赵宾华，李占斌,2，李 鹏，肖 列，常恩浩，张 祎，高 蓓



黄土区生态建设对流域不同水体转化影响

赵宾华1，李占斌1,2，李 鹏1※，肖 列1，常恩浩1，张 祎1，高 蓓3

（1. 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 710048；2. 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；3.西安市水利规划勘测设计院，西安 710054）

生态建设治理能够显著改变流域下垫面条件，研究黄土区生态建设治理对流域不同水体转化特征对深刻了解该区域生态建设恢复具有重要意义。该研究运用稳定同位素技术，通过野外采集生态建设治理对比流域不同水体水样样品，分析不同水体氢氧同位素特征，揭示不同季节生态建设治理对流域不同水体转化影响。结果显示：生态建设治理流域韭园沟降水同位素较生态建设未治理流域裴家峁降水同位素贫化。降水同位素变幅大于河水和井水同位素变幅，河水蒸发分馏作用强烈而井水较为稳定。河水、井水和水库水的补给来源主要是降水。生态建设流域雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，分别与降水量和温度呈正比和反比关系。沿着主沟道流程，韭园沟流域和裴家峁流域河水同位素值呈逐渐富集趋势。旱季，韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和井水补给河水，补给比例分别为24.66%、75.34% 和83.81%、16.19%。雨季，韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和河水补给井水，补给比例分别为14.75%、85.25% 和48.06%、51.94%。表明生态建设显著改变了流域生态水文过程，旱季和雨季不同水体间的相互转化过程以及转化比例发生改变。该研究可为黄土高原生态建设对流域生态水文过程影响研究和生态环境建设保护提供科学依据。

同位素；流域；降水；生态建设；不同水体；旱季雨季；转化比例

0 引 言

水资源缺乏与时空分布不均是干旱和半干旱地区所面临的严峻问题之一，实现水资源的可持续利用，合理地开发利用水资源，其前提是要深入了解水循环机理[1]及其变化规律。中国黄土高原地区气候干旱且降雨稀少、生态环境极度脆弱、水土流失严重，制约着当地农业生产和经济发展，导致生态环境不断恶化[2]。同时，黄土高原是中国生态环境建设的重点区域，近年来大面积的退耕还林（草）措施以及淤地坝和水库建设的实施，导致流域下垫面发生了深刻的变化，生态建设已经显著改变了流域的水文循环过程[3]。因此，研究黄土丘陵区的生态建设对水文循环过程的改变显得尤为必要。

环境同位素是有效的天然示踪剂，能够有效地识别和反映流域不同水体特征，是研究水循环的重要手段。由于蒸发和凝结等作用，自然界中的水体在运移过程中会产生不同程度的同位素分馏[4]，同位素分馏会导致水中的δD和δ18O发生同位素富集和贫化，最终使得不同水体同位素具有不同的变化趋势和特征，因此同位素示踪方法就成为研究降水、地表水和地下水等不同水体之间相互转化关系的有效手段，特别是在受气温和降水的影响使得不同水体之间转化关系更为复杂的干旱和半干旱地区。目前研究主要集中在水体的同位素特征及其转化关系，包括降水水汽来源[5-9]、不同水体同位素特征[10-15]、地表水的蒸发作用[16-17]、地下水的补给[18-20]、同位素沿程变化[2]等方面。总结发现关于黄土高原地区的相关研究相对较少，同时黄土高原大面积生态建设活动对流域生态水文过程影响研究还处于初始阶段，因此针对黄土高原小流域生态建设治理措施，开展流域不同水体分布与转化研究显得尤为必要。

为深入了解生态建设活动对黄土丘陵区小流域生态水文过程的影响，本研究以黄土丘陵区生态建设治理对比流域不同水体为研究对象，通过野外实地取样，结合室内同位素测试分析，分析生态建设治理对比流域不同水体氢氧同位素特征，研究大气降水中氢氧同位素的温度效应和降雨量效应，揭示流域沟道水的氢氧同位素沿程变化特点，量化不同季节下对比流域各水体补给转化比例，以期为生态建设流域的水循环作用机理深入研究和生态环境建设保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.1.1 韭园沟流域

