孫 龍, 陳利頂,2,*,楊 磊

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

水源涵養(yǎng)功能有助于攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流,影響著生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化等功能,是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之一[1- 3]。在人口增長、城市化及氣候變化的背景下,水體污染、水資源供需矛盾等生態(tài)環(huán)境問題不斷加劇,水源涵養(yǎng)需要以更加系統(tǒng)、動態(tài)的視角深入研究[4- 6]。水源涵養(yǎng)相關(guān)研究多關(guān)注水源涵養(yǎng)能力的估算,但僅僅估算水源涵養(yǎng)能力,往往難以體現(xiàn)流域水源涵養(yǎng)過程及作用[7- 10]。隨著同位素水文學(xué)的發(fā)展,同位素技術(shù)在水文水資源的研究中的優(yōu)越性逐漸得到凸顯[11- 16]。氫氧同位素作為天然示蹤劑,在水分溯源、水分輸移時間估算等研究中發(fā)揮著重要作用[14, 17- 20]。氫氧同位素在生態(tài)系統(tǒng)中天然存在,且通常在不同客體中同位素構(gòu)成不同,從而為溯源追蹤提供了可能性。因此,基于氫氧同位素示蹤技術(shù)刻畫的水分來源、平均滯留時間等,能夠系統(tǒng)反映流域水分從哪里來、到哪里去、如何運移、存留多長時間等問題[21],對于深入理解水源涵養(yǎng)過程和能力具有重要意義。

圖1 Web of Science數(shù)據(jù)庫不同主題文獻數(shù)量Fig.1 Published papers with different topics in Web of Science

近來,氫氧同位素技術(shù)在流域水文過程刻畫的研究中得到廣泛應(yīng)用,但相關(guān)研究常關(guān)注水文過程的某一方面,如水分來源、水分滯留時間、降雨-徑流關(guān)系等[22- 24]。這些研究涉及了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)涵養(yǎng)水分的來源、作用和周轉(zhuǎn)時間,但并沒有形成系統(tǒng)、明確的水源涵養(yǎng)研究框架,阻礙了同位素技術(shù)在流域水源涵養(yǎng)研究中的應(yīng)用(圖1)。為更好地促進同位素技術(shù)在水源涵養(yǎng)相關(guān)研究中的應(yīng)用,本文總結(jié)了應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)刻畫水分滯留時間、來源等相關(guān)研究,概括了基于氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)研究框架,進而明確了應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)研究亟待加強的方向。研究對于理解流域水源涵養(yǎng)內(nèi)涵、機理以及評估水源涵養(yǎng)效益等方面具有重要的理論和實踐意義。

1 水源涵養(yǎng)內(nèi)涵

圖2 不同估算方法水源涵養(yǎng)內(nèi)涵差異示意圖 Fig.2 Schematic diagram of concepts of water conservation based on different estimation methods

根據(jù)不同的角度,水源涵養(yǎng)量的估算方法有水量平衡法、蓄水能力法、降水儲存量法、年徑流量法、地下徑流增長法、模型模擬和衛(wèi)星遙感等[25- 29]。不同估算方法定義的水源涵養(yǎng)內(nèi)涵存在一定差異(圖2)。水量平衡法定義的水源涵養(yǎng)是指收入水分與支出水分的差值,即降水減去徑流、蒸散發(fā)(圖2角標(biāo)2所示范圍),即生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的存余水量,既不包含供給植物水分利用的部分,也不包含補給河道徑流的部分。蓄水能力法定義的水源涵養(yǎng)是指冠層、凋落物層和土壤層的持水(圖2角標(biāo)3所示范圍)。以土壤層為例,土壤的最大涵養(yǎng)量包含補給河道徑流、供給植物利用的部分[30]。降水儲存量法定義的水源涵養(yǎng)是指降水減去冠層攔截及蒸散發(fā)作用后的水量(圖2角標(biāo)1所示范圍),包括補給河道徑流或地下水的部分[5, 28]。地下徑流增長法定義的水源涵養(yǎng)主要指林地與裸地相比,地下徑流增長的部分(圖2角標(biāo)4所示范圍)。年徑流量法定義的水源涵養(yǎng)主要指林地與裸地相比,地表徑流減少的部分(圖2角標(biāo)5所示范圍)。可見,不同估算方法其水源涵養(yǎng)的內(nèi)涵不同。但不管角度如何,水源涵養(yǎng)根本上是一定時間和空間范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)保持水分的過程和能力[31]。

