Atmospheric precipitation recharge on groundwater in desert areas and its environmental implications...
Transcript of Atmospheric precipitation recharge on groundwater in desert areas and its environmental implications...
书书书
第 34卷 第 5期2014年 9月
第 四 纪 研 究QUATERNARY SCIENCES
Vol.34, No.5
September,2014
doi:10.3969/j.issn.10017410.2014.05.09 文章编号 1001-7410(2014)05-994-19
荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义
———以阿拉善高原晚全新世记录为例
朱秉启① 于静洁① PatrickRioual② YanGao③ 王 平①④
张一驰① 闵雷雷⑤ 杜朝阳① 王训明① 熊黑钢⑥
(①中国科学院地理科学与资源研究所,陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101;②中国科学院地质与地球物理研究所新生代
地质与环境重点实验室,北京 100029;③CentrodeInvestigacionesenGeografiaAmbiental,UniversidadNacionalAutonomadeMexico,
CampusMorelia,Mexico;④DepartmentofHydrologyandWaterResources,UniversityofArizona,Tucson,USA85721;⑤中国科学院遗传
与发育生物学研究所,农业资源研究中心,石家庄 050021;⑥教育部新疆绿洲生态重点实验室,乌鲁木齐 830046)
摘要 在荒漠地区选择何种方法开展地下水的补给及其环境响应研究,是目前干旱区水文学的一个难点和热
点问题。本文回顾了前人在相关研究中所选择的包气带示踪方法理论及问题,以我国北方阿拉善高原荒漠为例
提取了区域地下水补给和演化的有效信息,并提供了与之相关的环境变化历史的理解。基于氯质量平衡理论所
估算的荒漠非饱和带补给速率与年代学序列等研究表明:阿拉善高原中部巴丹吉林沙漠及周边戈壁等地区在晚
全新世距今约 700~2000年历史上,经历了数次百年尺度的地下水补给波动过程,并与区域干湿气候波动密切相
关;多个剖面记录可以识别出近千年来 4个相对湿润(1330~1430年、1500~1620年、1700~1780年和 1950~1990
年)以及 3个相对干旱(1430~1500年、1620~1700年和 1900~1950年)的时段。这些记录与青藏高原北缘地区的
其他古气候记录具有一致性,并与我国东部气候记录有一定的对应,表明阿拉善高原地下水补给广泛反映了百年
尺度上我国西北地区大尺度范围内的气候干湿变化程度,并且可能受到了东亚夏季风强度变化的影响。估算的
阿拉善近千年以来的平均补给速率约为 13~26mm/a,为理解区域地下水补给来源问题带来新的地质证据,但
目前的研究结果与其他环境记录有较大出入。需要指出,包气带剖面的环境记录具有很多不确定性,主要来自于
氯质量平衡估算中的大气 Cl输入量假设和均质土壤包气带剖面(活塞流)的选择。我们认为未来应当通过对比确
定性的数据(如区域基准站)和大尺度随机大气 Cl输入背景来广泛检验这个不确定性及其误差;并对非饱和带地
层的结构均质性、水分平流传输与扩散传输机制的相对重要性以及特征时段的“氯凸剖面”等,提供沉积学、水力
学和地球化学等证据的约束。
主题词 地下水补给 非饱和带 氯质量平衡理论 古大气降水 晚全新世 阿拉善高原
中图分类号 P641136 文献标识码 A
第一作者简介:朱秉启 男 37岁 助理研究员 干旱区地貌与第四纪环境演变研究 Email:zhubingqi@igsnrr.ac.cn
国家自然科学基金项目(批准号:41371060和 41271049)和中国科学院地理科学与资源研究所可桢人才项目(批准号:2013RC101)共同资助
2014-05-12收稿,2014-06-22收修改稿
1 前言
关于我国西北干旱区的古气候演化,人们已经
从各种气候代用指标获得了近千年以来的大气降水
变 化 记 录, 如 冰 芯[1~3]、 树 轮
[4~16]、 湖 泊 沉
积[17~24]
、风成沉积[25]和历史文献记录
[26,27]等。然
而,这些古气候记录间虽然具有一些可识别的共
性,但很大程度上都显示了水汽变化趋势在局地尺
度上的空间复杂性。这可能主要归因于我国西北地
区存在多种不同气候系统间的相互作用,如东亚季
风、北半球西向气旋峰带(西风)和北方大陆气团
(极地气团)以及青藏高原隆起对北半球大气环流
场的地形效应等[28]。因此,要准确理解我国西北
地区气候-水文变化的时空尺度,必须扩展这些古气候记录的地理覆盖度。
目前,随着全球变暖带来的极端气候事件及其
环境效应,我们开始普遍关心一个问题:在中国北
方的气候水热梯度背景上(图 1a),从青藏高原(高寒区)到中纬干旱区(如阿拉善荒原等),地质记录
中所观测到的古大气湿度能有怎样的变化幅度?区
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
图 1 中国北方沙漠与降雨量梯度分布(a)
及阿拉善高原地貌(b)
Fig1 Distributionmapofsandydesertsandtheprecipitation
gradientinNorthernChina(a)andgeomorphologicalmapof
theAlashanPlateau(b)
域的水文系统又是如何响应的?阿拉善高原位于青
藏高原的东北部并接近东亚季风目前的北部边
界[29]。前人在研究区基于湖泊沉积记录和地貌学
等证据获取了该区域千年至万年尺度上的大气降水
变化,结果表明:大尺度气候变化在时间上与周边
地区大约是同步的,比如末次冰期湿润期(约 30±4kaBP.)[30~33]和全新世的气候湿度适宜期(大约10000~6000aBP.)[18,30,34~36]。然而,由于这些地区处于季风的边缘,间歇性的东亚季风加强或减弱
所导致的短期气候干湿波动,其水文效应可能更多
表现在局地尺度上而非区间一致[33,37]
。这个看法
显然需要大量更高分辨率的局地证据来进行综合性
和全球性的对比研究。我国北方干旱区面积辽阔,
这里的局地气候(如地形效应)和地质地貌单元多
样,地质和历史时期以来气候、构造抑或人类活动
变化对区域水文环境及地下水补给过程的影响等认
识还较薄弱[38,39]
且不统一。如有学者[40]认为我国
戈壁荒漠带的地下水可能都是现代降水补给的,也
有学者[41]认为是来自冰期时的古降水。因此,要
解决以上这些涉及年代学的问题,需要从不同时空
尺度来了解我国北方的气候-水文变化信息。在现今人口、社会经济增长和生态保护压力下,在水资
源短缺的西北地区,揭示这些多变的大气湿度信息
对理解同时期的气候-水文变化趋势以及对制定可持续性的水资源和环境管理措施都具有重要的科学
意义。
近年来,许多国内外学者针对这些问题在我国北
方阿拉善高原荒漠区及其周边地区开展了古水文-气候与地下水补给研究
[5,17,18,25,27,28,30,32,34~36,39,40,42~60],
如在巴丹吉林沙漠的沙丘地带,重建了受气候驱动
的深层土壤包气带水的古渗漏历史和大气降水补给
历史等[41,43,44,46,51~54,61]
,获得了一些高分辨率、局
地短尺度气候变化的初始数据(如表 1所示)。这些研究主要基于部分沙丘地的深层(非根系层)包气
带沉积剖面的可溶盐溶质含量、化学组成及其同位
素信号等数据,并将之作为大气降水(直接补给)的
半定量代用指标来获得土壤水补给和气候变化的证
据。然而,这些来自同一或相近地区的不同案例,
所获得的研究结果彼此间有怎样的差异,与周边其
他地区之间的对比关系如何,具有怎样的古环境指
示性和可靠性,还缺乏一些综合性的比较和评价。
本文试图在这些研究案例和数据基础上,综合获取
阿拉善沙漠区地下水潜在补给历史的记录及其时空
差异;对比邻近地区相关气候代用指标观测值,评
估不同区域的大气降水空间变化程度及相关环境
问题。
2 研究区背景
阿拉善高原位于我国北方中纬度沙漠带的中部
和内蒙古高原的西部(图 1)。高原上普遍发育了风沙地貌、戈壁和中低山等地貌景观,包含 3个大沙漠,中部的巴丹吉林、东南部的腾格里和东北部的
乌兰布和等沙漠。介于 39°20′~41°30′N和 100°~104°E之间的巴丹吉林沙漠(面积49000km2)是中国第三大沙漠
[48],有着世界上最高大的沙丘和伴随
丘间低地大量的永久性湖泊。沙漠周边被山脉包
围,南面黑山头山脉(最高海拔 1963m)、东南部雅布赖山(最高海拔 1957m)、西部古日乃古湖盆低地和北部拐子湖湿地(海拔约 900~1000m)。巴丹吉林沙漠的海拔高度介于东南部的 1500m到西北部
599
第 四 纪 研 究 2014年
书书书
表 1 巴丹吉林沙漠及其周边地区的沙丘非饱和带地质记录
Table1 ThegeologicrecordsofunsaturatedzonesinthehinterlandandthesurroundingareasoftheBadanjilindesert
剖面 ID剖面
位置
海拔高度
/ma.s.l.
