黃土區生態建設對流域不同水體轉化影響

趙賓華，李占斌,2，李 鵬，肖 列，常恩浩，張 祎，高 蓓

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黃土區生態建設對流域不同水體轉化影響

趙賓華1，李占斌1,2，李 鵬1※，肖 列1，常恩浩1，張 祎1，高 蓓3

（1. 西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048；2. 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 712100；3.西安市水利規劃勘測設計院，西安 710054）

生態建設治理能夠顯著改變流域下墊面條件，研究黃土區生態建設治理對流域不同水體轉化特征對深刻了解該區域生態建設恢復具有重要意義。該研究運用穩定同位素技術，通過野外采集生態建設治理對比流域不同水體水樣樣品，分析不同水體氫氧同位素特征，揭示不同季節生態建設治理對流域不同水體轉化影響。結果顯示：生態建設治理流域韭園溝降水同位素較生態建設未治理流域裴家峁降水同位素貧化。降水同位素變幅大于河水和井水同位素變幅，河水蒸發分餾作用強烈而井水較為穩定。河水、井水和水庫水的補給來源主要是降水。生態建設流域雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，分別與降水量和溫度呈正比和反比關系。沿著主溝道流程，韭園溝流域和裴家峁流域河水同位素值呈逐漸富集趨勢。旱季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現為降水和井水補給河水，補給比例分別為24.66%、75.34% 和83.81%、16.19%。雨季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現為降水和河水補給井水，補給比例分別為14.75%、85.25% 和48.06%、51.94%。表明生態建設顯著改變了流域生態水文過程，旱季和雨季不同水體間的相互轉化過程以及轉化比例發生改變。該研究可為黃土高原生態建設對流域生態水文過程影響研究和生態環境建設保護提供科學依據。

同位素；流域；降水；生態建設；不同水體；旱季雨季；轉化比例

0 引 言

水資源缺乏與時空分布不均是干旱和半干旱地區所面臨的嚴峻問題之一，實現水資源的可持續利用，合理地開發利用水資源，其前提是要深入了解水循環機理[1]及其變化規律。中國黃土高原地區氣候干旱且降雨稀少、生態環境極度脆弱、水土流失嚴重，制約著當地農業生產和經濟發展，導致生態環境不斷惡化[2]。同時，黃土高原是中國生態環境建設的重點區域，近年來大面積的退耕還林（草）措施以及淤地壩和水庫建設的實施，導致流域下墊面發生了深刻的變化，生態建設已經顯著改變了流域的水文循環過程[3]。因此，研究黃土丘陵區的生態建設對水文循環過程的改變顯得尤為必要。

環境同位素是有效的天然示蹤劑，能夠有效地識別和反映流域不同水體特征，是研究水循環的重要手段。由于蒸發和凝結等作用，自然界中的水體在運移過程中會產生不同程度的同位素分餾[4]，同位素分餾會導致水中的δD和δ18O發生同位素富集和貧化，最終使得不同水體同位素具有不同的變化趨勢和特征，因此同位素示蹤方法就成為研究降水、地表水和地下水等不同水體之間相互轉化關系的有效手段，特別是在受氣溫和降水的影響使得不同水體之間轉化關系更為復雜的干旱和半干旱地區。目前研究主要集中在水體的同位素特征及其轉化關系，包括降水水汽來源[5-9]、不同水體同位素特征[10-15]、地表水的蒸發作用[16-17]、地下水的補給[18-20]、同位素沿程變化[2]等方面?？偨Y發現關于黃土高原地區的相關研究相對較少，同時黃土高原大面積生態建設活動對流域生態水文過程影響研究還處于初始階段，因此針對黃土高原小流域生態建設治理措施，開展流域不同水體分布與轉化研究顯得尤為必要。

為深入了解生態建設活動對黃土丘陵區小流域生態水文過程的影響，本研究以黃土丘陵區生態建設治理對比流域不同水體為研究對象，通過野外實地取樣，結合室內同位素測試分析，分析生態建設治理對比流域不同水體氫氧同位素特征，研究大氣降水中氫氧同位素的溫度效應和降雨量效應，揭示流域溝道水的氫氧同位素沿程變化特點，量化不同季節下對比流域各水體補給轉化比例，以期為生態建設流域的水循環作用機理深入研究和生態環境建設保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.1.1 韭園溝流域