韭园沟流域位于陕西省榆林市绥德县城东北约5 km，属于黄土丘陵沟壑区第1副区。韭园沟是黄河一级支流无定河左岸的一条支沟道，地理位置110°16′～110°26′E，37°33′～37°38′N。流域总面积为70.7 km2，主沟道长度为18 km，海拔为820～1 180 m，平均比降为1.2%，沟壑密度5.33 km/km2。该流域属于典型的黄土丘陵沟壑地貌，流域内梁峁起伏，沟壑纵横，地形破碎，土地贫瘠，沟间地约占面积比例为56.6%，沟谷地约占面积比例为43.4%。流域内坡面大都由黄土覆盖，厚度30～120 m，河槽及沟道底部部分地方有基岩露出，岩层多由浅灰绿色的砂岩和页岩相间组成。根据韭园沟流域多年实测资料统计，多年平均降雨量475.1 mm，降雨年际变化较大且年内分布极度不均，汛期（6—9月）降雨量占年降雨量64.4%，且多以暴雨形式出现。多年平均温度9.3 ℃，无霜期为150～180 d，流域内多西北风，最大风力12.5m/s。

韭园沟流域土壤类型主要是黄绵土，其质地疏松均匀且孔隙较大，易冲刷及侵蚀，侵蚀方式多以水力侵蚀为主。流域开展生态治理以前，多年平均侵蚀模数为 1.8万t/km2。为了探索黄土丘陵区第一副区水土流失综合治理模式，减少入黄泥沙，有效发展经济，1953年黄河水利委员会建立绥德水土保持科学试验站，并选择韭园沟流域作为水土保持试验小流域。自此，流域开始进行综合治理，主要包括建设水平梯田，建设骨干淤地坝，大力推广水力充填筑坝技术等措施。1964年韭园沟流域被列为全国水土保持农林牧业综合实施十大样板工程之一，1982年被列为全国八大片水土流失治理区无定河治理小流域。实施生态建设以来，流域共有林草面积：乔木林113. 46 hm2、灌木林309. 45 hm2、经济林516. 03 hm2、人工种草451. 45 hm2。到2009年完成治理面积5 310 hm2，治理度高达75.1%。截止1997年流域内共建坝（库）263座，布坝密度为3.72座/km2，总库容2 947.5万m3，拦泥库容2 200.7万m3，已淤地282 hm2[21]。

1.1.2 裴家峁流域

裴家峁流域是无定河左岸的一条支沟道，沟口距绥德县城4 km，地理位置110°17′～110°23′E，37°28′～37°33′N。流域面积41.5 km2，海拔为789～1 122 m，流域主沟道长度约为11 km，平均比降约为1.22%，沟壑密度为2.69 km/km2。裴家峁流域为梁峁丘陵地形，坡面主要为黄土覆盖，沿主沟道两岸有灰色砂岩分布，沟底为基岩裸露沟床，有地下裂隙水流出。流域沟间地面积为20.4 km2，占流域面积比例为49.1%，沟谷地面积为 21.1 km2，占流域面积比例为50.9%。裴家峁流域与韭园沟流域在地形地貌、土壤、降雨和沟道等方面相相近，但是裴家峁流域治理程度较低，到2007年治理面积仅为4.62 km2，占流域总面积11.7%，流域内共建有淤地坝61座，淤地面积35.5 hm2。裴家峁有耕地2 190 hm2，林地517 hm2，草地1 413 hm2（2000年土地利用情况统计）[21]。

建立裴家峁试验站目的在于深入研究大尺度沟道的水土流失规律和机制，为水土保持规划和工程设计提供可靠的试验和监测数据，同时与韭园沟形成对比，用以了解韭园沟流域的生态建设治理效益[21]。

1.2 野外采样

1.2.1 气象数据

在韭园沟流域中部位置布设1组小型自动气象站（HOBO U30 NRC USA），在本研究中主要用于观测大气温度和用于记录降雨事件发生时间和降雨量，气象观测频率设置为5 min/次。

