第1章 绪论
1.1 研究背景
过去100余年，尤其是近30余年以来，全球气候系统正经历一次以变暖为主要特征的显著变化过程。根据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergo- vernmental Panel on Climate Change， IPCC)的第五次评估报告(IPCC， 2013)，过去100余年全球地表温度升高大约0.74℃，20世纪90年代开始，全球气候变暖的幅度明显增大。预计未来100年，全球气温可能会升高1.1～6.4℃。全球气候系统的变化对于干旱高寒地区的影响尤为显著。水资源作为人类生产生活中必不可少的组成部分，是干旱内陆河流域生态系统构成、发展和稳定的重要环境因素，是干旱区绿洲化和荒漠化进程的生态演化过程中*重要的生态因子。研究表明，全球气候变化的背景下，水资源波动性增强、不确定性加大，水资源时空分配不均，南多北少、夏多冬少、年际变化大的现状导致干旱、洪涝及次生盐碱化等多种灾害频繁发生，极端水文事件增强(陈亚宁等， 2012)。干旱区生态环境的极端脆弱性及人类活动范围不断扩大和强度不断加强，使水资源开发过程中生态与经济的矛盾日益尖锐，水资源管理在协调生态环境保护和经济发展方面正面临着前所未有的挑战。而位于亚洲干旱区的高寒山区，其冰川、积雪、降水等水资源对于全球变化的响应尤为敏感；温度的上升、山区降雨的增加势必会导致冰雪融化量增加，从而引起山区内陆河出山口径流量变化，这将进一步威胁干旱区水资源的安全。
大量研究表明，天山地区近年来气候变化显著，水资源受影响显著。过去半个世纪，全球增温速率为0.175℃/10a(Harris et al.， 2014)，而中亚地区升温速率达0.36～0.42℃/10a，明显高于全球或北半球同期平均增温速率，并且自1998年以来一直处于高位振荡(Li et al.， 2015a)，其中以中天山、东天山地区温度升高*为显著。而这期间，西天山地区的降水量变化比较平稳，略有增加，升高速率为8.4mm/10a，略高于全球和北半球平均水平(陈亚宁等， 2017)。受全球气候变暖影响，中亚山区呈现出固态降水的比例减少、多年冻土融化加速等(Deng et al.， 2017)趋势；天山地区的水储量也呈现减少趋势。西天山地区内陆河流域径流主要来源于高山降水、冰雪融水、地下水的补给，在气候变暖的背景下山区降雪量、积雪面积、冰川储量都发生一定变化，造成冰雪融水、高山降水、地下水等水源对于高山径流的贡献率发生显著变化，引起流域径流组分(Sun et al.， 2018， 2017， 2016a， 2016c)及水循环过程的相应改变(陈亚宁等， 2017; Deng et al.， 2017; Chen et al.， 2016)；这将进一步加剧中亚干旱区水资源的时空分配不均，从而威胁天山地区水安全。然而，在山区降水量不变甚至有所增加的情势下(Guo et al.， 2015)，气温、降雪率、积雪面积、冰川储量的变化在区域水文循环过程中如何表征？气候变化背景下山区地表径流的组分来源特征及变化机理如何？这些都尚不明确。由于高寒山区缺乏较为完善的观测站点，传统的水文、气象学观测数据较少，现有的气象、水文数据难以全面表征气候变化背景下天山山区的水循环过程。而环境同位素技术的出现为数据资料匮乏地区的水循环研究提供了有效手段。
