中国环境科学 2021,41(4)：1824~1833 China Environmental Science 鄱阳湖典型湿地地下水—河湖水转化关系 许秀丽1，李云良2*，谭志强2，郭强1 (1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，流域地理学重点实验室，江苏南京 210008) 摘要：选取鄱阳湖典型洪泛湿地为研究对象，分析了2018年4~10月降水、湖水、河水和湿地地下水的氢氧同位素变化特征，利用δ18O~δD关系确定了不同水文时期湿地各类水体的转化关系，并结合同位素端元混合模型估算了不同水源对湿地地下水的贡献分量.结果表明，研究区降雨δ18O和δD值在6~7月份偏小，其余月份较高，存在明显季节变化和雨量效应.河水、湖水同位素与降水同位素的季节变化规律基本一致，但受蒸发分馏影响，重同位素更为富集，且变化幅度远小于降水同位素.湿地地下水同位素的季节变化较小,δ18O、δD均值(-5.26‰,-31.1‰)高于大气降水(-6.32‰,-40.1‰)、低于湖水(-3.60‰,-26.4‰)，与河水同位素(-5.09‰,-34.4‰)较为接近，表明湿地地下水受降水、湖水和河水的共同影响. 涨水期(4~5月)河水的补给源为降雨和流域内地下径流，湖水主要受河水和降水共同补给，湿地地下水主要受前期降水和河水补给的滞后影响，河水的贡献比重更大.丰水期(6~8月)地下水主要接受湖水和河水共同补给，湖水的补给贡献比例超过50%，退水期(9~10月)湿地地下水向河道和湖泊等地表水体排泄. 关键词：稳定同位素；地下水；河水；湖水；转化关系；鄱阳湖湿地成都麓山国际别墅
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中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2021)04-1824-10
Groundwater, river water and lake water transformations in a typical wetland of Poyang Lake. XU Xiu-li1, LI Yun-liang2*, TAN Zhi-qiang2, GUO Qiang1 (1.College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；2.Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science, 2021,41(4)：1824~1833
Abstract：The characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in rainfall, lake water, river water, and wetland groundwater were investigated in a typical delta wetland of Poyang Lake during the period from April to O ctober in 2018. Based on the δ18O-δD relationships, the transformations between these different water sources in different hydrological periods were quantified. The contribution rates of different water bodies to wetland groundwater were further calculated using a mixed source model. The results showed that, in general, the rainfall δ18O and δD values were lower in June and July and were higher in other months of the year. The rainfall isotopes exhibit obviously seasonal variations and the associated amount effect. The variation trends of isotopes in river water and lake water were consistent with those of the rainfall. In addition, the river water and lake water were isotopic enriched due to intense evaporation, while the variation amplitudes were les
s than the rainfall isotopes. The results also revealed that the groundwater isotopes in wetland were relatively stable with small seasonal variations. On average, the groundwater δ18O and δD values (-5.26‰, -31.1‰) were higher than those of the rainfall (-6.32‰, -40.1‰), and were lower than those of the lake water (-3.60‰, -26.4‰), but were close to the river water (-5.09‰, -34.4‰). This result indicated that the wetland groundwater was jointly influenced by rainfall, river water and lake water. During the water level rising period (April-May), the river water was mainly recharged by the rainfall and the catchment groundwater. During this period, the lake water was mainly supplied by the rainfall and the river water, while the wetland groundwater was mainly replenished by the antecedent precipitation and the river water. However, the contribution of river water to the wetland groundwater was the greatest among these water sources. During the high water level period (June-August), the wetland groundwater was mainly recharged by lake water and the river water, and the contribution rate of lake water was higher than 50%. During the falling water period, results showed that the wetland groundwater discharged to the surrounding river channel and the lake.