1.2.2 样品采集

水样样品的采集时间为2016年1月至2016年12月，河水、井水和水库水的平均采样周期为15 d，降水和雪水的采样频次为次降水和次降雪。采样点主要分布在2个对比流域韭园沟流域和裴家峁流域主沟道以及主沟道附近，研究区地理位置及采样点分布如图1所示。水样的样品类型主要包括降水、河水、井水、水库水和雪水，其中降水采集点2处分别分布在韭园沟流域中部和裴家峁流域上部，如图1所示。沟道水、井水和水库水水样采集时将样品瓶伸入水面以下30 cm处，以防止水面蒸发分馏的影响。将采集到的水样样品迅速装入30 mL的取样瓶中，并用Parafilm封口膜密封，立即放入便携式冰箱内低温保存。将采集得到的水样样品带回实验室后在 4 ℃下冷藏直至上机测试。所有样品均取3次重复，最终取平均值。

图1 研究区地理位置图与采样点分布

1.3 数据处理

式中sample为水样中D/H或18O/16O的比率，而VSMOW为VSMOW标准水样D/H或18O/16O的比率。

基于同位素质量守恒定律，可以用稳定同位素方法研究径流来源、径流分割以及地表水和地下水相互转化等问题。通过不同水体的同位素值的对比，运用二端元模型计算不同水体来源的比例[22]：

根据质量平衡方程和浓度平衡方程可得二端元混合模型如下：

通过公式（2）和公式（3）得到以下公式（4）和公式（5）：

式中为流量；δ为降水中D或者18O的值；δ为地表水中D或者18O的值；δ为地下水中D或者18O的值。

试验数据统计分析采用运用Excel完成，显著性分析由SPSS21.0完成，所有图表均运用OriginPro 8.5和Adobe Photoshop 7.0完成。

2 结果与分析

2.1 不同水体氢氧同位素统计特征

流域不同水体的来源和转化过程都不尽相同，通过分析不同水体的同位素特征，可以判别不同水体蒸发分馏及转化特征。生态建设治理流域（韭园沟）和生态建设未治理流域（裴家峁）不同水体同位素统计特征如表1所示。韭园沟流域不同水体dD同位素均值由大到小依次是降水＞水库水＞雪水＞河水＞井水，不同水体d18O同位素均值由大到小依次是水库水＞降水＞河水＞井水＞雪水；裴家峁流域不同水体dD同位素均值由大到小依次是雪水＞降水＞河水＞井水，不同水体d18O同位素均值由大到小依次是雪水＞河水＞井水＞降水（裴家峁没有水库，所以水库水同位素统计特征情况无）。标准差变化趋势和均值变化趋势基本趋于一致，反映了不同水体同位素值的离散程度。韭园沟流域和裴家峁流域降水同位素变化范围均表现为最大，韭园沟流域dD和d18O同位素值变化范围为–113.12‰～–9.11‰和–15.37‰～–2.92‰，裴家峁流域dD和d18O变化范围–97.72‰～–14.01‰和–15.78‰～–3.81‰，其相应的变幅分别为104.01‰、12.45‰和83.71‰、11.97‰。

研究区地处黄土高原西北干旱地区，雨季温度高，蒸发强度大，降雨产生的水汽因高温条件而蒸发，水体重同位素富集，同时由于受季风气候的显著影响，降水同位素值偏大且同位素组成有较大变幅[23]。降水在补给河水和井水等过程中同位素变幅被削减，主要与非饱和带和含水层介质的物理属性和水力参数等有关，伴随着补给路径的延长和滞留时间的增加，降水同位素变幅越来越小[24]，即降水同位素变化幅度大于河水和井水同位素变幅。同时河水蒸发分馏强度较大，而黄土区土层较厚，地下水埋藏较深，井水较为稳定，导致河水同位素均值和变幅大于井水[25]。水库水同位素较河水和井水同位素富集，主要因其形成的汇水面积大，极大地增加了水面蒸发作用，从而引起强烈的水体同位素蒸发分馏作用。

