中亚干旱区阿姆河三角洲水体的水地球化学特征、稳定同位素、来源解析及适宜性评估

《Journal of Arid Environments》：Hydrogeochemical characteristics, stable isotopes, source apportionment, and suitability assessment of waters in the Amu Darya Delta, arid Central Asia

　　

摘要

干旱尾闾盆地的水资源支撑着生态系统稳定性、灌溉和生计，使其水化学演变和质量对于可持续管理至关重要。基于阿姆河三角洲夏季采集的水样（46个地表水样、3个地下水样和2个降水样作为参考端元），本研究综合运用水化学图解、离子比率、稳定同位素、正交矩阵分解（PMF）以及适用性评价等方法，初步探讨了水化学特征、溶质来源及水资源适用性。Ca·Mg–Cl型为优势水型（占79.6%），与蒸发岩溶解、硅酸盐风化、蒸发浓缩和灌溉回归流的耦合作用一致。同位素特征表明存在蒸发浓缩效应，结合其他证据，提示了农业活动的影响。PMF表明四个潜在来源，中位数贡献分别为：蒸发岩溶解（32.3%；18.2–46.4%）、硅酸盐风化（19.5%；9.4–29.5%）、碳酸盐溶解（16.1%；8.7–23.5%）和人为活动（32.1%；13.5–50.8%）。基于溶解性总固体–总硬度和钠吸附比–电导率分类，约34.7%的样品属于硬–微咸水，表明口感差且存在结垢倾向，但未提供基于健康安全的评价，约46.9%的样品对灌溉构成盐分危害。这些发现为干旱尾闾盆地的水盐动态提供了初步见解，可为盐分管理、安全用水和三角洲保护提供参考。

引言

全球干旱和半干旱地区的水资源短缺对农业和生态系统构成日益严峻的威胁，引起了广泛关注（Yang等，2022；Schulz等，2024）。对这类地区水资源的有助于理解干旱环境下的水文过程、溶质运移和人为影响，也为阐明水化学演变机制以及制定盐分控制和水资源可持续管理策略提供了科学依据（Kannazarova等，2024；Li等，2026）。

阿姆河三角洲（ADD）位于阿姆河（ADR）的尾闾段，沿干涸的阿拉尔湖南缘延伸，是中亚干旱区一个关键而脆弱的水文和生态单元（Johansson等，2009）。该地区的生存和发展高度依赖于阿姆河的水资源。然而，近几十年来，大规模的下游上游农业引水和湖泊萎缩的叠加效应严重破坏了当地的水盐系统，导致湿地流失和生态系统功能持续退化（Hamidov等，2016）。该三角洲汇集了全球干旱尾闾盆地的多种挑战和耦合过程，包括极端气候、土壤盐渍化、湿地退化和跨界盐尘排放。因此，三角洲已成为研究干旱地区水盐演变和人为压力的全球代表性案例（Schettler等，2013；Yang等，2020）。

研究人员通常采用水化学成分、稳定同位素（δ¹⁸O和δD）以及多元统计方法来阐明水文地球化学过程、演化机制和人为影响（Han等，2011；Pandey等，2023；Wang等，2025a）。正交矩阵分解（PMF）已被证明在水系统中定量源解析方面是有效的（Zhang等，2023）。与传统方法不同，PMF能够定量估算多源混合系统中各源的贡献，尽管其模型特性引入了固有的不确定性（Norris等，2014；Brown等，2015）。这一特点使PMF特别适合ADD复杂的水化学环境，其中地表水–地下水相互作用、蒸发、灌溉回归流和盐尘沉积等过程同时发生。然而，PMF推导的因子剖面需要与当地水文地球化学证据进行验证，以确保源识别的稳健性（Rashid等，2024）。

对阿姆河流域的研究主要集中在 地表水–地下水相互作用、盐分和NO₃–N源识别以及灌溉回归流效应（Zhang等，2019；Wang等，2024）。然而，在ADD这类干旱尾闾系统中，由于野外观测有限，水化学演变的耦合控制因素仍知之甚少。以往的研究大多集中在单一水类型上，地表水、地下水和降水之间的水文连通性、蒸发过程、补给机制和盐分来源尚缺乏充分刻画（Wang等，2024）。此外，基于集成的水化学–同位素–PMF框架对主要水化学组分进行定量源解析的工作在ADD尚未开展（Zhan等，2022；Rajan和Nandimandalam，2025），也尚未基于总硬度（TH）和钠吸附比（SAR）对当地水资源的饮用水和灌溉适用性进行系统评估。

