黄河三角洲土壤水分垂直剖面的持续黄河水源影响：来自稳定同位素与贝叶斯混合模型的证据

《Water》：Persistent Yellow River Influence on Soil Water Across the Soil Profile in the Delta: Evidence from Stable Isotopes and Bayesian Mixing Models

　　

在黄河三角洲，黄河主流流量变化、地下水交换和季节性降水共同调控土壤水分并影响当地水文过程。理解土壤水的来源对该区域水资源管理至关重要。研究人员于2022年8月至10月共采集了210个土壤水样品，分析了其δ2H和δ18O值，随后利用五源贝叶斯混合模型量化了10–100 cm土壤剖面中各水源的贡献率。结果表明，六类水体的同位素特征存在差异，地表水和潮水的蒸发富集程度高于降水和黄河水。汛期和汛后土壤水同位素变化主要集中在土壤剖面的浅层和中层，深层变化相对较小。贝叶斯混合模型分析结果显示，黄河水是整个土壤剖面的主要水源，贡献率为39.7%–57.1%，其次是降水（23.5%–37.2%），而地下水、局部地表水和潮水的贡献率较低。黄河作为主要水源的概率在不同深度介于55.9%至80.8%之间。这些发现表明黄河水源对黄河三角洲不同深度土壤水分具有持续性影响，加深了对沿海三角洲地区土壤水补给过程和水源联系的理解。

一、研究背景与科学问题

沿海三角洲是陆海相互作用的关键界面，其水交换受河流径流、降水、地下水、潮汐入侵和强烈蒸发等多重因素共同调节。在这一复杂系统中，土壤水处于核心地位，它连接着降水、地表水、地下水和植被需水，并对季节性水文波动表现出快速响应特征。然而，与上游流域不同，三角洲地区通常具有低水力梯度、浅水位、密集河网和排水系统以及广泛的农业活动，这些条件促进了不同水体之间的频繁混合。黄河三角洲是中国典型的河流控制型沿海三角洲，其当前的水文条件不仅受季风降水影响，还受到黄河径流调控、农业灌溉和地下水相互作用的综合作用。上述过程使得土壤水分的来源和再分配机制变得复杂，难以阐明不同水源对土壤剖面的比例贡献。因此，明确这些关系对于理解该三角洲的水循环过程、支持淡水资源管理和生态可持续性具有重要意义。

二、研究方法与技术路线

为探究黄河三角洲土壤水分的来源及其分布规律，研究人员结合氢氧稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O）示踪技术与贝叶斯混合模型（MixSIAR）进行定量分析。研究于2022年8月和10月（分别对应汛期和汛后期两个水文阶段）在黄河三角洲南岸的永丰河流域和小岛河流域以及北岸的神仙沟流域三个代表性子流域开展野外调查。共采集了六类水体样品：降水（9个）、黄河水（2个）、其他地表水（36个）、地下水（15个）、潮水（3个）和土壤水（210个）。土壤水样品按10 cm深度间隔从10 cm到100 cm分层采集，采用真空冷凝蒸馏法提取。所有水样的δ²H和δ¹⁸O值通过Picarro L2130-i光腔衰荡光谱仪测定。研究采用五源贝叶斯混合模型，以δ²H和δ¹⁸O为示踪剂，对每个10 cm深度间隔独立建模，估算降水、黄河水、其他地表水、地下水和潮水五种潜在水源对土壤水的贡献比例。此外，研究还进行了端元可分离性和混合空间诊断分析，包括凸包分析和标准化质心距离计算，以评估端元覆盖能力和水源区分度。

三、主要研究结果

3.1 不同水体的同位素特征

六类水体在δ²H-δ¹⁸O图上总体呈现一定程度的分离，但降水、黄河水、地下水和土壤水之间存在部分重叠。降水和黄河水同位素值相对贫化，而地表水和潮水相对富集。地表水同位素变幅最大，黄河水同位素分布最为集中。地下水同位素一般介于黄河水和地表水之间，潮水同位素值最高。各水体的氘盈余（d-excess）值也存在显著差异：降水d-excess保持正值，表明降雨后蒸发改造较弱；地表水d-excess值极低，指示强烈蒸发；黄河水d-excess接近4‰；地下水介于降水和地表水之间；潮水d-excess变幅较大，可能反映了海水与淡水来源的混合变化。研究期间建立的降水线方程为δ²H = 5.06δ¹⁸O ? 11.62（R2 = 0.61），其斜率和截距均低于全球大气降水线（GMWL）。

3.2 土壤水同位素的季节和垂直变化

汛期和汛后期土壤水同位素的变化在整个土壤剖面中并不均匀。与汛期相比，汛后期土壤水在10 cm深度和30–50 cm层位表现出更显著的贫化趋势，而在60 cm以下深度，差异减小且方向不一致。δ²H的最大变化出现在30 cm处，δ¹⁸O呈现出大致相似的垂直变化模式，而d-excess未显示明显的深度变化趋势。因此，汛期和汛后期的变化主要集中在土壤剖面的浅层和中层。整体垂直剖面形态在两个水文阶段总体相似，但局部存在差异。δ²H和δ¹⁸O均未随深度呈单调变化，δ²H均值总体上随深度增加趋向正偏，表明贫化程度降低，但中间层位出现偏离。这表明近期水分输入对上层和中层土壤水影响更大，而深层土壤水保留了更多早期储存的水分。

