同位素生态水文学01：D、18O
生态水文学中的氢氧同位素分析
生态水文学中的氢氧同位素分析一、生态水文学基础生态水文学是研究地表水和地下水在生态系统中的过程及其生态效应的一门交叉学科。
它紧密结合了生态学、土壤学、气候学、水文学等多学科知识，是理解和管理自然水系统和生态系统的关键。
生态水文学的主要任务是评估水资源开发和利用的生态风险，确定生态保护与水资源利用的平衡点。
氢氧同位素分析在生态水文学中起着至关重要的作用。
氢氧同位素分析可以用来研究水循环、水稳定同位素的来源、改变和在不同地理环境中的分布规律，从而推断出水文地质特征和生态水文环境的演变历程。
二、氢氧同位素分析的原理氢氧同位素分析利用水稳定同位素中的氢原子和氧原子的不同相对丰度，确定不同水样之间的关系。
水稳定同位素分别表现为δD和δ18O，并且比常规微生物探测技术更为敏感和精确。
水的氢氧同位素分布不仅受到各种自然因素的影响，例如降水、蒸发、渗漏等，也受到人为活动等人为因素的影响。
因此，在生态水文学中，氢氧同位素分析可以用来追踪衡量水体和生物之间的互动关系，并进行相关研究。
三、氢氧同位素分析的应用1. 研究地面水循环地球的气候和水文循环以及全球变化要素之间的相互作用是复杂且错综复杂的，而氢氧同位素分析可以用来研究这些过程。
氢氧同位素分析可以直接检测地表水蒸发及水循环的过程。
通过分析δD和δ18O，可以推断蒸发水的重要性，了解水稳定同位素在雨水中的分布规律和地下水水文地质形态的特点，以及水循环的速率和过程。
2. 研究水的来源和变化氢氧同位素分析可以揭示水的来源和变化过程。
例如，在山区、平原、河流、湖泊和草地等不同地理环境中分别采集水样并进行分析，可以了解不同水体的来源及其变化过程。
氢氧同位素分析还可用于分析水与土壤、地下水及大气的相互作用，并推断水的运动方向和热力学变化。
3. 研究河流水生态环境河流是生态系统和水资源系统紧密联系的环节，而氢氧同位素分析则可以用来研究河流水生态环境。
氢氧同位素分析可以揭示河流的水源、流量和水文水质特征，指示河流水的循环和运动趋势，构建河流生态系统的重要网络。
同位素水文学与水资源_水环境
同位素水文学与水资源、水环境汪集(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)收稿日期:2002-06-09作者简介:汪集(1935-),男,中国科学院院士,研究员,长期从事理论和应用地热研究.同位素水文学(isotope hydrolog y)是20世纪50年代发展起来的一门新兴学科,它主要利用同位素技术解决水文学中一些关键问题.众所周知,同位素是指原子核内质子数相同中子数不同的那些原子,可分为稳定同位素和放射性同位素2种.前者指目前尚未发现存在放射性衰变的同位素,而后者则指具有放射性衰变的同位素.存在于自然界的上述2种同位素称为天然同位素或环境同位素,目前在水文学中常用的环境同位素有2H 、3H 、3H e 、4He 、13C 、14C 、18O 、34S 、36Cl 等.不同类型的水(海水、湖水、河水、地下水, ),其化学成分会有很大变化,但同位素组成却相对稳定.因此,水的同位素成分可视作水的指纹 (finger print)或 DNA .也正是基于这一点,水同位素或同位素水文学技术被广泛用来解决或帮助解决各类水资源、水环境问题,诸如水的成因、各类水(雨水、地表水、地下水)的相互作用及转化、地下水系统的封闭程度及水交替强度、各类水体的污染程度及污染源问题等.正是由于同位素水文学的重要性,目前在国际原子能机构(IAEA)内建有同位素水文学部,并设有一个设备齐全、技术先进的同位素水文学实验室.20世纪50年代后期,国际原子能机构(IAEA)与国际气象组织(WM O)共同建立了全球大气降水同位素监测网 (GNIP),自1961年起即向世界各国公布有关数据.最近,IAEA 正拟与联合国教科文组织(UNESCO)联手,在全球42条大江大河(包括我国长江在内)建立类似的水同位素监测网,这对推动同位素水文学的发展将起到不可限量的作用.我国同位素水文学的工作始于20世纪60年代,当时在珠峰地区曾取冰、雪样品做2H 、18O 同位素分析.之后,不同学者在北京、上海及我国东部地区对大气降水的2H 、18O 及3H 进行了测定,得出一些很有意义的结果.1988年,在水利部的大力支持下,我国首批建立的10个大气降水同位素监测站开始运转,并纳入IAEA/WMO 的GNIP 之中.目前,在GNIP 中的中国网站已增至30个.当前,水资源短缺及水环境恶化已成为全球性的大问题.据世界银行(World Bank)预测,若按现有的耗水模式及耗水速率继续下去,则至2025年全球2/3的人将生活在水资源短缺的窘迫状态之中.目前世界银行为解决水资源、水环境问题而投放到发展中国家的资金为每年700~800亿美元.全球对水资源的需求量在未来15年内将增加2倍.为此,包括IAEA 在内的联合国下属24个机构正在制定世界水资源评价计划,以根本解决水资源短缺问题.水多(洪水)、水少(短缺)、水脏(污染)亦是我国水资源、水环境面临的三大问题.黑河流域水资源短缺,太湖地区水环境退化、水污染问题严重已引起国务院的重视并要求切实加以解决.同位素水文学技术对解决上述问题将起到独特甚至是不可替代的作用.总之,机遇与挑战并存,风险与希望同在.目前正是我国在加速同位素水文学发展及水同位素技术中大显身手的大好时机.