方程發(fā)現(xiàn)，西安—長(zhǎng)武—蘭州一線(xiàn)，斜率與截距逐步減小，說(shuō)明其處于同一水汽路徑上，在水汽輸送過(guò)程中，越往內(nèi)陸經(jīng)歷了越強(qiáng)的同位素分餾效應(yīng)。氘盈余計(jì)算結(jié)果也表明在雨量最充足的7—9月，水汽來(lái)源于低緯度地區(qū)的海洋性氣團(tuán)，雨季過(guò)后則主要受大陸性氣團(tuán)及區(qū)域水汽的影響。

利用17O 同位素進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，黃土塬區(qū)至少30%降水事件經(jīng)歷了嚴(yán)重的二次蒸發(fā)，雨季少數(shù)降水事件直接來(lái)源于海洋性氣團(tuán)，其他降水事件則是海洋性氣團(tuán)經(jīng)再分配相對(duì)濕度達(dá)90%左右時(shí)才產(chǎn)生。利用17O進(jìn)行水汽來(lái)源分析尚處初步應(yīng)用階段，數(shù)據(jù)分析可能不夠充分。如何充分利用17O同位素，對(duì)傳統(tǒng)氫氧同位素(18O和2H)進(jìn)行補(bǔ)充，是今后的研究重點(diǎn)之一。

致謝：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站提供氣象數(shù)據(jù)，中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院幫助測(cè)定氫氧同位素，李玉成、張志強(qiáng)、向偉幫助水樣采集，特此致謝

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CHEN Xi1， LI Zhi1,2,*，CHENG Liping3，LIU Wenzhao2，WANG Rui4

1CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

2StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,Yangling712100,China

3CollegeofResourceandEnvironmentScience,PingdingshanUniversity,Pingdingshan467000,China

4SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China

Abstract：As important constituents of a water molecule, the stable hydrogen and oxygen isotopes are ideal conservative tracers for water source, and thus, have been widely used in water cycle research. Precipitation is the main input of water resources; therefore, analysis of its hydrogen and oxygen isotopic compositions can provide basic information for water cycle. Until now, some research has been carried out for the arid and semi-arid regions on the Loess Plateau; however, few studies have focused on the semi-humid region. The Changwu Loess Tableland, which is located in the southern part of the central Loess Plateau and is characterized by a warm temperate, semi-humid, continental monsoon climate (annual mean precipitation is 578 mm), has been studied. In this study, the hydrogen and oxygen isotopic compositions (2H,18O and17O) of precipitation and some climatic factors (temperature, precipitation amount, humidity) of four years (2005, 2010, 2012—2013) have been determined fort the investigation of the vapor source of precipitation. Both seasonal and inter-annual variations were detected from the isotopic compositions of the precipitation. The isotopic compositions were more depleted from July to November, and the δ18O and δD varied from -12.42‰ to -9.96‰ and from -88.62‰ to -65.18‰, respectively; however, they were more enriched from February to June, and the ranges of δ18O and δD were -7.89‰ to -5.08‰ and -50.08‰ to -27.90‰, respectively. The most abundant depleted isotopic compositions were observed in July, which was considered to be the effect of marine air mass and precipitation amount. δD and δ18O had a significant relationship with the precipitation amount from June to September, and while they correlated well with air temperatures from October to May. The inter-annual variations in isotopic compositions of precipitation were mainly due to the climate variability; for example, the temperatures in the summer of 2005 were the highest since 1951, and it would, thus, yield different seasonal patterns of isotopic compositions as compared to the other three years. Meanwhile, the isotopic compositions of precipitation in the Changwu Loess Tableland were different from those of the arid regions and similar to some of the humid monsoon regions. According to the analysis of isotopic compositions, meteoric water line, D-excess, and17O excess, the marine air mass was the dominant vapor source for precipitation from June to September, especially from July to September, while precipitation from October to May were significantly influenced by regional evaporation and continental air mass. Furthermore, the weighted average D-excess of most months was higher than the global average (10‰), which implied that the isotopic compositions were influenced by local evaporation throughout the year. In rainy season, a few precipitation events were directly associated with marine air mass, while the other events occurred only when the relative humidity exceeded 90% due to the reallocation of marine air mass. At least 30% of the precipitation events have experienced serious secondary evaporation. Analysis of the vapor source by17O is still at the preliminary stage and few researches have been done in China; therefore, studying17O concentrations can provide additional useful information to interpret the water cycle in future research.

Key Words:precipitation; oxygen and hydrogen isotope; water vapor trajectory; loess tableland;17O- excess

DOI:10.5846/stxb201408251674

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lizhibox@126.com

收稿日期:2014- 08- 25;

修訂日期:2015- 01- 01

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179161&41401015)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013KJXX- 18)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2452015105)

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