表1 生态建设治理和未治理流域不同水体同位素统计特征

2.2 对比流域不同水体氢氧同位素关系

1961年，Craig首先统计计算了全球大气降水的dD和d18O关系，并且得到了拟合方程dD=8d18O+10，即为全球大气降水线方程[26]。其意义在于揭示了水汽在经历非平衡蒸发和凝结过程中的平衡分馏作用下稳定同位素比率dD和d18O的关系，其能够有效表征流域降水水汽来源和转化过程中受到的混合蒸发作用。已有研究表明[27]，通过研究不同水体氢氧同位素关系可以辨别流域不同水体来源及其相互转化关系。图2和图3分别为生态建设治理流域韭园沟和未治理流域裴家峁不同水体的dD和d18O同位素关系图。韭园沟流域的降水同位素拟合线为dD=7.09d18O+1.29，裴家峁流域的降水同位素拟合线为dD=6.71d18O–3.25。与全球大气降水线相比，研究区降水同位素斜率和截距均小于全球大气降水线，说明在水汽运输和降雨形成过程中发生了分馏和二次蒸发，主要是雨滴在云底相对干燥的大气发生部分分馏的结果。这与黄土高原地处干旱区的气候特征相符合[28]。同时，韭园沟流域降水拟合线的斜率和截距均大于裴家峁流域，表明裴家峁流域相比于韭园沟流域在水汽凝聚和降水形成过程中受到了更为强烈的蒸发分馏作用。

图2 生态建设治理和未治理流域不同水体δD和δ18O关系

雪水同位素点基本和降水线重合，表明其来源和运输过程相似，但在降水过程中同位素在云底层二次蒸发引起的同位素分馏作用较降雪明显，同时凝华过程中同位素分馏效应比大于凝结过程中的分馏效应比。河水同位素位于大气降水线右下方，说明河水受到强烈的蒸发分馏作用[29]。蒸发分馏作用导致河水中轻同位素优先从河水中分离出来，重同位素被富集，使得轻同位素与重同位素间的分馏速率比(αD-1)/(α18O-1)不断增大，导致河水拟合线的斜率和截距偏小[30]。水库水同位素拟合线斜率和截距均小于降水，且接近河水同位素线，表明水库水也受到了强烈的蒸发分馏作用。研究区水库水属于河水聚集于淤地坝前形成汇集水面，且和上下主沟道具有良好的贯通性，具有良好的水体交换过程，故水库水同位素接近于河水同位素。

韭园沟流域和裴家峁流域作为对比流域，二者在地理位置和地形地貌等方面具有高度的相似性。韭园沟降水和雪水同位素拟合线的斜率和截距均大于裴家峁流域，而韭园沟流域河水同位素拟合的斜率和截距均小于裴家峁流域。表明由于大量的生态建设活动，诸如林、草植被面积的大幅增加，增加了空气湿度，使得降水同位素较未治理流域贫化。同时淤地坝、水库的实施，增加了流域水面蒸发，河水更易受到强烈的蒸发分馏作用，而使得河水同位素等较未治理流域富集。

2.3 大气降水氢氧同位素变化

降水稳定同位素受到形成降水的气象状况、水汽初始来源地的状态及其水汽输送路径等因素影响，其具有温度效应、季节效应和降水量效应等[30]。通过对2016年韭园沟流域的气象监测资料和降水同位素分析发现（图3），旱季（12月—翌年5月）温度较低而雨季（6—11月）温度较高，降水主要分布在5—11月。降水同位素dD和d18O波动剧烈，波动范围分别为–113.12‰～–9.11‰和–15.37‰～–2.92‰。雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，表明同位素受到降水量效应和温度效应影响，分别与降水量和温度呈正比和反比关系。研究区雨季降水量占全年的71.6%，且多以暴雨形式出现，降雨量效应会影响雨季降水同位素值；雨滴在离开云团后会再经历一次蒸发，使氢氧稳定同位素值增大。这与章新平等[31]研究发现大气降水中氢氧稳定同位素无论是在天气尺度还是在季节尺度下均具有显著温度效应相一致。研究区雨季各场降水同位素值差别较大，主要是因为西北旱区雨季水汽来源主要包括西北水汽通道、南亚季风水汽通道以及东亚季风水汽通道，导致各场降水的水汽来源及其组成不同，同时伴随着不断的凝结和蒸发，最终表现为各场降水稳定氢氧同位素值不同[32]。