韭園溝流域位于陜西省榆林市綏德縣城東北約5 km，屬于黃土丘陵溝壑區第1副區。韭園溝是黃河一級支流無定河左岸的一條支溝道，地理位置110°16′～110°26′E，37°33′～37°38′N。流域總面積為70.7 km2，主溝道長度為18 km，海拔為820～1 180 m，平均比降為1.2%，溝壑密度5.33 km/km2。該流域屬于典型的黃土丘陵溝壑地貌，流域內梁峁起伏，溝壑縱橫，地形破碎，土地貧瘠，溝間地約占面積比例為56.6%，溝谷地約占面積比例為43.4%。流域內坡面大都由黃土覆蓋，厚度30～120 m，河槽及溝道底部部分地方有基巖露出，巖層多由淺灰綠色的砂巖和頁巖相間組成。根據韭園溝流域多年實測資料統計，多年平均降雨量475.1 mm，降雨年際變化較大且年內分布極度不均，汛期（6—9月）降雨量占年降雨量64.4%，且多以暴雨形式出現。多年平均溫度9.3 ℃，無霜期為150～180 d，流域內多西北風，最大風力12.5m/s。

韭園溝流域土壤類型主要是黃綿土，其質地疏松均勻且孔隙較大，易沖刷及侵蝕，侵蝕方式多以水力侵蝕為主。流域開展生態治理以前，多年平均侵蝕模數為 1.8萬t/km2。為了探索黃土丘陵區第一副區水土流失綜合治理模式，減少入黃泥沙，有效發展經濟，1953年黃河水利委員會建立綏德水土保持科學試驗站，并選擇韭園溝流域作為水土保持試驗小流域。自此，流域開始進行綜合治理，主要包括建設水平梯田，建設骨干淤地壩，大力推廣水力充填筑壩技術等措施。1964年韭園溝流域被列為全國水土保持農林牧業綜合實施十大樣板工程之一，1982年被列為全國八大片水土流失治理區無定河治理小流域。實施生態建設以來，流域共有林草面積：喬木林113. 46 hm2、灌木林309. 45 hm2、經濟林516. 03 hm2、人工種草451. 45 hm2。到2009年完成治理面積5 310 hm2，治理度高達75.1%。截止1997年流域內共建壩（庫）263座，布壩密度為3.72座/km2，總庫容2 947.5萬m3，攔泥庫容2 200.7萬m3，已淤地282 hm2[21]。

1.1.2 裴家峁流域

裴家峁流域是無定河左岸的一條支溝道，溝口距綏德縣城4 km，地理位置110°17′～110°23′E，37°28′～37°33′N。流域面積41.5 km2，海拔為789～1 122 m，流域主溝道長度約為11 km，平均比降約為1.22%，溝壑密度為2.69 km/km2。裴家峁流域為梁峁丘陵地形，坡面主要為黃土覆蓋，沿主溝道兩岸有灰色砂巖分布，溝底為基巖裸露溝床，有地下裂隙水流出。流域溝間地面積為20.4 km2，占流域面積比例為49.1%，溝谷地面積為 21.1 km2，占流域面積比例為50.9%。裴家峁流域與韭園溝流域在地形地貌、土壤、降雨和溝道等方面相相近，但是裴家峁流域治理程度較低，到2007年治理面積僅為4.62 km2，占流域總面積11.7%，流域內共建有淤地壩61座，淤地面積35.5 hm2。裴家峁有耕地2 190 hm2，林地517 hm2，草地1 413 hm2（2000年土地利用情況統計）[21]。

建立裴家峁試驗站目的在于深入研究大尺度溝道的水土流失規律和機制，為水土保持規劃和工程設計提供可靠的試驗和監測數據，同時與韭園溝形成對比，用以了解韭園溝流域的生態建設治理效益[21]。

1.2 野外采樣

1.2.1 氣象數據

在韭園溝流域中部位置布設1組小型自動氣象站（HOBO U30 NRC USA），在本研究中主要用于觀測大氣溫度和用于記錄降雨事件發生時間和降雨量，氣象觀測頻率設置為5 min/次。