Key words：stable isotope；groundwater；river water；lake water；transformation relationship；Poyang Lake wetland
湿地生态系统以水循环过程为主要载体进行物质、能量和信息交换[1].湿地水体的来源和组成复杂，大
气降水、河湖等地表水以及地下水的输入和输出，直接影响湿地土壤理化环境和生物地球化学循环[2-3]，进而干扰湿地系统的植物组成、空间格局和生态系统演变过程[4-5].研究水源补给与水体转化关系，是探索变化环境下湿地生态系统演变过程的基础[1,4]，同时也是区域水资源评价、湿地生物地球化收稿日期：2020-08-26
基金项目：国家重点研发计划项目(2019YFC0409002)；国家自然科学基金资助项目(41601031,42071036,41771037)；中科院青年创新促进会项目(Y9CJH01001)；山西省应用基础研究项目(201801D221052)
* 责任作者, 副研究员,********************
4期许秀丽等：鄱阳湖典型湿地地下水—河湖水转化关系 1825
学循环和生态系统保护等研究领域的重点[6-7].
D和18O是自然界水中氢和氧的两种稳定同位素，在水循环过程中，不同水体D和18O的含量变化受蒸发分馏、凝结和混合作用的影响[8]，故可以通过研究水体中氢、氧同位素组成的差异示踪流域水循环过程[9-10].氢氧同位素方法在国内东北地区、黄土高原和华北地区水循环研究中得到了非常广泛的应用，主要用于揭示不同地貌区地下水/河水的补给来源[11-12]、地表水与地下水之间的交互作用关系[1
3-14]、水循环各环节中的水分运动机制[15-16].长期或季节性淹水湿地与地下水、地表水的转化关系密切，目前国内外已经开展的研究多集中于滨海湿地、河流湿地和内陆湖泊湿地[17].研究发现，洪泛湿地在雨季主要由降水补给，其它季节受地下水和地表水共同补给[18].对于内陆湖泊湿地，大气降水对湿地地下水补给较弱，而湖水补给比例则超过了一半[19].这种补给的变化规律与差异性说明湿地水体转化关系同时受区域水文情势、地质/水文地质条件和气候条件等的共同控制.由此可知，同位素示踪技术已然成为研究地下水(地表水)-土壤-植被-大气连续体等复杂系统水体转化过程的重要手段.
鄱阳湖是长江中下游典型的通江湖泊，湖水与流域五河和长江之间复杂的水量交换导致鄱阳湖水位呈现年内高度动态的变化(~12m)，由此在湖区漫滩形成了季节性干湿交替极为显著的洪泛湿地生态景观[20].21 世纪以来，长江中下游江湖关系格局发生了显著的改变，鄱阳湖旱涝急转、退水速率加快等问题凸显[21-22]，这无疑会改变洪泛湿地生态系统的水源补给和稳定性.在当前变化的水情背景下，已有学者利用水文、水化学、同位素等方法探求鄱阳湖湿地地下水与河、湖等地表水的转化关系.研究发现，区域尺度上，洪泛区地下水与河水、湖水之间转化关系密切，但存在一定的滞后性[23]; 坡面尺度上，汛期湿地地下水主要受降水和河湖水共同补给[24-25]，枯水期湖水很有可能接受周边湿地地下水的排泄补给[26-27].
事实上，降水的季节分配、河水的洪枯变化以及水文地质条件的差异，导致湿地水体的转换关系具有较强的区域特性和时间差异[5].目前关于鄱阳湖湿地水分来源研究虽然取得了一些有价值的结论和发现，
但受原位采样条件和复杂湿地水情影响，研究大多侧重于单一时段的探索分析，缺乏对鄱阳湖不同水文时期(涨水、丰水、退水期)湿地补给水源的完整理解和差异性评估.此外，已有研究对鄱阳湖湿地各类水体转化关系仍以定性认识为主，尤其是尚无法科学评估不同补给来源对湿地地下水的贡献比重，这也成为目前湿地水量平衡研究的难点.数值模拟和传统的水文监测手段尚无法精确刻画这种复杂的湿地水体转换过程[26-27]，给水量模拟带来一定的不确定性.氢氧稳定同位素技术在国内外水循环研究中应用成熟，虽然湿润区不同水源间氢氧同位素的组成和差异相对较小，但这种差异性仍为湿地系统水体转化过程提供了一种非常有效且可靠的方法[17]，而且借助端元混合模型还可以定量化不同水源对湿地地下水的补给贡献，弥补以往对湿地水体转化过程的“黑箱”描述，可为深入理解鄱阳湖湿地水体相互转化机制提供一定的参考价值.
