稳定同位素是自然水体的重要组成，在不同的水体(状态、来源等)中表现出不同的信号，人们利用这些信号判断和推导大气降水的一系列效应和不同状态水体同位素分馏机制，借以探索环境的变化.氢氧稳定同位素作为研究水循环的示踪元素，不仅因水体的不同而存在差异，并且受到诸多气象和地理条件的影响，使其组成随时间和空间呈一定规律的变化，因而通过观测其丰度的变化会引导人们深入认识地球化学和水循环过程(Dansgaard，1964).降水是水资源的主要输入因子，降水中稳定同位素可作为水汽源的自然示踪或利用其变化来反演大气过程，对降水中稳定同位素组成及比率大小的分析帮助人们了解和认识不同地理区域的水汽来源(Araguás-Araguás et al., 1998)，反映大气水汽循环的整个历史(Dansgaard，1953; 1964)，同时在一定程度上反映天气气候与区域性特征(章新平和姚檀栋，1994).

对降水中稳定同位素的观测和研究国外起步较早(宋献方等，2007)，国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)与世界气象组织(World Meteorological Organization，WMO)与1961年成立了全球大气降水同位素网络(Global Network of Isotopes in Precipitation，GNIP)，在全球共建立100多个观测点，对降水中稳定同位素比率进行连续的跟踪监测，到目前全球已建立了550多个降水取样站点，这为研究全球及局地水循环提供了宝贵的同位素资料(IAEA/WMO，2001).利用稳定同位素示踪法来追踪水汽来源是现今国际上研究的热点，许多学者利用降水中过量氘的变化去追踪水汽来源(Gat and Matsui， 1991;Petit et al., 1991;庞洪喜等，2005)，已经取得极大成果.我国为解决国内大气降水联网观测不足的问题，与2004年借鉴国外经验，以中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network，CERN)野外站台为依托，选取国内31个站台作为观测站点，开始建立中国大气降水同位素网络(Chinese Network Isotopes in Precipitation，CHNIP)，系统的对δD和δ¹⁸O进行观测(柳鉴容等，2006).在氢氧同位素研究应用领域，我国也取得了进一步的发展(陈中笑等，2010；李亚举等，2011).例如，研究表明季风降水中δ¹⁸O与高空风速存在显著的正相关关系(庞洪喜等，2004)；利用大气降水的同位素资料寻找地下水、河水以及湖泊水的补给源区(王仕琴等，2009)；基于氢氧同位素，探讨了局地蒸发水汽贡献率和云下二次蒸发效应(孟玉川和刘国东，2010；马潜等， 2012，2013)等.

我国关于大尺度下西北干旱区大气降水稳定同位素研究方面成果丰硕(张应华和仵彦卿， 2007a，2007b；柳鉴容等，2008；王宁练等，2008；吴锦奎等，2011；张明军等，2011；李小飞等，2012)，但是，关于河西走廊中部地区这一独特地域下大气降水中稳定同位素组成、时空分布规律以及水汽输送的变化规律和机理还未进行深入研究；从局地环境及气候状况来讲，分析大气降水中的环境同位素组成，对于探清河西走廊地区的水循环过程、改善气候状况和研究环境变化特征具有一定的价值；其次，降水中的环境同位素信息可以很好地示踪和反演夏季季风降水的主要水汽通道(柳鉴容等，2007)，对河西走廊地区大气降水中的环境同位素组成进行分析，掌握其时空分布规律，将有助于深刻明晰西北干旱区的水循环特征，为我国境内大气降水同位素的时空分布规律研究提供重要依据.鉴于此，本研究以张掖站点为例，借助西水、莺落峡、平川和正义峡4个辅助站点资料，分析了河西走廊中部地区降水稳定同位素的环境效应和时空变化特征，探讨了过量氘的变化规律，对于深入探讨区域水分来源变化及其水文循环过程研究具有积极的意义.