1.2.2 樣品采集

水樣樣品的采集時間為2016年1月至2016年12月，河水、井水和水庫水的平均采樣周期為15 d，降水和雪水的采樣頻次為次降水和次降雪。采樣點主要分布在2個對比流域韭園溝流域和裴家峁流域主溝道以及主溝道附近，研究區地理位置及采樣點分布如圖1所示。水樣的樣品類型主要包括降水、河水、井水、水庫水和雪水，其中降水采集點2處分別分布在韭園溝流域中部和裴家峁流域上部，如圖1所示。溝道水、井水和水庫水水樣采集時將樣品瓶伸入水面以下30 cm處，以防止水面蒸發分餾的影響。將采集到的水樣樣品迅速裝入30 mL的取樣瓶中，并用Parafilm封口膜密封，立即放入便攜式冰箱內低溫保存。將采集得到的水樣樣品帶回實驗室后在 4 ℃下冷藏直至上機測試。所有樣品均取3次重復，最終取平均值。

圖1 研究區地理位置圖與采樣點分布

1.3 數據處理

式中sample為水樣中D/H或18O/16O的比率，而VSMOW為VSMOW標準水樣D/H或18O/16O的比率。

基于同位素質量守恒定律，可以用穩定同位素方法研究徑流來源、徑流分割以及地表水和地下水相互轉化等問題。通過不同水體的同位素值的對比，運用二端元模型計算不同水體來源的比例[22]：

根據質量平衡方程和濃度平衡方程可得二端元混合模型如下：

通過公式（2）和公式（3）得到以下公式（4）和公式（5）：

式中為流量；δ為降水中D或者18O的值；δ為地表水中D或者18O的值；δ為地下水中D或者18O的值。

試驗數據統計分析采用運用Excel完成，顯著性分析由SPSS21.0完成，所有圖表均運用OriginPro 8.5和Adobe Photoshop 7.0完成。

2 結果與分析

2.1 不同水體氫氧同位素統計特征

流域不同水體的來源和轉化過程都不盡相同，通過分析不同水體的同位素特征，可以判別不同水體蒸發分餾及轉化特征。生態建設治理流域（韭園溝）和生態建設未治理流域（裴家峁）不同水體同位素統計特征如表1所示。韭園溝流域不同水體dD同位素均值由大到小依次是降水＞水庫水＞雪水＞河水＞井水，不同水體d18O同位素均值由大到小依次是水庫水＞降水＞河水＞井水＞雪水；裴家峁流域不同水體dD同位素均值由大到小依次是雪水＞降水＞河水＞井水，不同水體d18O同位素均值由大到小依次是雪水＞河水＞井水＞降水（裴家峁沒有水庫，所以水庫水同位素統計特征情況無）。標準差變化趨勢和均值變化趨勢基本趨于一致，反映了不同水體同位素值的離散程度。韭園溝流域和裴家峁流域降水同位素變化范圍均表現為最大，韭園溝流域dD和d18O同位素值變化范圍為–113.12‰～–9.11‰和–15.37‰～–2.92‰，裴家峁流域dD和d18O變化范圍–97.72‰～–14.01‰和–15.78‰～–3.81‰，其相應的變幅分別為104.01‰、12.45‰和83.71‰、11.97‰。

研究區地處黃土高原西北干旱地區，雨季溫度高，蒸發強度大，降雨產生的水汽因高溫條件而蒸發，水體重同位素富集，同時由于受季風氣候的顯著影響，降水同位素值偏大且同位素組成有較大變幅[23]。降水在補給河水和井水等過程中同位素變幅被削減，主要與非飽和帶和含水層介質的物理屬性和水力參數等有關，伴隨著補給路徑的延長和滯留時間的增加，降水同位素變幅越來越小[24]，即降水同位素變化幅度大于河水和井水同位素變幅。同時河水蒸發分餾強度較大，而黃土區土層較厚，地下水埋藏較深，井水較為穩定，導致河水同位素均值和變幅大于井水[25]。水庫水同位素較河水和井水同位素富集，主要因其形成的匯水面積大，極大地增加了水面蒸發作用，從而引起強烈的水體同位素蒸發分餾作用。

