干旱内陆绿洲中渠道介导的水资源再分配与生态水文响应：基于稳定同位素和遥感的证据

《Journal of Hydrology》：Canal-mediated water redistribution and ecohydrological responses in an arid inland oasis: Evidence from stable isotopes and remote sensing

　　

•稳定同位素追踪了100公里渠道沿线逐步蒸发过程。
•渠道蒸发量平均为5.11%，夏季上升至8.20%。
•白杨在生长季中期使用浅层水源，而在生长季初期和末期则使用更深层水源。
•生态输水后，湖泊重新扩张，植被加速绿化。
•湖泊面积与植被的联系仅限于湖泊及其周边5公里范围内。

引言
水资源是社会经济发展和生态稳定的基础（Rosa等，2020）。快速城市化、人口增长和农业扩张加剧了全球水需求，导致人均水资源量下降、水资源供需在时空上日益不匹配，以及水生生态系统持续退化（Chung等，2021，He等，2021，Kummu等，2016，Rohde等，2024）。为解决水资源地理分布不均问题，跨流域和流域内调水工程已被广泛实施。代表性的大型工程包括中国的南水北调工程和澳大利亚的雪梨山引水工程（Dong等，2021，Sarmadi等，2019）。在流域和灌区尺度上，渠道网络将水从河流和水库重新分配至农田、居民点和下游生态系统。这些网络在干旱地区尤为重要，包括中国西北地区，那里有限且分布不均的水资源制约着农业生产和生态可持续性（Chen等，2007，Dou等，2022，Lu等，2021）。然而，通过开放渠道进行长距离输水会使输送的水暴露于蒸发和渗漏中。这些损失可能降低灌溉效率，并限制到达下游湿地和尾闾湖泊的生态水量。因此，量化渠道水损失对于平衡农业需求、社会经济用水和环境流量需求至关重要，尤其是在水资源稀缺的流域。

稳定氢和氧同位素已被用作水文、气候和生态过程的有效示踪剂长达六十多年（Bowen等，2019）。其应用已逐步从识别降水补给、追踪地表水演变和刻画地下水流动路径，扩展到定量评估水量平衡过程（Bowen等，2011，Galewsky等，2016，Li等，2022）。特别是，同位素质量平衡方法提供了一种基于残余水中重同位素逐步富集来估算河流、湖泊和水库蒸发的综合手段（Gibson等，2016）。在全球尺度上，约20%的1,257个湖泊总入流量通过蒸发损失，而在干旱和温带地区，近10%的湖泊蒸发量超过入流量的40%（Vystavna等，2021）。在流域尺度上，蒸发约占南非Gariep河系径流的20%，其中水库水面贡献了近一半的损失（Diamond和Jack，2018）。这些应用为将同位素质量平衡方法从相对静止的水体扩展到流动输水系统奠定了坚实的理论和方法基础。

与湖泊和水库不同，渠道持续向下游输送水，受停留时间、流动引起的湍流、季节性运行和变化的水文气候条件影响。因此，渠道专用的同位素研究已逐步纳入这些动态过程。在中国南水北调工程中的应用产生了夏季蒸发损失2.54%–3.73%的估算值，证明同位素逐步富集能够可靠地量化大型调控输水系统沿线的累积蒸发量（Chen和Tian，2021）。随后在恒河上游渠道进行的全年观测将此方法扩展至湿润、半湿润和半干旱环境。季节性E/I值范围为0.04至0.45，而累积蒸发损失从湿润的上游区域的18 ± 7%增加到半干旱下游区域的50 ± 10%。纳入气动表面粗糙度使计算的E/I值增加了40%–60%，使同位素模型能够表征由流动引起的湍流所产生的增强水汽交换（Sahu和Maurya，2026）。进一步在美国凤凰城两条混凝土衬砌渠道上的应用产生了年蒸发损失分别为5.2 ± 2.3%和3.3 ± 1.5%的结果，暖季最大值分别为8.5%和5.8%。这些同位素估算值与独立的蒸盘蒸发测量之间的紧密一致为该方法的可靠性提供了额外验证（Qubaja等，2026）。总体而言，从湖泊和水库到大型输水渠道、灌溉渠道和城市渠道系统的进展表明，稳定同位素提供了一种可靠且可迁移的方法来量化各种流动水体环境中的累积蒸发量。

尽管近年来取得了进展，但干旱地区由渠道引起的水文变化仍未得到充分理解。干旱和半干旱地区约占全球陆地面积的40%，包含脆弱的水文系统，对气候变率和人类调控高度敏感（Huang等，2016）。虽然基于同位素的研究能够可靠地量化调控渠道的蒸发量，但大多数研究集中于衬砌渠道或水力受控渠道，并将蒸发视为主要的水损失过程。绿洲灌溉网络更为复杂，包含衬砌和非衬砌渠段、季节性分水以及土壤水、地下水和植被之间的相互作用。它们既是供水基础设施，也是连接水源、农田、渠道旁植被和末端生态系统的 hydrological corridors。在输水过程中，蒸发减少了下游可利用水量，而渗漏可能补给浅层土壤和含水层，并支持渠道沿线的植被（Bouimouass等，2022）。与水资源调控一起，这些过程影响着到达末端湖泊和湿地的生态水量的多少和时机，从而影响地下水条件、地表水面积和植被恢复（Chen等，2010，Dou等，2022，Hao和Li，2014，Lu等，2021）。然而，很少有研究将输水损失、地下相互作用、植被用水和下游生态响应整合在从水源到末端的全路径中。