河西走廊(图 1)位于我国甘肃省境内，河西走廊中部地理坐标为东经97°20′~102°12′，北纬37°28′~39°57′，东西长465 km，南北宽148 km，海拔高度1284~5564 m，处在青藏高原与内蒙古高原的过渡地带，大地形有南部祁连山区，北部合黎山龙首山区及中部走廊平原区组成(张洁等，2013).河西走廊中部地区处于中纬度地带，南接祁连山脉，北连巴丹吉林沙漠，深入欧亚大陆腹地，远离海洋，地处内陆干旱地区，受青藏高原大地形作用的影响，形成典型的温带大陆性干旱气候.该地区气候干燥，年降水量稀少，蒸发量大，年平均降水量112.3~354.0 mm，且分布极不均匀，其中70%集中在6—9月，年平均蒸发量2002.5 mm，远远大于年平均降水量；光照充足，太阳辐射强，其年平均气温为4.0~8.3 ℃，气温年较差26.2~31.6 ℃，极端最低气温-30.6 ℃，极端最高气温40.0 ℃，四季分明，冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短暂，春季升温快，秋季降温较快，常年以西北风和东风为主.

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区域概况 Fig. 1 Location of the study area

张掖站(38°55′N，100°25′ E)降水稳定同位素资料来自于GNIP，其提供的观测点资料包括各个站点的编号、经纬度、高程、采样日期、降雨类型、δD和δ¹⁸O的月平均值、稳定同位素比率(²H/¹H和¹⁸O/¹⁶O)、分析实验室编号、降雨量、温度等信息.西水、莺落峡、平川、正义峡4个站点的实测资料通过其他文献获得(吴锦奎等，2011)，如表 1所示.测量结果，以相对于标准平均海洋水(standard mean ocean water，SMOW)的千分差(即国际规定统一采用待测样品中某元素的同位素比值与标准同种同位素的相对千分差作为量度)表示为如下形式：

降水中氢氧稳定同位素加权值为月降水量加权平均值，其计算方法为：

表1(Table 1)

表1 氢氧同位素采集站点相关信息 Table 1 Basic information of 3 sites for gathering hydrogen and oxygen isotopes data

表1 氢氧同位素采集站点相关信息 Table 1 Basic information of 3 sites for gathering hydrogen and oxygen isotopes data 站点 纬度 经度 δ18O δD 过量氘d 资料年限 数据源 张掖 100.42° 38.92° -6.0‰ -42.8‰ 5.0‰ 1986—2003 GNIP 西水 100.29° 38.57° -9.2‰ -58.7‰ 15.2‰ 2002—2003 吴锦奎等，2011 莺落峡 100.20° 38.81° -6.5‰ -42.8‰ 9.5‰ 2002—2003 吴锦奎等，2011 平川 100.13° 39.35° -4.4‰ -27.4‰ 7.9‰ 2002—2004 吴锦奎等，2011 正义峡 99.47° 39.80° -2.2‰ -74.2‰ -57.0‰ 2002—2004 吴锦奎等，2011

利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)1971—2010年的NCEP/NCAR再分析资料，空间分辨率为水平2.5°×2.5°网格点，采用自下往上垂直积分至300 hPa的方式，计算对流层水汽输送.

已知全球降水平均稳定同位素组成，δ¹⁸O介于-50‰到10‰，δD介于-350‰到50‰之间，中国大气降水δ¹⁸O含量为-24‰到2.0‰，δD含量为-210‰到2‰(郑淑蕙等，1983).对张掖站点降水同位素数据进行统计分析后发现，张掖大气降水同位素值有较大的变化幅度：δ¹⁸O变化范围为-28.5‰到0.87‰，δD变化范围为-191.4‰到4.3‰.辅助站点部分样品值超出中国大气降水同位素值范围且降水量年加权平均值差异明显，分析其原因可能是由于辅助站点的同位素观测值为事件降水数据，每次降水的降水量变化幅度较大，且数据的时间序列较短(吴锦奎等，2011).总的来说，河西走廊中部地区大气降水的氢氧同位素含量落在中国与全球降水的变化范围之中.

由于降水中氢氧同位素比率的大小受气象条件的制约，因此，随着气象要素的季节变化，δ也发生变化.张掖暖季δ¹⁸O的值介于-18.21‰到0.87‰之间，最大值为0.87‰，δD值一般介于-90.5‰到-4.3‰，最大值为-4.3‰；冷季δ¹⁸O的值介于-28.5‰到-4.36‰，最小值为-28.5‰，δD值-191.4‰到-37.7‰，最小值为-191.4‰.总体表现为，1—7月不断富集，8—12月逐渐贫化；最大值出现在夏季，最小值出现在冬季(图 2).δ¹⁸O值的波动反映了西北地区典型大陆性气候年周期的变化规律(柳鉴容等，2008).