本文研究区选定于吴城鄱阳湖国家自然保护区典型洲滩湿地[28]，该湿地系统河流-湿地-湖泊相互作用频繁、季节性干湿交替显著，是一个极具特的高洪泛湿地系统[27]，能够保证鄱阳湖湿地水体转化关系的研究结果相对更有代表性. 本文主要利用氢氧稳定同位素技术，分析鄱阳湖典型湿地降雨、河水、湖水、地下水氢氧稳定同位素的季节变化特征，研究不同水文时期湿地地下水-河湖水之间的转化关系，量化不同水源对湿地地下水的补给贡献.研究结果可为后续湿地生物地球化学循环的研究和变化水文情势下湿地生态系统演变的预测奠定基础.
1材料与方法
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1.1研究区介绍
鄱阳湖位于江西省北部，流域内河流纵横，湖水主要受五河来水补给，经湖盆调蓄后由湖口注入长江(图1).水位呈现高度动态的季节性周期变化，在高低水位之间的消落带发育有大面积的湿地[20].鄱阳湖流域属于亚热带季风气候区，夏季降水主要受夏季风控制，冬季降水受西伯利亚内陆冷空气控制，多年平均降水量为1450mm，主要集中在3~6月，占全年降水的54%[20].多年年均气温16.3℃,7、8月份气温最高，平均33℃,12~2月气温最低，多年平均水面蒸发量1024~1218mm[29].
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图1 研究区位置 Fig.1
Location of the study area
图2 研究区湿地断面示意
Fig.2 Sketch map of the studied wetland transect
鄱阳湖国家自然保护区以江西省吴城镇为中心，管辖范围224km 2，属于包括湖泊、河流、碟形子湖、草本洲滩的内陆型湿地(图1)，是生态水文过程研究的天然实验室.本文研究区为鄱阳湖国家自然保护区内典型的赣江入湖冲积三角洲洲滩湿地(116º00′11′′E,29º14′34′′N，图1)，整个湿地断面长约1.8km，高位滩地西侧紧邻赣江，呈陡峭的台地，向东地势逐渐向湖区倾斜(图2).区内植被沿高程依次分布有中生性草甸、挺水植被带、湿生植被带、沉水
植物等，湿地断面布设有波文比、气象观测系统、地下水位监测井、湖水位监测传感器[28]，可为本研究提供日地下水位和降水数据. 1.2 样品采集与分析方法
北京八达岭长城位置为了研究鄱阳湖典型湿地降水、湖水、河水和地下水的转换关系，本文于2018年4月(雨季) ~10月(湖泊退水期)开展样品采集.地下水样品通过典型湿地各植被落内布设的3口地下水位观测井采集，利用抽水泵抽取无杂质和泥沙沉积的水样.湖水样品在与研究区湿地下缘地带直接相连的鄱阳湖主湖区的开阔水域处采集，河水样品采集紧邻研究区的赣江水，采样位置为水面0.5m 以下，采样前先用原水充分润洗采样瓶，每个水样取3个重复，充分混合后作为一个混合样.降雨样品依托吴城气象站在每次降雨期间收集，共收集雨水样32组.所有水样采集后迅速装入30mL 聚乙烯瓶中，尽量装满，确保无气泡，
并立即用封口膜密封好，放入冷藏装置中运送到实验室，以冷藏方式保存.
样品的室内处理与分析在清华大学研究院稳定同位素分析实验室进行，采用同位素比率质谱仪(MA T253,USA)测定水样中δ18O 和δD 的含量，分析精度分别为±0.5‰和±2‰.所有水样测定结果以 V -SMOW(维也纳标准海洋水)为标准的千分差表示: δR (‰)=(R sam / R sta - 1)× 1000 (1)
式中: R sam 代表样品中D/H 或8O/16O 的比值, R sta 为
V -SMOW 标准物质中D/H 或 8O/16O 的比值.
