青藏高原多圈層多相態(tài)水體穩(wěn)定同位素研究獲進(jìn)展

  穩(wěn)定同位素(δ¹⁸O、δD)被稱為水的“指紋”，其作為一種成熟的技術(shù)在氣象氣候?qū)W、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)以及地質(zhì)學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。為了在全球范圍內(nèi)調(diào)查環(huán)境同位素，1961年始，國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界氣象組織（WMO）在全球范圍內(nèi)啟動(dòng)了降水中穩(wěn)定同位素觀測計(jì)劃（GNIP）。但是這一觀測計(jì)劃在高海拔地區(qū)如青藏高原上甚少布設(shè)站點(diǎn)。近20多年來，以中國科學(xué)院院士姚檀棟為首的中國科研團(tuán)隊(duì)開展了“青藏高原降水穩(wěn)定同位素觀測計(jì)劃”（TNIP）。這一計(jì)劃的實(shí)施彌補(bǔ)了這一區(qū)域相關(guān)研究的不足，對(duì)深刻理解高原面上水汽來源和水循環(huán)過程具有重要意義。

　　近日，中國科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、青藏高原研究所副研究員余武生與合作者以TNIP計(jì)劃為研究平臺(tái)，在多圈層（大氣圈、水圈、植物圈）以多相態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)）水體為研究對(duì)象，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，開展了相關(guān)研究：

　　水圈：通過在喜馬拉雅山南坡加德滿都和北坡定日二站點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測降水穩(wěn)定同位素變化（圖1），定量刻畫了印度季風(fēng)在喜馬拉雅山南、北坡的爆發(fā)與撤退時(shí)間（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，在觀測期間（2011-2012年），印度季風(fēng)在喜馬拉雅山北坡定日爆發(fā)的時(shí)間要比其在南坡加德滿都的晚一周左右。相比而言，印度季風(fēng)在喜馬拉雅山南北坡撤退的速度更快，其在定日的撤退時(shí)間比其在南部加德滿都的要早3天左右(Yu et al., 2015, Clim Dyn)；通過穩(wěn)定同位素技術(shù)，同樣能夠很好地刻畫季風(fēng)在橫斷山脈的進(jìn)退活動(dòng)(Yu et al., 2015, Atmos Res)。

　　大氣圈-水圈：通過在青藏高原中部那曲地區(qū)同步采集大氣水汽和降水樣品，揭示了水汽-降水穩(wěn)定同位素的相互作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，大氣水汽δ¹⁸O和降水δ¹⁸O的變化趨勢相對(duì)一致（圖3）。降水δ¹⁸O組成不但直接地顯著地影響當(dāng)日的水汽δ¹⁸O組成，而且能夠影響當(dāng)日之后數(shù)日內(nèi)的水汽δ¹⁸O組成。相比之下，水汽δ¹⁸O組成只能通過對(duì)流活動(dòng)間接地輕微地影響降水δ¹⁸O組成。在研究期間，大氣水汽δ¹⁸O和降水δ¹⁸O的變化極大地依賴于相對(duì)濕度、氣壓和降水量的共同作用，并揭示了不同的水汽來源，尤其是印度季風(fēng)和高原對(duì)流活動(dòng)對(duì)氣-液水體同位素的影響。這些研究結(jié)果對(duì)于該區(qū)域及其周邊地區(qū)的古沉積物記錄的解釋具有一定的指示意義(Yu et al., 2015, ACP)。

　　植物圈：近年來，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將青藏高原水體穩(wěn)定同位素研究拓展到植物葉片水領(lǐng)域。藏東南植物葉片水穩(wěn)定同位素能夠捕捉當(dāng)?shù)卮髿鉂穸鹊男畔⒑陀《燃撅L(fēng)活動(dòng)的信號(hào)，這對(duì)于進(jìn)一步合理地解譯樹輪和正構(gòu)烷烴等其它氣候指示物的穩(wěn)定氫氧同位素記錄指明了新的途徑(Yu et al., 2014, GRL)。

圖1 喜馬拉雅山南北坡降水穩(wěn)定同位素觀測站點(diǎn)（南坡：加德滿都，北坡：定日）

圖2 喜馬拉雅山南北坡加德滿都與定日降水穩(wěn)定同位素日變化特征

圖3 青藏高原中部那曲地區(qū)大氣水汽、降水δ¹⁸O日變化特征