图 2(Fig. 2)

图 2 张掖站δ18O随时间的分布 Fig. 2 Monthly variation of δ18O in Zhangye

1961年Craig首次在全球尺度下，确立了大气降水中δD与δ¹⁸O之间的关系，即全球大气降水线(Global Meteoric Water Line，GMWL)(Craig，1961)，表示为：

后来国际原子能委员会(IAEA)通过观测点网的数据统计，确定所有降水的加权平均δD 与δ¹⁸O值符合下式：

上述两式均反映了全球水循环过程中氢氧同位素变化的平均状况(王瑞久和王怀颖，1990)，大气水线的斜率反映两类稳定同位素D和¹⁸O分馏速率的对比关系，常数项指示氘对平衡状态的偏离程度(张明军等，2011).

依据张掖站点大气降水同位素数据，得出该区的局地大气水线方程为(图 3)：

图 3(Fig. 3)

图 3 张掖站大气降水中δ18O和δD的关系 Fig. 3 Relationship between δ18O and δD in the precipitation in Zhangye

可以得出，R²值高，表明张掖降水的氢氧同位素组成有极好的相关性；与全球大气水线和郑淑慧等报道的中国大气降水线方程(δD = 7.9δ¹⁸O+8.2)相比，除西水外，其余站点的斜率与截距均低于全球和中国大气水线(表 2)，说明河西走廊中部地区降水主要来源于大尺度水汽循环，且受到水汽源地的非平衡蒸发及凝结物在未饱和大气中降落时重同位素的蒸发富集作用的影响.张掖站点的斜率低于其他站点的现象说明降水过程中张掖的蒸发作用强于其他站点.河西走廊中部地处内陆，属于典型的温带大陆性干旱气候，干燥少雨，空气湿度低，雨水在降落过程中经历了一定程度的二次蒸发.在干旱区较低的斜率主要是雨滴在云底相对干燥的大气发生部分分馏的结果(Araguás-Araguás et al., 1998).

表2(Table 2)

表2 各站点局地大气水线方程参数 Table 2 Parameters of Local Meteoric Water Line of 5 sites

表2 各站点局地大气水线方程参数 Table 2 Parameters of Local Meteoric Water Line of 5 sites 站点 斜率 截距 R2 张掖 6.76 -4.54 0.94 西水 7.96 13.79 0.99 莺落峡 7.69 4.73 0.98 平川 7.85 6.0 0.98 正义峡 7.84 4.04 0.98

据研究显示，大气降水氢氧同位素组成与各环境要素之间存在相关关系，人们将这种相关关系称为环境同位素效应.图 4表示张掖站大气降水δ¹⁸O值与温度、全年降水量、暖季降水量、水汽压之间的相关散布.温度效应，是指同位素的组分与温度成正相关的关系.在各个环境同位素效应中，温度效应尤为突出，这是因为环境同位素的分馏作用主要受制于相变过程中的温度(Liu et al., 2010).一般而言，温度效应主要出现在中高纬度地区，且在两极表现尤为明显；但在大陆内部，其正相关关系也相当密切.

通过δ¹⁸O与月平均温度(T)之间的回归分析(图 4a)，获得直线方程为：

得出结论，张掖δ¹⁸O与月平均温度之间有较显著的相关关系，R²达0.664，也就是说随着温度的升高，δ¹⁸O逐渐富集，这与李小飞等(2012)在研究西北干旱区降水中δ¹⁸O变化特征及其水汽输送中分析的结论：δ¹⁸O =0.50t-14.00，(R²= 0.648)基本一致.气温对降水中稳定同位素产生作用的主要机制是：地面温度在一定程度上与上空降水云团的冷凝温度有对应关系，而后者与降水的δ值有直接关系(卫克勤和林瑞芬，1994)，因此气温越低，降水中同位素的分馏系数a也越大，从而降水中δ¹⁸O也越低.但只有当大气降水中δ¹⁸O保持基本稳定时，气温和降水中的δ¹⁸O才有可能表现出明显的正相关关系(田立德等，1997).河西走廊中部地区冬季温度低，降水中同位素的分馏系数较大，降水中δ¹⁸O较低，夏季温度高，同位素分馏系数较低，降水中δ¹⁸O较高.另外，夏季干旱区强蒸发使得δ¹⁸O值较高的局地水汽进入降水云团，致使夏季大气降水δ¹⁸O值较高.