距离
地下水位
/m
剖面
深度
/m
平均
含水量
/干重%
Cl平均含量
/mg·L-1
近地表
Cl峰值
/mg·m-2
年代学
标尺/a
平均
补给速率
/mm·a-1文献
巴丹吉林沙漠腹地
SWDA 萨音乌苏湖附近沙丘 1270 30 30 21 93 1526 681 1.35 [53]
SW1 萨音乌苏湖附近沙丘 1245 / 22.5 3.5 168 / 1185 0.95 [51]
BYBS 巴彦诺尔湖附近沙丘 1218 / 30 4 138 / 2050 0.91 [44]
BA1 宝儿特勒盖湖附近沙丘 / / 7.4 7.0 100.4 / 520 1.33 [43,51]
BA2 宝儿特勒盖湖附近沙丘 / 0 10 5.9 106.2 / 812 1.26 [43,51]
BYGS 乌兰吉林湖附近沙丘 1255 / 10.5 1~2 589 / 1148 0.21 [46]
BYDS 乌兰吉林湖附近沙丘 1203 / 10.5 1~2 213 / 572 0.59 [46]
BYES 乌兰吉林湖附近沙丘 1309 / 10.5 1~2 232 / 584 0.54 [46]
BYFS 乌兰吉林湖附近沙丘 1336 / 7 1~2 267 / 365 0.47 [46]
SH1 苏和特湖附近沙丘 / 0 10 3.5 120 / 876 1.11 [61]
SH2 苏和特湖附近沙丘 / / 20 4.2 127 / 1660 1.05 [61]
BB1 巴丹吉林庙附近沙丘 / / 20 1.9 165 / 1021 0.81 [61]
SWSA0516 萨音乌苏湖附近沙丘 1219 0 16 2.4 120 5148 300 1.12 [52]
SWSC0510 萨音乌苏湖附近沙丘 1225 10 10 2.8 80 5190 200 1.68 [52]
SWSD0510 萨音乌苏湖附近沙丘 1260 50 10 1.9 111 7590 180 1.2 [52]
SWSE0510 萨音乌苏湖附近沙丘 1223 10 10 1.5 87 2189 110 1.54 [52]
SWSF0510 萨音乌苏湖附近沙丘 1233 20 10 2.2 103 N/A 230 1.29 [52]
BASH0510 巴丹湖附近沙丘 1222 10 10 2.2 89 699 230 1.50 [52]
BASI0508 巴丹湖附近沙丘 1209 0 8 2.8 76 1954 / 1.76 [52]
BASJ0510 巴丹湖附近沙丘 1222 10 10 2.8 164 9930 200 0.82 [52]
BASK0506 巴丹湖附近沙丘 1201 5 6 1.9 N/A N/A / N/A [52]
BASM0510 巴丹湖附近沙丘 1287 80 10 2.2 111 5838 200 1.20 [52]
BASN0509 巴丹湖附近沙丘 1282 70 9 2.1 N/A 27753 / N/A [52]
BLSO0507 宝儿特勒盖湖附近沙丘 1297 0 7 2.3 N/A 8105 / N/A [52]
BLSP0510 宝儿特勒盖湖附近沙丘 1320 35 10 1.9 69 11306 130 1.92 [52]
BLSQ0509 宝儿特勒盖湖附近沙丘 1320 35 9 2.3 97 12729 160 1.37 [52]
BLST0510 宝儿特勒盖湖附近沙丘 1323 40 8 2.8 62 N/A 130 2.16 [52]
YTSU0509 音德尔图湖附近沙丘 1208 25 9 2.0 109 N/A 270 1.23 [52]
NTSV0510 诺尔图湖附近沙丘 1221 40 9 1.8 N/A N/A / N/A [52]
NTSW0510 音德尔图湖附近沙丘 1215 25 10 2.6 71 N/A 210 1.88 [52]
巴丹吉林沙漠周边地区
Beitu 毛乌素沙地民勤盆地 / / / 194 / / 2.17 [39]
TG2 腾格里沙漠北部 / / 2.8 2.2 273 / 88 1.06 [41]
TG3 腾格里沙漠北部 / / 17 2.5 193 / 663 1.49 [41]
WU1 腾格里沙漠西部边缘(武威) / / 13.5 3 117 / 213 2.46 [41]
G1 黄土高原(宁夏固原) / / 14.25 17.3 7.7 / / 100 [55]
G12 黄土高原(宁夏固原) / / 7 16.2 8.1 / 765 94 [56]
G21 黄土高原(宁夏固原) / / 11.25 15.2 13.9 / / / [56]
G22 黄土高原(宁夏固原) / / 18.25 16.4 15.4 / / / [56]
G3 黄土高原(宁夏固原) / / 7 9.5 89.1 / / / [56]
N/A代表没有检测出数据
的 900m,产生一个 SENW向的水力梯度。沙漠地貌主要受风营力作用广泛发育各种类型的风成沙
丘,平 均 高 度 为 200~300m,东 南 部 最 高 达460m[48];丘间低地包含大量渗漏性湖泊,主要分
布在沙漠东南部,没有地表径流的进入,不同湖泊
间的面积和盐度变化很大[30]。在沙漠边缘人类居
住处有几个气象站,如中泉子站等。区域月平均温
度介于 1月的-10℃和 7月的 25℃之间,年均温在
699
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
南部地区为77℃,西北部82℃;年均降水量介于南部的大约 120mm到北部的 40mm,主要发生在 7月到 9月。这种水热同期的气候配型表明沙漠水汽主要来源于东亚夏季风,但水量只够支持零星的植
被在沙丘上发育。在沙丘地的南部边缘,风成沙下
伏半固结的砂砾岩,它们的年龄推测位于早更新
世[48]。沙漠边缘的山体主要为侏罗纪、白垩纪和
第三纪岩石[62]。沙丘底部基底岩石的沉积学和地
质结构目前很大程度上还是未知的,除了部分地方
有风成沙覆盖的花岗岩残山出露[48]。
3 研究方法以及理论基础
目前全球广泛开发利用的地下水资源,可能是
在与现今不同的气候条件下获得补给的水源[63~66]
,
正确认识它们的形成演化过程和补给机制具有重要
的科学和实践意义。与其他地区相比,干旱环境尤
其是荒漠带的水资源形式相对单一(主要限于地下
水),对气候变化极为敏感。研究表明,晚第四纪
和历史时期以来的短尺度气候波动可能已经影响了
进入干旱区含水层的水源补给过程[39,67]
。但在干
旱-半干旱区,传统的水文学方法(如水量平衡法、示踪剂法)很难估算地下水的补给。这是因为:一
来干旱-半干旱区的降水和蒸散发近乎平衡,导致地下水的补给对其控制因素即使微小的变化均有敏
感的响应[64,68]
;另外在地表混合层下,无论是液相
的溶质还是汽、液两相具有同位素标志的水,都会
因植被或土壤非均质性的存在而发生扩散和分散作
用,抹去初始补给源(如大气降水)的信号[64,68~72]
。
因此,如何选择有效的方法来示踪干旱区地下水的
补给是水文学研究的热点和难点。近年来有研究发
现[64,68,71,73~76]
,在没有地表径流的荒漠区,地表包
气带中以接近活塞流方式(垂直一维均质流、无蒸
散发、无水盐循环)移动的水,其溶质盐和同位素
地球化学剖面可以解释土壤水的补给速率和变化过
程,并与区域降水过程有较好的对应;如果水的补
给速率大于20mm/a,那么 4~5年短尺度持续期的气候事件信息可以保存在这些非饱和带中超过 50年之久;如果水的补给速率大于约2mm/a并且非饱和带足够厚,那么长尺度(百千年)的气候波动信息
可能保存超过 1000年至万年以上。
31 包气带与氯示踪剂
包气带与氯示踪剂是地下水补给历史和环境变
化的档案库[64,68,70,71,74]
。包气带,也称地下水非饱
和带,是广义地下水系统的一部分;是指地表以
下、潜水面以上的岩土、水溶盐、空气三者同时存
在的地质介质。在干旱区,大气降水通常只有小部
分能渗透地表足够深度而到达地下水位变成地下水
补给。由于区域强烈的蒸降比(蒸发量与降水量之
比),大气降水多会在到达或接近地表时被蒸发掉
(重返大气层);即使得以渗入地下,植物根系的蒸
腾作用也会将这些水分从地下除去。但下渗到蒸散
发层(活跃混合带或根系层)以下的水,将不再受蒸
散发作用的影响,这些水被称为潜在补给水。在干
旱区,潜在补给事件并不经常出现(间歇性),它们
只与暂时性强降水或暴雨事件(大于区域潜在蒸散
发能力)有关[64,71,77]
。除非气候扰动改变非饱和带
的能量平衡态势,否则这些潜在补给水受基质力
(毛细管力)和重力之间的平衡力驱动会以某种速
率持续向下入渗,一旦到达地下水位则最终变成补
给水。需要说明的是,非饱和带中无论是液态水还
是气态水,并不一定都是垂直向下运动的,它们也
会响应能量梯度的驱动而向上流动,但速率通常都
很小(<01mm/a[78~80]),处于可忽略的测量误差范围内。
尽管进入包气带的一部分水分会因蒸散发作用
而被除去,但其中的溶质(可溶盐)会保留下来并发
生富集。溶质中惰性元素或化合物可以作为示踪剂
来指示这些盐的富集程度,但前提是包气带中该示
踪剂化学行为稳定且没有其他来源(外来源)存在。
从地球化学的角度看,Cl可能是地表环境中化学行为保守且适合的示踪元素,因为它在还原-氧化、溶质络合等化学反应中难以被置换,且不易被粘土
矿物吸附,不易挥发和不易沉淀(有很高的水溶性
和溶解度),围岩(固相源)中少却在大气降水(液
相源)中广泛存在[81]。研究表明
[82,83],通过某些地
质来源的输入(如蒸发盐、海水或陆相地层水盐),
元素 Cl会物理性地被施加到包气带土层中,并在低孔隙性、相对封闭的沉积环境中保留下来而不被
流失。因此,如果一个研究剖面中没有固相源的 Cl输入且沉积物具有低渗透性和相对封闭性,那么此
剖面就可以基于某些假设来开展示踪研究。这个假
设之一就是:土壤水中所有的 Cl都是大气来源的,并且它和土壤水分一起以一种相同的速率在非饱和
带中迁移。
水文地质学家[76]基于此建立了非饱和带的 Cl
平衡方程,可以表达为:
PCP=RCR (1)
799
第 四 纪 研 究 2014年
也称为氯质量平衡方程(或 CMB方程)。公式(1)中,P是剖面记录期的平均大气降水速率(L/T),CP是记录期降水(输入)中的平均氯含量
(M/L3), CR 是 潜 在 补 给 水 中 的 Cl含 量
(M/L3)[77];PCP代表了大气 Cl的总输入量,如果有其他任何非降水源的 Cl存在则它必须经过校正,尤其是干沉降的 Cl输入,因为一些风沙研究曾显示它在某些荒漠地区可能占 Cl输入量的 50%以上
[84~86]。方程(1)有一个明显的假设:补给量 R与
土壤水的 CR 线性相关(反比)。就是说,方程(1)表达的是准稳态(非动态)形式的质量平衡,很多参数都是以常数来表达的(如 P和 CP)。因为大气降水的 Cl输入过程的细节及其时空尺度变化等数据常常在干旱区和荒漠区难以获得,人们不得不
沿用这种简单的假设。水文地质学者也曾对此问题
进行了改进,如 Ginn和 Murphy[87]提出了一个更为综合性的公式,可以应用到出现短暂降水、蒸散发
或 Cl沉降的情况,但要求这些输入参数是已知的。氯质量平衡方程的假设条件显示,并非所有的
包气带剖面都可以应用该理论。简短的说,有 3个方面的限制因素:1)土壤中的分散和扩散作用总会抹去含水层中的输入信号
[64]。2)活动根系层内的
水流通常会优先选择根系通道(优先流途径)来流
动,发生侧向运移并扩散;接近地表的水和溶质还
都会响应蒸发、蒸腾作用而向上移动(尤其是干旱、
半干旱气候环境下的植物水力提升效应),导致溶
质可能被植物吸收而重新沉淀在土壤表面,出现水
盐的再循环与混合[69,88]
。3)包气带溶质浓度的变化,除了受控于大气降水补给和气候变化,还可能
由多种原因引起。如非大气源的原地土壤、岩石矿
物的风化和附近干盐湖的盐分加入(即存在固相
源),接近地下水位时的毛细管提水作用导致地下
水来源的离子扩散等[75]。因此,规避以上因素的
影响,是氯质量平衡方程的应用前提。
研究发现,在相当均质的介质中[77,89]
,比如沙
丘[90]和细碳酸盐颗粒物或火山灰中
[91],水的移动
近似是一种活塞流形式,可以归避分散和扩散效应