表1 生態建設治理和未治理流域不同水體同位素統計特征

2.2 對比流域不同水體氫氧同位素關系

1961年，Craig首先統計計算了全球大氣降水的dD和d18O關系，并且得到了擬合方程dD=8d18O+10，即為全球大氣降水線方程[26]。其意義在于揭示了水汽在經歷非平衡蒸發和凝結過程中的平衡分餾作用下穩定同位素比率dD和d18O的關系，其能夠有效表征流域降水水汽來源和轉化過程中受到的混合蒸發作用。已有研究表明[27]，通過研究不同水體氫氧同位素關系可以辨別流域不同水體來源及其相互轉化關系。圖2和圖3分別為生態建設治理流域韭園溝和未治理流域裴家峁不同水體的dD和d18O同位素關系圖。韭園溝流域的降水同位素擬合線為dD=7.09d18O+1.29，裴家峁流域的降水同位素擬合線為dD=6.71d18O–3.25。與全球大氣降水線相比，研究區降水同位素斜率和截距均小于全球大氣降水線，說明在水汽運輸和降雨形成過程中發生了分餾和二次蒸發，主要是雨滴在云底相對干燥的大氣發生部分分餾的結果。這與黃土高原地處干旱區的氣候特征相符合[28]。同時，韭園溝流域降水擬合線的斜率和截距均大于裴家峁流域，表明裴家峁流域相比于韭園溝流域在水汽凝聚和降水形成過程中受到了更為強烈的蒸發分餾作用。

圖2 生態建設治理和未治理流域不同水體δD和δ18O關系

雪水同位素點基本和降水線重合，表明其來源和運輸過程相似，但在降水過程中同位素在云底層二次蒸發引起的同位素分餾作用較降雪明顯，同時凝華過程中同位素分餾效應比大于凝結過程中的分餾效應比。河水同位素位于大氣降水線右下方，說明河水受到強烈的蒸發分餾作用[29]。蒸發分餾作用導致河水中輕同位素優先從河水中分離出來，重同位素被富集，使得輕同位素與重同位素間的分餾速率比(αD-1)/(α18O-1)不斷增大，導致河水擬合線的斜率和截距偏小[30]。水庫水同位素擬合線斜率和截距均小于降水，且接近河水同位素線，表明水庫水也受到了強烈的蒸發分餾作用。研究區水庫水屬于河水聚集于淤地壩前形成匯集水面，且和上下主溝道具有良好的貫通性，具有良好的水體交換過程，故水庫水同位素接近于河水同位素。

韭園溝流域和裴家峁流域作為對比流域，二者在地理位置和地形地貌等方面具有高度的相似性。韭園溝降水和雪水同位素擬合線的斜率和截距均大于裴家峁流域，而韭園溝流域河水同位素擬合的斜率和截距均小于裴家峁流域。表明由于大量的生態建設活動，諸如林、草植被面積的大幅增加，增加了空氣濕度，使得降水同位素較未治理流域貧化。同時淤地壩、水庫的實施，增加了流域水面蒸發，河水更易受到強烈的蒸發分餾作用，而使得河水同位素等較未治理流域富集。

2.3 大氣降水氫氧同位素變化

降水穩定同位素受到形成降水的氣象狀況、水汽初始來源地的狀態及其水汽輸送路徑等因素影響，其具有溫度效應、季節效應和降水量效應等[30]。通過對2016年韭園溝流域的氣象監測資料和降水同位素分析發現（圖3），旱季（12月—翌年5月）溫度較低而雨季（6—11月）溫度較高，降水主要分布在5—11月。降水同位素dD和d18O波動劇烈，波動范圍分別為–113.12‰～–9.11‰和–15.37‰～–2.92‰。雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，表明同位素受到降水量效應和溫度效應影響，分別與降水量和溫度呈正比和反比關系。研究區雨季降水量占全年的71.6%，且多以暴雨形式出現，降雨量效應會影響雨季降水同位素值；雨滴在離開云團后會再經歷一次蒸發，使氫氧穩定同位素值增大。這與章新平等[31]研究發現大氣降水中氫氧穩定同位素無論是在天氣尺度還是在季節尺度下均具有顯著溫度效應相一致。研究區雨季各場降水同位素值差別較大，主要是因為西北旱區雨季水汽來源主要包括西北水汽通道、南亞季風水汽通道以及東亞季風水汽通道，導致各場降水的水汽來源及其組成不同，同時伴隨著不斷的凝結和蒸發，最終表現為各場降水穩定氫氧同位素值不同[32]。

