楊守業(yè)，王 朔，連爾剛，李 超，楊承帆，劉鵬飛，鄧 凱

（同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092）

河流系統(tǒng)是地球表面水循環(huán)、碳循環(huán)和營養(yǎng)物質交換的最主要通道，是陸地水生生物多樣性的基礎，也是海陸間聯(lián)系的主要紐帶［1］。河流水循環(huán)過程的深入研究對理解流域水文過程、河流入海物質循環(huán)、水環(huán)境演化以及全球氣候變化和人類活動影響下水質污染控制、水資源利用與管理具有重要研究意義。徑流組成是影響河流水循環(huán)的基本問題，長期以來傳統(tǒng)的水文學方法對河流進行基流分割往往依賴于經驗和推理模式，對徑流組成的認識停滯多年。直到上世紀50年代氫氧同位素的引入才開始“破冰”，對流域地表水循環(huán)有了新的認識。氫氧同位素是自然水體的天然示蹤劑，受水體相變過程中平衡分餾和動力分餾影響，不同水體具有不同的同位素組成，被廣泛應用于水循環(huán)研究，包括指示不同水團和水體的起源和形成、示蹤水循環(huán)運動過程和途徑、估計水循環(huán)速率、估算蒸散發(fā)通量、判定不同水體之間的相互轉換關系等［2-3］。

隨著同位素水文學的發(fā)展，氫氧同位素示蹤技術已經成為研究河流水循環(huán)的最主要手段之一。自2002年國際原子能機構提出建立全球河流同位素觀測 網(wǎng) 絡（Global Network of Isotope in Rivers，GNIR），全球約20條大河流域開展了系統(tǒng)的氫氧同位素觀測。其中，研究程度較高的世界性大河包括多瑙河（Danube）、亞馬遜河（Amazon）、密西西比河（Mississippi）、麥肯遜河（Mackenzie）等［4-6］。然而，長江作為世界第三大河，亞洲第一大河，具有上游高壩大庫、中游河湖交互、下游工業(yè)區(qū)發(fā)達的特色，氣候變化與人類活動顯著影響流域水循環(huán)過程，其水體氫氧同位素研究仍非常薄弱。

長江流域河水氫氧同位素的研究迄今已有40余年。已有研究主要報道了長江干流不同站點河水氫氧同位素的季節(jié)性波動及其影響因素［7-12］；分析了干流河水氫氧同位素空間變化特征，發(fā)現(xiàn)干流河水同位素組成沿程逐漸偏正的特點［11，13-15］。長江中下游湖泊密布，不少研究集中討論了長江中下游湖泊水體氫氧同位素組成以及河水與湖泊的交互關系［16-17］。另外，不同年份的河水氫氧同位素組成及空間變化特征對比還用于討論氣候變化對水循環(huán)的影響［18］。然而，關于長江流域河水氫氧同位素高分辨率的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)卻鮮見報道，并且關于大壩建設對流域水循環(huán)影響的同位素示蹤研究也相對較少。

因此，本研究于2012―2015年6次對長江干流、主要支流系統(tǒng)進行采樣，同時在下游南通站點開展3個水文年的連續(xù)觀測取樣。通過氫氧同位素組成分析，闡述了長江干流河水氫氧同位素組成、空間變化規(guī)律以及不同時間尺度的變化特征，重點闡明長江中下游洪峰過程河湖交互關系，大壩建設對長江流域水循環(huán)過程的影響。該研究可為人類活動和氣候變化影響下的長江水污染治理、地表水時空調配、水資源的可持續(xù)開發(fā)模式提供科學指導，并促進長江水循環(huán)和水環(huán)境研究深入交叉，推動長江大保護背景下的流域水資源科學管理。