的影响。野外工作中非饱和带剖面点选择远离植
被,是避开根系层和蒸发层影响的一个要点。研究
发现,沙丘地根系层下的非饱和水流通常能接近活
塞流的模式且受到蒸发的影响较小[90],因而沙丘
地已成为示踪剂研究的良好场所。选择足够厚的非
饱和带剖面(如高大沙丘),远离地下水,可以规避
地下水离子的毛细管上升效应。另外,判断剖面氯
的非大气来源,需要远离荒漠区干盐湖的影响。基
于区域背景值或基准气象站数据来识别现代粉尘可
溶盐中干、湿沉降的相对贡献及其来源[86],可以有
助于判断非饱和带氯的非大气来源。
如果包气带土层的质地条件相对均一,如沙或
粉砂,那么地表混合带之下的水流通常会非常接近
某种活塞流的形式,也就是一维式垂直入渗,较年
轻的水均一地向下置换(取代)较老的水[92]。这种
情况下,毛孔水化学组成的垂直波动(起伏),就能
看作为补给期间大气环境条件的一个指示器。剖面
的年代可以通过在某种 Cl输入速率下比较 Cl从地表到一个给定深度上的累积量,即
t=1PCP∫
Zi
0
θz( ) CR z( ) dz (2)
方程(2)中,t代表滞留时间,θ代表体积含水量,z代表深度[74]
,其他参数同方程(1)。方程(2)也被称为氯累积年代学模型(CAA),其本质是活塞流模型。可以看出,这个年代学标尺不需要测
量任何土壤中的物理水头或水势,也不需要剖面钉
子层(如氯凸等)绝对年龄的测量。但显然,后者有
利于 CAA年代学标尺的检验和约束。非饱和带记录的时间分辨率依赖于剖面垂直样
品采集的密度,但也可能受制于溶质信号的滞留时
间。土壤水的扩散和弥散作用对气候信号随时间的
推移有消极的影响。这种影响速率可能依赖于溶质
变化的程度、水汽含量、补给速率和非饱和带固相
物质的特征等因素[64,68,80]
。有学者估计,20年气候事件(也就是一个完整的溶质峰或谷)的持续时
间在10mm/a的补给速率下可保存的时间大约是100年,而在100mm/a的补给速率且体积含水量达到5%(V/V,即体积-体积百分比)的情况下则可能是1000年[64,68,80]
。然而,Ginn和Murphy[87]认为这种模型可能高估了在低含水量情况下非饱和带中水
的混合程度。他们开展了一系列的野外和实验研
究,发现在具有低含水量和低粘土含量(砂质)的深
层非饱和带中,混合作用是不显著的[87]。Edmunds
和 Tyler[76]对这种方法的局限性进行了全面的讨论。这里不再详述。
32 研究进展
将地下水非饱和带作为古气候信息档案的研究
在水文学文献中已经有四十多年的历史。早期在地
中海 Cyprus地区开展的研究工作[93]提供了第一个
用非饱和带剖面来解释地下水补给历史的案例,研
899
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
究者证明 Cl补给和大气降水之间有很好的时间对应关系
[94,95]。这些研究也表明:非饱和带中的活塞
流信号能够保存下来。后来许多研究在不同地方用
核爆脉冲的峰值作为独立的计时器对这个结论进行
了检验[50,96,97]
,证实了它的可靠性。
现在,非饱和带的古环境记录研究已在全球很
广泛的气候和地质地理环境中开展[70,98~103]
。它们
大多数都以 Cl作为示踪剂;其他示踪剂如 Cl36和Br也曾被用来进一步约束 Cl的输入函数[104]
,或用3H,δ2H,δ18O,NO3等提供补充性的环境代用指
标[101,103]
。在美国西南部 Yucca山地区的研究中,非饱和带的环境记录已经将时间尺度远远扩展到了
更新世时期[74]。在这些已有的研究中,某些非饱
和带档案能够很顺利地与区域其他环境监测数据相
对比,并与一些气候代用指标有紧密相关性。例
如,从 Cyprus剖面重建的 Cl环境档案,能够与区域 30多年器测记录的多年平均降水量有很好的相关性
[94];从非洲 Senegal北部剖面重建的环境记
录,与 Senegal河 1900~1990年间的径流量记录能够很好地对应起来,并与其他指标方法重建的 500年时间跨度的 Chad湖湖水位记录有很好的相关性
[105]。需要强调的是,基于某一点上的非饱和带
记录似乎反映着区域性(而不仅仅是局地)的长时
间降水记录,正如 Senegal河的径流量变化不可能仅仅是局域性(而是整个流域)的降水结果。这暗
示着:非饱和带的环境记录是一种集成性或综合性
的记录,它可能更大程度上是区域性的环境替代性
指标。
近年来,国内外的学者发现我国北方阿拉善高
原上的巴丹吉林、腾格里等沙漠的非饱和带剖面也
能够用于古气候重建研究。例如,Ma等[43,46]、Ma
和Edmunds[51]以及 Gates等[52~54]发现,巴丹吉林沙
漠的非饱和带环境记录与古里雅冰芯的净累积速率
之间也有着对应关系。Gates等[52]在巴丹吉林沙漠
不同地区开展了数个(18个)非饱和带剖面的研究(表 1),发现在沙漠的不同区域地下水的补给历史间有着一些共同性,可能反映了区域性的气候
驱动。
4 本研究数据来源
在前人已有的研究基础上,本文收集并整理了
近年来在阿拉善高原及其周边地区(如巴丹吉林沙
漠、河西走廊、石羊河流域、毛乌素沙漠、黄土高
原北部)等开展的非饱和带研究案例及其有效数据
(部分数据如表 1所示)。这些案例在野外获取非饱和带剖面和样品分析的具体方法可以 Gates等[52,53]
的研究为例简略介绍如下。在阿拉善高原中部巴丹
吉林沙漠东南部丘间地湖泊(如萨音乌苏湖、巴丹
湖、宝儿特勒盖湖等)附近的某些大沙丘(阴坡或阳
坡)上,钻取厚度不等(6~30m)的非饱和带剖面,标注剖面位置高程、地形、坡形、距离湖面高度(判
断地下水位)、植被类型和盖度(判断根系层)、可
能的人类活动情况(外来源)等。剖面样品用带有
可换铝棒的空心杆手动螺旋钻进行采集;每个全岩
样品大约采集 500g,采样间距不等,约为 013~100m。样品立即用聚乙烯密封袋密封起来以防止水分蒸发。提取非饱和带土壤的水分,是通过选取
50g含水子样品与 30ml去离子混合(3:5的水土比例),然后离心并用 045μm滤膜滤出悬浮液。滤出液的主要阴离子含量用离子色谱仪分析,土壤水
分含量通过在 110℃高温下烘干 24小时后用重量法测量。
本文引用的数据中,来自巴丹吉林沙漠腹地的
非饱和带剖面有 30个;来自巴丹吉林沙漠外围周边地区的非饱和带剖面有 9个(其中毛乌素沙地1个,腾格里沙漠 3个,黄土高原 5个)。每个剖面的地理位置、平均含水量、Cl含量、年代学标尺和平均补给速率可详见表 1及其所属文献。
5 分析结果与讨论
51 沙漠非饱和带剖面的总体特征
从表 1中可以看出,尽管这些非饱和带剖面采自不同的区域,但基于氯质量平衡方程所估算的补
给速率在量值范围上具有相似性。由于剖面较多,
为简便起见,选择巴丹吉林沙漠东南部的剖面厚度
较大、年代学标尺较长的 SWDA(厚度 30m,约 700年补给历史)
[53]、SW1(厚度 225m,约 1200年补
给历史)[51]、BYBS(厚度 30m,约 2050年补给历
史)[44]等剖面作为代表重点讨论。
在巴丹吉林沙漠,非饱和带地层完全由未固结
的第四纪风成沙所组成,后者也构成了整个巴丹吉
林沙漠的沙丘沙。这些沙颗粒的粒度平均值约为
022mm,呈双峰粒度分布[42]。这些剖面的水分含
量总体上比较低(干重 1%~5%,表 1和图 2)。在沙丘地的多数位置上,能够明显识别到的土壤湿层
出现在地表以下约 20~40cm的深度。以 SWDA剖面(图 2a)为例,在近地表有较高的水分含量
999
第 四 纪 研 究 2014年
图 2 巴丹吉林沙漠 SWDA剖面(a)和 SW1剖面(b)的 Cl、含水量曲线分布图SWDA剖面修改自文献[53];SW1剖面修改自文献[51]
Fig2 DepthprofilesofClandmoisturecontentintheSWDAprofile(a)andtheSW1profile(b)
(theplotoftheSWDAprofilewasmodifiedfromreference[53],andtheSW1wasmodifiedfromreference[51])
(49%),这可能归因于采样前当地有降雨;此时湿土层面向下渗透了 45mm,其下的干土层(45mm至 300mm段,干重 058%)则代表了未被降雨湿土面影响的土层含水情况。剖面 300mm以下的水分含量相对一致,平均含水量 21%(标准偏差033%);整个剖面的 Cl含量范围介于近地表峰值的1938mg/L(见图 2a中的小图)到较低的49mg/L
(图 2a),300mm以下的平均含量为91mg/L。45~
300mm段出现了 Cl峰值(1526mg/m2),表明 Cl受
到地表的强烈蒸发作用已经显著富集。剖面次高的
Cl含量(215mg/L)出现在地表 20m以下,其他 Cl峰值出现在约 76m,168m和 255m处。
值得一提的是,在干旱和半干旱环境下的非饱
和带中,近地表的 Cl峰(氯凸)是广泛存在的,这已在全球很多地方被发现
[70,99,104,106]。在美国西南
部干旱区,近地表的氯凸形很大,它被解释为自从
全新世初期就开始累积并从那时段起就没有补给再
出现[70,104]
;巴丹吉林沙漠的这些非饱和带剖面都
显示了非常低的 Cl累积水平(表 1)。Gates等[52]
推测多数 Cl峰对应的 Cl累积时间应当介于 20~200年之间。但由于接近地表,无法排除旁路流或蒸散发的影响(再循环或混合),它们能否作为时间
的指示器还不能确定。但所有非饱和带剖面的 Cl累积量都比较低,这一事实表明研究区现代气候条
件下的潜在补给事件(与夏季暴雨有关)很少发生。
52 剖面的恒稳态参数构建与平均补给速率
在巴丹吉林沙漠这些已有的研究中,非饱和带
剖面所记录的平均补给速率均基于方程(1)来计算。此方程首先需要估算区域大气降水的 Cl平均输入速率。由于巴丹吉林沙漠内部没有记录降水的
气象站,研究区多年平均降水记录只能通过沙漠周
边地区的几个气象站来获得。气象数据研究显示,
从青藏高原北缘到阿拉善高原,区域总体有一个从
南(河西走廊)向北(阿勒泰大戈壁)干旱度增加(降
水减少)的趋势[51,53]
。中泉子气象站(1027°N,391°E)是距离研究区最近的气象站(东南部约20km),可能对巴丹吉林沙漠东南部的气象条件最具有代表性(自 1956~1999年间的多年平均降水量为84mm/a,见图 3)。这段时期最湿润年的降水记录(181mm,1978年)是最干旱年的 6倍(30mm,1965年),降水总体的标准偏差为33mm/a,证明沙漠的年际降水具有较高的变率。
大气降水化学组成的多年记录在中国大部分地
区都比较稀少,很多地区甚至为空白。但即使在某
个地区可以获得较长时段的记录,它也很难借鉴到
其他地区,因为这些降水参数存在很高的时空变异
性。Goni等[107]发现,在非洲 Sahel地区,降水中溶
质的含量在雨季后倾向于减少,归因于当地粉尘源
的贡献随时间而减小。Ma和 Edmunds[51]估算的巴丹吉林沙漠降雨的平均 Cl含量为15mg/L。该数
0001
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
图 3 中泉子气象站 1955~2000年大气降水记录与 SWDA剖面 1/Cl曲线图修改自文献[51,53]
Fig3 TheatmosphericprecipitationrecordsoftheZhongquanziMeteorologicalStation
duringthe1955~2000yearsandtheSWDA1/Clrecords(modifiedfromreferences[51]and[53])
据是基于中泉子站 2001~2002年的平均降水和1999年的一次大暴雨事件(约 50mm)来推算的,代表了这些年份主体降水事件的 Cl含量。这个估算值与西安(34°14′N,108°57′E)附近 3个郊区站点降水中的平均 Cl含量值接近(17mg/L)[108],后者是距离研究区最近且目前可获得的最长时段的监测
数据。因此,许多研究者[43,44,46,51~54,61]
将15mg/L作为巴丹吉林沙漠东南部大气降水最适合的 Cl含量输入值,并认为这个估算值应包含了干沉降贡献