第27卷第5期地球科学 中国地质大学学报Vol.27 No.52002年9月Ear th Science Journal of China University of Geosciences Sep. 2002Isotope Hydrology and Water Resources plus Hydro -EnvironmentWANG J-i y ang(I nstitute of Geology and Geop hysics,Chinese A cademy o f Sciences,Beij ing 100029,China)Abstract:Isotope hy drology is a new discipline in earth sciences developed since 1950s.Its main targ et is to use isotope technique to solve various problems in hydrology.It is w ell know n that isotope refers to those atoms whose numbers of proton are the same but w hose numbers of neutron are different.Isotopes can be d-i vided into two ty pes:stable and radioactive.For stable isotopes,no radioactive decay has been found so far.But for radioactive isotope,there ex ists radioactive ually,the term natural and/or environmen -tal isotopes w ere used for the tw o types of isotope mentioned above.The environmental isotopes commonlyused in hydrology are:2H ,3H,3He,4He,13C,14C,18O,34S,36Cl,etc.It must be noted that for different types of w a -ter,such as sea w ater,lake water,river water and ground w ater,the isotope com position seems to be quite different but relatively stable,althoug h the w ater chemistry varies greatly.T herefore,the isotope composition can be,to certain degree,regarded as the finger print and/or DNA of the w ater.Also for this reason,the isotope com position in the w ater and the isotope hydrology technique are w idely used to solve various prob -lems in w ater resources assessment and hydro -environment evaluations such as the origin of w ater,the interac -tion of surface and g roundw ater,the rain -off w ater,the degree of openness of a groundw ater system ,the in -tensity of w ater cycling,the pollution deg ree and the pollution source of a w ater body.In recognition of the importance of isotope hydrolog y,an isotope hydrology section has been established in the International Atomic Energy Agency (IAEA)and an isotope hydrolog y laboratory is set up simultaneously w ith advanced technique and equipment.Since late 1950s,a Global Netw ork for Isotopes in Precipitation (GNIP)has been initiated jointly by IAEA and WM O (World Meteorological Organization)and all the data have been published since 1961.Recently,sponsored by IAEA/UNESCO,a similar global netw ork for isotopes in the large rivers in the w orld is under the w ay to set up.It is of significant importance in promoting isotope hydrology development w orldw ide.In China,isotope hydrolog y studies can be traced back to the late 1960s.In the scientific investigation of w ater resources in Jolmo Lungma reg ion,2H and 18O w ere determ ined in snow and ice sam ples.Since then,2H and 18O have been analyzed for precipitations in