因此，本研究对2019年8月旱季在ADD采集的水样进行了综合评估，分析了其水化学演变、可能的溶质来源和用水适用性。数据集包括46个地表水样，3个地下水样和2个降水样主要作为水化学和同位素比较的参考端元，而非具有统计代表性的样本总体。具体而言，Piper和Gibbs图解用于水型分类和水–岩相互作用；离子比率用于约束地球化学过程；稳定同位素用于追踪蒸发和水的来源；PMF用于定量溶质来源；SAR和TH用于评价水资源适用性。尽管样本量有限，这种方法比局限于单一水类型的研究能更有价值的初步见解。本研究的主要贡献在于综合应用水化学图解、离子比率、稳定同位素、PMF和水质量指标，为数据稀缺的干旱尾闾三角洲ADD建立了罕见的基础数据集。虽然各种方法本身已得到充分验证，但将其在单一框架中综合使用，为这一研究不足地区的 水盐动态提供了基于过程的连贯理解。该方法可推广至类似流域，但具体发现具有情境依赖性，需通过未来研究进行验证。具体目标包括：（1）利用主要离子化学、诊断性比率、矿物饱和度指数和稳定同位素，确定影响所采集水样的主要水文地球化学过程；（2）运用PMF并结合地质、同位素、空间和土地利用证据，解析并审慎解释可能的自然和人为源因子；（3）采用既有的分类指标评估饮用水接受性以及灌溉的盐分和水钠约束。有限的地下水和降水样被用作参考端元，而非具有统计代表性的样本总体。本研究为评估区域水安全、盐渍化风险、灌溉回归流影响和三角洲生态保护提供了直接科学依据，也为全球类似干旱尾闾盆地提供了可转移的框架。

章节片段

地理概况

ADD位于ADR下游，沿阿拉尔海南缘，地处图兰低地。它形成了一个大型冲积–湖积平原，陆地面积约为6.3×10⁴ km²（图1）。该地区供养着超过300万人口，其中约70%主要依靠农作物种植、畜牧业和园艺业为生（Hamidov等，2016）。三角洲地势极其平缓，坡度在0.1‰至0.5‰之间，

理化性质

如表1所示，ADD的地表水和地下水pH值一般在弱酸性至弱碱性之间，范围为6.64至8.55（中位数8.10）。TDS范围为242 mg/L至8293 mg/L。约34.7%（17/49）的水体可归类为微咸水（1×10³–1×10⁴ mg/L），其余65.3%为淡水（<1×10³ mg/L）。TDS平均值（约1289.84 mg/L）是中位数（约547 mg/L）的两倍以上，标准差为1668.85 mg/L。空间

结论

本研究为2019年夏季所采集样点提供了ADD的基础数据（46个地表水样点，3个地下水样和2个降水样作为参考端元），并在干旱和人为干扰的双重压力下，对水化学特征和演变机制提供了初步见解。Ca·Mg–Cl型水为所采集ADD水体的优势水型，占样品总数的79.6%。所观测到的水化学特征可能

CRediT作者贡献声明

占书睿： 撰写——初稿，调查，概念构思。吴敬路： 撰写——审阅与编辑，指导，调查，数据整理。朱伊婷： 可视化，方法论。万敏宇： 可视化，方法论。王敬忠： 调查。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益关系或人际关系。

致谢

感谢中国科学院中亚生态环境研究中心对本研究提供的协助。本研究受国家重点研发计划（2026YFE0100800）和国家自然科学基金（U2003202、41671200）资助。

占书睿|吴敬路|朱伊婷|万敏宇|王敬忠

江苏省滨海湿地生物资源与环境保护重点实验室，江苏盐土生物资源重点实验室，江苏滨海生物农业协同创新中心，盐城师范学院湿地学院，江苏盐城，224002，中国