2.4 溝道水氫氧同位素沿程變化

河水和井水同位素特征能夠有效反映不同水體的蒸發分餾特性。對比流域（韭園溝流域和裴家峁流域）旱、雨季河水和井水同位素沿程變化如圖4所示。韭園溝流域沿河道流程方向，河水和井水的采樣點分別依次為JR1~JR12（圖4a）和JJ1～JJ3（圖4b），裴家峁流域沿河道流程方向，河水和井水的采樣點分別依次為PR1~PR9（圖4c）和PJ1～PJ3（圖4d）。

沿著主溝道流程，韭園溝流域和裴家峁流域河水同位素值變化趨勢都表現為同位素富集[2,33]，說明河水沿程蒸發效應增強。井水傳輸方向是從流域上游遷移向下 游[2]，同時井水和河水具有頻繁的交換和互補，所以井水的同位素沿程也呈現富集現象。但是在流域不同位置，個別點水體氫氧同位素值存在突變情況。韭園溝流域河水JR8同位素值偏高，主要是因為該點位于水庫上游附近溝道，可能與水庫水發生著交換而受到水庫水的影響，導致該點水體同位素值偏高。韭園溝流域河水JR10同位素值突然降低，研究發現在該點存在氫氧同位素貧化的水源輸入，在該處存在一個支溝，其地理位置較高，基巖裸露達數十米之高，由于其裂隙水的輸入，導致JR10同位素值降低。韭園溝流域井水JJ2同位素值有所降低，可能是因為JJ2號井距離主溝道較遠，且其位置較高，故其與主溝道中的河水未能產生交換，導致其同位素值較低。裴家峁流域PR3點水體同位素值較高，主要是由于靠近主溝道的道路進行施工，在主溝道中有土的堆積，造成溝道中河水的聚集，形成類似小水庫的集水面，大量溝道水被滯留于水庫后，長時間經歷蒸發分餾作用，逐漸成為富集重同位素的河水[2]。

2.5 不同季節各水體轉化比例

流域不同水體時時刻刻都在進行著相互補給和交換，其中大氣降水以匯流的形式補給地表水，以入滲的形式補給地下水，入滲補給的地下水再反過來補給地表水，以維持地表水徑流[25]。不同季節下流域各水體轉化方式和轉化比例都不同，結合公式（4）、（5）計算生態建設治理流域韭園溝和生態建設未治理流域裴家峁旱季和雨季降水、河水和井水的相互轉化補給比例。本研究采用各水體的18O均值進行轉化率分析計算（表2）。

圖3 2016年韭園溝流域溫度、降水量以及同位素變化

圖4 生態建設治理和未治理流域旱季和雨季河水和井水同位素沿程變化

表2 生態建設治理和未治理流域旱季和雨季不同水體轉化比例

旱季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現為降水和井水補給河水。表明在旱季，流域生態建設條件對不同水體之間的轉化方式沒有影響，由于缺少降水，導致河水需要降水和井水的補給，以維持河水地表徑流。但是生態建設程度對流域不同水體轉化比例產生影響。其中，韭園溝流域降水和井水對河水的補給比例分別為24.66%和75.34%，裴家峁流域降水和井水對河水的補給比例分別為83.81%和16.19%。由于生態建設增加了流域植被覆蓋，降低了水流傳輸速度，導致旱季降水對河水的補給比例較少而大部分河水徑流都需要井水來補給，即生態建設增加了流域地表水向地下水轉化。而生態建設未治理流域的降水能夠直接補給河水徑流或降至地表經地表傳導作用迅速進入河道，所以生態建設未治理流域的降水補給河水的比例大于生態建設治理流域的補給比例。雨季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現為降水和河水補給井水。其中，韭園溝流域降水和井水對河水的補給比例分別為14.75%和85.25%，裴家峁流域降水和井水對河水的補給比例分別為48.06%和51.94%。在雨季，生態建設流域的植被能夠有效攔截雨水，降水入滲土壤而長時間未能下滲至地下深層部位對地下水進行補給[34]。生態建設未治理流域裴家峁的降水則能直接迅速匯集產生徑流伴隨河水補給地下水。本研究中的河水采樣均是沿著主溝道采樣，井水采樣點大都分布在溝道兩邊，所以河水與井水之間的水力聯系較為密切，不停地發生著相互轉換。

