魏佳明 崔丽娟 李伟 雷茵茹 于菁菁 梁钊瑞（1 中国林业科学研究院湿地研究所，湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京100091）



稳定同位素在湿地水文研究中的应用现状与前景

魏佳明 崔丽娟 李伟 雷茵茹 于菁菁 梁钊瑞
（1 中国林业科学研究院湿地研究所，湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京100091）

摘 要湿地水文过程对湿地形成、发育和演化起到了至关重要的作用，也是湿地保护和修复的关键。稳定同位素技术是湿地水文研究的有效工具，探讨了稳定同位素技术在湿地水资源性质与来源识别以及湿地水文循环研究等方面的应用，指出了当前应用中存在的问题，如缺乏湿地水文过程的系统性机理研究等，展望了稳定同位素在湿地水文中取样方法上的创新改进与人类干扰对湿地水文过程影响研究的应用前景。

关键词湿地水文；稳定同位素；水资源性质；水文循环

湿地是陆地生态系统与水域生态系统的交错地带（Mitsch，2015），水文过程对湿地形成、发育和演化起到了至关重要的作用。水文特征的变化决定着湿地物理化学环境，进而影响了湿地的生物区系，湿地生物与物理化学环境也在影响着湿地水文特性的演变。三者相互作用，相互影响，形成了一个稳定的湿地生态系统（陆健健等，2006）。缺少水，湿地生态系统就不能维持稳定，进而会发生崩溃现象。近几十年来，人类对湿地保护的认识不足，只注重掠夺其丰富的生物资源，使得湿地生态系统告急（崔丽娟等， 2012），湿地水文过程是湿地形成与发展机理研究的重要内容，也是湿地保护和修复的关键。然而湿地中的水文现象，由于夹杂陆地与水域，并且受到不同类型湿地特性的影响，相较于其他水文过程，完全掌握其规律更加复杂。

国内对湿地水文学的研究，多是通过已有水文学的常规观测数据与模型，分析湿地生态水文过程的演变，进而剖析生态系统退化的特征及驱动机制（邓伟等， 2003），这种基于模型的宏观研究，主要强调生态学观点，没有从机理层次深度发掘湿地水文变化的特性，也没有足够重视这种特性对湿地生态的决定性影响，缺乏直观性。近年来，稳定同位素生态学不断发展，渐渐成为了一种新兴的水文学研究手段。稳定同位素，是指具有相同质子数，不同中子数的稳定无放射性的同一元素的不同核素的互称（林光辉，2013），其凭借示踪、整合和指示等诸多功能，越来越成为国外湿地水文学者研究的焦点（林光辉，2010），目前在水文学中常用的环境同位素有2H、3H（D）、3He、4He、13C、14C、18O、34S、36Cl等（汪集，2002），其中主要以H、O同位素研究居多。Hunt等（1998）就认为不同的同位素成分是湿地水文研究的有效工具，能为其他研究提供深层次的认识。他们曾通过对饱和层2H、18O等水同位素的跟踪，证实了人工湿地与自然湿地在水源补给与水循环上的不同，即自然湿地补给多来源于地下水，而人工湿地水源除了来自地下水外，还来自降水。通过对毛管边缘水的研究，推测了人工湿地的蒸发速率明显高于自然湿地。但综观国内湿地水文研究，运用稳定同位素生态学进行湿地水文研究还较少。本文主要就稳定同位素在水资源性质与来源识别、水文循环两方面的应用动态加以综述，以期该方法能在国内湿地水文研究中广泛利用。

1 稳定同位素在湿地水源性质研究中的应用

由于湿地在空间上处于交错地带，进而可以认为其水的储存、循环以及水生生态系统都具有过渡性。鉴于湿地水文的这种独特性，水文过程会极大程度地影响湿地生物的多样性（陆健健等，2006），因而探求水文过程的主体，即水资源的来源以及水源的性质对湿地生态系统具有极高的价值。Zhang等（2014）就曾对三江平原地表水（河流、湖泊和湿地）和地下水的年龄进行了探求，分析稳定同位素（δ18O，δD）组成后发现，地下水大多是现代水，即水龄均小于50年。