的 Cl输入,因为它是基于全岩水样得到的测试值,而全岩水样倾向于与干沉降的输入物相结合。
基于这些沉降值,Gates等[53]计算了 SWDA剖
面的平均土壤水补给速率为135mm/a(表 1),总体介于 13~26mm/a的范围内,且计算出非饱和带混合层(地表峰值)以下的潜在补给水(毛孔水)
的 Cl平均含量为93mg/L。这个135mm/a的补给速率值仅约占年均降水量的 1%,与其他人对巴丹吉林沙漠东南部的某些估算值是相近的,如095mm/a[51],091mm/a[44],126~133mm/a[43,51],081~111mm/a[61]和 110~216mm/a[52]等,但要略高于巴丹吉林沙漠东北部的某些估算值,如
021~059mm/a[46]。
53 非饱和带剖面的年代序列及其环境指示
以上所估算的大气降水 Cl输入值也同时被研究者用于方程(2)来建立这些非饱和带剖面的年代学标尺,如基于 SWDA和 SW1等剖面的总 Cl累积时间,Gates等[53]
、Ma和 Edmunds[51]等分别给出了巴丹吉林沙漠约跨越 700年和 1200年时间尺度
的补给历史(图 4和表 1)。Gates等[52~54]
发现,在剖面 Cl含量值与补给速率成比例的情况下,Cl含量值的倒数(即 1/Cl)随时间序列的变化曲线(见图 4),可以作为相对湿度随时间变化的指示器。利用这个倒数值曲线,在
SWDA剖面可以发现一些高补给时期,如公元1510~1640年、1700~1775年、1820~1830年、1880~1900年以及从 1964年至今的大多数时间;而其他时期的补给则较低,如公元 1640~1710年、1780~1820年和 1890~1960年等。这种曲线的总体波动趋势在巴丹吉林沙漠的大多数非饱和带剖面
上都很普遍。例如,比较 SWDA和 SW1剖面(图 4,约 1300a记录)[51],出现在 1350~1400年、1500~1600年、1700~1800年和约 1900年的曲线高峰在 SW1和 SWDA剖面上是一致的。其中1800~1950年间的变化趋势在巴丹吉林沙漠东南部一些较短的非饱和带剖面记录中也能看到,尤其是
SWSA05-16和 SWSC05-10剖面[52](见表 1)。然
而,这些记录在1950~1990年期间也有不一致的地方,在 SWDA剖面、BA1剖面和 SA剖面上显示的是相对湿润,但在 SW1和 BA2剖面上是相对干旱的。在 SWDA和 SW1剖面跨越 700年补给历史的时期(图 4),有明显的 4个百年尺度的高补给时期(1330~1430年、1500~1620年、1700~1780年和1950~1900年)和 3个低补给时期(1430~1500年、1620~1700年和 1900~1950年)。在 1785~1890年时期,两个剖面的相位上都全程伴有较短时间尺度
的波动,这些时期可以组合在一起归类为多变期。
但在 1950~1990年时期,两个剖面有明显不一致,
1001
第 四 纪 研 究 2014年
图 4 由 SWDA与 SW1剖面建立的非饱和带补给历史SWDA修改自文献[53];SW1修改自文献[51]
Fig4 TheunsaturatedzonerechargehistoriesbetweentheSWDAprofile(modifiedfromreference[53])
andtheSW1profile(modifiedfromreference[51])intheBadanjilindesert
SWDA剖面可以归类为高补给期,但 SW1等剖面则表现为低补给时期(见图 4中的 Wet)。
54 非饱和带与其他代用指标记录间的比较
近些年来,有学者针对青藏高原及其北缘地区
开展了冰芯、树轮、湖泊沉积等高分辨率的过去干
湿度重建研究[1~24]
,多种代用指标的古气候记录为
区域间的环境对比和记录检验提供了素材。
许多学者[46,51,53]
将巴丹吉林沙漠的非饱和带
记录与青藏高原东北缘Dulan地区(祁连山)的柏树树轮记录
[4]进行了对比,发现在数十年至百年尺度
上两者之间有较好的相似性(图 5)。在这两种不同代用指标的记录里,最湿润的时期大约都出现在公
元 1380年、1580年、1750年以及 1830~1900年期间。SWDA剖面和树轮记录均指示自公元 1950年以来的时期都是高于平均值的湿润期。这个现代湿
润期在树轮记录中尤其明显,该时期保存下来的树
轮低频变化显示树轮的宽度数据非常稳定且标
准[109]。过去 700年间树轮的峰值表示相对湿润的
时期,它与 SWDA剖面上 1/Cl峰值有较好的对应性(图 5)。此外,两者之间在相对干旱的时期也对应得较好,但也有一些例外。如 1700~1730年期间,在树轮记录中相对干旱但在非饱和带记录中显得相
对湿润(图5)。总体上,祁连山树轮记录(30年的移动平均)和 SWDA剖面记录在这个近 700年跨度
(1324~1992年)上的交叉相关系数大于026[53]。另外,有学者比较了巴丹吉林林沙漠非饱和带
记录与青藏高原北部的冰芯记录[1~3],发现两者之
间的没有显著的相关性,尽管这些曲线之间也有一
些平行处(图 5)。古里雅冰芯和敦德冰芯所在的地理位置距离巴丹吉林沙漠都很远(分别是 2000km和 500km),但自 1750年以来至今,沙漠非饱和带记录仍然反映了一些古里雅和敦德冰芯所描述的总
体波动特征,其中古里雅冰芯记录与非饱和带记录
在某些特定时期匹配的更好,如 1900~1950年;相反,在约公元 1600年(敦德冰芯冰川累积记录的终点)和 1750年之间,非饱和带记录在敦德冰芯中则有更好的反映,两者都反映了在 1650年左右有一个相对干旱的时期。
湖泊沉积物的碳酸盐 δ18O值的波动通常在湖泊环境中可以作为区域蒸发/降水比值的代用指标
[17,20~24,110~112]。Ma和 Edmunds[51]、Gates等[53]
比较了巴丹吉林林沙漠非饱和带记录与青藏高原北
缘的高分辨率湖泊沉积记录(如青海湖岩芯)[17],
发现从 1300年至今,在青海湖岩芯细粒级沉积物的碳酸盐 δ18O值曲线上也反映出与巴丹吉林沙漠相似的百年尺度上的波动模式。
在巴丹吉林沙漠,Herzschuh等[19]在宝儿特勒
盖湖中钻取了一个时间跨度为 160年的高分辨率的湖泊岩芯。它是目前巴丹吉林沙漠内部较少的、能
与非饱和带记录具有相似时间分辨率并能用于比较
2001
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
图 5 巴丹吉林沙漠及藏北缘地区古气候重建的多指标记录比较修改自文献[51]和[53];其中树轮记录来自文献[4],冰芯记录来自文献[1~3],冰芯累积速率显示的是 30年的移动平均值
Fig5 MultipleproxyrecordscomparisonofhumidityhistoriesfortheAlashanPlateau
andthenorthernedgesoftheTibetanPlateau(modifiedfromreferences[51]and[53])
的其他气候代用指标。但是,通过对 SWDA剖面、SW1剖面和 SWSA05-16剖面与该湖泊岩芯记录的比较,Gates等[53]
发现两种记录之间有明显的差异
性。如宝儿特勒盖湖泊岩芯记录中的湿润期与非饱
和带记录中的湿润期并不一致,在很多时期两者甚
至反相关。产生这种不一致性的原因目前还不
清楚。
将巴丹吉林沙漠的非饱和带记录与我国东部某
些地区的历史记录[26,113114]
进行比较,也能够找到一
些相似处。例如,SWDA剖面记录中的百年尺度波动,与北京基于大气降水文档记录的自 1450年至今的湿润/干燥指数波动[114]
有显著的相似性。在过去
的 500年内,我国许多区县在其中的两个时期(1600~1650年和 1800~1820年)受到了干旱的影响[26,113]
;而这正好对应着巴丹吉林沙漠非饱和带的
低补给时期[53]。在这些时段,我国大部分地区处于
相对冷干的气候下,与东亚夏季风的减弱有关[26]。
两者之间的对应性表明阿拉善高原非饱和带的大气
降水补给也在很大程度上受到了季风变化的驱动。
综上,巴丹吉林沙漠的大气降水补给与我国青
藏高原北缘较湿润地区重建的大气降水之间有较好
的对应性,这表明数百年尺度上的气候波动曾经在
藏北缘至阿拉善高原大尺度区域上共同出现过,且
穿越了这些梯度。如果我们假设荒漠区降水和土壤
水补给之间的关系是线性的,并且忽略非饱和带的
混合效应(保守估计),那么在阿拉善高原和藏北缘
地区过去的 700~2000年间,最大和最小的降水量可能分别是约150mm/a(1975~1978年和 1731~1738年)和约30mm/a(1941~1947年)。
从北半球尺度来看,本文所综述的我国北方中
纬度阿拉善地区的非饱和带研究,几乎都显示了大
气降水(气候)与土壤水补给之间的密切关系,但这
与美国西南部(也是中纬度荒漠)有着很大差别。
来自美国西南部的研究显示,那里的非饱和带补给
对厄尔尼诺南方涛动(ENSO)有关的降水变化并不敏感
[115]。一些学者认为这可能起因于区域植被响
应降水的增加而大规模的扩张,影响了非饱和带的
直接补给过程[115116]
。但是,在全球其他的一些干
旱和半干旱区的研究案例中(如非洲北部)[94,105]
,
非饱和带补给速率也对区域主要的降水波动有响
应。在阿拉善的这些案例中,地表较低的碳含量
(有机质含量)和高度的地貌稳定性及风沙活动强
度可能抑制了植被对降水变化的高度响应[53]。
55 非饱和带大气降水补给记录的不确定性
尽管氯质量平衡理论(CMB)对地下水的补给
3001
第 四 纪 研 究 2014年
有公式化的约束,但从非饱和带的 Cl来定量推断出补给历史并非那么简单,有着较多的不确定性。
图 6 由时变与常数 Cl假设模式估算的补给速率间的比较(a)及蒙脱卡洛模拟结果(b)修改自文献[53]
Fig6 ComparisonofconstantandtimevaryingClinputscenarios(a)andtheresultsofMonteCarlosimulation(b)
ofevaluatedSWDArechargeratesintheBadanjilinDesert(modifiedfromreference[53])
一方面,补给年代和补给速率这两个参数本身
都依赖于现代大气 Cl输入通量的假定并将之作为常数来刻画它们的历史变化。这样计算出来的补给
速率和时间尺度对特定的 Cl输入通量会非常敏感。从方程(1)可以看出,大气 Cl输入通量的百分率误
差,会以 1:1的比率同等地传送到年代标尺的百分率误差上;此外,要假定大气 Cl输入速率是常数,不随时间而变化,这在实际的自然环境中是不可能
的。因此,这种常数假定对有稳定降水量的区域来
计算长时间的平均补给会有较准确的估算结果,但
在有较高降水年际变率的干旱区(如中泉子气象站
降水数据所示),要基于这种假设来估算补给的历
史曲线而非该时段的平均值,就会有很多的误差。
但目前方程(1)还是被经常采用,因为干旱区普遍都缺乏历史性的大气沉降数据。例如,能直接记录
区域大气降水历史变化的气象站器测记录往往都很
短,全球也仅在部分地区能够超过 100年[117],且
还都不在干旱区。
因此,利用 Cl质量平衡方程来估算荒漠区的古大气降水变化,必须对估算结果(剖面补给历史)
进行不确定性检验,也就是检验估算结果对大气 Cl输入量发生变化时的敏感性。水文地质学者 Gates等
[53]用 3种不同的 Cl输入假定模式对 SWDA剖面
的估算结果进行了模拟和比较。他们采用的这 3种模式都忽略了混合作用的潜在效应,因此重建的补
给变化可以看作为实际变率的保守估算结果。模式
一,大气 Cl输入为常数,因此该补给历史是准稳态案例。模式二,假定大气 Cl输入量随时间而发生变化,这种变化可依据其他气候代用指标重建的古气
候数据来估算。如 Gates等[53]选择祁连山 Dulan地
区的树轮记录[4]来驱动大气 Cl输入量。其依据是
SWDA剖面的 1/Cl记录与树轮记录之间有很好的相关性,且两个指标都与土壤水分的有效性密切相
关。模式二实际上是利用了广义的氯质量平衡模
型[87]来定量计算的。模式三,是对 Cl常数输入方
程的不确定性进行随机估算,并评估时间序列波动