水源涵養(yǎng)內(nèi)涵的明確對于準(zhǔn)確評估水源涵養(yǎng)服務(wù)功能及其價值具有重要意義。呂一河等[31]從“綠水”(降水入滲并存儲在土壤根層中的水量,通過蒸散支持植物的初級生產(chǎn))和“藍水”(超過土壤入滲和存儲能力的降水對地表水或地下水形成補給的水量)的概念出發(fā),認為最大水源涵養(yǎng)量中會有一部分轉(zhuǎn)換為“藍水”,從而產(chǎn)生淡水供給、徑流調(diào)節(jié)等服務(wù)。而穩(wěn)定水源涵養(yǎng)量(如小于等于田間持水量的部分)主要用于植物生長發(fā)育的消耗,相當(dāng)于“綠水”,從而發(fā)揮固碳、小氣候調(diào)節(jié)等效應(yīng),但是無法直接形成水資源供給服務(wù)。無論是從水源涵養(yǎng)量估算方法的角度,還是從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度,水源涵養(yǎng)的內(nèi)涵需要加以明確和區(qū)分[28, 31]。此外,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的水分向發(fā)蒸散發(fā)或徑流轉(zhuǎn)化是一個動態(tài)過程(圖2虛線箭頭)。水源涵養(yǎng)量是一個隨著時間變化的函數(shù),具有時間依賴性。這一時間依賴性既強調(diào)了準(zhǔn)確辨析水源涵養(yǎng)內(nèi)涵的重要性,又強調(diào)了對水源涵養(yǎng)過程認識的必要性。生態(tài)系統(tǒng)是相互聯(lián)系相互影響的有機系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)水分向蒸散發(fā)或徑流轉(zhuǎn)化過程涉及多時間尺度(日、月、季節(jié)、年等),在針對不同研究問題時需要加以辨析。

2 基于氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)刻畫方法

穩(wěn)定同位素是自然界廣泛存在的、不發(fā)生或極其不易發(fā)生衰變的同位素,常用的穩(wěn)定同位素有氫(2H)、氧(18O)、碳(13C)、氮(15N)等。氫氧同位素示蹤技術(shù)是以氫氧同位素作為示蹤劑,用以追蹤研究對象的運行和變化規(guī)律的方法。在水循環(huán)的不同環(huán)節(jié)中,氫氧同位素通常具有不同的同位素構(gòu)成,使其成為一種可以示蹤水分來源、路徑的有效工具[32-33],廣泛應(yīng)用于水分來源識別、水流路徑刻畫、區(qū)域水循環(huán)甚至氣候演變等研究[14, 17, 20, 34-35]。氫氧同位素值(δ、‰)以相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(Vienna Standard Mean Ocean Water)的千分形式表示：

δX= (Rsample/RV-SMOW-1)×1000

(1)

式中,X表示D或18O,D即2H；δX即表示樣品的氫或氧的同位素組成(‰)；Rsample表示抽提水中氫或氧的重同位素和輕同位素豐度之比,即18O/16O或D/H；RV-SMOW表示維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water)的18O/16O和D/H 值。

圖3 基于氫氧同位素的水源涵養(yǎng)研究框架Fig.3 Research framework for water storage based on hydrogen and oxygen isotopes