20世纪50年代，水文学和水循环研究进行了一次革命性的变革，以应对水危机和环境危机以及全球气候变暖(刘昌明， 2011)。变革带来两个极端的改变：一方面，从流域水循环延伸为联系海洋—大气—陆面的水文学，在宏观上发展为全球尺度水文学，引入了遥感技术；另一方面，由于面临更多更复杂的现代水问题，需要洞察水循环过程及发生机制，于是需要进入系统内部，从而可在时程上联系地质时期，在空间上甚至可识别是否有地壳和地幔对水圈的贡献，这就促成了微观尺度上、原子核层面同位素水文学(isotope hydrology)的诞生(刘昌明， 2011)。氢氧稳定同位素作为一种有力的诊断工具，已在不同的介质中进行提取并广泛应用于水文学、气候学、生态学等学科的研究中(Vodila et al.， 2011; Kumar et al.， 2010)，如利用河水、湖水及地下水中的氢氧同位素信息研究流域内不同水体的内循环机制以及地表径流组成(赵良菊等， 2011)、确定鸟类的迁徙模式、监测农作物长势，利用洞穴堆积物和树木年轮(Kress et al.， 2010)及冰芯中的同位素数据进行古气候重建等。随着采样类型的不断丰富，稳定同位素研究已成为全球气候变化研究中的热点问题之一(Worden et al.， 2007)。
水资源是人类赖以生存和发展的基本物质之一，也是关系国家发展的基础性自然资源和战略性经济资源。水资源的供需矛盾在干旱半干旱地区表现得尤为突出。全球有近1/3的陆地面积是干旱半干旱区域，这些地区水资源短缺问题已经成为普遍问题，随着人口的增长以及城市规模的不断发展，未来干旱半干旱地区的水资源压力将会越来越严重。高寒山区作为干旱区重要的水源保障和水资源形成区，对干旱内陆河流域生态系统构成、发展和稳定具有重要意义。近年来，伴随耕地规模的迅速发展以及人口的大幅度增加，水资源越来越紧张，干旱区水资源供需矛盾在未来会变得更加突出和尖锐。天山地区山岳冰川广布、高山降水丰富，是我国西北地区多条内陆河流的发源地，水资源丰富，被誉为“中亚水塔”，为我国干旱区绿洲灌溉农业的发展、天山南北主要城市的工业和城市建设等提供水源保证。天山北坡的乌鲁木齐河、玛纳斯河作为乌鲁木齐、石河子等城市的主要水源供给已成为天山北坡经济带重要的水资源保障。南坡的阿克苏河、渭干河、开都河是哺育塔里木盆地北缘诸绿洲的源泉。其中，开都河的径流资源更是对维系塔里木河下游生态平衡具有重要意义。因此，天山地区的水资源在保障“丝绸之路经济带”倡议的实施方面具有重要意义。
由于天山地区野外环境恶劣，长期以来，基础研究开展较少，水文及气象观测资料较为匮乏，区域水循环机理及不同内陆河流域对气候变化的响应机制的研究尚处于探索阶段，蕴含大量水循环信息的水体化学及水体同位素研究方兴未艾，目前针对天山山区流域的水体化学特征、同位素水文示踪、径流组分特征的研究十分匮乏，其源流中不同水源对于径流的补给贡献率仍未可知。因此，迫切需要开展对天山地区典型内陆河流域系统的研究，揭示天山山区水体化学、稳定同位素的空间分布特征及其蕴含的水循环信息，探讨天山地区内陆河流域径流的形成过程以及径流的组分变化控制机制，为保护区域生态平衡，促进区域社会经济可持续发展，构建丝绸之路经济带体系奠定坚实的基础。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
自然界中原子的原子核是由质子和中子构成的。质子数决定了元素的种类，中子数决定了元素的同位素。中子在原子核中的变化受原子核稳定程度的限制，中子太多或太少都会使稳定性降低。不稳定的同位素或放射性原子核具有衰减的性质，而稳定同位素则不会按照已知的衰减模式自然分解。自然界中几乎所有元素都具有同位素，其中在自然条件下产生的C、H、O、N、S等元素的同位素，称为环境同位素。与之对应的是人工释放的同位素。同位素水循环过程中的研究对象是水，水是由氢和氧两种元素组成的，而氢和氧有各自的同位素。组成水分子的氢、氧同位素，氢同位素有1H(氕或者H)、2H(氘或者D)、3H(氚或者T)，氧同位素则有16O、17O和18O。氧同位素在水中的丰度相应为99.76%、0.04%和0.20%。理论上可组成18种不同同位素的水分子(表1.1)。
自然界中重水2H216O的相对分子质量为20，而普通水1H216O的相对分子质量只有18。相对分子质量不同的分子，其分子反应速率不尽相同。这就导致同位素的分离或者分馏。稳定环境同位素测量同一元素两种丰度*大的同位素比，如氧同位素所测量的是丰度为0.204%的18O与丰度为99.796%的16O的比值。18O/16O的比值大约为0.00204。分馏过程使含氧化合物中的这个比值发生微小改变，但仅限于小数点后第五位和第六位。