采用Excel2007对文中数据进行统计分析，并利用直观比较法对比不同时期降水、湖水、河水和地下水δ18O 、δD 同位素值，判断各类水体之间的转化关系及地下水的可能补给来源[14-
15].同时，利用基于同位素
质量平衡原理的端元混合模型[30]，对湿地地下水补给来源的贡献比例进行估算，计算过程分别采用δ18O 、δD 进行计算，然后取其平均值，计算公式如下. δ g = f p δp + f r δr + f l δl
(2)
f p + f r + f l =1 (3)
式中: δg 为地下水的氢、氧同位素值; δp 、δr 、δl 分别为降水、河水、湖水氢氧同位素值; f p 、f r 、f l 分别为降水、河水、湖水对湿地地下水的补给贡献比例. 2 结果与分析
2.1 大气降水同位素变化特征
4期 许秀丽等：鄱阳湖典型湿地地下水—河湖水转化关系 1827五岳归来不看山黄山归来不看岳
从鄱阳湖2018年4~10月降雨δ18O 、δD 组成随时间的变化可以看出，降水氢氧稳定同位素变化范围较大(图3),δD 介于-72.59‰~-3.02‰之间，均值为-31.48‰;δ18O 介于-10.22‰~-1.11‰之间，均值为-5.18‰.利用最小二乘法拟合出4~10月当地大气降水线方程: δD= 7.63δ18O + 8.21(R 2 = 0.94,n = 31) (图3).国际原子能委员会求得的全球大气雨水线为 δD=8δ18O+10[31],1983年郑淑惠等[32]得出我国大气降水线为δD=7.9δ18O+8.2.研究区大气降水线的斜率和截距与我国雨水线接近，略小于全球大气降水线，说明降雨过程水汽受到蒸发分馏的影响而出现同位素富集
.
图3 降雨、地下水、河湖水δ18
O 与δD 关系 Fig.3 Relationships between δ18
O and δD in rainfall,
groundwater, river water and lake water最近最新电影网
研究区降雨同位素在6~7月贫化，其余月份富集，呈现明显季节变化(图4)，这与华南地区南昌、长沙等城市的降水同位素变化规律基本一致[33-
34].主
要原因与我国降水水汽来源路径和蒸发、凝结过程中的同位素分馏有关[35].3~6月为鄱阳湖的雨季，长江以南降雨频繁且雨量较大，随着大气水的多次冷凝，降雨中重同位素越来越贫化，导致雨季后期6~7月份的降雨同位素值偏低.然而,9月开始夏季风逐渐减弱，研究区主要受冬季风影响，来自高纬度内陆气团所携带的水汽源本身δ18O 和δD 偏高，加之气温高、空气干燥蒸发强，因此其余月份的降雨同位素相对富集.进一步对本研究区降雨量(P )和对应测得的大气降水δ18O 值进行线性回归分析，发现二者呈较为显著的负相关关系(δ18O=-0.15P -2.24,R 2=0.55, P <0.01)(图5)，表现出明显的雨量效应
.
图4 2018年降雨量与降水同位素加权平均值月变化
Fig.4 Monthly variations of rainfall amount and the weighted
average values of rainfall isotopes during 2018
12~3月降雨数据来自GNIP 长沙站[23]
图5 大气降水δ18
O 与降雨量的相关关系
Fig.5 Correlations between rainfall δ18O and the rainfall
amount
2.2 河水、湖水、地下水稳定同位素特征
由图3可知，河水和湖水同位素点据均位于当地大气降水线右下方，对河水和湖水氢氧同位素进行回归拟合，得出研究区地表水蒸发线方程为: δD= 4.85δ18O–9.27(R 2=0.62,P <0.01).蒸发线斜率小于当地大气降水线，表明研究区地表水体受蒸发分馏作用影响强烈，水分蒸发时轻同位素(H 和
16
O)更易蒸
发，导致河湖水中的重同位素(D 和18O)更为富集.湿地地下水氢氧同位素多分布于当地大气降水线上方，说明受蒸发分馏影响较小，且部分点分布于河、湖水同位素点据之间，表明湿地地下水受降水、河水和湖水三者的共同影响.