Beijing,Shanghai and East China by different researchers with g reat achievement.In 1988,Supported by the M inistry of Water Resources,the first 10stations ,for mon-i toring the isotopes in precipitation in China w ere established and now they have been included in the IAEA/WM O GNIP.At present,the total number of stations has increa sed to 30.Now adays,water resources shortage and hydro -environments degradation become more and more serious w orldw ide.According to the prediction by the World Bank,2/3world population w ill live in a serious water -shortage environment if we follow the present w ater -consuming model.At present,70-80billions of U S do-l lars has been offered to the developing countries to alleviate the annual w ater resources shortag e.The global demand for w ater resources w ill be doubled in the coming 15years.For this reason,altogether 24internation -al organizations including IAEA are w orking on a World Project for Water Resources Assessment to reduce the g lobal w ater shortag e. flood , w ater shortage and water pollution have become three main problems in China now adays.Both the w ater shortages in the Heihe river reg ion and the deg radation of hydro -environment in T aihu lake area have attracted g reat attention from the State Council.The isotope hydrology technique m ay play a particular role in solving these problems.All in all,opportunities and challenges co -exist and it is a right time to ex pedite the development of isotope hydrology in China.533第5期 汪集:同位素水文学与水资源、水环境。
内蒙古达里诺尔湖水体稳定同位素空间分布特征指示的区域补给差异
ke Sci.（湖泊科学），2019,31（5）：1334-1343DOI10.18307/2019.0511©2019by Jooroal g Lake Sciences内蒙古达里诺尔湖水体稳定同位素空间分布特征指示的区域补给差异”李文宝，杜蕾，王旭阳，杨旭，史小红（内蒙古农业大学水资源保护与利用自治区重点实验室，呼和浩特010018）摘要：基于内蒙古寒旱区达里诺尔湖（简称“达里湖”）无河流外泄、冬季湖面冰封、水体流动缓慢等典型区域水文气象特征，对夏、冬季湖泊底层、表层水（冰）、入湖河水、浅层地下水（井水、泉水）等样品中稳定氢、氧同位素！0D、018O）值的变化进行对比分析，结果显示湖区不同水体8D和S18O平均值均存在湖泊水体（水、冰体）〉大气降水〉入湖河水〉浅层地下水的变化特征.在达里湖，夏、冬季底层水0D、018O值均比表层水（含湖冰）中0D、018O值偏负且季节变化幅度较小.此外，冬季不同采样点底层水0D、018O平均值的区域差异性比夏季明显，这反映了湖泊底层水体相对封闭、稳定的储存环境，也说明地下水补给过程存在一定程度的区域差异.而基于不同区域底层水0D、018O值及t盈余指数（d）值和水深变化间相互关系的分析，发现水深变化可能是影响达里湖底层水0D、018O值分布区域差异及补给过程的主要因素之一:东北部水体较浅（水深小于8m）区域采样点水体0D、018O平均值多数比达里湖整体平均值偏负且d值偏正，指示浅层地下水输入及二次蒸发作用的影响;西南部水体较深（水深超过8m）区域采样点水体0D、018O平均值多数比达里湖整体平均值偏正且d值偏负，说明水体相对稳定，受二次蒸发作用的影响较弱.