1 研究區(qū)域概況

長江是中國第一大河，發(fā)源于“世界屋脊”青藏高原的唐古拉山脈格拉丹冬峰西南側，其干流流經11省、市、自治區(qū)。長江干流全長6 300余公里，流域面積達180×104km2。長江分為3個主要河段：源頭至宜昌段為上游，長4.5×103km，流域面積1.0×106km2；宜昌至湖口段為中游，長950 km，流域面積6.8×105km2；湖口以下為下游，長938 km，流域面積1.2×105km2（圖1）。長江中下游地區(qū)湖泊密布，湖泊總庫容約為46 km3。長江流域的水利工程發(fā)達，目前已修建了近50 000余個水庫，總庫容高達288 km3，相當于長江年平均流量的28%。長江流域氣候分別屬于青藏高寒區(qū)、西南熱帶季風區(qū)和華中亞熱帶季風氣候區(qū)。長江流域降雨時空差異顯著，多年平均降雨量約為1 100 mm，主要集中在5―10月，約占全年70%～90%以上。長江流域上游源區(qū)以草地為主，中下游以耕地為主。長江流域集中了全國40%的經濟總量，提供了我國36.5%的水資源，50%的內河通航里程，是全國重要的經濟走廊、水電開發(fā)的主要基地、水資源配置的戰(zhàn)略水源地、連接東中西部的“黃金水道”。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

本研究分別于2012、2013、2014年4月，2013年6、7月，以及2014年7月系統(tǒng)采集長江流域干流及主要支流河水樣品、湖水樣品；于2012年11月至2015年11月期間，在長江下游南通站采集了123個干流河水時間序列樣品。共計采集河水樣品259個，湖水樣品18個，采樣站位如圖1所示。現(xiàn)場采用0.45 μm孔徑的醋酸纖維濾膜進行過濾，濾液快速轉移至50 mL的聚乙烯（HDPE）瓶，裝滿、密封并4℃冷藏保存。

圖1 長江流域及樣品站位示意圖Fig.1 Map of the Yangtze River catchment and the locations of sampling

所有水樣的穩(wěn)定氫氧同位素組成均在同濟大學海洋地質國家重點實驗室用LGR公司的液態(tài)水同位素分析儀（型號：TWIA-45EP）進行測試分析。采用LGR公司提供的據(jù)V-SMOW（維也納標準平均海水）配置的二級工作標樣（LGR3B、LGR4B、LGR5B）。按照LGR3B（3個樣品）-LGR4B（3個樣品）-LGR5B（3個樣品）序列進行測試，每個樣品進行8次重復分析，剔除前3次避免記憶效應，后5次取平均值，測試精度：δ18O＜0.1‰、δD＜0.5‰。所有測試結果δ用相對于VSMOW的千分差來表示

式中：RS和RV-SMOW分別為水樣和V-SMOW中的氫氧同位素比值。

2.2 其他數(shù)據(jù)來源

前人報道的長江干流、主要支流河水以及湖水的氫氧同位素數(shù)據(jù)來源于文獻［7-11，13-15］。長江干流宜昌（YC）、大通（DT）水文站，支流城陵磯（CLJ）、湖口（HK）水文站的逐日徑流資料來源于長江水利網(wǎng)。大氣降水氫氧同位素資料主要來源于全球降水同位素觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)（Global Network of Isotopes in Precipitation，GNIP）和中國大氣降水觀測網(wǎng)（Chinese Network of Isotopes in Precipitation，GHNIP）的數(shù)據(jù)［19］。三峽庫區(qū)水位數(shù)據(jù)來源于全國水雨情信息網(wǎng)。

3 結果與討論

3.1 長江干流河水氫氧同位素組成與河水線

依據(jù)2012―2014年期間長江流域干流不同季節(jié)的100個氫氧同位素數(shù)據(jù)，結合文獻報道的2003―2009年期間233個干流河水氫氧同位素數(shù)據(jù)，研究結果顯示，長江干流河水自上游到下游，氫氧同位素總體呈現(xiàn)逐步偏正的特征。其中，δD變化為-112.0‰～-28.9‰，δ18O變化為-15.4‰～-5.4‰；汛期δD變化為-110.8‰～-38.0‰，δ18O變化為-15.3‰～-6.3‰（圖2）。