表1.1 水同位素分子表 同位素组成是指物质中某一元素的各种同位素的相对含量，通常以同位素丰度、同位素比值(R)和千分偏差值(δ)来表示。自然界水体中稳定同位素的变化很小，因此水体中的同位素组成通常选用δ表示。
(1.1)
式中，和分别为样品和标准样中同位素成分的相对含量，即一种元素稀有的同位素与富集的同位素丰度的比值。
1.2.1 同位素与同位素水文学
日益严重的世界性水资源短缺和水环境危机，促使水文学从水分子层面深化进入原子核层面，以应对诸多现代水问题。同位素与同位素水文学的发展经历了如下时期(顾慰祖等，2011)。
1)同位素的发现
1898年居里夫人和皮埃尔 居里发现了新的元素钋和镭，同年居里夫人首次提出了元素具有“放射性”这一概念。1910年，英国物理学家索迪提出在元素周期表中特定的元素可以容纳一种以上的原子，并将此定义为元素的“同位素”。此后不同的元素同位素被相继发现，并被更为精密的质谱仪检测到。
2)放射性同位素应用时期
同位素具有不同的衰变周期，其首先被核科学家用于探索水循环过程。1922年爱尔兰的科学家Joly提出了基于放射性同位素的衰变周期测定自然河流流量的设想。此后又有科学家将放射性同位素应用于石油开采过程中的土层定年之中。20世纪50年代，中子法开始应用于测定土壤水分空间分布特征，此后基于放射性同位素的地下水运动研究开始兴起。
3)环境同位素应用时期
随着测试技术的不断提升，高精度的质谱仪使得人们可以获得更为精准的同位素含量。从20世纪50年代开始，随着对于天然水体中氢氧稳定同位素测试精度的突破，稳定同位素的分馏机制逐渐被认识，并开始应用于探究环境问题、水循环过程等，这极大地推动了同位素水文学的发展。此后随着14C定年法在古气候研究中的广泛推广，以及氚定年技术的突破，环境同位素应用得到了极大的推广。
4)同位素水文学的形成
20世纪50年代，对天然水中稳定同位素的研究有了一系列的突破，随着同位素统一的定义、国际统一的参照标准、分馏机制的认识提升、全球大气降水线(global meteoric water line， GMWL)的提出等一系列重要研究的出现，同位素水文学正式形成。1963年开始，国际原子能机构(International Atomic Energy Agency， IAEA)先后举办了多期针对同位素水文学研究的研讨会，极大地推动了同位素水文学的发展。
1.2.2 国外研究现状及发展趋势
从20世纪50年代末提出“同位素水文学”这一术语至今，同位素水文学作为一门独立的学科已经有了长足的发展，其研究及应用领域不断扩大。目前，同位素水文学理论已经广泛应用于水文、水资源及环境地质等诸多领域，同位素水文学各种研究方法也在不断地趋于成熟。近年来，环境同位素与人工同位素在水汽来源、降水径流关系、干旱半干旱区的水资源评价、地表水与地下水相互作用、地下水起源及测年、湖泊蒸发量及换水周期、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。同位素方法引入水文学之后，从一个独立的研究方向，即同位素在水文学中的应用或水文核技术，逐步发展为同位素水文学学科。应用稳定同位素进行水循环的研究主要集中在降水组分及水汽来源、地表水同位素特征及时空分布特征、降水径流过程、地表径流过程及径流组分、地下水与地表水相互关系、水体的循环尺度和平均驻留时间以及基于稳定同位素的流域蒸发估算等。
稳定同位素示踪技术是当前应用于径流组分特征研究*有效的方法之一。由IAEA?发起的“大江大河流域水文过程同位素示踪”计划引起了世界上很多国家的重视与支持，世界上许多著名
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