3 討 論

大氣降水是地球系統中流域水循環過程中不同水體的來源，降水的氫氧同位素組分存在明顯的季節性變化，由于所處地理位置，環境狀況以及下墊面情況的不同所引起的蒸發分餾作用的不同會造成不同水體氫氧同位素空間分布的差異。同時，降水的氫氧同位素組成變化能夠直接造成地表水、地下水和水庫水等不同水體同位素值發生變化[35]。黃土丘陵區身處氣候干旱的內陸地區，強烈的蒸發作用使得降水重同位素富集[1]，大氣降水線相比于全球大氣降水線有一定程度的偏移，體現了黃土高原的干旱氣候特征。同時，大氣降水在降落形成地表水、入滲進入土壤形成土壤水，亦或繼續下滲最終經過長時間的遷移和轉化形成地下水。韭園溝和裴家峁作為生態建設治理和未治理對比流域，二者在地理位置，地形地貌以及氣象條件等方面具有高度的相似性。通過研究發現，韭園溝流域河水同位素擬合的斜率和截距均小于裴家峁流域的同位素擬合斜率和截距，原因是韭園溝流域自20世紀50年代以來大量的生態建設活動，諸如淤地壩、水庫和退耕還林（草）等措施的實施，極大地改變了流域生態水文過程，增加了流域的蒸散發作用，流域不同水體更易受強烈的蒸發作用，使得河水同位素等較生態建設未治理流域更加富集。即生態建設對小流域水資源分布與不同水體轉化關系產生了深刻的影響作用。

流域的降水、河水和井水等各種不同水體之間的關系往往非常密切[15]，對比不同水體之間的同位素組成，可以探究不同水體之間的相互轉化和補給關系[36-37]。本研究區地處黃土高原丘陵溝壑區，受季節性降雨和強烈蒸發作用的影響，不同水體之間隨時發生著相互轉化和補給交換。不同季節各個水體的轉化方式和轉化比例都不同，通過研究發現無論是在旱季還是雨季，生態建設治理流域韭園溝和生態建設未治理流域裴家峁的不同水體間的轉化方式相同。在旱季，降水和井水補給河水；雨季，降水和河水補給井水。但是對比流域不同水體互相轉化比例卻不同。在旱季，生態建設治理流域的降水補給比例小于未治理流域的降水補給比例；反言之，井水對河水的補給比例治理流域大于未治理流域。主要是因為旱季本來就雨水稀少，同時生態建設活動增加了流域植被覆蓋，降低了水流傳輸速度[2,38]，導致生態建設流域旱季河水的補給需要更多的井水來補給。相反，生態建設未治理流域的降水能夠直接補給河水徑流，所以生態建設未治理流域的降水補給河水的比例大于生態建設治理流域的補給比例。在雨季，生態建設治理流域降水對生態建設治理流域的降水補給比例小于未治理流域的降水補給比例。生態建設流域大面積的植被能夠有效攔截雨水，增加降水入滲，同時淤地壩和水庫等水利工程措施能夠攔截河水從而能夠有效補給流域地下水。而生態建設未治理流域裴家峁的降水則能直接迅速匯集產生徑流伴隨河水補給流域地下水。生態建設措施的實施對小流域不同水體轉化產生了一定影響，改變了研究區不同季節的各個水體間相互轉化補給比例。綜上所述，生態建設顯著改變了流域生態水文過程。

4 結 論

通過野外采集對比流域不同水體的水樣，分析黃土區生態建設小流域不同水體氫氧同位素特征，揭示流域生態建設對不同水體轉化方式和轉化比例影響，得出以下結論：

1）降水同位素變化幅度大于河水和井水同位素變幅。河水受到強烈的蒸發分餾作用，井水相對較為穩定。生態建設治理流域韭園溝降水線為dD=7.09d18O+1.29，未治理流域裴家峁降水線為dD=6.71d18O-3.25。