由此，重新計算了長江干流枯季、汛期以及多年平均河水線方程。其中，多年平均河水線方程為：δD=7.56±0.11δ18O+6.75±1.04，R2=0.939 9，p＜0.000 1；枯季河水線方程為：δD=7.64±0.13δ18O+7.42±1.24，R2=0.948 6，p＜0.000 1；汛期河水線方程為：δD=7.44±0.18δ18O+5.75±1.85，R2=0.925 7，p＜0.000 1。如圖2所示，長江流域多年平均河水線方程的斜率、截距與長江流域多年平均大氣降水線方程δD=7.54δ18O+7.34［7］基本一致，表明河水主要來源于大氣降水。長江流域大氣降水線的斜率、截距均比全球大氣降水線（GMWL）低，與長江流域降水在未飽和大氣中降落時重同位素的蒸發(fā)富集作用有關［20］。前人報道的長江流域干流河水線斜率變化為4.18～9.0，這是由于長江干流河水受大氣降水、地下水補給、蒸發(fā)、支流匯入等諸多因素影響，不同年份、季節(jié)乃至不同采樣時期的水文條件差異所致［7，11，13-15］。此外，枯季河水線的斜率變化大（4.18～9.00），而汛期河水線的斜率波動較?。?.36～7.93），表明枯季干流河水受蒸發(fā)作用、不同來源水體補給影響顯著，而汛期則主要來源于大氣降水，斜率與大氣降水比較接近。

圖2 長江流域干流多年平均河水線方程（a）及上中下游洪枯季δD（b）和δ18O（c）同位素組成箱式圖Fig.2 Multi-year average river water line of the mainstream of Yangtze River(a);Box plots ofδD(b),and δ18O(c)in upper,middle and lower mainstream of the Yangtze River

3.2 長江流域河水δ18O的沿程變化

如圖3所示，由于δ18O與δD的沿程變化趨勢基本一致，故本研究僅討論長江流域干、支流水體δ18O從源頭到河口的沿程變化特征。自源頭到河口，長江流域干流、支流河水的δ18O總體上表現(xiàn)為逐步升高的趨勢，與大氣降水同位素組成由海向內陸逐漸偏負的空間變化趨勢一致，河水的δ18O同位素也存在大陸效應［6，14］。值得注意的是，從攀枝花到長江源區(qū)，長江干流河水δ18O同位素變化趨勢與大氣降水不同，表現(xiàn)出逐漸偏正的規(guī)律。源區(qū)沱沱河河水δ18O平均值為-10.2‰，較區(qū)域大氣降水同位素（δ18O約為-14.0‰～-12.0‰）略偏正，這是由于長江源區(qū)廣泛發(fā)育高原湖泊和沼澤［21］，在氣候干燥、日照強烈的條件下，經過長期蒸發(fā)作用湖水同位素偏正，源區(qū)干流河水受湖泊補給的影響而略顯偏正［14］。從源頭到攀枝花，該河段河水主要受大氣降水和冰雪融水的補給，且樣品采集正值7月份，受同位素偏負的冰雪融水補給影響，導致河水表現(xiàn)出“反大陸效應”的特點（圖3b），在攀枝花達到最低值（δ18O為-12.7‰～-15.4‰）。

另外，不同季節(jié)之間干流河水氫氧同位素的沿程變化也基本一致。其中，枯季上、中、下游干流河水δ18O平均值分別為（-11.7±1.0）‰、（-8.9±2.0）‰和（-7.4±0.8）‰，汛期上、中、下游干流河水δ18O平均值分別為（-11.6±1.8）‰、（-8.9±0.9）‰和（-7.7±0.7）‰。然而，枯季從宜賓到三峽大壩河段，同位素組成沿程變化較平緩（變化約為2‰），而在汛期該河段顯著性偏正約4‰，反映了三峽大壩攔蓄作用的顯著影響。蓄水時三峽庫區(qū)從重慶到宜昌逐漸混合均一化，δ18O沿程變化平緩；而汛期三峽大壩排水，三峽庫區(qū)重慶到宜昌水體滯留時間短，水體混合弱，δ18O沿程變化較顯著（圖3）。

圖3顯示，在雅礱江、岷江、沱江、烏江、洞庭湖、鄱陽湖等主要支流匯入之后，長江干流河水δ18O顯著升高，尤其是枯季中下游洞庭湖、鄱陽湖受蒸發(fā)作用影響，δ18O偏正的湖水匯入造成的影響最顯著，這表明長江干流河水δ18O的沿程變化顯著受支流匯入的影響。此外，長江北側的支流如雅礱江、岷江、沱江、嘉陵江與漢江，其河水δ18O明顯比長江南側的支流如烏江、清江、洞庭湖、鄱陽湖的δ18O偏負，反映了大氣降水的緯度效應。沱江、嘉陵江與岷江緯度相當，而岷江較沱江、嘉陵江河水δ18O顯著性偏負，主要是由于岷江的海拔較沱江和嘉陵江高，反映了大氣降水的海拔效應。