图 4(Fig. 4)

图 4 张掖站降水δ18O与温度、全年降水量、暖季降水量、水汽压之间的相关散布 Fig. 4 Correlation of δ18O in precipitation with temperature，annual precipitation，warm season precipitation and Vapor pressure in Zhangye

降水量效应指降水中的δ¹⁸O和δD与降水量之间表现为明显的负相关关系.降水量效应往往出现在低纬度沿海地区或海岛，它的产生与强对流天气的降水过程相联系(章新平和姚檀栋，1998).

通过δ¹⁸O与降水量(p)之间的回归分析(图 4b)，获得直线方程为：

得出结论，δ¹⁸O与降水量之间不呈现负相关，R²极低(0.197)，两者基本没有相关性.由于河西走廊中部地区降水多集中在暖季，因此，作张掖站暖季δ¹⁸O与降水量之间的相关散布(图 4c)，获得线性方程为:

得出结论，在全年尺度下，δ¹⁸O与降水量之间不存在明显的相关性的原因是由于大气降水在凝结过程中以动力分馏为主，雨滴在下降过程中可能经历了二次蒸发过程或雨滴凝结时混入了一定量的局地再循环的水汽；由于河西走廊中部地区降水主要集中在气温较高的月份，在暖季，温度效应掩盖了降水量效应，因而使得降水量效应无法体现.在内陆干旱区，降水并不是决定降水δ¹⁸O的根本性因素.

水汽压是反映空气干湿程度的一个指标，水汽压效应指降水中的δ¹⁸O值与水汽压之间的相关关系.张掖大气降水中δ¹⁸O与水汽压的相关关系(图 4d)显示，δ¹⁸O与水汽压之间存在着较为显著的正相关关系，考虑造成此结果的原因可能是由于干旱区特殊的气候环境，冬季温度较低，空气中水汽含量较少，水汽压低，大气降水(包括雨雪)因蒸发而产生的重同位素富集作用很小，使其具有较低的¹⁸O值；由于河西走廊中部地区降水多集中在夏季，随着夏季温度的升高，空气中水汽含量增加，水汽压亦增大，温度的影响以及因蒸发产生的重同位素富集均使降水中¹⁸O升高.

Dansgaard在1964年引入了过量氘(d)的概念，用于评价地区大气降水因地理与气候因素偏离全球大气降水线的程度，其表达式为：

同全球大气降水线方程相比，任何地区的大气降水，都可以计算出一个氘的过量参数d.不同地区大气降水的d值，可较直观地反映该地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度，实际上是一个大气降水的重要综合环境因素指标(张应华等，2006).降水中的ｄ值主要取决于形成降水时水汽源地的相对湿度(Craig，1961)，当水汽源地的相对湿度较高时，ｄ值较低，反之如果水汽源地的相对湿度较低，则降水中的ｄ呈现高值.已有学者(Craig，1961;Dansgaard，1964)确定来自海洋水汽所形成的降水中氘盈余值接近10‰，而在干旱条件下，蒸发使动力分馏系数增加，d值会增高，甚至大于10‰.研究表示d值的大小受制于4个因素的影响：水汽形成时的d值，即初始值(Merlivat and Jouzel， 1979)；动力分馏作用(Jouzel and Merlivat， 1984)，其主要受水汽来源地的空气相对湿度和温度的影响(Jouzel et al., 1982；1997)；水体蒸发水汽的补给(Gat et al.，1994)以及云下二次蒸发效应(Dansgaard，1964)；水体蒸发的补给作用造成d值的升高，而二次蒸发效应则造成d值的降低.