基于氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)研究框架如圖3所示,通過應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)的水分平均滯留時間估算、水分來源識別,明確流域水源涵養(yǎng)能力、過程與作用。水分滯留時間影響著生物地球化學(xué)循環(huán)過程、污染物的留存等[21, 36]。較長的水分滯留時間意味著水分與不同水源涵養(yǎng)載體接觸時間更久、混合程度或化學(xué)反應(yīng)程度更大。因此,基于氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)研究,從傳統(tǒng)涵養(yǎng)能力估算向涵養(yǎng)過程和作用刻畫轉(zhuǎn)變,有助于水源涵養(yǎng)研究的加強和拓展、水源涵養(yǎng)服務(wù)的合理評估以及生態(tài)系統(tǒng)不同服務(wù)間的聯(lián)系。

2.1 小流域水分滯留時間估算

滯留時間是指水分進入流域內(nèi),經(jīng)過混合、擴散、運移到某一觀測位置的時間,其觀測位置因具體研究對象的不同而不同,如不同深度的土壤水、地下水(井水、泉水等)、河道徑流等[37- 40]。若研究對象為流域出口徑流,即水分從降雨輸入到徑流輸出所經(jīng)歷的平均時間,則稱為流域水分平均滯留時間(Mean Residence Time,MRT),表征流域所涵養(yǎng)水分周轉(zhuǎn)過程的長短[41- 44]。水分滯留時間有多種估算方法,在應(yīng)用示蹤劑的研究中通常用集總參數(shù)法[21, 45]。集總參數(shù)法以滯留時間分布模型為基礎(chǔ),常用分布模型如表1所示,指數(shù)模型應(yīng)用最為廣泛[21, 36, 45- 46]。

表1 常用水分滯留時間分布模型

基于指數(shù)模型估算MRT首先是通過正弦函數(shù)模擬降雨與河道徑流氫氧同位素季節(jié)變化,并根據(jù)模擬函數(shù)振幅的差異估算流域MRT[23, 40, 47]。正弦函數(shù)表示為：

δX=C+Asin(ωd-t)

(2)

式中,δX表示δD或δ18O(‰)；C表示年均同位素比率(‰)；A表示同位素周期波動的振幅(‰)；t表示曲線相位位移或滯后(rad)；d表示觀測天數(shù)(d)；ω表示周期波動的徑向頻率(rad/d),因為降雨同位素是年周期波動,因此本研究中正弦方程ω=2π/365,如果是以月計,則表示為2π/12。正弦回歸分析中,降水同位素用降雨量作為權(quán)重。水分滯留或輸移時間(T)可表示為：

T=ω-1[ (As/Ar)-2- 1]0.5

(3)

式中,As、Ar分別表示為徑流和降水同位素正弦擬合后的函數(shù)振幅(‰)。需要指出的是,基于此假設(shè)估算的平均滯留時間是近似值,但應(yīng)用效果好,滿足MRT的初步評估[23, 40, 47]。流域的水源涵養(yǎng)量表示為：

So=RyrMRT/365

(4)

式中,So為流域年水分儲量(mm)；Ryr為流域年徑流量(mm)；MRT為流域水分平均滯留時間(天),如單位為月,相應(yīng)的分母為12。

2.2 水分來源識別

當(dāng)降水進入生態(tài)系統(tǒng)內(nèi),可劃分為不同部分,例如入冠層截留、凋落物蓄水、土壤水、巖石裂隙水、供給植物、補給河道徑流等。通常植物根系吸收的水分在到達葉片前不發(fā)生同位素分餾作用,即氫氧同位素組成不發(fā)生改變,因此可以利用氫氧同位素進行植物水分來源識別,徑流溯源原理相同。水分來源識別的理論基礎(chǔ)是求解多元一次方程組：

CαXα+CβXβ+CγXγ=Xout

(5)

Cα+Cβ+Cγ= 1

(6)

式中,Xout為“匯”的氫氧同位素值(δD或δ18O)；Xα、Xβ、Xγ為來“源”的氫氧同位素組成(δD或δ18O)；Cα、Cβ、Cγ為“源”對“匯”的貢獻率?！皡R”因研究對象的不同而不同,如樹干莖水、徑流等。水分的“源”形式上分為雨水、土壤水、巖石孔隙水等；按時間可分為次降水和前期儲水。由于多元混合模型識別水分來源的原理是求解多元一次方程組,方程組解具有不唯一性,且自然界中通常具有多種來源,因此目前研究多采用IsoSource混合模型或者基于貝葉斯理論的混合模型MixSIAR等算法(軟件)計算[15-16, 32, 48]。