圖3 長江干、支流河水δ18O空間變化特征Fig.3 Spatial variations ofδ18O in the mainstream and major tributaries of the Yangtze River

綜上，長江流域河水主要來源于大氣降水，干流、主要支流河水的δ18O空間分布特征繼承了大氣降水的大陸效應、緯度效應以及海拔效應。同時，長江干流河水δ18O的沿程變化規(guī)律表明，河水δ18O的空間分布區(qū)域上的差異主要受不同來源、蒸發(fā)作用、人類活動（大壩調蓄）的共同影響。

3.3 長江干流河水δ18O的季節(jié)變化

根據(jù)流域內河水與降水的同位素組成以及季節(jié)性變化，可以了解流域內的水文過程。圖4為南通站長江河水δ18O季節(jié)性變化特征。在觀測期間，南通站河水δ18O在5月份最高，10月份最低，枯季11月至次年5月逐漸升高，而汛期6月至10月逐漸降低。流域加權平均大氣降水δ18O的變化表現(xiàn)為8月至次年4月逐漸升高，5月至7月逐步降到最低［12］。在枯季，南通站河水δ18O相對大氣降水偏負，而在5月之后，隨著長江中下游季風降雨的爆發(fā)，降水量增強，降水δ18O急劇下降，河水δ18O也隨之急劇下降。季風降雨期間，河水的δ18O與大氣降水δ18O基本一致（差異＜1.0‰）且略顯偏正，這表明汛期河水主要受季風降水補給［7，8，14］，且受夏季高溫條件下蒸發(fā)作用的影響導致同位素組成略偏正［14］。比較大氣降水和河水的δ18O季節(jié)性變化幅度，南通站河水δ18O的平均變化幅度為2.6‰，而大氣降水的平均變化幅度為6.1‰，這表明河水中δ18O的變化不僅受到大氣降水的影響，還受到諸多其他因素的影響，如與土壤水、地下水、水庫以及湖泊水的交換［5，6，22］。

圖4 長江下游干流河水δ18O與流域平均大氣降水δ18O季節(jié)性變化Fig.4 Seasonal variations ofδ18O in river water in the lower Yangtze River reaches and in pre?cipitation over the Yangtze River catchment

南通站河水δ18O季節(jié)性變化主要受季風降水的控制，還受不同支流貢獻的影響。長江中下游的湖泊受蒸發(fā)作用影響而明顯富集重同位素［16，17，23］，湖泊水體的匯入會導致下游河水同位素組成的顯著變化［7，14］。因此，本文結合湖泊貢獻的季節(jié)性變化來分析長江下游河水同位素組成與湖泊貢獻的關系。湖泊貢獻可以簡單地通過流量近似計算，即

式中：湖泊流量為長江中下游洞庭湖與鄱陽湖的流量值和；宜昌流量為上游來水的貢獻。

如圖5所示，南通站河水的δ18O與湖泊貢獻的變化基本一致，隨著湖泊貢獻的增加，南通站河水δ18O逐漸偏正，表明長江下游河水δ18O的月際變化顯著受長江上游和湖泊來水比例的控制，上游來水比例的變化反映了三峽大壩的季節(jié)性蓄排水過程。此外，南通站河水的δ18O與湖泊貢獻的月際變化存在約17 d的相位滯后，非線性擬合的R2=0.70表明其相關關系非常好，且枯季和汛期河水同位素極值與流量比值過程線的極值均吻合較好，與前人報道的研究結果一致［12］。這表明宜昌至南通干流河水的平均運移時間約為17 d，可為點源污染物的擴散，下游河口區(qū)鹽水入侵的響應研究提供參考。

圖5 三峽水庫水位、南通站河水δ18O以及湖泊流量貢獻時間序列變化Fig.5 Time series of water level at the Three Gorges Reservoir,temporal variation ofδ18O in the Yangtze River water and the lake contribution at Nantong Station