关键词：氢一氧同位素;空间分布;湖泊水体;补给特征;达里诺尔湖Regional groundwater recharges based on the characteristics of stable isotope distribution in Dali-noo Lake io Inneo MongolioLI Wenbao,DU Lei,WANG Xuyang,YANG Xu&SHI Xiaohong*of Water Resources Protection and Utilization,Hohhot010018 ,（Inner Mongolia Agricultural University1MAR Key LaboratoP.R.China）Abstract:The Dali-ncs Lake O a typical closed lake in Innes Mongolia,the colU and aVd area in NoVhem China,which has no suoaacewaeeodischaogesbyoieeos.In paoeicuaao,ehesuoaacewaeeooaeheaakewouad beaoooen wieh eeoysaowaywaeeoaaowsin wineeo. The lake can be reaarded as nearly sealed and only Oauenced by groundwater recharges in winter.According to agOnal hydrologic and meteorological chaacteVshcs,the winter O an ideal stage to study the recharge process of bwtom water in Dali-ncs Lake. Thvefore,we collected samples of lake water,lake ice,river water,shallow gixundwater and rainfall,and analyzed the values of hydrogen and oxygen Ootopes（SD and S18O）of these water samples from the lake.The results show that the average values of SD and S18O are the heaviest in samples from the lake water and ice,and We average values of SD and S18O in shallow groundwater are the lightest,alahvely.Meanwhile,the average values of SD and S18O are about-31.51"and-2.05"in bwtom water and about-32.77"and-2.51"in suface water in winter,respectively.But the average values of SD and S18O in bwtom water are lighter than those in sunface water and ice,with values of about-29.12"and-1.84".In summer,the average values of SD and S18O in bwtom water are also lighter than those in suface water,with values of about-32.95"and2.13"in bwtom water and -32.61"and-1.99"in su?aacewaee,?especeieeay.IeNsaikeayehaeehedi a eeneSDand S18O eaauesbeeween bo e o m and su?aace waee had been inaauenced byseasonaachangesand aooen p?oce s esin Daai-no Lake.Asawhoae,eheeaauesoaSD and S18O in bwtom water are lighter than those in sunface water,and the regOnal diherences of SD and S18O values are also more distinct than <hosein summeoboom waeo.On<heoheohand,<heoeaaionshipsbeween waeodep<h and aakewaeosabaeisoopeshad shown国家自然科学基金项目(51669021,51469025)和内蒙古自治区自然科学基金项目(2016MS0552)联合资助.2018-11-20收稿;2019-03-21收修改稿.李文宝(1980〜)，男，博士，副教授;E-mhi：tian S hiOD@.李文宝等：内蒙古达里诺尔湖水体稳定同位素空间分布特征指示的区域补给差异1335ehaechangesin ehewaeeodepeh weoeonepoimaoyaaceooehaeinaauenced eheeaauechangesoaSDand S18Oin bo e o m waeeoin Daai-nor Lake.As results,the shallow water area,where water depth O lower than8m in the northeastern Dali-ncs Lake,O infuenced visibly by groundwater recharge and again evaporation process.Relatively,the deep water area,which depth O deeper than8m in ehesouehweseen Daai-no Lake,isscaceayinaauenced byehe eeaaoioaeions,and ehebo e o mwaee ma s ismoeseabaeand aonge? ?esidenceeimeehan ehaein sha a o w?egion.Keywords：SD and S18O;dOthbutWn；lake water；recharge characteVshcs;Dali-nw Lake湖泊是重要的地表水资源库,作为汇水盆地和陆地生态系统的一部分,不仅参与了“水一陆一气”相互作用过程，也是区域水文循环的关键节点，湖泊水体的补一排循环过程不仅能够充分记录湖区水文循环特征，而且会对区域生态环境等演变产生影响'1O（.