目前应用稳定同位素在水文循环中计算不同水体的水源问题较为广泛。Clay等（2014）利用稳定同位素（δ18O，δD）的比值，确定英国Shropshire湿地主要由地下水补给，但随季节变化，稳定同位素比率显示降水也对湿地水补给做出了一定的贡献。Steinbruch等（2014）也以稳定同位素的方法，分析了2006 - 2010年雨季和旱季的泉水、水井、河流和湖泊对湿地补给的贡献，发现在旱季湖水为湿地提供了水源，而雨季主要以降水补给为主。

2 稳定同位素在湿地水源来源识别研究中的应用

应用稳定同位素还可以追溯具体湿地水体的来源地以及补给类型，比较不同湿地补给差异。Nyarko等（2010）研究发现白沃尔特河流域泛滥平原湿地的水蒸气（18O，D）受撒哈拉沙漠和大西洋气团的影响，并且观察到Pwalugu地区的降水和Tindama湿地的水体同位素组成有差异。7 - 9月，水资源的补给主要是降水。其他月份地表水、地下水对补给起到了交互作用，均对湿地的水资源补给有贡献作用。王磊等（2007）也通过分析地表水、地下水水化学特征的形成机制，发现湿地地表水明显受蒸发浓缩作用和盐土溶滤作用影响，大气降水对地下水补给作用贡献较小，而湖泊补给则超过了一半，呈现了“二元循环模式”，即同时受区域地下水流和局部地下水流的控制。这种补给上的周期性规律与差异，往往对当地的水文循环与生物生长具有巨大的意义。Currell等（2014）通过测定澳大利亚Connewarre湖泊湿地水中的稳定同位素（δ18O，δD），证实了湿地地下水体所含盐分和稳定同位素组分处于湿地地表淡水和海水之间，即淡水注入地下水与近期河流调整前湿地连接河口时存留的残余海水进行了混合。进而得出如遇雨水流入量增加，淡水渗漏到浅层地下水中的水量也会骤然增加，这种比例的破坏可能有利于外来芦苇的生长。

3 稳定同位素在湿地水文循环研究中的应用

不论是小尺度的植物个体水循环，还是较大尺度的湿地生态系统水文循环，这些均可以称为湿地水文过程。湿地水文过程是各种湿地类型形成，维持湿地过程的唯一重要因素（陆健健等，2006），对于前者，对氢与氧稳定同位素分析能区分植物利用水分的不同来源，量化植物对水源的利用程度，对于滨海湿地潮间带红树植物体内水分的来源分析，可以通过稳定同位素示踪手段，进而揭示红树植物对滨海特殊生境表现出的适应性（冯建祥等， 2013）。湿地植物由于毗邻水源，具备湿生特性，通过稳定同位素的方法能很好地揭示湿地植物对水资源的利用特征，进而探究其如何对整个湿地生态系统产生影响。Saha等（2010）使用稳定同位素作为示踪剂探讨了高地过渡区植被与挺水区植被在水分利用上的不同。研究发现了木本植物群落的不同水分利用，其中山地硬木群落主要在雨季吸收有机土壤包气带中的截流水分，在旱季转向地下水或地表水的吸收（即区域水）；而沼泽林则在全年使用区域水，因而发现湿地地形小的差异都会导致湿地生态系统水循环存在较大的差异。

此外，对湿地大尺度的水文循环过程的机理性研究，包括湿地水文循环周期，湿地水循环平衡能力，湿地土壤水径流变化特征，乃至湿地在全球水循环中的作用。这些研究以往仅停留在模型的预估上，一些如土壤水的研究依靠近红外光谱技术（陈祯， 2010），都不能精确分析水文循环的全过程。而稳定同位素技术可以根据不同同位素的同位素比值（δ），从源头到尽头跟踪水资源的整个过程。Steinbruch等（2014）以稳定同位素的方法，发现每年雨季洪水补给过程对湿地沉积物的沉积起到了巨大的作用，即改变了水力梯度，减少了雨季的泥沙堆积，增大了排水速度。Zurek等（2014）以稳定同位素D为研究对象，发现湿地蓄水层的向上越流明显有助于水循环水平衡。在结合多种地球物理化学参数后建立了流动运输模型，证实了长期通过开发区供水井网络抽取地下水，超过最大允许的能力可能会引发生态系统功能退化。许士国等（2006）根据扎龙湿地土壤包气带水以及芦苇的稳定同位素变化，结合土壤渗透模型，计算了单位体土壤垂直迁移量，对后续湿地垂向水流补给的研究奠定了基础。