3 水源涵養(yǎng)過程、能力及作用

3.1 水源涵養(yǎng)過程

流域MRT反映流域水源涵養(yǎng)過程。例如,McGuire等[37]在美國賓夕法尼亞州的兩個面積分別為0.14 km2和1.0 km2的小流域的研究發(fā)現(xiàn),流域水分平均滯留時間分別為9.5個月和4.8個月。Soulsby等[47]在蘇格蘭的研究發(fā)現(xiàn),子流域水分平均滯留時間在上下游之間存在差異顯著,流域內(nèi)上游子流域水分平均滯留時間在2—4個月之間,而下游的子流域水分平均滯留時間在10—18個月之間。流域水分平均滯留時間會因流域?qū)傩缘牟煌煌?說明不同流域內(nèi)水分的涵養(yǎng)過程長短不一。早期研究認為流域MRT與流域面積有關(guān),因為面積小的流域水分的運移路徑短,所需運移時間短；隨著流域面積增大,運移路徑、時間增加,降水與前期儲水混合程度增大[49-50]。后續(xù)研究表明MRT主要受下墊面滲透性影響[37, 39, 51]。Hale和McDonnell[52]發(fā)現(xiàn)基巖滲透性強的流域其MRT與面積有關(guān),而基巖滲透性弱的流域其MRT與水流路徑系數(shù)(水流路徑長度中值與梯度中值之比)顯著相關(guān)。說明水源涵養(yǎng)過程受下墊面滲透性的影響,而滲透性又與土壤孔隙度等相關(guān),因此水源涵養(yǎng)能力與過程在內(nèi)涵上具有一定關(guān)聯(lián)[53- 57]。

3.2 水源涵養(yǎng)能力

結(jié)合流域出口徑流量,通過流域水分平均滯留時間可計算流域年水源涵養(yǎng)量[58]。由公式4可知,基于氫氧同位素技術(shù)估算的是流域年水源涵養(yǎng)量,由年徑流量及MRT共同決定。即便兩個流域水源涵養(yǎng)量相似,MRT也可能不同。其意義在于,流域水源涵養(yǎng)研究需要從量的估算向過程刻畫更進一步。假設(shè)兩個流域水源涵養(yǎng)量相同,則較短的MRT說明徑流量大,水分留存時間短,水文過程相對迅速,易于旱澇失調(diào),需要土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化或修建水庫等水利措施調(diào)控水資源供給規(guī)律。而較長的MRT說明徑流量小,水分留存時間長,水資源供給時間尺度長,但水資源供給密度低,不利于水資源需求集中的區(qū)域。

3.3 水源涵養(yǎng)的“藍”“綠”作用

研究水源涵養(yǎng)的目的不僅僅是刻畫水源涵養(yǎng)過程及能力,還在于認識涵養(yǎng)的水分如何維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),例如供給植物吸收利用(“綠水”)、補給河道徑流(“藍水”)等。因為涵養(yǎng)的水分不管是供給植物還是補給河道徑流,均是一個動態(tài)過程,所以水源涵養(yǎng)功能及其服務(wù)也是一個動態(tài)過程,這說明明確水源涵養(yǎng)的“綠水”、“藍水”作用尤為重要。識別“綠水”、“藍水”來源一方面有助于深入認識水源涵養(yǎng)的作用,另一方面還有助于合理評估水源涵養(yǎng)服務(wù)價值。