近年来，作为水体主要组成部分的氢、氧稳定同位素（SD、S18O）已经被广泛应用到湖泊补一排特征等水文循环过程研究中［8J，］.通过对不同水体SD$S18O值变化分析，可以了解来源水体特性、主要影响因素等信息，进而建立流域不同水体间s d$s18o的相互关系，据此可判断不同水体间的变化过程［10-12］.自二十一世纪初期以来,Ohba、Gmson、Biggs等就对湖泊水文循环过程中SD、S"O 值的变化进行分析研究，建立了相应的湖泊水量平衡方程'13-6（;在国内，陈建生、章新平、姚檀栋等也已经广泛开展了青藏高原、内陆沙漠等区域不同水体中s d、s18o值变化过程的分析研究［17-20］.不过,相对于其他区域，中国内蒙古高原寒旱区气候变化存在蒸发作用强烈、冬季结冰期漫长等显著的区域气候环境特征［4,21］，这导致面状存在的湖泊排泄一补给过程在不同季节会遭受不同气候因素的影响.例如，夏季，集中的大气降水不断补给湖水，水体交换相对较快;冬季,湖面被厚层湖冰覆盖，一定程度上阻隔了湖水与大气等外界系统的交换，湖水受蒸发作用的影响相对减弱，补给过程主要受区域地下水输入的影响，湖水性质整体相对稳定;春、秋季，大气降水明显减少,湖水受到地下水补给的同时又受到强烈蒸发作用的影响，湖泊水体呈减少趋势［21］.因此,显著的区域气候水文特征也使内蒙古高原内陆封闭型湖泊成为分析寒旱区湖泊地下水补给区域特征的理想目标.由此，本文将以内蒙古中东部赤峰市克什克腾旗境内的达里诺尔湖（以下简称“达里湖”）为研究目标区域，在前期对达里湖流域不同水体间补排关系初步判定和对开放条件下达里湖水体垂向结构变化的具体分析基础上'22O3（,将通过夏、冬季湖泊底层、表层水（冰）及入湖河水、区域浅层地下水（泉水、井水）等样品的连续采集，综合对比不同样品SD、S18O含量变化，对达里湖冬季底层水体SD、S18O值的空间分布特征及主要影响因素展开深入分析，为寒旱区封闭型湖泊的水文循环过程研究提供理论参考.1达里湖概况达里湖（43。
同位素水文地质学
同位素水文地质学同位素水文地质学是研究地下水的同位素特征和其在地质和水文过程中的应用的学科。
同位素水文地质学的研究对于理解地下水系统的起源、补给和流动方式以及水资源管理具有重要意义。
背景和定义同位素水文地质学是地理学、地球化学和水文学交叉的学科，利用同位素的比例和分布特征来研究地下水的起源、水文动态以及水文地质过程。
同位素可以是地球自然界中存在的稳定同位素（如氢同位素、氧同位素、碳同位素等）或放射性同位素（如放射性碳-14、放射性锶-90等）。
地质学和水文学的重要性同位素水文地质学在地质学和水文学领域中发挥着重要的作用。
在地质学中，通过分析同位素特征，可以推断地下水体的来源、年龄及其受到的影响。
同位素水文地质学也可以用于研究水文过程，如水循环、水体补给、地下水的流动路径以及地下水与地表水之间的相互作用。
总之，同位素水文地质学在地质学和水文学的研究中具有重要的地位，为我们深入理解地下水体的形成和运动提供了有力的工具和方法。
同位素示踪技术是一种常用于水文地质研究的方法，它能够通过测量水中不同同位素的比例来揭示水文地质过程和水体来源。
同位素示踪技术主要包括同位素稳定性示踪和同位素放射性示踪。
同位素稳定性示踪同位素稳定性示踪是通过测量水体中不同同位素的稳定性同位素比例变化来推断水文地质过程。
稳定性同位素是指在天然环境中相对稳定的同位素，如氢（D/H）、氧（18O/16O）和碳（13C/12C）等。
这些同位素在水文地质中的应用广泛，能够揭示水的源地、水体的混合和水体的循环过程。
例如，氢同位素（D/H）可以用于确定水体的来源和补给方式。
氧同位素（18O/16O）常用于研究地下水与地表水之间的相互作用和补给关系。
碳同位素（13C/12C）则可以用于探究有机污染物的来源和迁移途径。
同位素放射性示踪同位素放射性示踪是利用放射性同位素分析方法来研究水文地质问题。
放射性同位素主要包括碳-14和氚等。
放射性同位素的测量可以揭示水体的循环速率、补给方式以及水体演化的时间尺度。
同位素水文学
同位素水文学齐孟文中国农业大学同位素水文学，是一门应用同位素理论与方法,根据天然的同位素指纹及水中溶质物质的同位素组成特征，对自然界水汽运动和循环过程中的水文学问题进行研究的学科。
自20 世纪50 年代末期提出以来,至今已得到长足的发展，在水文、水资源及环境地质等诸多领域，诸如水汽来源、降雨径流关系、干旱半干旱区水资源评价、地表水与地下水相互作用、地下水起源及测年、湖泊蒸发及换水周期、水体污染物的来源、地热资源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域应用十分广泛，方法学上也日臻完善。
1. 相关基本知识1.1同位素丰度的一般表示在用环境同位素进行相关示踪的研究中，示踪元素稀有稳定性同位素核素的丰度，常用与普通同位素核素的比率对参考物质的偏差δ给出，并以千分数表示：S/R δ(‰)10001-R R (reference sample×=）其中，R 代表同位素比率，如，下角标S 和代表样品和标准，的标准为标准平均海水 (SMOW),的为Pee Dee Belemnite(PDB)。