3.4 河水δ18O指示洪峰過程河湖關系

在全球變暖的背景下，水循環(huán)加劇，極端氣候事件增多，如洪水、干旱等災害頻發(fā)。極端氣候事件對人類社會和生態(tài)系統(tǒng)均產生重大影響。長江中下游地區(qū)人口稠密、經濟發(fā)達，洪澇災害是長江流域長期以來備受關注的熱點問題。近10年來長江中下游地區(qū)頻繁發(fā)生一系列大洪水事件（如2016和2020年夏季“50年一遇”的大洪水），嚴重危害人民財產、社會經濟以及生態(tài)安全。因此，了解天氣尺度下河湖交互關系，對理解長江流域強降水洪峰過程的產流機制及其輸送的溶解物質來源解析至關重要。

為便于對比南通站河水δ18O與流量關系，將觀測期間大通水文站的流量進行標準偏差標準化，即

式中：ΔQ為標準化流量（量綱一）；Q為流量，m3·s-1；χ為流量平均值，m3·s-1；σQ為流量的標準偏差，m3·s-1。

由于大通到河口基本沒有大型支流或者湖泊的匯入，且徐六涇站年平均流量較大通站僅多240 m3·s-1［24］，與計算得到的多年（2003―2019）平均流量27 318.6 m3·s-1相比，基本可以忽略不計，因此南通站的流量采用大通站的流量進行討論。如圖6所示，定義-0.5＜ΔQ＜0.5代表正常的流量狀態(tài)，-1.5＜ΔQ＜-0.5代表低流量狀態(tài)，0.5＜ΔQ＜1.5代表高流量狀態(tài)，而ΔQ＜-1.5或者ΔQ＞1.5代表極端流量（洪峰過程）狀態(tài)。

如圖6所示，河水δ18O隨著流量的增加先逐漸偏正后逐漸偏負，反映了上游來水與中下游支流來水相對貢獻比例的變化。然而，在流量極值（即洪峰事件）過程中，河水的δ18O明顯偏正，δ18O變化為-7.0‰～-5.6‰，這與長江中下游季風降雨時期降水同位素的“雨量效應”相矛盾。汛期長江流域中下游的常熟、桃源、鷹潭等諸多GNIP、CHNIP站位的大氣降水加權平均值為-5.4‰～-10.7‰［19］；且長江中下游大氣降水5月至7月降雨量效應明顯，強降水事件雨水同位素一般偏負［25］，強降水過程徑流一般繼承了降水“雨量效應”引起的同位素偏負信號［7］，而這些洪峰過程的徑流卻表現(xiàn)出同位素值偏正，顯然洪峰過程的徑流不是直接來源于大氣降水。

圖6 長江下游干流河水δ18O與標準化流量關系圖Fig.6 Relationship between δ18O and discharge anomaly(ΔQ)in the lower mainstream of the Yangtze River

前人研究表明，強降水過程中的水力聯(lián)通與暴雨水力擠壓，會導致流域內經歷蒸發(fā)作用的湖泊、濕地、水稻田積水、農業(yè)灌溉下滲水以及地下水泄出，這些水體δ18O偏正及對河水的貢獻顯著增加往往造成徑流洪峰河水δ18O偏正的現(xiàn)象［26-27］。長江流域中下游廣泛發(fā)育中小型湖泊和濕地，廣泛種植水稻田，且3月至6月是長江中下游農灌的高峰期［21，24］，這些水體受蒸發(fā)作用影響明顯富集重同位素［17，23］。因此，洪峰過程對應河水同位素偏正，很可能是強降水導致中下游密布的湖泊群、濕地、水稻田、小型水庫以及地下水等的顯著貢獻造成的；尤其是輸送的氮、磷和碳很可能對長江中下游河段以及長江口海域的生物地球化學過程具有不容忽視的影響。前人觀測表明，洪水中的氮磷輸送通量比常態(tài)增加幾倍到幾十倍，流域內部一年內幾場強降雨事件就能貢獻50%以上的營養(yǎng)鹽年通量［28］，顯著改變了流域內乃至河口系統(tǒng)營養(yǎng)鹽的形態(tài)結構及其生物地球化學循環(huán)過程，可影響初級生產力、食物網(wǎng)、生物多樣性乃至整個水生生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能［29］。全球極端天氣事件加劇背景下，長江流域洪峰過程的水循環(huán)-營養(yǎng)鹽與碳循環(huán)及通量耦合分析，需加強不同時空尺度的洪峰過程的氫氧同位素觀測。值得注意的是，本研究的采樣頻率為每月2～6個樣品，亟待開展更高分辨率河水的氫氧同位素連續(xù)監(jiān)測工作。