民勤绿洲位于中国西北部的石羊河下游，是一个由人工输水维持的典型干旱内陆绿洲（Zhao等，2011）。自20世纪50年代以来，一个由水库供水的渠道网络延伸超过500公里，在整个绿洲重新分配地表水。该网络支持灌溉、当地生计、人工渠道旁白杨防护林，以及末端青土湖的生态修复。然而，其生态水文效应仍未得到充分量化，尤其是渠道水的蒸发、渠道沿线植被的用水以及下游末端湖泊的生态响应。在本研究中，我们将多年稳定氢和氧同位素观测与水文测量、植物水源分析和长期遥感指标相结合，研究民勤绿洲渠道输水的生态水文效应。具体目标为：(1) 刻画渠道水的空间和季节同位素演变并量化输水过程中的蒸发损失；(2) 分析人工渠道旁防护林中白杨的季节性水源利用；(3) 评估生态输水后青土湖末端区域的地表水面积和植被活性的变化。通过将水源、渠道网络、防护林和末端湖泊整合于统一框架中，本研究将输水损失与植被和末端生态系统响应联系起来。研究结果为改进灌溉型干旱地区的水资源分配和维持生态水输送提供了科学依据。

研究区域
民勤绿洲（103°02′–104°02′E，38°05′–39°06′N）位于甘肃省东北部的河西走廊，处于石羊河下游。该冲积扇复合体由石羊河反复改道形成（Zhao等，2011），西北以巴丹吉林沙漠为界，东北和东南以腾格里沙漠为界，南部连接武威绿洲。民勤绿洲是一个典型的温带大陆性干旱气候区，以……

采样与实验处理
在本研究中，我们在民勤绿洲采集了降水、地表水（包括河水和水库及渠道水）、土壤水、木质部水和地下水样品（图1b）。所有水样均在2019–2022年4月至10月期间采集（表1）。使用自制采样器在水面以下约0.3米处采集地表水样品。为最大限度地减少与其他水源混合可能引起的同位素信号改变，渠道水样品……

渠道水稳定同位素时空变化与蒸发损失
在输水过程中，渠道水表现出明显的纵向和季节性同位素变化。2019至2022年间，δ18O和δ2H分别从?8.70‰到?4.38‰以及从?57.03‰到?27.86‰不等。在五个固定渠道站点中，δ18O和δ2H从5公里站点到100公里站点逐步富集（图2a–c）。从5公里到100公里站点，δ18O平均值从?8.37 ± 0.20‰增加到?6.98 ± 1.13‰，而δ2H平均值从?55.32 ± 1.15‰增加到?45.77 ± 6.98‰。平均……

渠道水蒸发和本地水分再分配的地球化学证据
来自五个固定渠道站点的多年观测提供了协调一致的证据，表明蒸发改变了输水过程中的渠道水。从5公里到100公里站点，δ18O和δ2H逐步富集，而d-excess一般下降（图2）。在2019–2022年4月至10月的28个月度估算值中，累积E/I平均为5.11 ± 3.66%，并在6月至8月期间增加至8.20%，这与夏季较强的大气蒸发需求一致（图3a）。类似的……

结论
本研究将多年稳定氢和氧同位素观测与蒸发模型、贝叶斯植物水源分析和遥感相结合，评估了中国西北民勤绿洲的渠道输水效应。结果表明，渠道运行改变了从输水走廊到下游末端区域的水分再分配。主要发现如下：(1) 在五个固定站点之间，渠道水的δ18O和δ2H逐步富集……

数据可用性声明
支持本研究结果的同位素数据公开可在Zhu (2022)中获取，"Stable water isotope monitoring network of different water bodies in Shiyang River Basin, a typical arid river in China"，Mendeley Data，V1，https://doi.org/10.17632/vhm44t74sy.1

CRediT作者贡献声明
Rui Li：原稿撰写。Zhijie Zheng：数据整理。Guofeng Zhu：审阅与编辑。Xinyue Wang：软件、调查。Jiangwei Yang：方法。Yuxin Miao：软件。Yani Gun：可视化。

利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到国家自然科学基金（42371040）、甘肃省自然科学重点项目（23JRRA698）、甘肃省重点研发计划项目（22YF7NA122）、西北师范大学重大重点项目培育计划（NWNU-LKZD-202302）、西北师范大学绿洲科研成果突破行动计划项目（NWNU-LZKX-202303）以及甘肃省高等教育……的资助。

Rui Li | Zhijie Zheng | Guofeng Zhu | Xinyue Wang | Jiangwei Yang | Yuxin Miao | Yani Gun