2.4 沟道水氢氧同位素沿程变化

河水和井水同位素特征能够有效反映不同水体的蒸发分馏特性。对比流域（韭园沟流域和裴家峁流域）旱、雨季河水和井水同位素沿程变化如图4所示。韭园沟流域沿河道流程方向，河水和井水的采样点分别依次为JR1~JR12（图4a）和JJ1～JJ3（图4b），裴家峁流域沿河道流程方向，河水和井水的采样点分别依次为PR1~PR9（图4c）和PJ1～PJ3（图4d）。

沿着主沟道流程，韭园沟流域和裴家峁流域河水同位素值变化趋势都表现为同位素富集[2,33]，说明河水沿程蒸发效应增强。井水传输方向是从流域上游迁移向下 游[2]，同时井水和河水具有频繁的交换和互补，所以井水的同位素沿程也呈现富集现象。但是在流域不同位置，个别点水体氢氧同位素值存在突变情况。韭园沟流域河水JR8同位素值偏高，主要是因为该点位于水库上游附近沟道，可能与水库水发生着交换而受到水库水的影响，导致该点水体同位素值偏高。韭园沟流域河水JR10同位素值突然降低，研究发现在该点存在氢氧同位素贫化的水源输入，在该处存在一个支沟，其地理位置较高，基岩裸露达数十米之高，由于其裂隙水的输入，导致JR10同位素值降低。韭园沟流域井水JJ2同位素值有所降低，可能是因为JJ2号井距离主沟道较远，且其位置较高，故其与主沟道中的河水未能产生交换，导致其同位素值较低。裴家峁流域PR3点水体同位素值较高，主要是由于靠近主沟道的道路进行施工，在主沟道中有土的堆积，造成沟道中河水的聚集，形成类似小水库的集水面，大量沟道水被滞留于水库后，长时间经历蒸发分馏作用，逐渐成为富集重同位素的河水[2]。

2.5 不同季节各水体转化比例

流域不同水体时时刻刻都在进行着相互补给和交换，其中大气降水以汇流的形式补给地表水，以入渗的形式补给地下水，入渗补给的地下水再反过来补给地表水，以维持地表水径流[25]。不同季节下流域各水体转化方式和转化比例都不同，结合公式（4）、（5）计算生态建设治理流域韭园沟和生态建设未治理流域裴家峁旱季和雨季降水、河水和井水的相互转化补给比例。本研究采用各水体的18O均值进行转化率分析计算（表2）。

图3 2016年韭园沟流域温度、降水量以及同位素变化

图4 生态建设治理和未治理流域旱季和雨季河水和井水同位素沿程变化

表2 生态建设治理和未治理流域旱季和雨季不同水体转化比例

旱季，韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和井水补给河水。表明在旱季，流域生态建设条件对不同水体之间的转化方式没有影响，由于缺少降水，导致河水需要降水和井水的补给，以维持河水地表径流。但是生态建设程度对流域不同水体转化比例产生影响。其中，韭园沟流域降水和井水对河水的补给比例分别为24.66%和75.34%，裴家峁流域降水和井水对河水的补给比例分别为83.81%和16.19%。由于生态建设增加了流域植被覆盖，降低了水流传输速度，导致旱季降水对河水的补给比例较少而大部分河水径流都需要井水来补给，即生态建设增加了流域地表水向地下水转化。而生态建设未治理流域的降水能够直接补给河水径流或降至地表经地表传导作用迅速进入河道，所以生态建设未治理流域的降水补给河水的比例大于生态建设治理流域的补给比例。雨季，韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和河水补给井水。其中，韭园沟流域降水和井水对河水的补给比例分别为14.75%和85.25%，裴家峁流域降水和井水对河水的补给比例分别为48.06%和51.94%。在雨季，生态建设流域的植被能够有效拦截雨水，降水入渗土壤而长时间未能下渗至地下深层部位对地下水进行补给[34]。生态建设未治理流域裴家峁的降水则能直接迅速汇集产生径流伴随河水补给地下水。本研究中的河水采样均是沿着主沟道采样，井水采样点大都分布在沟道两边，所以河水与井水之间的水力联系较为密切，不停地发生着相互转换。