3.5 大壩建設對長江水循環(huán)的影響

水電工程已經對全球陸地水循環(huán)產生了顯著的影響［30］。截至目前，長江流域已建不同規(guī)模的水庫5萬余座［31］。三峽大壩是世界上最大的水電工程之一，對下游流域、長江三角洲和東海環(huán)境具有重大的影響，主要體現(xiàn)在水文泥沙過程、水質、生態(tài)環(huán)境以及區(qū)域氣候變化等方面［32］，而流域內部大壩建設對長江地表水循環(huán)的影響卻鮮見報道。

圖7為三峽大壩建設前后長江流域大氣降水和長江干流河水δ18O月平均值距平季節(jié)性變化模式［33］。從圖7可以看出，1980年代以來，長江流域大氣降水的δ18O季節(jié)性變化模式保持不變，都表現(xiàn)為12，月至5月份同位素月平均的距平值偏正，而6月至11月偏負，與長江流域季風降水同位素變化特征相吻合。然而，2004年以來，長江干流河水δ18O月平均值距平相對于1980年代其季節(jié)性轉換時間從6月至7月之間滯后到現(xiàn)在的7月至8月之間，滯后約1個月左右。河水同位素信號滯后于大氣降水同位素信號與諸多因素有關，包括溫度、土壤與植被蒸發(fā)、與地下水交換，以及由滲透過程引起的降水在流域內部的通過時間。1980年代，長江流域幾乎沒有大型水利工程建設，河水同位素季節(jié)性轉換時間相對于大氣降水同位素季節(jié)性轉換時間滯后約1個月，這表明長江河水對大氣降水的響應時間滯后約1個月，是流域內降水經多種途徑進入河水的滯留時間背景。然而，2003年三峽大壩建設后河水同位素變化則滯后于大氣降水約2個月。長江流域過去30多年流量相對穩(wěn)定，且氣溫和相對濕度基本保持不變，河水同位素季節(jié)性變化模式的改變，推測為1990年以后長江流域大規(guī)模大壩建設導致［33］。

圖7 1980—1990年與2003年后長江流域大氣降水、干流河水δ18O月平均值距平季節(jié)性變化特征Fig.7 Monthlyδ18O anomaly in the precipitation and Yangtze River water in 1980s-1990s and after 2003

同時，前期研究結果顯示，長江流域水庫平均河水年齡在1981―1990年間保持不變，約為（0.26±0.03）月；而到了2003年三峽大壩蓄水以來，庫區(qū)河水的年齡則逐漸變大，變化范圍為1.06～2.38月，平均約（1.67±0.38）月［33］。2003年以后，大壩建設導致的河水平均年齡較20世紀80年代約增加了（1.41±0.41）月，與河水δ18O季節(jié)性轉換時間滯后1個月相吻合，表明長江流域大規(guī)模的大壩建設，使長江流域儲水能力呈指數(shù)型增長，大壩的攔蓄作用導致河水滯留時間增加了約1個月。由于水庫蒸發(fā)作用占中國水消耗量的22%［34］，因此大壩的攔蓄作用除了改變長江流域水循環(huán)季節(jié)性變化模式，也會影響長江流域的蒸發(fā)作用從而影響流域水循環(huán)過程。

此外，河水δ18O沿程變化也表明大壩的攔蓄作用會導致上游來水在三峽庫區(qū)滯留時間變長，水體混合均一化（圖3）。Deng等［35］對比了三峽大壩建設過程中不同年份枯季干流河水過量氘（δD-8δ18O）沿程變化規(guī)律，結果顯示在2003―2006年期間，長江干流河水過量氘的沿程波動較大，而2008年之后長江干流河水過量氘的沿程波動較小，反映了三峽大壩蓄水過程中隨著庫容的增大，其對上游來水的滯留與均一化作用也逐步增強［35］（圖8）。大壩的建設導致河流湖庫化，尤其是長江上游梯級電站的開發(fā)將顯著影響河水滯留時間，改變河流水文和生物地球化學過程，從而調整營養(yǎng)鹽從流域向海洋輸送的過程與通量，如三峽大壩對溶解硅來源的調節(jié)［36］，庫區(qū)水體富營養(yǎng)化加速碳循環(huán)過程并排放溫室氣體等［37］。此外，在利用地表水同位素空間變化梯度進行氣候模型的研究時需要考慮人類活動的影響。