在统计学上的意义。
Gates等[53]比较了 Cl输入假定(模式一和模式
二)对补给结果的影响程度(图 6a)。两者间最显著的差别是峰形态的变化,其次是峰的幅度和一些年
代数据点的漂移,在某些深度上差别达 20年。这两个模拟结果的差异性在剖面记录的早期(接近剖
面的基底)比较明显,但在总体波动趋势上两种模
拟结果较为一致(图 6a)。模式二中的平均降水量低于模式一,因此模式二的模拟结果中,平均补给
速率要比模式一略高(+008mm/a)。模拟三(图 6b)是由 Cl输入变量和由其导出的
补给历史变量两者之间的蒙特卡洛函数所构成的,
4001
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
其中的补给历史根据中泉子气象站降水记录的平均
值和标准偏差来计算。由于 Cl输入量的不确定性能同时影响年代和补给量的大小,模拟三选择传统
的误差传播技术来进行计算,并假设:1)每年的 Cl沉降量与每年的降水量线性相关;2)自1956年至今的年际降水变率(观测值的标准偏差),也代表了
整个剖面记录历史(700年)的年际降水变率。模拟三中选择的蒙脱卡洛迭代次数 n=5000[53],意味着每一个样品都会非常近似地重现模拟一的结果。模
拟三结果表明:在 SWDA剖面补给量的 2倍标准偏差范围内,所估算的补给量的不确定性处在随时间
变化的 Cl沉降量的期望值范围内(图 6b)。尽管剖面上更高分辨率(如 10年尺度)的补给变率在这种两倍偏差范围内无法识别到,但从公元 1300年至今的这段时期内,百年尺度上主要的湿润期(峰型)
与干旱期(谷型)间的差异仍然是非常明显的。
56 争议性问题———阿拉善高原的地下水补给来源
本文阐述广义地下水的大气降水补给过程,其本质涉及地下水的补给来源。我国北方复杂的地质
地貌和生态景观单元的多样性,使这些区域尤其是
阿拉善高原沙漠在地下水的补给问题上依然有着较
多的争议。其中的核心问题,是丘间地湖泊系统的
补给水源和高大沙山长期稳定性的原因———这两个
问题都涉及到地下水的水源是否补给沙漠湖泊,目
前的观点仍然多种多样。
Yang和 Williams[30]根据巴丹吉林沙漠湖水和浅层地下水间的离子化学相似性认为“当地大气降水的
直接补给”是地下水的主要来源;Jkel[42]研究发现,高大沙山的沙丘形态会引起降水入渗的增加和储存,
尤其是冬季降水对地下水补给的影响尤为重要,这
个“冬季降水+沙丘储存→地下水”观点与 Yang和Williams[30]的结论一致;然而,Hofmann[118]推测巴丹吉林沙漠可能存在两个独立的地下水流系统,一
种地下水依赖于大气降水的直接补给,而另一种来
自沙丘地以外的外来水源;Chen等[40]基于藏北缘
降水与阿拉善高原地下水在 H、O等稳定同位素组成上的相似性和趋同演化性,认为来自青藏高原东
北部祁连山的雪融水(远源水)通过藏北缘—阿拉
善高原间的一系列相互连接的深断地层和断裂系经
过约 30年时间的输送(现代过程),可能补给了巴丹吉林沙漠的地下水。尽管 Chen等[40]
的这种假设
没有获得可行的证据支持,但这个“远源水+现代补
给”的观点认为巴丹吉林沙漠的地下水是可持续性
的,因而可以成为当地用水计划的一个新选择;近
来,陈建生等[119]基于人工模拟降水入渗的示踪试
验(59mm降水最大入渗深度仅为 46mm),认为阿拉善高原的巴丹吉林和腾格里沙漠地区降水几乎不
能通过沙层入渗到地下水中,因此推测大气降水不
是地下水的补给源;相反,地下水以薄膜水形式
(凝结水)向上运动,是泉水、井水、湖水和土壤水
的补给源;又不同的是,Ma和 Edmunds[51]认为巴丹吉林沙漠的地下水水源可能与沙漠东缘雅布赖山
老于 20kaBP.、形成于末次冷湿间冰期时的古水有关,因而沙漠的地下水是不可持续的。许多基于
氯质量平衡理论的非饱和带研究,推测近千年以来
大气降水(暴雨或强降水)对沙漠的平均补给速率
仅约 为 13~26mm/a(占 大 气 降 水 速 率17%)[53],或 095~133mm/a[51]、14mm/a[52]和021~059mm/a[46]等(见表 1);这些数值被认为无论同区域降水还是蒸散发潜力相比都太低,因此
大气降水(即使是强降水)应当不是沙漠地下水的
主要补给源。但近来,Yang等[48]利 用 改进的
Penman公式并结合沙漠边缘地区 1961~2001年气象数据,系统估算了巴丹吉林沙漠湖面和沙丘坡面
(陆面)的年平均蒸发量,结果显示沙漠东南部地区
的年平均蒸发量湖面约为 1040mm、陆面仅约为100mm———这两个值都远低于先前文献所估算的蒸发量值 (约 4000mm)[40]。基于水量平衡,Yang等
[48]认为大气降水对地下水的补给速率至少在约5
mm/a,即>5%的现代降水通过沙山这个巨大储水体补给了地下水。这个估算值似乎远高于表 1中所呈现的非饱和带补给速率。
以上来自不同研究角度的数字证据彼此矛盾重
重,总体似乎可归纳为 5种观点,即 1)当地冬季大气降水补给,2)青藏高原远源水的现代过程补给,3)凝结水的反补给,4)冰期时代的残留水以及5)雅布赖山区的降水入渗补给。这些观点无疑加深了人们对阿拉善高原区地下水补给的复杂性认
识,但古水还是现代水补给依然难以定论。补给源
分歧的关键原因之一,在于缺乏对非饱和带土壤水
运动机制的认识和年代识别。由于该地区存在显著
的地形变化,高大沙山和低地永久性湖泊紧密分
布,干旱与湿润端元环境的产物(沙漠和永久性湖
泊)共存,这种矛盾的自然现象在发生学本身来说
就是一种复合尺度的耦合系统表现,有潜在的复杂
成因。上述各种研究结果,难免会有一定的空间尺
5001
第 四 纪 研 究 2014年
度局限性和多解性,需要来自不同区域不同含水层
水样的精确年龄来广泛确定是否有其他水源补给了
地下水,这一点至关重要。在阿拉善及其周边地
区,这样的研究案例仍然有限,而且应用较广泛的
同位素示踪证据在这里往往也具有不确定性。例如
一方面,因为不同区域地下水同位素的年龄普遍具
有多解性,如基于14C的放射性年龄往往会受到老碳
效应(或硬水效应、碳库效应)的影响而有重大误差
(偏老)[120~122]
,以及如某些区域的实测氚值远低于
理论值[45,61]
,表明这些地区的地下水同位素信号非
常复杂,无论是补给来源还是补给过程都不是单一
化的;另一方面,同一同位素指标在不同研究案例
上也存在明显的数据差异,增加了人为判断的难
度。如沙漠东南部宝尔特勒盖湖水的 δ18O和 δD值,分别有59‰、-139‰[48]
和70‰、5‰[51]等明显
不同的分析结果。显然,要解决这些问题我们需要
利用更多标准化的环境代用指标来开展长时间(尤
其是全新世以来)、不同空间范围下的干旱区水循
环过程及其对气候变化的精确响应研究。
干旱区不仅地下水补给如此复杂,目前不同区
域的古环境记录显示,全新世气候和水文过程在我
国西北干旱区也是非常复杂且不稳定的,因为这些
记录间的细节彼此相当矛盾[33]。例如,有学者认
为中纬度的中亚干旱区自全新世中期(过去 6000a)以来是相对干旱的
[123];在阿拉善高原,来自巴丹
吉林沙漠南部和北部尾闾湖的沉积记录研究也主张
中全新世是干旱的[124~126]
,但是来自沙漠内部丘间
地高湖岸的研究则证明中全新世时是相对湿润
的[30,48]
。这里也明显有一个不确定性,就是内陆区
尾闾湖的沉积变化既可能受气候变化所驱动,也可
以是由入湖水流的动力变化(构造变动、河流改道
等引起的水文变化)所引起。因此,巴丹吉林沙漠
湖泊既可以受控于当地气候,也可能受区域地质结
构对地下水流场的强烈影响。
综上,用准均质非饱和带环境记录在阿拉善地
区来估算空间尺度上的气候变化和地下水补给是可
行的,因为它能与其他气候指标相对比。但不同气
候替代性指标在重建干旱区古气候时都往往具有局
限性和多解性,需要特定环境下多尺度的地表过程
机理研究和指标———气候环境的转换函数研究来
检验。
非饱和带剖面的地下水补给研究是水文学研究
的新方法,目前已有较广泛的应用性,但因受限于
很多假设前提而具有很多的不确定性。它除了主要
来源于上述的氯质量平衡估算中对大气干、湿沉降
Cl输入量的假设外,还有均质性土壤包气带(活塞流剖面)的选择问题。一方面活塞流模式是一种完
全理想化的平推流或栓式流,这种剖面在实际环境
中并不存在,虽然在准均值的结构地层中也可应
用[71];其次,风成沉积物的可溶盐会受到风成分异
效应 (粒 度 效 应)的 影 响 而 在 局 部 粒 级 富
集[86,127128]
,需要在风成沉积剖面(如沙丘)上量化
这种效应并校正最终结果。我们认为,未来应当通
过对比确定性的数据(如区域基准站)和随机的大
气 Cl输入背景值并估算可溶盐的来源[86]来广泛检
验这个不确定性;并对土壤非饱和带地层的结构均
质性、水分平流传输与扩散传输机制的相对重要性
以及特征时段的“氯凸剖面”等,提供沉积学、水力
学和地球化学等证据的约束。此外,用何种水土比
例提取非饱和带可溶盐并确保全盐量的洗出,需要
进一步推敲。表 1中引用的研究案例,非饱和带可
溶盐 Cl几乎都基于 3:5的水土比例(30g水与 50g
沙混合)提取。已有研究证明,5:1的水土比例(50g水与 10g沙)可能是提取全盐的有效方法[86]
。
6 结论
近来许多国内外学者在我国北方阿拉善高原荒
漠及其周边地区开展了古水文-气候与地下水补给研究,重建了受气候驱动的深层土壤包气带水的古
渗漏历史和大气降水补给历史等。本文回顾了前人
在相关研究中所选择的示踪方法理论,基于已有研
究案例综合分析了阿拉善高原地下水补给和古气候
干湿度变化的有效信息,并对已有研究进行了综合
性的比较和评价。研究显示巴丹吉林沙漠在过去
700~2000年的历史上有百年尺度的地下水补给波动过程和随时间变化的模式。但这些记录具有不确
定性,主要来源于大气 Cl溶质输入的假设。通过比较 3个不同的 Cl溶质输入情景对这些不确定性进行了模拟,并将 Cl的非饱和带补给历史与其他来自冰芯、树轮、湖相沉积、器测记录和历史文献
等气候干湿度记录进行了比较,发现非饱和带记录
与来自我国西北部其他地区的气候指标记录间有广
泛的对应性,表明百年尺度上的气候变化趋势持续
跨越了这些地区的湿度梯度;而且气候湿度的变化
也引起了荒漠地下水补给的时间变化。总体来说,
这些非饱和带只有较低的古大气降水补给速率,对
区域整个浅层第四纪含水层地下水系统的影响目前
还难以评估。然而这些浅层第四纪含水层支撑着阿
6001
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
拉善高原的绿洲、湖泊等生态景观。因此,尽管非
饱和带记录的大气降水补给变化可能对区域的地下
水资源不一定有太显著的效应,但它对气候波动的
指示有着重要意义,不仅反映了内陆腹地干旱区大
尺度范围内的古湿度变化,还可能反映来自海洋季
风系统的影响。尽管非饱和带记录的环境指示性在
阿拉善高原与其他环境记录间有着显著差异,且其
本身固有的不确定性会影响它对环境和气候上的量
化解释,但这个方法在全球范围内对古环境研究有
着潜在贡献。未来在时间和空间尺度上改良这种氯
质量平衡模型以及加强干旱区大气沉降模式的监测
过程,会进一步促进这种方法在荒漠带水文—气候
研究上的有效性和使用率。
参考文献 (References)
1 YaoT,ThompsonL.Trendsandfeaturesofclimaticchangesinthe
past5000 yearsrecorded bytheDundeicecore.Annalsof
Glaciology,1991,16:21~24
2 ThompsonLG,MosleyThompsonE,DavisMEetal.A1000year
climaticicecorerecordfrom theGuliyaicecap,China:Its
relationshiptoglobalclimatevariability.AnnalsofGlaciology,
1995,21:175~181
3 ThompsonLG,Yao T, DavisM E etal.Tropicalclimate
instability:Thelastglacialcyclefrom aQinghaiTibeticecore.