3 讨 论

大气降水是地球系统中流域水循环过程中不同水体的来源，降水的氢氧同位素组分存在明显的季节性变化，由于所处地理位置，环境状况以及下垫面情况的不同所引起的蒸发分馏作用的不同会造成不同水体氢氧同位素空间分布的差异。同时，降水的氢氧同位素组成变化能够直接造成地表水、地下水和水库水等不同水体同位素值发生变化[35]。黄土丘陵区身处气候干旱的内陆地区，强烈的蒸发作用使得降水重同位素富集[1]，大气降水线相比于全球大气降水线有一定程度的偏移，体现了黄土高原的干旱气候特征。同时，大气降水在降落形成地表水、入渗进入土壤形成土壤水，亦或继续下渗最终经过长时间的迁移和转化形成地下水。韭园沟和裴家峁作为生态建设治理和未治理对比流域，二者在地理位置，地形地貌以及气象条件等方面具有高度的相似性。通过研究发现，韭园沟流域河水同位素拟合的斜率和截距均小于裴家峁流域的同位素拟合斜率和截距，原因是韭园沟流域自20世纪50年代以来大量的生态建设活动，诸如淤地坝、水库和退耕还林（草）等措施的实施，极大地改变了流域生态水文过程，增加了流域的蒸散发作用，流域不同水体更易受强烈的蒸发作用，使得河水同位素等较生态建设未治理流域更加富集。即生态建设对小流域水资源分布与不同水体转化关系产生了深刻的影响作用。

流域的降水、河水和井水等各种不同水体之间的关系往往非常密切[15]，对比不同水体之间的同位素组成，可以探究不同水体之间的相互转化和补给关系[36-37]。本研究区地处黄土高原丘陵沟壑区，受季节性降雨和强烈蒸发作用的影响，不同水体之间随时发生着相互转化和补给交换。不同季节各个水体的转化方式和转化比例都不同，通过研究发现无论是在旱季还是雨季，生态建设治理流域韭园沟和生态建设未治理流域裴家峁的不同水体间的转化方式相同。在旱季，降水和井水补给河水；雨季，降水和河水补给井水。但是对比流域不同水体互相转化比例却不同。在旱季，生态建设治理流域的降水补给比例小于未治理流域的降水补给比例；反言之，井水对河水的补给比例治理流域大于未治理流域。主要是因为旱季本来就雨水稀少，同时生态建设活动增加了流域植被覆盖，降低了水流传输速度[2,38]，导致生态建设流域旱季河水的补给需要更多的井水来补给。相反，生态建设未治理流域的降水能够直接补给河水径流，所以生态建设未治理流域的降水补给河水的比例大于生态建设治理流域的补给比例。在雨季，生态建设治理流域降水对生态建设治理流域的降水补给比例小于未治理流域的降水补给比例。生态建设流域大面积的植被能够有效拦截雨水，增加降水入渗，同时淤地坝和水库等水利工程措施能够拦截河水从而能够有效补给流域地下水。而生态建设未治理流域裴家峁的降水则能直接迅速汇集产生径流伴随河水补给流域地下水。生态建设措施的实施对小流域不同水体转化产生了一定影响，改变了研究区不同季节的各个水体间相互转化补给比例。综上所述，生态建设显著改变了流域生态水文过程。

4 结 论

通过野外采集对比流域不同水体的水样，分析黄土区生态建设小流域不同水体氢氧同位素特征，揭示流域生态建设对不同水体转化方式和转化比例影响，得出以下结论：

1）降水同位素变化幅度大于河水和井水同位素变幅。河水受到强烈的蒸发分馏作用，井水相对较为稳定。生态建设治理流域韭园沟降水线为dD=7.09d18O+1.29，未治理流域裴家峁降水线为dD=6.71d18O-3.25。