比较鄱阳湖降水、河水、湖水和湿地地下水氢氧同位素值的月变化(图6)，可以看出,4种水体
1828 中 国 环 境 科 学 41卷
中降水的氢氧同位素值最小，且季节性变化幅度最大, δ18O 和δD 的变化幅度分别为5.29‰和51.3‰.河水、湖水同位素与降水同位素的季节变化规律基本一致，均表现为夏季6、7月份贫化，说明地表水体的初始来源均为大气降水.但是，河水同位素比湖水同位素更为贫化，季节性变化幅度更大，两者差异明显(图6).河水δ18O 介于-6.60‰~-3.92‰之间，均值为-5.09‰(图6a); δD 变化范围在-42.0‰~-22.
8‰之间，均值为-34.4‰(图6b).河水δ18O 和δD 值变化幅度仅次于降水，分别为2.69‰和19.2‰.这主要是因为研究区湿地为赣江冲积三角洲湿地，河水是来自赣江子流域的地表径流，受
大气降水补给的影响最大，但可能还受流域周边地下水补给的影响，而地下水对河流的补给主要为相对稳定的基流.湖水氢氧同位素值最大,δ18O 变化范围在-4.69‰~-2.74‰之间，均值为-3.6‰,δD 介于-29.2‰~-22.6‰之间，均值为-26.4‰，且δ18O 和δD 季节性变化幅度较小，分别为1.95‰和6.57‰.主要原因是湖水为五河径流、长江水、地下水等多水源的混合体，且湖泊水域面积广阔，流速相对较缓，强烈蒸发分馏导致重同位素过度富集.综上，河水、湖水同位素组成的差异说明河流和湖水的水源构成、流动和更新过程不同，氢氧同位素技术能够很好的区分两种不同的水源
.
图6 2018年降水、湖水、河水、地下水δ18
O (a)、δD (b)月变化
Fig.6 Monthly variations of δ18O (a) and δD (b) in rainfall, lake water, river water and groundwater during 2018
湿地地下水氢氧同位素组成并无明显的季节性差异,δ18O 和δD 值仅在8月份较大，其余月份则较为稳
定(图6).δ18O 和δD 平均值分别为-5.26‰和-31.1‰，季节性变化幅度最小，分别为1.5‰和5‰.这可能是因为降水在由大气降落到土壤表层，再通过入渗补给到地下水的过程中，大大削弱了降水的季节性变化.而且湿地地下水埋深较大(年平均值2.9~4.8m)[28]，受蒸发作用的影响较小，仅在汛期地下水浅埋时存在蒸发分馏，说明湿地地下水同位素整体较为稳定.
总结上述分析可知，研究区降水、河水、地下水和湖水的δ18O 和δD 同位素组成差异显著，各类水源的氢、氧同位素变化范围明显不同，且变化幅度
(1.5‰~9.1‰,5‰~69.5‰)均远大于δ18O 、δD 的测试精度(±0.5‰,±2‰).这种同位素特征差异能够满足氢氧同位素示踪技术应用的条件，为进一步探求鄱阳湖湿地降水-河湖水-地下水的转化关系提供了基础.此外，从均值变化来看，全年降水同位素均值(-6.32‰,-40.1‰)最小，河水(-5.09‰,-34.4‰)和湿地地下水(-5.26‰,-31.1‰)次之，湖水同位素均值(-3.60‰,-26.4‰)最大.湿地地下水δ18O 、δD 值与河水更为接近，说明相比其它水源，湿地地下水与河水之间的水力联系可能更强.
2.3 不同水文时期各类水体的转化关系
鄱阳湖水位具有显著的季节性动态变化，每年4月初受流域入湖河流的补给，湖水位开始逐渐抬升,