Science,1997,276(5344):1821~1825
4 SheppardP,TarasovP,GraumlichLetal.Annualprecipitation
since515BCreconstructedfromlivingandfossiljunipergrowthof
northeasternQinghaiProvince,China.ClimateDynamics,2004,23
(7~8):869~881
5 ShaoX,HuangL,LiuH etal.Reconstructionofprecipitation
variationfromtreeringsinrecent1000yearsinDelingha,Qinghai.
ScienceinChina(SeriesD),2005,48(7):939~949
6 刘洪滨,邵雪梅,黄 磊等.青海省海西州德令哈地区近千年
来年降水量变化特征 分 析.第 四 纪 研 究,2005,25(2):
176~183
Liu Hongbin, Shao Xuemei, Huang Lei et al. Statistical
characteristicsofannualprecipitationvariationduringthepast1000
yearsinDelingha,QinghaiProvince,China.QuaternarySciences,
2005,25(2):176~183
7 黄 磊,邵雪梅.青海德令哈地区近 400年来的降水量变化与
太阳活动.第四纪研究,2005,25(2):184~192
HuangLei,ShaoXuemei.PrecipitationvariationinDelingha,
Qinghaiandsolaractivitysincelast400years.QuaternarySciences,
2005,25(2):184~192
8 靳立亚,秦宁生,勾晓华等.青海南部高原近 450年来春季最
高气温序列及其时变 特 征.第 四 纪 研 究,2005,25(2):
193~201
JinLiya,QinNingsheng,GouXiaohuaetal.Seriesofspring
maximumtemperatureinsouthernQinghaiPlateauandanalysisofits
variationsduringthelast450years.QuaternarySciences,2005,25
(2):193~201
9 邵雪梅,王树芝,徐 岩等.柴达木盆地东北部 3500年树轮定
年年表的初步建立.第四纪研究,2007,27(4):477~485
ShaoXuemei,WangShuzhi,XuYanetal.A3500yearmaster
treeringdatingchronologyfromthenortheasternpartoftheQaidam
basin.QuaternarySciences,2007,27(4):477~485
10 勾晓华,杨梅学,彭剑峰等.树轮记录的阿尼玛卿山区过去 830
年夏半年最高温变化.第四纪研究,2006,26(6):991~998
GouXiaohua, YangMeixue, PengJianfengetal.Maximum
temperaturereconstructionforAnimaqingMountainsoverpast830
yearsbasedontreeringrecords.QuaternarySciences,2006,26
(6):991~998
11 王亚军,马玉贞,鲁瑞洁等.树木年轮记录的祁连山东段公元
1895年来的气温变化.第四纪研究,2009,29(5):905~912
WangYajun,MaYuzhen,LuRuijieetal.Reconstructionofmean
temperaturesofJanuarytoAugustsinceA.D.1895basedontreering
dataintheeasternpartoftheQilianMountains.Quaternarysciences,
2009,29(5):905~912
12 杨 保.树轮记录的小冰期以来青藏高原气候变化的时空特征.
第四纪研究,2012,32(1):81~94
YangBao.Spatialandtemporalpatternsofclimatevariationsover
theTibetanPlateauduringtheperiod1300~2010.Quaternary
Sciences,2012,32(1):81~94
13 刘 禹,蔡秋芳,宋慧明.关于青藏高原 2485年温度的季节和
空间代表性问题.第四纪研究,2013,33(1):108~114
Liu Yu, CaiQiufang, Song Huiming.Seasonaland spatial
representativenessofthetreeringbased2485yearannualmean
temperaturereconstruction in thenortheastern Tibetan Plateau.
QuaternarySciences,2013,33(1):108~114
14 张同文,刘 禹,袁玉江等.利用树轮资料重建天山中段南坡
巩乃斯地区公元 1777年来平均最高气温变化.第四纪研究,
2011,31(6):1011~1021
ZhangTongwen,LiuYu,YuanYujiangetal.Treeringbasedmean
maximumtemperaturereconstructionfortheGongnaisiregiononthe
southernslopeofthecentralTienshanMountain,ChinasinceA.D.
1777.QuaternarySciences,2011,31(6):1011~1021
15 袁玉江,魏文寿,陈 峰等.天山北坡乌鲁木齐河年径流总量
的树轮重建.第四纪研究,2013,33(3):501~510
Yuan Yujiang, WeiWenshou, Chen Feng etal.Treering
reconstructionofannualtotalrunofffortherümqiRiveronthe
northernslopeofTienShanMountains.QuaternarySciences,2013,
33(3):501~510
16 时兴合,秦宁生,刘洪滨等.青海治多公元 1374年以来树轮记
录的青藏高原地面加热场强度变化.第四纪研究,2013,33
(1):115~125
ShiXinghe,QinNingsheng,LiuHongbinetal.Surfaceheating
fieldintensitychangeoverTibetanPlateaurecordedQinghaiZhiduo
treeringssince1374A.D.QuaternarySciences,2013,33(1):
115~125
17 ZhangJiawu, Jin Ming, Chen Fahu et al. Highresolution
precipitationvariationsinthenortheastTibetanPlateauoverthelast
800yearsdocumentedbysedimentcoresofQinghaiLake.Chinese
ScienceBulletin,2003,48(14):1451~1456
7001
第 四 纪 研 究 2014年
18 ZhangH,PengJ,MaYetal.LateQuaternarypalaeolakelevelsin
Tenggerdesert.Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,
2004,211(1~2):45~58
19 HerzschuhU,KürschnerH,BattarbeeRetal.Desertplantpollen
productionanda160yearrecordofvegetationandclimatechange
onthe Alashan Plateau, NW China.Vegetation History and
Archaeobotany,2006,15(3):181~190
20 沈 吉,张恩楼,夏威岚.青海湖近千年来气候环境变化的湖
泊沉积记录.第四纪研究,2001,21(6):508~513
ShenJi,ZhangEnlou,XiaWeilan.Recordsfromlakessedimentsof
theQinghaiLaketomirrorclimaticandenvironmentalchangesofthe
pastabout1000 years.QuaternarySciences,2001,21(6):
508~513
21 朱立平,陈 玲,张平中等.环境磁学反映的藏南沉错地区
1300年来冷暖变化.第四纪研究,2001,21(6):520~527
ZhuLiping, Chen Ling, ZhangPingzhongetal.Cold/warm
fluctuationsofthelast1300 yearsreflected byenvironmental
magnetism in theChen Coarea, southern Tibet.Quaternary
Sciences,2001,21(6):520~527
22 薛积彬,钟 巍.新疆巴里坤湖全新世环境记录及区域对比研
究.第四纪研究,2008,28(4):610~620
XueJibin,ZhongWei.Holoceneclimatechangerecorded by
lacustrinesedimentsinBarkolLakeanditsregionalcomparison.