2）韭园沟流域雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，分别与降水量和温度呈正比和反比关系。沿着主沟道流程，韭园沟流域和裴家峁流域河水同位素值变化趋势表现为同位素富集。

3）通过模型计算不同季节不同水体补给转化比例发现，旱季，韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和井水补给河水，补给比例分别为24.66%、75.34% 和83.81%和16.19%。雨季，韭园沟流域和裴家峁流域都表现为降水和河水补给井水，补给比例分别为14.75%、85.25% 和48.06%和51.94%。生态建设措施的实施对小流域水资源分布与不同水体转化关系产生了影响，改变了研究区不同季节各水体间相互转化补给比例。

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Effects of ecological construction on transformation of different water bodies in typical watershed on Loess Plateau

Zhao Binhua1, Li Zhanbin1,2, Li Peng1※, Xiao Lie1, Chang Enhao1, Zhang Yi1, Gao Bei3

(1.710048,;2.712100,; 3.710054,)

In order to reduce soil erosion and improve ecological environment, the Chinese government implemented the Grain for Green Project in 1999, in which numerous croplands were converted to grasslands, forestlands, or free land for natural plant succession. The ecological construction not only significantly changes the vegetation cover conditions of the watershed, but also changes the hydrological processes of the watershed. In order to understand the changes of ecological and hydrological processes under different ecological construction conditions, 414 water samples were collected in the governance river basin of Jiuyuangou Watershed and 300 water samples were collected in the natural river basin of Peijiamao Watershed, which are sub basins of Wuding River. The water samples included precipitation, river water, well water, reservoir water and snow water. Each water samples had three replicates. Based on stable isotope technology, the hydrogen and oxygen isotope characteristics were analyzed in different water samples. The effects of ecological construction on water transmission process and transformation characteristics between different water bodies in different seasons were also evaluated in this research. The results showed that the amplitude of precipitation isotope values were greater than the river water and well water isotope values. In addition, the river water and reservoir water had stronger evaporation fractionation than other water samples and well water was relatively stable. The local meteoric water line wasdD=7.09d18O+1.29 in the governance river basin of Jiuyuangou watershed anddD=6.71d18O-3.25 in the natural river basin of Peijiamao watershed. The slope and intercept of the local meteoric water line in Jiuyuangou watershed was greater than that in Peijiamao watershed. The water supply source of river water, well water and reservoir water were mostly from precipitation. At the same time, precipitation and snow water had similar sources. During the dry season (from December to June), the temperature was low and during the wet season (from July to November), it was high, and the precipitation was mainly distributed in June to November. The isotope values were low in the wet season, and dry season isotope values were high. The isotope values were positively correlated with the precipitation, and negatively correlated with the temperature. The isotope values of river water and well water showed a similar trend of variation, which became enrichment with the main channel flow. The oxygen isotope value was used to calculate the supply ratio of precipitation, river water and well water in dry season and wet season. In dry season, precipitation and well water supplied river water, and the supply ratio was 24.66%, 75.34% and 83.81%, 16.19%, respectively. In wet season, well water was supplied by precipitation and river water, and the supply ratio was 14.75%, 85.25% and 48.06%, 51.94%, respectively. Ecological construction had significantly changed the ecological and hydrological processes. The acceleration of ecological construction had a significant impact on the transformation of different water bodies in the river basin of Loess Plateau. The present research could provide technical support and theoretic foundation for the study of ecological and hydrological processes and ecological environment protection on the Loess Plateau.

isotopes; watersheds; precipitation; ecological construction; different water bodies; dry and wet season; supply ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.023

X143;P343.9;P597

A

1002-6819(2017)-23-0179-09

2017-05-10

2017-07-14

国家重点研发计划项目（2016YFC0402404，2016YFC0402406-ZT2）；国家自然科学基金重点项目（41330858）；国家自然科学基金面上项目（41471226）

赵宾华，博士生. 主要从事水土保持与生态水文方面研究。 Email：zbh20080810@126.com

李 鹏，教授，博士生导师. 主要从事水土保持与生态建设方面研究。Email：lipeng74@163.com