3.3.1涵養(yǎng)水分供給植物水分利用

植物水分利用來源反映根區(qū)土壤水供給植物吸收利用的狀況[59-60]。由于季節(jié)性的水分虧缺,植物水分利用來源具有顯著的季節(jié)轉(zhuǎn)換特征[61- 63]。例如,Wang等[64]應(yīng)用氫氧同位素示蹤技術(shù)研究了黃土高原鐵桿蒿、長芒草、黃荊的水分利用來源,結(jié)果表明三種植物吸收利用的水分主要來自0—40 cm土壤層。隨著季節(jié)變化,黃荊吸收利用的水分由0—40 cm土壤層轉(zhuǎn)為120—300 cm土壤層。Nie等[62]在喀斯特地區(qū)的研究表明,落葉的紫葳科菜豆樹在旱季主要利用深層水源,在雨季利用雨水和深層水源；落葉的大戟科灌木紅背葉主要利用次降水,但常綠樹種在雨季主要利用深層水源。這說明不同深度土層涵養(yǎng)的水分,其“綠水”的價值不同。即(1)水源涵養(yǎng)的“綠水”作用要從植物水分利用來源的具體深度或位置來考慮,不能一概而論；(2)不同植物種具有不同的水分利用策略,相同的水源涵養(yǎng)狀況對不同植物種意義不同；(3)干旱導(dǎo)致植物水分利用來源發(fā)生轉(zhuǎn)換,說明在不同季節(jié)要考慮不同深度的水源涵養(yǎng)狀況。因此,基于氫氧同位素的植物水分利用來源識別,為深入認識水源涵養(yǎng)的“綠水”作用提供了可行的思路和方法。

3.3.2涵養(yǎng)水分補給河道徑流

基于氫氧同位素識別徑流來源的研究中,水源的劃分依照研究角度的不同而不同,按時間可將徑流來源劃分為次降水(也稱為“新水”)和前期儲水(也稱為“老水”)。前期儲水根據(jù)載體的不同又分為土壤水、巖石裂隙水、深層地下水等。土壤水還可進一步劃分為可動水和不動水[17, 20, 65]。可動水定義為土壤溶液取樣器在60—80 kPa負壓條件下吸取的土壤水[17, 66-67],而剩余部分為不動水。可動水與不動水的氫氧同位素組成往往不同,這種可動性的區(qū)分有助于深入理解水源涵養(yǎng)的內(nèi)涵,從而有助于進一步明確土壤層涵養(yǎng)水分的作用[65, 68]。

流域水源涵養(yǎng)能力影響前期儲水補給河道徑流的比例。土壤層是生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的主體,淺薄的土壤水源涵養(yǎng)能力有限,會導(dǎo)致次降雨對降雨引發(fā)的河道徑流的貢獻起到主導(dǎo)作用[22]。高滲透性的基巖通常會導(dǎo)致徑流中較大的前期儲水比例,從而使河道徑流主要受控于流域前期儲水[69]。此外,徑流來源還受地形等因素影響,谷底沖擊平原的面積增大會導(dǎo)致次降雨補給比例增加、前期儲水補給比例減小。原因是谷底平原的面積增大且易于蓄滿,導(dǎo)致蓄滿產(chǎn)流進而增加了次降雨的貢獻度[70-71]。因此,徑流來源識別明確了徑流中不同來源的組分,反映流域涵養(yǎng)水分對河道徑流的補給作用和程度。