C C/R O,O/R H,H/R 121313161818122===和等R OD 18δδ、C 13δ物质相变过程的同位素分馏效应一般采用分馏因子α描述，其定义为同位素比率在两相中的比值，即 AB B/A R R =α 因1≈α,为明显起见，同位素效应常用同位素分馏ε表示，定义为 1-R R 1-A B B/A B/A ==αε 1.2蒸发过程的同位素效应自然条件下的蒸发，常为由裸露水面向不饱和大气所进行的非平衡过程，此时同位素效应是热力学和动力学分馏共同作用的结果，且为相关环境参数的函数，蒸汽中同位素构成可由Graig 和Gordon（1965）模型描述：diffdiff V/L A L V/L E -h -1--h -εεεδδαδ= 这里，A L δδ和分别为水体及水面上方自由大气的同位素构成，V/L α为水汽在两相平衡时的分馏系数，为温度的函数，由实验确定的计算关系，对分别为D O 18和233-V/L 18T 10137.1-T 4156.0100667.2ln ×+×=α 233-V/L 2T 10844.24-T 248.7610612.52-ln ×+×=α 另外，)0(1V/L V/L <−=αε,diff ε为动力学分馏（扩散），有diff diff )h -1(n Δ=φε式中，表示扩散亚层在完全扩展状态（diff Δ），，1n 10h ===φ时，重同位素的最大贫化Δ，对分别为-25.1‰和-28.5‰,。
同位素水文地质学
重庆利用2006年5月至2007年4月期间的δD、δ18O数据，建立了当地大气降水线方程(LMWL): δD =8.73δ18O+ 15.73，相关系数r= 0.97。
相对于全球以及中国大气降水线斜率与截距都偏大。
这是由于该大气降水线的数据建立在次降水的数据基础上，由于“降水量效应”（淋滤效应），即多次降水过程，同位素分馏作用会导致残余水汽中稳定同位素比例持续减轻。
重庆每年11月至第2年4月主要以锋面降水为主，西风气流以及偏北气流带来的亚洲内陆地区的水汽来源于干旱半干旱地区，风速大，蒸发比较旺盛，因此同位素偏重，这在δ18O和d中均有体现。
而在5～ 10月期间，偏南气流的影响显著;特别是在夏季风影响深刻的6～ 9月期间，来自于热带和副热带大洋的温暖潮湿气团给当地带来大量降水，使得降水中的过量氘d值减小。
结论：(1)初步建立了重庆大气降水线方程: δD= 8.73δ18O+ 15.73。
(2)重庆雨水中的稳定同位素值在年内具有明显的季节变化，夏季降水中稳定同位素值比冬季降水中明显偏轻。
夏季海洋性的水汽来源以及水汽由海洋到陆地运移过程中的多次凝结降水是导致这一现象的主要原因。
稳定同位素值最偏重的降水事件出现在春末夏初，表明了由温度、湿度等控制的蒸发作用对重同位素的富集效应。
(3)当地大气降水稳定同位素组成没有体现出温度效应，与温度呈现出一种负相关的关系（与南方一致）但体现出一定的降水量效应。
(4)重庆春季和秋季的降水量占全年降水量的比例可达30%左右，这些非夏季风影响时期的大气降水及其稳定同位素组成对当地全年大气降水稳定同位素的加权平均值有重要影响。
特别是在当夏季出现伏旱天气而导致降水显著减少的年份。
成都1）成都地区大气降水同位素值表现出非常明显的季节变化：夏半年偏负，冬半年偏正，符合季风气候的降水特征。
成都地区是典型的季风影响区，夏季受东亚季风、印度季风的双重影响，来源于海水蒸发的暖湿气团在每年的夏半年形成丰富的季风降水；而由于大巴山的阻挡，本区受冬季风的影响比较微弱，所以冬半年的水汽可能主要来源于当地地表水的蒸发。
海洋环境中稳定氧同位素研究
海洋环境中稳定氧同位素研究海洋环境中稳定氧同位素研究导言稳定氧同位素是地球科学中一个重要的指标，对于研究海洋环境和古气候变化具有重要意义。
本文将从简单介绍稳定氧同位素的基本概念开始，逐步深入讨论其在海洋环境中的应用及研究成果，并分享个人观点和理解。
一、稳定氧同位素的基本概念1.1 什么是稳定氧同位素？稳定氧同位素是指氧原子核中的质子数不变，但中子数不同的同位素。
氧元素的最常见同位素是氧-16（^16O）和氧-18（^18O），其中^16O相对丰度约为99.76%，^18O约为0.204%。
稳定氧同位素的相对丰度比例可用δ值表示，即δ^18O。
1.2 δ^18O的应用稳定氧同位素的比例可以用来推测水体的来源、温度变化、地球气候环境等。
其中，海洋环境中的稳定氧同位素成为了研究海洋生态系统、水文循环以及全球气候变化的重要标志。
二、稳定氧同位素在海洋环境中的应用2.1 海洋生态系统的研究稳定氧同位素可以用于研究海洋生态系统中的生物地球化学过程。
海洋生态系统中的生物对氧的同位素存在不同的分馏效应，因此生物体中的稳定氧同位素比例可以反映其所处的海洋环境条件。
通过对不同物种或生态环境中的稳定氧同位素进行测量，可以了解海洋生态系统的结构、营养动力学和生物地球化学循环等方面的信息。
2.2 水文循环的研究稳定氧同位素还可以用来研究海洋水文循环。
海洋中的水体来源和混合过程会导致不同水质的δ^18O值不同。
通过测量不同地理位置和深度的海水样品中的稳定氧同位素比例，可以了解海洋水圈的混合状态、水体来源和垂直混合等信息。
这对于理解海洋循环、确定海流路径和预测海洋变化具有重要意义。
2.3 全球气候变化的研究稳定氧同位素在全球气候变化研究中起着重要的作用。
氧同位素与海洋温度变化存在密切关系。
通过分析古代海洋沉积物中的稳定氧同位素组成，可以重建过去海洋温度的变化。
这对于研究全球古气候变化、理解全球气候系统对人类活动的响应和预测未来气候变化有重要的启示作用。
雾水的D和 18 O同位素研究进展
空白。 由于形成 时 的温 度较 高， 多数 雾水 的 Ｄ、 同位 素较 当地雨 水 富集 ， 不 同类型 雾的 同位 大 ０ 但
素特征 存在 差异 。平 流式 海洋雾 为单 级 的 蒸发一 冷凝 封 闭循 环 系统 的首 次凝 结 ， ０ 同位 素 较 Ｄ、