4 研究展望

湿地水文过程是湿地生态系统维持稳定的重要因素，决定着湿地类型的形成与演变。定量描述湿地水文过程与湿地功能、湿地价值之间的联系是当前湿地水文研究的难点（王兴菊等，2006），以稳定同位素方法的优势，结合其他常规方法，突破以往对湿地水文过程规律的“黑箱”描述，精确确定湿地的产流机制、径流循环特点、调洪蓄洪能力等，是当前亟待解决的问题。在研究过程中，建议关注以下2个方面。

4.1 水源提取方法的改进

稳定同位素方法的精确性决定了其样品的采集与测定过程的要求极其严格。尤其是地下水，一般无法直接采集，需要采集深层土壤水、井水来代替（林光辉， 2013），而土壤水的提取技术又耗费时力，对水源提取方法进行创新，即寻找更为便捷、精确的采样技术是目前推广稳定同位素技术的关键。Koeniger等（2011）总结了以往不同研究中样品材料与提取方法的不同，提出了改进的真空提取方法（通过隔板插入Valco质谱瓶与不锈钢毛细管替换提取器），并进行了精度的对比（表1），结果发现不同方法均有一定的优缺点与误差，使用时要格外注意。此外，Gralher等（2014）也提出了一个新的土壤水分同位素分析技术，即在等温平衡条件下对样本进行汽化，该方法相较于以往方法简单易行，可有效提高测量精度。

4.2 湿地水文机理的系统研究

利用稳定同位素技术进行的湿地水文学研究还处在局部范围内，很少有结合该技术进行涉及整个循环过程的探究，也少有单独产流机制、径流循环特点、调洪蓄洪能力等湿地水文机理性研究的完整阐述。有关文献（Currell et al，2014；Koeniger et al，2011）进行了方法的应用，得出一些较为常规的数据，并进行了简单分析，并没有验证已有或得出新的水文循环规律，仅在展望中提出其可以利用到湿地水文机理的研究中，但鲜有后续的相关文献出现，研究还较初浅。

表1　不同研究中样品提取方法和材料的精度对比

4.3 人类干扰对湿地水文过程影响的研究

利用稳定同位素的溯源性将人类活动加入到湿地水文过程的限制性因子中，计算其贡献度，对湿地水文过程的研究提供了新的关注点（林光辉，2013），另外，在一些已被破坏或亟待修复的湿地中，还可以示踪对湿地产生影响的来源，较为精确地确定影响因子及其影响力，进而将其应用到湿地水文过程效应及其调控技术上（崔丽娟等，2011），有利于对湿地有效评估与恢复。

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Present Status and Perspectives of Application of Stable Isotopes in Wetland Hydrology Research

WEI Jia-Ming CUI Li-Juan LI Wei LEI Yin-Ru YU Jing-Jing LIANG Zhao-Rui （Institute of Wetland Research， Chinese Academy of Forestry， The Beijing Key Laboratory of Wetland Ecological Function and Restoration， Beijing 100091）

AbstractWetland hydrological processes have played a vital role in wetland formation， development and evolution. Meanwhile it plays a key role in wetland conservation and restoration. Now， stable isotope has provided an effective tool for a deeper understanding of wetland hydrology. The applications of stable isotope in identification of properties and origin of wetland water， and in studies of wetland hydrologic cycling were discussed. Current problems existing in the applications of stable isotope were identified， e.g. the lack of systematic studies of mechanism of wetland hydrological process. Future directions for innovation and improvement of sampling method in applications of stable isotope were proposed， including studies of impacts of human disturbance on wetland hydrology.

Key wordsWetland hydrology； Stable isotope； Water properties； Hydrologic cycle

doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2016.01.15

收稿日期：2015-10-28

基金项目：公益性行业科研专项经费项目“滨海湿地生态系统服务功能与评估技术研究”（201404305）

作者简介：魏佳明（1990-）男，中国林业科学研究院湿地研究所，硕士研究生，研究方向：湿地生态。E-mail：weijiaming1990@126.com

通讯作者：崔丽娟（1968-）女，研究员，主要从事湿地生态研究。E-mail：lkyclj@126.com