QuaternarySciences,2008,28(4):610~620
23 王 宁,刘卫国,徐黎明等.青藏高原现代湖泊沉积物碳酸盐
矿物氧同位素组成特征及影响因素.第四纪研究,2008,28
(4):591~600
WangNing, Liu Weiguo, Xu Limingetal.Oxygen isotopic
compositionsofcarbonatesofmodernsurfacelacustrinesediments
andtheiraffectingfactorsinTibetPlateau.QuaternarySciences,
2008,28(4):591~600
24 曹 洁,张家武,张成君等.青藏高原北缘哈拉湖近 800年来
湖泊沉积及其环境意义.第四纪研究,2007,27(1):100~107
CaoJie,ZhangJiawu,ZhangChengjun etal.Environmental
changesduringthepast800yearsrecordedinlakesedimentsfrom
HalaLakeontheNorthernTibetanPlateau.QuaternarySciences,
2007,27(1):100~107
25 YangXiaoping.Landscapeevolutionandprecipitationchangesinthe
BadainJarandesertduringthelast30000years.ChineseScience
Bulletin,2000,45(11):1042~1047
26 ZhangJ,CrowleyTJ.HistoricalclimaterecordsinChinaand
reconstructionofpastclimates.JournalofClimate,1989,2(8):
833~849
27 GongG,HameedS.ThevariationofmoistureconditionsinChina
duringthelast2000years.InternationalJournalofClimatology,
1991,11(3):271~283
28 FengZ,AnC,WangH.Holoceneclimaticandenvironmental
changesinthearidandsemiaridareasofChina:Areview.The
Holocene,2006,16(1):119~130
29 DingY,ChanJC L.TheEastAsiansummermonsoon:An
overview.MeteorologyandAtmosphericPhysics,2005,89(1~4):
117~142
30 YangX,WilliamsM A J.TheionchemistryoflakesandLate
HolocenedesiccationintheBadainJarandesert,InnerMongolia,
China.Catena,2003,51(1):45~60
31 杨小平,刘东生.距今 30ka前后我国西北沙漠地区古环境.第
四纪研究,2003,23(1):25~30
YangXiaoping,LiuTunsheng.Palaeoenvironmentsindesertregions
ofNorthwestChinaaround30kaBP.QuaternarySciences,2003,
23(1):25~30
32 YangX,RostKT,LehmkuhlFetal.Theevolutionofdrylandsin
NorthernChinaandintheRepublicofMongoliasincetheLast
GlacialMaximum.QuaternaryInternational,2004,118~119:
69~85
33 YangX,ScuderiLA.Hydrologicalandclimaticchangesindeserts
ofChinasincetheLatePleistocene.QuaternaryResearch,2010,73
(1):1~9
34 ShiQ,ChenF,ZhuYetal.Lakeevolutionoftheterminalareaof
ShiyangRiverdrainageinaridChinasincethelastglaciation.
QuaternaryInternational,2002,93~94:31~34
35 AnC,FengZ,BartonL.Dryorhumid?MidHolocenehumidity
changesinaridandsemiaridChina.QuaternaryScienceReviews,
2006,25(3~4):351~361
36 GaoQ,TaoZ,LiBetal.Palaeomonsoonvariabilityinthesouthern
fringeoftheBadainJarandesert,China,since130kaBP.Earth
SurfaceProcessesandLandforms,2006,31(3):265~283
37 YangX,ScuderiLA,PaillouPetal.Quaternaryenvironmental
changesinthedrylandsofChina———Acriticalreview.Quaternary
ScienceReviews,2011,30(23~24):3219~3233
38 ChenZ,QiJ,XuJetal.Paleoclimaticinterpretationofthepast
30kafromisotopicstudiesofthedeepconfinedaquiferoftheNorth
Chinaplain.AppliedGeochemistry,2003,18(7):997~1009
39 EdmundsW M,MaJ,AeschbachHertigW etal.Groundwater
rechargehistoryandhydrogeochemicalevolutionintheMinqin
basin,northwestChina.AppliedGeochemistry,2006,21(12):
2148~2170
40 ChenJ,LiL,WangJY etal.Groundwatermaintainsdune
landscape.Nature,2004,432(7016):459~460
41 MaJ,DingZ,EdmundsW M etal.Limitsorrechargeof
groundwaterfromTibetanPlateautotheGobidesert,implications
forwatermanagementinthemountainfront.JournalofHydrology,
2009,364(1~2):128~141
42 JkelD.Theimportanceofdunesforgroundwaterrechargeand
storageinChina.ZeitschriftfurGeomorphologieNeuesFunde,Supply
Bd,2002,126(1):131~146
43 MaJinzhu,LiDing,ZhangJiawuetal.Groundwaterrechargeand
climaticchangeduringthelast1000yearsfromunsaturatedzoneof
SEBadainJarandesert.ChineseScienceBulletin,2003,48(14):
1469~1474
44 MaJ,EdmundsW M,HeJetal.A2000yeargeochemicalrecord
ofpalaeoclimateandhydrologyderivedfrom dunesandmoisture.
Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2009,276
(1~4):38~46
45 MaJ,PanF,ChenLetal.Isotopicandgeochemicalevidenceof
rechargesourcesandwaterqualityintheQuaternaryaquiferbeneath
JinchangCity,NW China.AppliedGeochemistry,2010,25(7):
8001
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
996~1007
46 MaJ,WangY,ZhaoYetal.Spatialdistributionofchlorideand
nitratewithinanunsaturateddunesandofacoldariddesert:
Implicationsforpaleoenvironmentalrecords.Catena,2012,96:
68~75
47 MaJ,HeJ,ShiQetal.Groundwaterrechargeandevolutioninthe
Dunhuangbasin,NorthwesternChina.AppliedGeochemistry,2013,
28:19~31
48 YangX,MaN,DongJetal.Rechargetotheinterdunelakesand
HoloceneclimaticchangesintheBadainJarandesert,Western
China.QuaternaryResearch,2010,73(1):10~19
49 ChenZ,NieZ,ZhangGetal.Environmentalisotopicstudyonthe
rechargeandresidencetimeofgroundwaterintheHeiheRiver
basin,NorthwesternChina.HydrogeologyJournal,2006,14(8):
1635~1651
50 LinR,WeiK.TritiumprofilesofporewaterintheChineseloess
unsaturated zone: Implications for estimation ofgroundwater
recharge.JournalofHydrology,2006,328(1~2):192~199
51 MaJ,EdmundsWM.GroundwaterandlakeevolutionintheBadain
Jarandesertecosystem,InnerMongolia.HydrogeologyJournal,
2006,14(7):1231~1243
52 GatesJB,EdmundsW M,MaJetal.Estimatinggroundwater
rechargeinacolddesertenvironmentinNorthernChinausing
chloride.HydrogeologyJournal,2008,16(5):893~910
53 GatesJB,EdmundsW M,MaJetal.A 700yearhistoryof
groundwaterrechargeinthedrylandsofNW China.TheHolocene,
2008,18(7):1045~1054
54 GatesJB,EdmundsW M,DarlingWGetal.Conceptualmodelof
rechargetosoutheasternBadainJarandesertgroundwaterandlakes
fromenvironmentaltracers.AppliedGeochemistry,2008,23(12):
3519~3534
55 HuangT,PangZ.Estimatinggroundwaterrechargefollowingland
usechangeusingchloridemassbalanceofsoilprofiles:A case
studyatGuyuan and Xifengin theLoessPlateau ofChina.
HydrogeologyJournal,2011,19(1):177~186
56 HuangT,PangZ,EdmundsW M.Soilprofileevolutionfollowing
landusechange:Implicationsforgroundwaterquantityandquality.
HydrologicalProcesses,2013,27(8):1238~1252
57 杨小平.巴丹吉林沙漠腹地湖泊的水化学特征及其全新世以来
的演变.第四纪研究,2002,22(2):97~104
YangXiaoping.WaterchemistryofthelakesintheBadainJaran
desertandtheirHoloceneevolutions.QuaternarySciences,2002,22
(2):97~104
58 马妮娜,杨小平.巴丹吉林沙漠及其东南边缘地区水化学和环
境同位素特征及其水文学意义.第四纪研究,2008,28(4):
702~711
MaNina,YangXiaoping.Environmentalisotopesandionchemistry
intheBadainJarandesert,InnerMongoliaandtheirimplications.
QuaternarySciences,2008,28(4):702~711
59 冯 晗,鹿化煜,弋双文等.末次盛冰期和全新世大暖期中国
季风区西北缘沙漠空间格局重建初探.第四纪研究,2013,33
(2):252~259
FengHan,LuHuayu,YiShuangwenetal.Theborderchangesof
thedeserts/sandfieldintheEastAsianmonsoonmarginalregion
duringLastGlacialMaximumandHoloceneOptimum.Quaternary
Sciences,2013,33(2):252~259
60 俞凯峰,鹿化煜,FrankLehmkuhl等.末次盛冰期和全新世大暖
期中国北方沙地古气候定量重建初探.第四纪研究,2013,33
(2):293~302
YuKaifeng,LuHuayu,FrankLehmkuhletal.A preliminary
quantitativepaleoclimatereconstructionoftheLastGlacialMaximum
andHoloceneOptimumindunefieldsofNorthernChina.Quaternary
Sciences,2013,33(2):293~302
61 MaJ,DingZ,GatesJBetal.Chlorideandtheenvironmental
isotopesastheindicatorsofthegroundwaterrechargeintheGobi
desert,NorthwestChina.EnvironmentalGeology,2008,55(7):
1407~1419
62 马丽芳.中国地质图集.北京:地质出版社,2002.1~348
MaLifang.GeologicalAtlasofChina.Beijing:GeologicalPress,
2002.1~348
63 WinogradIJ,Robertson F N.Deep oxygenated groundwater:
Anomalyorcommonoccurrence?Science,1982,216(4551):
1227~1230
64 CookPG,EdmundsWM,GayeCB.Estimatingpaleorechargeand
paleoclimate from unsaturated zone profiles. Water Resources
Research,1992,28(10):2721~2731
65 BeyerleU,RuediJ,LeuenbergerMetal.Evidenceforperiodsof
wetterandcoolerclimateintheSahelbetween6and40kyrBP
derivedfrom groundwater.GeophysicalResearchLetters,2003,30
(4):1173,doi:10.1029/2002GL016310
66 EdmundsW M,GuendouzA H,MamouA etal.Groundwater
evolutioninthecontinentalintercalaireaquiferofSouthernAlgeria
and Tunisia: Trace elementand isotopic indicators.Applied
Geochemistry,2003,18(6):805~822
67 MaJZ,WangX S, EdmundsW M.Thecharacteristicsof
groundwaterresourcesandtheirchangesundertheimpactsofhuman
activityinthearidNorthwestChina———AcasestudyoftheShiyang
Riverbasin.JournalofAridEnvironment,2005,61(2):277~295
68 ScanlonBR,TylerSW,WierengaPJ.Hydrologicissuesinarid,
unsaturatedsystemsand implication forcontaminanttransport.