基金项 目： 国家自然科学基金项 目“ 内陆干 旱区凝结 水对植物 水分补给作用的天然 Ｄ、 Ｏ同位素示踪研究” 编 号：０ ０ ０ ２ 资助 （ ４７ ２ ４ ） 作者简介： 自永（ ９ ８） 男 ， 孙 １７ ・ ， 山东菏泽人 ， 讲师 ， 主要从事生态水文学研究． ｍａｌｚ ｏｇ ｓｎ ｏｍ ｉ ｔｎ Ｅ－ ｉ：ｉ ｎ ｕ ＠ｈｔａｌ ｏｉ ｙ ．
中的 水蒸 气在 与冷表 面接 触时 凝结形 成 的水滴 。它
是 一种 发生在 界面 上 的 过程 ， 在 土 壤 表层 直 接 形 可
径 ， ； 些 地 区 的雾 水 生 成 量 虽 少 ， 对 降低 植 某 但
收 稿 日期 ：０ ８）４７ 修 回 日期 ：０ ８ ）．２ ２０ ４５ ）； ２０ ４６ １．
端元混 合模 型 的定量评 价极 少。露 水和 土壤吸 附水 的稳 定 同位 素研 究是干旱 区凝 结水研 究的重要
方 向 ； ０同位 素与其 它 同位 素或化 学指标 的 结合有 助 于促进 凝 结 水 生态 水文效 应 的研 究进 展 ； Ｄ、
短 间隔 、 高密度 的长期 观 测 和 用 于稳 定 同位 素 分 析 的 凝 结水 采 样 器 的 设计 是 需要 进 一 步 开 研 究 进 展
孙 自永 ， 国栋 马 瑞 甘 义群 程 ， ，
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以 δ18O 为 例
各初始水
降水
-9‰
河水
-5‰
ห้องสมุดไป่ตู้
2011-10-21
中国地质大学（武汉）
（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
解决方案1解决方案 区间模型：
根据初始水源对土壤水的补 给深度，将土壤剖面划分为 垂向上的几个区间，用不同 区间内土壤水δD、δ18O值代 替各初始水源δD、δ18O值， 代入模型进行计算。
⑵ hydrological processes
canopy interception, stem flow, and throughfall evapotranspiration and groundwater recharge surface flow and subsurface flow runoff generation and water balance atmospheric moisture sources and regional climate
D、18O同位素在生态水文学中的应用 、 同位素在生态水文学中的应用
一、植物水分来源的示踪 二、河道径流成分的划分 三、ET的定量分割 ET的定量分割 四、植物水分竞争与共享机制 五、植被变化对水文过程的影响 植被变化对水文过程的
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中国地质大学（武汉）
D、18O稳定同位素技术在生态水文学中的应用 、 稳定同位素技术在生态水文学中的应用
干旱环境下植物水分生态特征及 生态特征及适应机制 ⑴ 干旱环境下植物水分生态特征及适应机制
植物水分来源（where vegetation is extracting water?） 植物水分利用效率（water use efficiency, WUE ） 物种间的水分竞争与共享机制（competition and partition for water） ……
个也不能提供额外信息，通常只使用其中的一个，所以只能解决两 种潜在水源的问题。当潜在水源超过3个时，无法求得唯一解。
解 决 方 案 ： Phillips
红柳对不同区间土壤水的吸收比例
&
Gregg (2003)对端元数超过方
程数时的解决方法进行过专 门讨论，开发了确定各端元 贡 献 比 例 上 、 下 限 的 IsoSource软件。
说明： ⑴ 潜在水源可以是降水、地下水、地表径流这些需转化成
土壤水后才能被植物吸收的“初始”水源，也可以是人为划分的土 壤剖面区间内可被植物直接吸收的土壤水，如浅层土壤水、中层土 壤水、深层土壤水等。 ⑵ 以降雨(R)和地下水(G)两种水源 为例，若植物水源中R所占比例为f， 则G所占比例为(1-f)，可得到：
D、18O同位素在生态水文学中的应用 、 同位素在生态水文学中的应用
一、植物水分来源的示踪 二、河道径流成分的划分 三、ET的定量分割 ET的定量分割 四、植物水分竞争与共享机制 五、植被变化对水文过程的影响 植被变化对水文过程的
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一、植物水分来源的示踪
降水 吸 水 层 位 初 始 水 源 河水 地下水
解决方案2解决方案 蒸发
效应校正 ： Corbin
et al., (2005)提出，基
于土壤蒸发线对茎干 水δD、δ18O值进行校 正，然后进行计算。
前提 ：不同初始水源只对
特定土壤区间有补给作用， 各区间与各初始水源之间具 有一一对应的关系。
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适用范围 ：各初始
来源都为大气降水， 其 δD 、 δ18O 值 位 于 LMWL上。
⑵ 不同尺度上生态过程对水文过程的影响
大气廓线上蒸散发的分割（ET partition, contribution of evaporation to ET） 植被对集水区产、汇流过程的影响（what are likely impacts of vegetation on surface flow, subsurface flow, and groundwater recharge?） 植被格局对河道径流量及成分的影响（what are likely impacts of vegetation pattern on stream flow and its components?） ……