4 應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)研究水源涵養(yǎng)的適用性

基于氫氧同位素技術(shù)研究水源涵養(yǎng),有優(yōu)勢也有局限,總結(jié)為以下三個方面：

4.1 同位素方法與傳統(tǒng)方法的結(jié)合

傳統(tǒng)方法能夠較為高效地估算水源涵養(yǎng)能力,彌補了基于同位素方法估算水源涵養(yǎng)能力需要至少一年數(shù)據(jù)序列的弊端。同位素方法與傳統(tǒng)方法相結(jié)合,一方面補充傳統(tǒng)方法只能揭示水源涵養(yǎng)能力的局限性,另一方面可用于比較估算的水源涵養(yǎng)能力的差異。水量平衡法只考慮水分的輸入與輸出,通過輸入水量減去輸出水量估算水源涵養(yǎng)量[3, 72-73]?；贛RT估算水源含氧量,同樣僅考慮生態(tài)系統(tǒng)水分的輸入與輸出。兩種方法共同應(yīng)用可以避免單一方法的局限性。此外,應(yīng)用不同方法估算的水源涵養(yǎng)量可以相互比較(表2)。由公式4可知,水源涵養(yǎng)量是MRT與年徑流量的函數(shù)。當(dāng)流域全年有降水卻無地表徑流,基于公式4得出的水源涵養(yǎng)量為零,基于蓄水能力法估算的水源涵養(yǎng)量為正,基于水量平衡法估算的水源涵養(yǎng)量正、負、零均勻可能?？梢?蓄水能力法傾向高估流域水源涵養(yǎng)量,水量平衡法與降水儲量法適中,氫氧同位素技術(shù)依賴地表徑流量。但基于氫氧同位素技術(shù)估算流域水源涵養(yǎng)量需要至少需要一年的數(shù)據(jù)序列,與傳統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量估算方法相比,成本高效率低?？梢?基于同位素技術(shù)刻畫水源涵養(yǎng),其優(yōu)勢是水源涵養(yǎng)過程刻畫和作用解析。

表2 常用水源涵養(yǎng)量估算方法定性對比

4.2 水源涵養(yǎng)過程、能力、作用三方面結(jié)合

流域MRT可以用于表征流域水分的涵養(yǎng)過程,借助水分來源識別還可以進一步明確涵養(yǎng)水分供給植物吸收利用、補給河道徑流的作用,有助于理清水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重疊問題[28, 31]。水量平衡法通常將生態(tài)系統(tǒng)作為“黑箱”處理,應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)的水分來源識別為認識黑箱內(nèi)的組分及其變化提供了可能。例如,用蓄水能力法估算土壤層的水源涵養(yǎng)量,與基于氫氧同位素技術(shù)的水分滯留時間估算相結(jié)合,可以獲得土壤層的水源涵養(yǎng)過程(此時采樣點應(yīng)為土壤層底部水分,而非流域出口徑流),進一步與基于氫氧同位素的水分來源識別向結(jié)合,可揭示土壤層涵養(yǎng)的水分供給植物吸收利用和補給河道徑流的組分,從而賦予水源涵養(yǎng)更加明確和豐富的內(nèi)涵與意義。

下墊面滲透性既影響流域水源涵養(yǎng)能力,又影響流域水源涵養(yǎng)過程,因此水源涵養(yǎng)能力與過程在內(nèi)涵上具有一定關(guān)聯(lián)。但這一關(guān)聯(lián)可能受景觀格局或者土地利用結(jié)構(gòu)等因素影響[74-76]。不同土地利用類型通常具有不同的水源涵養(yǎng)能力,但流域水源涵養(yǎng)過程是土地利用結(jié)構(gòu)的綜合體現(xiàn),無法通過某一土地利用類型表征。應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)估算MRT,可將水源涵養(yǎng)能力估算與水源涵養(yǎng)過程刻畫相結(jié)合,結(jié)合水分來源識別,可將水源涵養(yǎng)能力、過程、作用的刻畫相結(jié)合,使水源涵養(yǎng)研究從量的估算向過程、內(nèi)涵的刻畫邁進一步,對于科學(xué)評估生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)具有重要意義。

4.3 基于氫氧同位素刻畫水源涵養(yǎng)的尺度性

基于氫氧同位素技術(shù)刻畫水源涵養(yǎng)過程有其尺度適用性?？臻g尺度上,水分平均滯留時間的估算方法決定著其水源涵養(yǎng)刻畫限定在坡面或流域尺度,流域面積多在0.01—100 km2之間[36,77]。這一空間范圍是由水分平均滯留時間估算方法的原理決定的,由公式2可知,平均滯留時間估算以流域降水與徑流氫氧同位素季節(jié)變化模擬為前提,當(dāng)流域面積過小,這一季節(jié)變化容易被降雨干擾,擬合函數(shù)難以反映降水與徑流同位素季節(jié)變化的差異。當(dāng)流域面積過大,水分滯留時間過長,導(dǎo)致擬合函數(shù)難以有效模擬,這不僅限制了應(yīng)用的空間尺度,同時還限制了時間尺度。