2）韭園溝流域雨季同位素值偏低而旱季同位素值偏高，分別與降水量和溫度呈正比和反比關系。沿著主溝道流程，韭園溝流域和裴家峁流域河水同位素值變化趨勢表現為同位素富集。

3）通過模型計算不同季節不同水體補給轉化比例發現，旱季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現為降水和井水補給河水，補給比例分別為24.66%、75.34% 和83.81%和16.19%。雨季，韭園溝流域和裴家峁流域都表現為降水和河水補給井水，補給比例分別為14.75%、85.25% 和48.06%和51.94%。生態建設措施的實施對小流域水資源分布與不同水體轉化關系產生了影響，改變了研究區不同季節各水體間相互轉化補給比例。

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Effects of ecological construction on transformation of different water bodies in typical watershed on Loess Plateau

Zhao Binhua1, Li Zhanbin1,2, Li Peng1※, Xiao Lie1, Chang Enhao1, Zhang Yi1, Gao Bei3

(1.710048,;2.712100,; 3.710054,)

In order to reduce soil erosion and improve ecological environment, the Chinese government implemented the Grain for Green Project in 1999, in which numerous croplands were converted to grasslands, forestlands, or free land for natural plant succession. The ecological construction not only significantly changes the vegetation cover conditions of the watershed, but also changes the hydrological processes of the watershed. In order to understand the changes of ecological and hydrological processes under different ecological construction conditions, 414 water samples were collected in the governance river basin of Jiuyuangou Watershed and 300 water samples were collected in the natural river basin of Peijiamao Watershed, which are sub basins of Wuding River. The water samples included precipitation, river water, well water, reservoir water and snow water. Each water samples had three replicates. Based on stable isotope technology, the hydrogen and oxygen isotope characteristics were analyzed in different water samples. The effects of ecological construction on water transmission process and transformation characteristics between different water bodies in different seasons were also evaluated in this research. The results showed that the amplitude of precipitation isotope values were greater than the river water and well water isotope values. In addition, the river water and reservoir water had stronger evaporation fractionation than other water samples and well water was relatively stable. The local meteoric water line wasdD=7.09d18O+1.29 in the governance river basin of Jiuyuangou watershed anddD=6.71d18O-3.25 in the natural river basin of Peijiamao watershed. The slope and intercept of the local meteoric water line in Jiuyuangou watershed was greater than that in Peijiamao watershed. The water supply source of river water, well water and reservoir water were mostly from precipitation. At the same time, precipitation and snow water had similar sources. During the dry season (from December to June), the temperature was low and during the wet season (from July to November), it was high, and the precipitation was mainly distributed in June to November. The isotope values were low in the wet season, and dry season isotope values were high. The isotope values were positively correlated with the precipitation, and negatively correlated with the temperature. The isotope values of river water and well water showed a similar trend of variation, which became enrichment with the main channel flow. The oxygen isotope value was used to calculate the supply ratio of precipitation, river water and well water in dry season and wet season. In dry season, precipitation and well water supplied river water, and the supply ratio was 24.66%, 75.34% and 83.81%, 16.19%, respectively. In wet season, well water was supplied by precipitation and river water, and the supply ratio was 14.75%, 85.25% and 48.06%, 51.94%, respectively. Ecological construction had significantly changed the ecological and hydrological processes. The acceleration of ecological construction had a significant impact on the transformation of different water bodies in the river basin of Loess Plateau. The present research could provide technical support and theoretic foundation for the study of ecological and hydrological processes and ecological environment protection on the Loess Plateau.

isotopes; watersheds; precipitation; ecological construction; different water bodies; dry and wet season; supply ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.023

X143;P343.9;P597

A

1002-6819(2017)-23-0179-09

2017-05-10

2017-07-14

國家重點研發計劃項目（2016YFC0402404，2016YFC0402406-ZT2）；國家自然科學基金重點項目（41330858）；國家自然科學基金面上項目（41471226）

趙賓華，博士生. 主要從事水土保持與生態水文方面研究。 Email：zbh20080810@126.com

李 鵬，教授，博士生導師. 主要從事水土保持與生態建設方面研究。Email：lipeng74@163.com