【热点Focus】李捷、庞忠和《中国科学》：青藏高原降水同位素高程梯度

发表时间：2023-07-25

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降水同位素的高程效应（Isotope Altitude Effect），是指水蒸气在海上形成之后，向大陆运移的过程中，随着地形高度变大而贫化的现象。而定量描述其变化快慢的参数，就是同位素高程梯度 (Isotope Altitude Gradient), 单位一般是&permil;/1000米。

青藏高原被称为 “世界第三极”和“亚洲水塔”，其隆升的历史过程很难确定。同位素的高程梯度是重建山体高度和气候变化历史的基本参数。最近的研究表明，青藏高原隆升对于周边乃至全国大部分地区的气候都有影响。高程梯度可用于评估高原隆升对区域生态和全球气候和水循环格局等的影响。

然而，青藏高原降水同位素监测比较困难，过去依赖于河流样品开展工作，而河流的选择没有统一的标准，另外来自河流的稳定同位素高度梯度是否存在偏差尚不清楚。

针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所李捷博士（现为北京师范大学讲师）与庞忠和研究员在青藏高原东坡（图1）合作开展地表水体采样和降水同位素监测工作，利用4个降水、8个山巅湖泊和23件小流域（小于20km2的小溪）样品，基于回归分析建立了青藏高原东坡的高程梯度为-4.2&permil;/km（图2）,这是迄今为止得到的降水同位素高程梯度最大值。

图1 青藏高原地形图及降水站分布

图2 青藏高原东坡的降水同位素梯度

另外，利用夏季温度梯度作为参数建立的简单瑞利模型给出了-4.0&permil;/km的高程梯度，与观测结果接近。基于蒸发过程研究的山巅湖泊可为确定本地降水同位素均值提供方便。

利用湖泊的原始δ¹⁸O值和采样高程建立高程梯度，该方法在本研究中证实有效。河水样品由于高地补给存在抑制同位素高程梯度，根据研究本文将建立高程梯度的有效河流样品限定在20km²的流域面积以内，该阈值明显小于前人对于河流样品的选择。

此外，作者比较了青藏高原腹地的降水及河水样品，结果发现这些样品分布在该高程梯度线上方，瑞利模型检验结果表明水汽再循环控制了高原腹地的同位素演化（图3）。因此，河水作为替代物，由于控制同位素高程梯度线中同位素变化的各种因素，对同位素高程梯度线产生了较大的不确定性，应慎重采样。

图3 青藏高原不同水体的氘氧同位素与海拔的关系

研究成果以中英文分别发表在《中国科学：地球科学》和《Science China: Earth Sciences》上 (Jie Li & Zhonghe Pang. The elevation gradient of stable isotopes in precipitation in the eastern margin of Tibetan Plateau. Science China: Earth Sciences, 2022. https://doi.org/10.1007/s11430-021-9942-0)。该成果受到国家自然科学基金项目（42130809、41430319）、国际原子能机构CRP项目(F31006、F33024) 等项目资助。

论文中降水和地表水体样品氘氧同位素测试所用的仪器为Picarro L1102-i高精度水同位素分析仪，该仪器是国内最早的几台Picarro分析仪之一，于2011年采购，稳定运行十年之久。近年来，随着Picarro产品更新换代，其同位素测试精度和稳定性更上一台阶。Picarro分析仪高兼容性、便携性、稳定性及强大的技术服务团队，可为科研、环保领域的各类应用提供最大限度的支持。围绕Picarro分析仪的应用已涵盖海洋、高原、湖泊、极地、土壤、毒理、微环境等各个领域，欢迎感兴趣的专家学者与我们交流讨论！

注：内容转载自同位素水文公众号。

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