沱沱河源区湿季向干季过渡期径流来源的季节转换及活动层缓冲作用：稳定同位素与水化学证据

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Seasonal shift in runoff sources and active-layer buffering during the wet-to-dry transition in the Tuotuo River Basin, headwaters of the Yangtze River: Isotope and hydrochemical evidence

　　

摘要：研究人员以青藏高原腹地长江源区主要支流——沱沱河流域（Tuotuo River Basin）为研究对象，该高寒多年冻土区流域受降水、冰川融水及多年冻土上限以上水（supra-permafrost water）补给影响，其9月至10月显著的湿—干过渡特征使之成为探究多年冻土源头流域径流来源转换的理想场所。研究人员联合运用稳定同位素（stable isotopes）与水化学（hydrochemistry）方法识别流域出口断面径流的季节变化：9月至10月出口河水同位素富集（isotopically enriched），主要离子浓度总体升高，表明补给来源发生显著调整；因河水主要离子浓度落于端元混合包络线之外，故选用δ18O与氘盈余（d-excess）作为定量示踪剂估算降水、冰川融水及多年冻土上限以上水之贡献。出口观测揭示径流由9月多源混合补给转为10月以多年冻土上限以上水为主导：端元混合分析（End-Member Mixing Analysis, EMMA）显示多年冻土上限以上水贡献由55%升至83%，而冰川融水与降水分别由25%和21%降至约10%和7%。因此湿—干过渡期径流演变并非降水和融水减弱后的简单同步退水，而是越来越多地受活动层（active layer）中季节性储存水的滞后释放所控制。

论文解读：沱沱河源区湿—干过渡期径流来源转换及活动层缓冲作用的同位素与水化学证据

该文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。全球变暖背景下青藏高原升温速率约为全球平均两倍，伴随冰川退缩、多年冻土退化及活动层（active layer，多年冻土之上季节性冻融层）动态变化，正在重塑高寒源头流域的径流来源、流径及溶质运移过程。此类冷区流域径流通常由降水（precipitation）、冰川/积雪融水（glacier/snow meltwater）及多年冻土上限以上水（supra-permafrost water，活动层内位于冻土层之上、季节冻融带之下的液态水）等多源混合补给，但现有研究多关注消融期或年尺度径流组成，对晚季湿—干过渡期（9—10月）多水体如何协同调控出口断面示踪信号，尤其是活动层中储存的多年冻土上限以上水在维持并重塑出口水同位素—水化学信号中的作用尚缺乏定量研究。长江源区沱沱河（Tuotuo River）流域具高海拔、发育冰川与广布多年冻土、湿—干季节过渡明显等特征，是探究此问题的理想天然实验场。为此研究人员开展多时期、多水体协同采样与示踪分析，旨在阐明湿—干过渡期出口径流来源变化、各水体同位素与水化学特征差异，并定量估算三端元贡献，以验证径流是否由快速输入转为活动层滞后释水主导，从而为理解长江源高寒流域产流机制提供新区域水文证据。

主要关键技术方法

研究人员于2024年9—10月在沱沎河控制站（沱沱河水文站）及流域内设采样点，采集河水（出口日采+支流域半月采）、降水（事件采+野外补采）、冰川融水（姜古迪如冰川，晴日双周采）及多年冻土上限以上水（泉眼，半月采），共计214份样品。δ¹⁸O与δD用激光液态水同位素分析仪测定，主要阴离子用离子色谱仪（IC）、主要阳离子用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定。用箱线图描述各水体同位素分布，Gibbs图与Piper三线图分析水化学主控因素，Kruskal–Wallis检验与Mann–Whitney U检验评估水体和时段间差异显著性，并以δ¹⁸O和氘盈余（d-excess = δD ? 8δ¹⁸O）为保守示踪剂进行三端元混合分析（End-Member Mixing Analysis, EMMA）定量估算降水、冰川融水、多年冻土上限以上水对出口径流贡献。

研究结果

4.1 流域出口断面湿—干过渡期补给源季节变异：同位素—离子综合证据

依据托托河气象站长序列资料划定5—9月为湿季（均温＞0℃且月降水＞年总5%）、10—4月为干季。研究期内9月转10月降水由43 mm锐减至10 mm，气温由3.9℃降至?3.4℃。出口河水δ¹⁸O由?13.1‰升至?10.6‰，δD由?88.0‰升至?77.8‰，呈同位素富集；Na⁺、Cl^?、SO₄^2?分别升高54.2%、63.1%、31.0%，F^?与NO₃^?下降，表明出口水体发生显著水文地球化学调整，反映补给源重组而非随机波动。

4.2 不同水体稳定同位素与水化学特征

各水体δ¹⁸O、δD、d-excess及主要离子具显著差异（Kruskal–Wallis检验p＜0.05）。降水δ值变幅最大；冰川融水整体同位素贫化、离散度小；多年冻土上限以上水相对富集（均值δ¹⁸O = ?10.8‰，δD = ?77.2‰）；河水介于冰川融水与多年冻土上限以上水之间（均值δ¹⁸O = ?10.0‰，δD = ?68.8‰）。Piper图显示各水体水化学分异明显：降水富Ca²⁺，冰川融水相对富Cl^?，多年冻土上限以上水HCO₃^?+CO₃^2?与SO₄^2?较高，河水Cl^?为主且Na⁺+K⁺比例偏高。Gibbs图显示降水与冰川融水低TDS（总溶解性固体）且靠近降水—岩石风化过渡域，多年冻土上限以上水TDS较高落入岩石风化主导域部分趋近蒸发域，河水TDS更高且多落入蒸发主导域，说明河水经源混合叠加径流过程中水—岩相互作用及蒸发浓缩影响。9月与10月出口河水同位素和主要离子差异具统计显著性（Mann–Whitney U检验p＜0.05），Spearman相关显示δ¹⁸O与Na⁺、Cl^?、SO₄^2?正相关，同位素富集伴离子浓度升高，d-excess降低，指示补给源转换与水文地球化学演化耦合。

4.3 端元混合分析（EMMA）

由于河水主要离子浓度超三端元混合包络，不满足保守混合假设，而δ¹⁸O与d-excess受水—岩作用干扰小更接近保守行为，故选作EMMA示踪剂。以各端元当月中位数赋值，出口水样落入三端元混合多边形内。9月多年冻土上限以上水贡献54.9%、冰川融水24.5%、降水20.6%；10月多年冻土上限以上水升至83.1%，冰川融水降至10.3%、降水降至6.6%。表明径流由9月多源混合补给转为10月以活动层储存的多年冻土上限以上水释放为主导。

讨论与结论翻译

讨论指出稳定同位素主要记录补给源混合关系与来源转换，水化学则更多反映流径改造及混合后演化（如水—岩作用、上游地热泉输入等矿物化）；湿—干过渡期出口信号是源转换与流径重组共同产物，活动层不仅是导水介质更是季节性储—释单元，将暖季补给的水文影响延续至早干季，使水文控制由事件驱动的外源输入转为内源缓冲的活动层滞后释水。

结论：研究表明沱沱河流域湿—干过渡期出口河水同位素富集且主要离子同步变化，反映补给贡献季节偏移；EMMA显示9月仍维持多源补给态，10月明确转为以多年冻土上限以上水主导，径流形成非降水和融水减弱后简单同步退水，而是由快速事件输入转向活动层储存水释放，活动层作为关键储—释单元在降水减弱与冰川融水衰退后维持径流。未来需在全年连续观测、干支流水系对比及引入更多过程示踪剂与不确定分析方面深化，并可纳入地热或其他局部矿化水以约束其对溶质富集及水化学演化的贡献。