LI-2100：水汽來源復(fù)雜性對(duì)內(nèi)陸山區(qū)降水穩(wěn)定同位素海拔效應(yīng)的影響

祁連山脈位于青藏高原北部、河西走廊南側(cè)，由多條平行的山脈組成，呈西北向東南延伸。石羊河流域上游是重點(diǎn)研究區(qū)域，海拔西南高、東北低，發(fā)源于祁連山脈北坡的冷龍嶺，流經(jīng)青藏高原，由西南向東北流動(dòng)。該地區(qū)年降水量200~700 mm，月平均降水量24~51 mm，屬于大陸性高山氣候，受東亞季風(fēng)、高原季風(fēng)和西風(fēng)影響。不同海拔對(duì)氣候影響顯著，山區(qū)年平均氣溫低于6℃，隨海拔升高而降低。相對(duì)濕度隨海拔增加而增加，反映了多種水汽來源的影響。

圖1 西北地區(qū)北麓的位置，(a)研究區(qū)采樣點(diǎn)位置，圖(a)左上：研究區(qū)水分來源（箭頭大小表示重要性）；(b)山區(qū)采樣點(diǎn)位置；(c)祁連山北坡降水量與氣溫月平均變化。

來自西北師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在祁連山北坡6個(gè)采樣點(diǎn)共采集降水樣品863個(gè)，其中雪樣出現(xiàn)在冬季（1月、2月、12月），雨樣出現(xiàn)在3月至11月，采樣期間共采集雪樣61個(gè)、雨樣802個(gè)（表1）。在研究區(qū)5個(gè)采樣點(diǎn)共采集地表水（河水）樣品372個(gè)，在研究區(qū)5個(gè)采樣點(diǎn)共采集植物水樣品92個(gè)，采樣時(shí)間為2016年10月至2020年9月。每次降水事件后，用雨量計(jì)采集降雨樣品并立即放入50 ml聚乙烯采樣瓶中，同時(shí)記錄降水量，最后用封口膜蓋緊封口并冷藏保存。地表水樣品每次采集后也立即密封冷藏。同時(shí)利用自動(dòng)氣象觀測(cè)儀器記錄氣溫、降水、相對(duì)濕度、大氣壓等氣象要素。分析時(shí)，植物水由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。δ²H和δ¹⁸O測(cè)定在西北師范大學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，每個(gè)水樣和同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品連續(xù)進(jìn)樣6次。

表1 采樣點(diǎn)基本信息

通過對(duì)2016年10月至2020年9月降水穩(wěn)定同位素分析，確定祁連山水線（LMWL）為：δ²H = (7.78±0.05)δ¹⁸O+ (10.97±0.52) (R²=0.97, n=863, p<0.05)。其斜率小于大氣水線，截距大于大氣水線，反映歐亞大陸的地理氣候特征，氣候干旱，高海拔干冷。此外，祁連山北坡低水分線斜率呈現(xiàn)月變化：4月、5月和9月斜率分別為6.92、6.93和6.66，春秋季地表蒸發(fā)明顯；夏季（6-8月）斜率為7.32、7.26和7.31，降水增多，蒸發(fā)減少；10月至次年3月斜率均大于7.5（圖2），氣溫低，降水少。海拔降低導(dǎo)致斜率和截距減�。▓D3）。在西營(yíng)（M4）和武威（M6），降水同位素出現(xiàn)突變。西營(yíng)（M4）的異常因水庫(kù)增加濕度，武威（M6）則因人類活動(dòng)和水源集中。

圖2 研究區(qū)內(nèi)各月份及不同采樣點(diǎn)的LMWL。（a–l）表示1至12月祁連山帶北坡LMWL，（m–r）表示研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)的LMWL。

圖3 研究區(qū)域內(nèi)各月當(dāng)?shù)?/span>大氣降水線 (LMWL) 的斜率和截距 (a) 和不同采樣點(diǎn) (b) 的比較。

圖4 不同月份的祁連山帶北坡原始后向軌跡聚類分析。圖中百分比值代表來自各個(gè)方向的氣團(tuán)對(duì)研究區(qū)域的水汽貢獻(xiàn)比例。

圖5 氣象水文過程對(duì)祁連山北坡降水穩(wěn)定同位素海拔效應(yīng)的影響。（a）降水穩(wěn)定同位素海拔效應(yīng)的月變化，圖中連線表示海拔梯度及誤差的月變化。（b）降水中循環(huán)水比例及相對(duì)濕度的月變化。（c）降水量和氣溫的月平均變化。（d）雨滴蒸發(fā)殘留率的月變化。

石羊河上游位于青藏高原北部的祁連山北坡，降水除受當(dāng)?shù)貧庀笏�文過程影響外，還受到平流水汽的影響。祁連山北坡當(dāng)?shù)卮髿饨邓�線（LMWL）為：δ²H =（7.78±0.05）δ¹⁸O +（10.97±0.52）（R² = 0.97，n = 863，p < 0.05），表明夏半年當(dāng)?shù)卮髿饨邓�線的斜率小于冬半年。祁連山北坡降水穩(wěn)定同位素的海拔效應(yīng)在各季節(jié)的變化順序?yàn)槎��?lt;秋季<春季<夏季，表明海拔效應(yīng)受當(dāng)?shù)貧庀笏�文過程的顯著影響。研究區(qū)水汽主要來源于四個(gè)方向：西部、東北部、東南部和高原南部。來自東北和東南方向的水分具有較短的傳輸路徑和較慢的速度，而來自西北和西南方向的水分具有較長(zhǎng)的遷移路徑和較快的速度。降水中穩(wěn)定同位素的海拔效應(yīng)變化在很大程度上取決于水分方向和氣團(tuán)特征，表現(xiàn)為四種不同的情況：

1、平流水分垂直于山脈，氣團(tuán)遷移速度較慢，加劇了海拔效應(yīng)。

2、當(dāng)平流水分（主要來源）與山脈方向平行，氣團(tuán)移動(dòng)距離長(zhǎng)且速度快時(shí)，海拔效應(yīng)變得不那么明顯。

3、盡管平流水分占主導(dǎo)地位，但相當(dāng)一部分地表蒸發(fā)水會(huì)削弱觀察到的海拔效應(yīng)。

4、主要來源是平流水分，表現(xiàn)為沿斜坡向下的反向氣流，在研究區(qū)域引入了反海拔現(xiàn)象。