3.3 土壤水水源贡献的定量解析

基于贝叶斯混合模型（MixSIAR）的估计结果，黄河水在整个浅层土壤剖面中占主导地位。其后验平均贡献率在10 cm处达到57.1%，20 cm处为52.1%。降水是第二大水源，在10 cm和20 cm深度分别占23.5%和30.7%。其他水源的贡献率相对较小。这一格局在中层剖面有所减弱：在30 cm和40 cm深度，黄河水贡献率降至43.7%和41.8%，而降水增至35.8%和37.2%，两者差距远小于浅层。在50 cm处，黄河水贡献率回升至47.6%，但在60 cm处降至42.8%。60 cm附近地下水和其它地表水的比例也略高于表层。在70 cm以下，黄河水仍占主导，但其贡献率在39.7%–46.6%之间波动，降水贡献率为25.8%–31.6%，地下水增至13.3%–14.8%，其他地表水和潮水始终为低贡献组分。在整个10–100 cm剖面中，水源排序保持一致：黄河水贡献39.7%–57.1%，其次为降水23.5%–37.2%，地下水8.4%–15.2%，其他地表水5.4%–10.6%，潮水3.4%–6.8%。黄河作为最大贡献水源的后验概率介于55.9%至80.8%之间。

四、讨论与结论

讨论部分首先指出，研究期间降水线的斜率和截距均低于全球大气降水线，反映了局地气象条件和降水事件对研究区降水同位素组成的影响，与其他半干旱和季风影响区域的报道一致。相比之下，黄河端元保持同位素贫化状态，而大多数地表水和潮水呈现富集的同位素组成和较低的d-excess值，表明这些水体在进入黄河三角洲土壤后经历了不同程度的蒸发改造。土壤水主要分布在黄河水、降水、地下水和地表水之间，并未显著靠近潮水端元，说明其同位素组成主要受黄河水、降水和浅层地下水控制。电导率（EC）与δ¹⁸O呈显著正相关（R=0.82，p<0.001），与d-excess呈负相关（R=?0.58，p<0.001），表明水源中溶质浓度增加通常伴随重同位素富集和d-excess降低。

混合空间诊断表明，五种水源端元对土壤水样品提供了良好的总体覆盖：观测源凸包覆盖了210个土壤水样品中的197个（93.8%），而仅由五种端元均值构成的质心凸包仅覆盖81个样品（38.6%），表明端元内部同位素变异性对混合空间范围有显著影响。按深度看，中深层土壤水样品更稳定地落在观测源凸包内。端元可分离性分析显示，最弱的分离发生在降水与黄河水之间（标准化质心距离0.46，水源分离指数SSI为0.52），以及其他地表水与地下水之间（标准化质心距离1.01，SSI为0.59），这两组是唯一SSI值低于1.0的水源组合，表明它们在δ²H-δ¹⁸O空间中高度重叠，是混合模型水源解析不确定性的主要来源。相比之下，潮水位于同位素空间的富集端，与降水和黄河水明显分离。

关于黄河水对土壤水的控制作用，研究指出黄河水端元在每个采样深度都具有最高的后验平均贡献率（39.7%–57.1%），支持了研究期间黄河水成分在土壤水中的重要地位。可能的传输路径包括黄河河道侧向渗漏、灌溉过程中引水的入渗以及与含河水成分的浅层地下水交换。地下水对整个剖面的土壤水均有贡献，但比例始终低于黄河水，反映了地下水与土壤水之间持续的水力联系和水交换。

结论部分总结如下：本研究利用来自降水、黄河水、其他地表水、地下水、潮水和土壤水的275个有效δ²H和δ¹⁸O测量数据，分析了黄河三角洲10–100 cm土壤剖面的土壤水组成。六类水体表现出不同的同位素特征，降水和黄河水比局地地表水和潮水在同位素上更为贫化。土壤水同位素剖面显示出显著的深度依赖性和水文阶段特异性变化，季节性重组集中在1米剖面上半部。贝叶斯混合模型识别出黄河水是该剖面土壤水的主要来源，后验平均贡献率为39.7%–57.1%，其次为降水（23.5%–37.2%），地下水、其他地表水和潮水贡献相对较低。总体而言，黄河主流的流入对黄河三角洲土壤剖面具有持续影响。由于同位素混合模型识别的是水源贡献而非物理流动路径，未来研究应结合同位素测量与土壤含水量、地下水位和水力观测，以更全面地揭示三角洲的补给机制以及从汛期到汛后期不同水文阶段的水交换过程。