圖8 長江中下游過量氘波動范圍的年際變化與三峽庫區(qū)水位的關系Fig.8 Correlation between the fluctuations of d-excess along the mid-lower mainstream of the Yangtze River and the water level at the Three Gorges Reservoir

4 結論

本文系統(tǒng)匯總了過去多年長江干、支流水體的氫氧同位素組成，通過高分辨率的時空變化分析，取得主要認識如下：

（1）長江干流河水枯季δD為-112.0‰～-28.9‰，δ18O為-15.4‰～-5.4‰；汛期δD為-110.8‰～-38.0‰，δ18O為-15.3‰～-6.3‰。重新計算得到長江干流多年平均河水線方程：δD=7.56±0.11δ18O+6.75±1.04，n=333，R2=0.939 9，p＜0.000 1。

（2）長江干流河水δ18O組成的空間變化受不同來源（降水、融雪、地下水、支流混合等）、蒸發(fā)作用以及人類活動的共同影響，并表現(xiàn)出大陸效應、緯度效應和海拔效應。長江河水同位素組成的季節(jié)性變化主要受季風降雨和三峽大壩調蓄影響。季節(jié)尺度上，下游干流河水δ18O波動主要取決于季風降水補給影響，枯季偏正汛期偏負；月際尺度上下游干流河水δ18O波動受到三峽大壩蓄排水、湖泊貢獻的影響；天氣尺度上，洪峰事件可以導致河水δ18O異常偏正，反映中下游湖泊群、農業(yè)灌溉水、土壤下滲水以及地下水等的顯著貢獻。

（3）利用南通站連續(xù)觀測同位素資料和長江流量資料，估算長江河水從宜昌流到南通的運移時間約為17 d，可以為點源污染物的遷移擴散、下游河口區(qū)鹽水入侵的響應研究提供參考。

（4）長江流域的大規(guī)模大壩建設顯著影響長江流域地表水循環(huán)過程。三峽大壩的蓄水導致長江干流河水過量氘沿程變化逐步趨于均一化。河水δ18O季節(jié)性變化相位較大氣降水δ18O季節(jié)性變化的相位從1980―2000年的滯后1月延長到2000年以后的滯后約2個月，反映了近20年流域大壩建設對長江流域水體的顯著滯留作用，水體在河流系統(tǒng)中的滯留時間增加了約1個月。

目前，伴隨著長江上游多座超大型水庫的建設，長江上游已經形成了世界上規(guī)模最大的流域梯級水庫群。長江干流梯級水庫以及支流密布的中小型水電站共同產生的累積效應，包括水體滯留時間變化、對洪水脈動的擾亂以及改造降水-河水-湖水-地下水-土壤水-植物水的相互轉化關系等，都將顯著改變流域水循環(huán)和生物地球化學過程，進而顯著影響河口與近海水環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)。如何處理水庫巨大社會經濟效益和潛在生態(tài)風險的矛盾，是一個具有全球意義的科學難題。在長江大保護背景下，需要將河流-水庫湖泊-河口-近海系統(tǒng)視為連同體，開展陸海的水循環(huán)-生源要素循環(huán)-碳循環(huán)耦合研究。氫氧同位素方法作為經典的水循環(huán)示蹤指標，可為不同時空尺度人類活動與氣候變化背景下的大河流域水循環(huán)變化過程提供更多數(shù)據(jù)約束。今后亟需加強長時間尺度和高分辨率的多種同位素聯(lián)合觀測，促進多學科交叉，將筑壩河流生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和異質性進行參數(shù)化（如水體滯留時間、流域新水比例等），科學評估世界性大河的水循環(huán)過程及其生態(tài)環(huán)境影響，為制定和落實水環(huán)境保護政策和流域綜合治理提供科學依據(jù)。

作者貢獻聲明：

楊守業(yè)：制定整個研究方案，論文撰寫和審閱。

王 朔：數(shù)據(jù)處理及論文撰寫。

連爾剛：設計思路，樣品采集與分析，論文撰寫和審閱。

李 超：樣品采集，論文審閱及修改。

楊承帆：樣品采集與分析。

劉鵬飛：樣品采集與分析。

鄧 凱：數(shù)據(jù)分析和論文審閱。