時間尺度上,基于氫氧同位素估算的MRT的理論基礎(chǔ)(公式3)是降水與徑流同位素的回歸函數(shù)振幅差異,其應(yīng)用至少需要一年的同位素變化序列,因此估算的也是年水源涵養(yǎng)量。由于基于氫氧同位素估算MRT的基礎(chǔ)是回歸函數(shù)振幅的差異,那么隨著MRT的增長,振幅差異會越來越小直至難以通過回歸函數(shù)有效模擬,因此基于氫氧同位素估算MRT通常存在應(yīng)用上限。應(yīng)用18O估算的MRT通常在5a以下,因為更長的水分滯留時間導(dǎo)致難以觀測到18O同位素的周期變化[24,36]。而3H具有更長的半衰期(12.32a),因此應(yīng)用3H估算MRT的應(yīng)用上限可以與其半衰期相當(dāng)[36,43],但3H在降雨中含量較低,因此在應(yīng)用時也要考慮實際檢測精度。

5 總結(jié)與展望

穩(wěn)定同位素技術(shù)廣泛應(yīng)用于流域水文過程的刻畫,在水源涵養(yǎng)研究從靜態(tài)向動態(tài)方向轉(zhuǎn)變的過程中,迫切需要基于氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)研究框架。以氫氧同位素示蹤技術(shù)為基礎(chǔ),從水分平均滯留時間估算和水分來源識別兩個方面,引出了水源涵養(yǎng)過程刻畫、能力估算及作用解析三個方面,總結(jié)了基于氫氧同位素技術(shù)的流域水源涵養(yǎng)研究框架,并分析了其在時間、空間尺度上的適用性,辨析了水源涵養(yǎng)過程、能力和作用三方面相結(jié)合的可能性,最后與傳統(tǒng)水源涵養(yǎng)方法做了比較?？傮w上,應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)研究優(yōu)勢在于水源涵養(yǎng)過程和藍綠作用的刻畫,有助于水源涵養(yǎng)過程、能力和作用綜合分析,為傳統(tǒng)水源涵養(yǎng)研究提供了新的視角。

水源涵養(yǎng)研究在逐步從能力估算向過程刻畫、作用解析轉(zhuǎn)變,氫氧同位素示蹤技術(shù)為這一轉(zhuǎn)變提供了可能性,使流域水源涵養(yǎng)的內(nèi)涵更加豐富和明確。傳統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力估算方法為基于氫氧同位素技術(shù)的水源涵養(yǎng)研究提供了必要基礎(chǔ),同位素技術(shù)為水源涵養(yǎng)研究的拓展提供了新的思路和方法。未來應(yīng)用氫氧同位素的水源涵養(yǎng)研究可能的發(fā)展方向包括：(1)單一方法向多方法結(jié)合轉(zhuǎn)變:如同位素技術(shù)與蓄水能力法相結(jié)合,解析土壤層的水源涵養(yǎng)能力及生態(tài)效益、價值；(2)水源涵養(yǎng)單一方面刻畫向多方面刻畫轉(zhuǎn)變：在水源涵養(yǎng)研究中,僅僅估算水源涵養(yǎng)量往往是不夠的,借助同位素技術(shù)理解水源涵養(yǎng)過程及作用,有助于明確水源涵養(yǎng)的內(nèi)涵及實際意義；(3)水源涵養(yǎng)從靜態(tài)刻畫向動態(tài)刻畫轉(zhuǎn)變：水源涵養(yǎng)量的估算往往是靜態(tài)的,一定程度上忽略了生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)性,基于氫氧同位素技術(shù)刻畫水源涵養(yǎng)過程、解析水源涵養(yǎng)作用,為準(zhǔn)確評估生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)價值提供了可能。