的土壤水所处的区间，该区间即为植物吸收土壤水的主要层位。
δD (‰)
Depth (m)
土壤水 茎干水
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（一）原 理
1、确定植物吸收土壤水的主要层位 、
问题：土壤剖面中可能有多个区间的同位素组成与茎干水相符。
δD (‰)
植物从多个深度吸水（双层根， 植物从多个深度吸水（双层根， 如苦豆子） 如苦豆子） 植物有水力提升作用（ 植物有水力提升作用（hydraulic lift，新发现） ，新发现） 植物只从其中一个深度吸水
⑴ ecological processes (terrestrial plant species)
water absorption, sap flow, and evaporation (individual) germination, survival, and WUE (population) competition and coexist of different species (community) spatial & temporal pattern of vegetation (landscape)
同位素生态水文学讲座（ ）：稳定同位素D、 同位素生态水文学讲座（一）：稳定同位素 、18O 稳定同位素
D、 18 O稳定同位素技术 、 稳定同位素技术 在生态水文学中的应用
孙 自 永 中国地质大学（武汉）
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什么是生态水文学
ecohydrology --- interaction between ecological processes and hydrological processes.
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植物对地下水的依赖程度 植物对水分胁迫的适应对策 植物物种的共存机制 生态建设中的物种选择 水资源开发对植物的影响 植物对气候变化的响应
中国地质大学（武汉）
（一）原 理
White et al., 1985
水分在被根系吸收 并向叶片输送过程 中 ， δD 、 δ18O 值 不 发生变化 植 物 茎 干 水 δD 、 δ18O值 是各水 源δD、 、 δ18O 值 以 吸 收 比 例 为权重的混合值
A B C
δ D P = f ⋅δ D R + (1 − f) ⋅δ DG
即：
δ D P −δ DG f = δ D R −δ DG
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中国地质大学（武汉）
（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
问题1 问题 ：水分子δD、δ18O值具有高度相关性(r2=0.95)，同时使用两
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（二）应用前提
1、各潜在水源的δD、δ18O值存在显著差异 、各潜在水源的 、 值存在显著差异
以
δD (‰)
δ18O 为 例
Depth (m)
降水
-5.1‰ -5‰
河水
-5‰
水 水
地下水 -4.9‰
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（二）应用前提
2、所有对植物有显著贡献的水源都已考虑 、
⑴ water isotopes
They are labeled within and move with water molecules through all processes of the hydrological cycle.
⑵ behave conservatively
In most low-temperature, near-surface environments, as water molecules move through the subsurface, chemical exchange between the water and oxygen and hydrogen in the organic and inorganic materials through which flow occurs will have a negligible effect on the overall isotope ratios of the water (an exception is within certain geothermal systems, especially in carbonates, where large amounts of oxygen exchange between the water and rock can occur). The main processes that dictate the oxygen and hydrogen isotopic compositions of waters are: (i) phase changes and (ii) simple mixing.
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生态水文学前沿科学问题
--- 以国家自然科学基金委 “黑河流域生态-水文过程集成研究”重大计划、联 合国IGBP-BAHC (Biospheric Aspects of Hydrological Cycle)计划、美国SAHRA (Sustainability of Semi-arid Hydrology and Riparian Areas)计划为例