图 5(Fig. 5)

图 5 张掖站冷暖季大气降水过量氘分布图 Fig. 5 Excess deuterium of each precipitation in different seasons in Zhangye

张掖在冷季，d值的变化范围大致在-17.28‰~33.2‰，平均值15.27‰(图 5a)，暖季时，d值变化范围为-25.34‰~17.78‰，平均值为3.11‰(图 5b).多年降水d值(图 6)介于-2.26‰到31.97‰，平均值为10.58‰，与世界大部分地区雨水d值(10‰)接近.从d值变化的范围来看，河西走廊中部具有明显的季节变化特征，这与水汽来源和当地相对湿度的季节变化有关(赵良菊等，2011).暖季d值明显小于冷季，且呈现一种先降后升的变化趋势，结合降水量资料，分析造成此现象的原因为该地区地处干旱内陆，降雨多集中在暖季，一开始，降雨量较小，降雨过程中受到稳定同位素的二次蒸发效应强烈，5月份之后，随着降雨量的增加，大气水汽压增大且逐渐趋于饱和，云下二次蒸发逐渐减弱，降雨逐渐贫化重同位素，而使过量氘的值逐渐变大并趋于稳定，此变化过程正好验证了孟玉川所分析的结论(孟玉川和刘国东，2010；马潜等，2012).从数值来看，暖季d值小于10‰的次数较多，冷季d值大于10‰的次数较多，说明冷季水汽在运行过程中受到地表水汽补给的作用明显.

图 6(Fig. 6)

图 6 张掖站大气降水过量氘的季节变化 Fig. 6 Seasonal variability of excess deuterium in precipitation in Zhangye

水汽输送通量的数值和方向表示水汽的来源，水汽输送通量散度表征水汽的净收支情况.图 7为1971—2010年多年平均冬夏季水汽输送通量(图 7a、c)和水汽输送通量散度(图 7b、d)，可以看出河西走廊中部地区水汽主要来源于西风带来的水汽.从数值上看，冬季水汽输送通量散度大于夏季，水汽辐散强，水汽来源的温度与相对湿度较低，对于干燥的气候条件，水份蒸发的动力分馏作用也强，形成的降水的d值也高(侯典炯等，2011).夏季水汽辐合较强，在西北干旱区干燥气候条件下形成的降雨，雨滴在降落过程中蒸发强烈，也会改变降水中d的值，使其值偏低，这与δ¹⁸O的季节变化和d值的变化相吻合.因此，d值与水汽输送通量散度呈明显的正相关关系.冬季大气输送通量散度为正值，即水汽输送为辐散，输入的水汽又被扩散出去，夏季水汽输送为辐合，这正是形成河西走廊中部地区的水汽原因.

图 7(Fig. 7)

图 7 河西走廊中部1971—2010年冬季水汽输送通量(kg · m-1 · s-1)与水汽输送通量散度(10-6 kg · m-2 · s-1)(a、b)和夏季水汽输送通量与水汽输送通量散度分布(c、d)(箭头表示水汽输送量的大小和方向) Fig. 7 Atmospheric water vapor transport flux and divergence during winter and summer(1971—2010)

1)河西走廊中部地区大气降水氢氧同位素多年δ¹⁸O和δD变幅较大，总体表现为，1—7月不断富集，8—12月逐渐贫化.最大值出现在夏季，最小值出现在冬季.

2)河西走廊中部地区局地大气水线方程斜率和常数项较低，说明降水主要来源于大尺度水汽循环.该地区地处内陆，气候干燥少雨，降水量少，空气 湿度低，雨水在降落过程中经历了一定程度的二次蒸发，重同位素在雨水中大量富集，致使斜率与大气水线的截距降低，张掖站点的斜率低于其他站点的现象说明降水过程中张掖的蒸发作用强于其他站点.

3)河西走廊中部地区大气降水中氢氧同位素组成呈明显的温度效应和水汽压效应；在全年尺度下，无法观察到明显的降水量效应，由于该地区降水主要集中在气温较高的月份，在暖季，温度效应掩盖了降水量效应，因而使得降水量效应无法体现.

4)河西走廊中部地区d值具有明显的季节变化特征，在暖季d值呈现先降后增的变化趋势，该地区地处干旱内陆，降雨多集中在暖季，一开始，降雨量较小，降雨过程中受到稳定同位素的二次蒸发效应强烈，5月份之后，随着降雨量的增加，大气水汽压增大且逐渐趋于饱和，云下二次蒸发逐渐减弱，降雨逐渐贫化重同位素，而使过量氘的值逐渐变大并趋于稳定；冷季水汽在运行过程中受到地表水汽补给的作用明显，其全年大气降水来源于西风带和局地再循环水汽源区，主要为大陆性气团.