ReviewsofGeophysics,1997,35(4):461~490
69 AllisonGB,HughesMW.Theuseofnaturaltracersasindicators
ofsoilwatermovementinatemperatesemiaridregion.Journalof
Hydrology,1983,60(1~4):157~173
70 ScanlonBR.Evaluationofmoisturefluxfromchloridedataindesert
soils.JournalofHydrology,1991,128(1~4):137~156
71 ScanlonBR, HealyR W, Cook P G.Choosingappropriate
techniquesforquantifying groundwaterrecharge.Hydrogeology
Journal,2002,10(1):18~39
72 NgGC,McLaughlinD,EntekhabiDetal.Usingdataassimilation
toidentifydiffuserechargemechanismsfromchemicalandphysical
dataintheunsaturatedzone.WaterResourcesResearch,2009,45
(9):W09409,doi:10.1029/2009WR007831
73 AllisonGB,StoneWJ,HughesMW.Rechargeinkarstanddune
elementsofasemiaridlandscapeasindicatedbynaturalisotopes
andchloride.JournalofHydrology,1985,76(1~4):1~26
9001
第 四 纪 研 究 2014年
74 TylerSW,ChapmanJB,ConradSHetal.Soilwaterfluxinthe
southern GreatBasin, United States: Temporaland spatial
variationsoverthelast120000years.WaterResourcesResearch,
1996,32(6):1481~1499
75 ScanlonBR.Uncertaintiesinestimatingwaterfluxesandresidence
timesusingenvironmentaltracersinanaridunsaturatedzone.Water
ResourcesResearch,2000,36(2):395~409
76 EdmundsW M,TylerSW.Unsaturatedzoneasarchivesofpast
climates:Towardanewproxyforcontinentalregions.Hydrogeology
Journal,2002,10(1):216~228
77 AllisonGB,HughesMW.Theuseofenvironmentalchlorideand
tritiumtoestimatetotalrechargetoanunconfinedaquifer.Austrian
JournalofSoilResearch,1978,16(2):181~195
78 RossB.A conceptualmodelofdeep unsaturated zoneswith
negligiblerecharge.WaterResourcesResearch,1984,20(11):
1627~1629
79 WalvoordMA,PlummerMA,PhillipsFMetal.Deeparidsystem
hydrodynamics1.Equilibrium statesandresponsetimesinthick
desertvadosezones.WaterResourcesResearch,2002,38(12):
1308,doi:10.1029/2001WR000824
80 ScanlonBR,KeeseK,ReedyRCetal.Variationsinflowand
transportinthickdesertvadosezonesinresponsetopaleoclimatic
forcing(0~90 kyr): Field measurements, modeling, and
uncertainties.WaterResourcesResearch,2003,39(7):1179,doi:
10.1029/2002WR001604
81 HemJD.StudyandInterpretationoftheChemicalCharacteristicsof
NaturalWater.New York:USGeologicalSurveyWaterSupply
Paper,1985.2254
82 FethJH.ChlorideinNaturalContinentalWater———AReview.New
York:USGeologicalSurveyWaterSupplyPaper,1981.2176
83 LehmannBE,LoveA,PurtschertR etal.A comparisonof
groundwaterdatingwith81Kr,36Cland4HeinfourwellsoftheGreat
Artesianbasin,Australia.EarthandPlanetaryScienceLetters,
2003,211(3~4):237~250
84 DettingerMD.Reconnaissanceestimatesofnaturalrechargeto
desertbasinsinNevada,U.S.A.,byusingchloridebalance
calculations.JournalofHydrology,1989,106(1~2):55~78
85 SelaoloE, Gieske A, Beekman H.Chloride Deposition and
RechargeRatesforShallow GroundwaterBasinsin Botswana.
NationalConferencePublication:InstituteofEngineers,Australia,
1994.501~506
86 ZhuB,YangX.Theoriginanddistributionofsolublesaltsinthe
sandseasofNorthernChina.Geomorphology,2010,123(3~4):
232~242
87 GinnTR,MurphyE M.A transientfluxmodelforconvection
infiltration:Forwardandinversesolutionforchloridemassbalance
studies.WaterResourcesResearch,1997,33(9):2065~2079
88 PhillipsFM,MattickJL,DuvalTAetal.Chlorine36andtritium
fromnuclearweaponsfalloutastracersforlongtermliquidandvapor
movementindesertsoils.WaterResourcesResearch,1988,24(11):
1877~1891
89 SukhijaBS,ShahCR.Conformityofgroundwaterrechargerateby
tritiummethodandmathematicalmodeling.JournalofHydrology,
1976,30(1~2):167~178
90 DincerT,AIMugrinA,ZimmermanU.Studyoftheinfiltrationand
rechargethroughthesanddunesinaridzoneswithspecialreference
to the stable isotopesand thermonucleartritium.Journalof
Hydrology,1974,23(1~2):79~109
91 SmithDB,WearnPL,RichardsHJetal.WaterMovementinthe
UnsaturatedZoneofHighandLowPermeabilityStratabyMeasuring
Natural Tritium. Vienna: Isotope and Hydrology Processes
Symposium,IAEA,1970.73~87
92 ZimmermannU,MunnichKO,RoetherW.Downwardmovementof
soilmoisturetracedbymeansofhydrogenisotopes.Geophysical
Monographs-AmericanGeophysicalUnion,1967,11(1):28~36
93 ErikssonE,KhunakasemV.Chlorideconcentrationingroundwater,
rechargerateandrateofdepositionofchlorideintheIsraelCoastal
Plain.JournalofHydrology,1969,7(2):178~197
94 EdmundsW M,Walton N R G.A geochemicaland isotopic
approachtorechargeevaluation in semiarid zones, pastand
present.In:Arid ZoneHydrology, Investigationswith Isotope
Techniques.Vienna:InternationalAtomicEnergyAgency,1980.
47~68
95 KitchingR,EdmundsW M,ShearerTR etal.Assessmentof
rechargetoaquifers.HydrologicalSciencesBulletin,1980,25(3):
217~235
96 NativR,EilanA,OferDetal.Waterrechargeandsolutetransport
throughthevadosezoneoffracturedchalkunderdesertconditions.
WaterResourcesResearch,1995,31(2):253~261
97 GayeCB,EdmundsW M.Groundwaterrechargeestimationusing
chloride, stableisotopesand tritium profilesin thesandsof
northwesternSenegal.EnvironmentalGeology,1996,27(3):
246~251
98 JollyID,CookPG,AllisonGBetal.Simultaneouswaterand
solutemovementthroughanunsaturatedsoilfollowinganincreasein
recharge.JournalofHydrology,1989,111(1~4):391~396
99 EdmundsW M,GayeCB.Estimatingthespatialvariabilityof
groundwaterrechargein theSahelusingchloride.Journalof
Hydrology,1994,156(1~4):47~59
100BromleyJ,EdmundsW M,FellmanEetal.Estimationofrainfall
inputsanddirectrechargetothedeepunsaturatedzoneofsouthern
Nigerusingthechlorideprofilemethod.JournalofHydrology,
1997,188~189:139~154
101DeVriesJJ,SelaoloET,BeekmanHE.Groundwaterrechargein
theKalahari,withreferencetopaleohydrologicconditions.Journal
ofHydrology,2000,238(1~2):110~123
102JoshiB,MauleC.Simpleanalyticalmodelsforinterpretationof
environmentaltracerprofilesin thevadosezone.Hydrological
Processes,2000,14(8):1503~1521
103WalvoordMA,PhillipsFM,StonestromDAetal.Areservoirof
nitrate beneath desertsoils.Science, 2003, 302(5647):
1021~1024
104PhillipsFM.Environmentaltracersforwatermovementindesert
soilsoftheAmericanSouthwest.SoilScienceSocietyofAmerica
Journal,1994,58(1):14~24
105EdmundsW M,GayeCB,FontesJC.Arecordofclimaticand
0101
5期 朱秉启等:荒漠地下水的大气降水补给及其环境意义———以阿拉善高原晚全新世记录为例
environmentalchangecontainedintheinterstitialwatersfrom the
unsaturatedzoneofnorthernSenegal.In:InternationalSymposium
onIsotopeTechniquesinWaterResourcesDevelopment.Vienna:
InternationalAtomicEnergyAgency,1992.
106StoneW J.Paleohydrologicimplicationsofsomedeepsoilwater
chlorideprofiles, Murray basin, South Australia.Journalof
Hydrology,1992,132(1~4):201~223
107GoniIB,FellmanE,EdmundsW M.Rainfallgeochemistryinthe
SahelregionofnorthernNigeria.AtmosphericEnvironment,2001,35
(25):4331~4339
108EANET, Network Centerfor2006 EANET dataon theacid
depositionintheEastAsianregionin2006.AcidDeposition
MonitoringNetworkinEastAsia.http:∥www.eanet.cc/
109SheppardP,HolmesR,GraumlichL.The‘manyfragments
curse’:A specialcaseofthesegmentlengthcurse.TreeRing
Bulletin,1997,54(1):1~9
110张家武,王君兰,郭小燕等.博斯腾湖全新世岩芯沉积物碳酸
盐氧同位素气候意义.第四纪研究,2010,30(6):1078~1087
ZhangJiawu,WangJunlan,GuoXiaoyanetal.Paleoclimatic
significanceofoxygenisotopecompositionofcarbonatesfrom a
sedimentcore atBosten Lake, Xinjiang, China.Quaternary
Sciences,2010,30(6):1078~1087
111吴敬禄,刘建军,王苏民.近 1500年来新疆艾比湖同位素记录
的气候环境演化特征.第四纪研究,2004,24(5):585~590
WuJinglu,LiuJianjun,WangSumin.Climaticchangerecordfrom
stableisotopesinLakeAibi,Xinjiangduringthepast1500years.
QuaternarySciences,2004,24(5):585~590
112滕晓华,韩文霞,叶程程等.柴达木盆地 SG1孔 10Ma以来碳
酸盐同位素记录的亚洲内陆干旱化及成因.第四纪研究,2013,
33(5):866~875
TengXiaohua,HanWenxia,YeChengchengetal.Aridificationof
theAsianinlandsince10Ma:Evidencesfrom carbonateisotope
recordsofdeepcorefromtheQaidambasin.QuaternarySciences,
2013,33(5):866~875
113SMAC(StateMeteorologicalAdministrationofChina).Annalsof
510YearsPrecipitation Record in China.TheMeteorological
ResearchInstitute,1981.216
114HameedS,YehW M,LiMTetal.Ananalysisofperiodicitiesin
the1470~1974Beijingprecipitationrecord.GeophysicalResearch
Letters,1983,10(6):436~439
115ScanlonB R,KeeseK E,FlintA etal.Globalsynthesisof
groundwaterrechargeinsemiaridandaridregions.Hydrological
Processes,2006,20(15):3335~3370
116LotschA,FriedlM A,AndersonBTetal.Coupledvegetation
precipitationvariabilityobservedfromsatelliteandclimaterecords.
GeophysicalResearchLetters,2003,30(14):1774,doi:10.
1029/2003GL017506
117IPCC.Climate Change 2007———The PhysicalScience Basis.
ContributionofWorkingGroupIItotheFourthAssessmentReportof
theIntergovernmentPanelonClimateChange.CambridgeUniversity
Press,CambridgeandNewYork,USA.20071008
118HofmannJ.Geoecologicalstudiesofthewatersofthesoutheastern
BadainJarandesert.BerlinerGeographyAbhandl,1999,64(1):
1~247
119陈建生,陈茜茜,王 婷.阿拉善沙漠湿沙层水分来源同位素
示踪.水科学进展,2014,25(2):196~206
ChenJiansheng,ChenXixi,WangTing.Isotopestracerresearchof
wetsandlayerwatersoucesinAlxadesert.AdvancesinWater
Science,2014,25(2):196~206
120DeeveyES,CrossMS,HutchinsonGE.Thenatural14Ccontents
ofmaterialsfrom hardwaterlakes.ProceedingsoftheNational
AcademyofScience,1954,40(5):285~288
121刘子亭,杨小平,朱秉启.巴丹吉林沙漠全新世环境记录的年
代校正与古气候重建.第四纪研究,2010,30(5):925~933
LiuZiting,YangXiaoping,ZhuBingqi.Reinterpretationofthe
chronologicaldataofpalaeoenvironmentalrecordsintheBadain
JarandesertandreconstructionoftheHoloceneclimaticchanges.
QuaternarySciences,2010,30(5):925~933
122侯居峙,DAndreaWilliamJ,柳中晖.湖泊碳库效应对青藏高原
气候变化解释的影响 探 讨.第 四 纪 研 究,2012,32(3):
441~453
HouJuzhi,DAndreaWilliam J,LiuZhonghui.Geochronological
limitationsforinterpretingthepaleoclimatichistoryoftheTibetan
Plateau.QuaternarySciences,2012,32(3):441~453
123LauterbachS,WittR,PlessenBetal.Climaticimprintofthemid
latitudewesterliesinthecentralTianShanofKyrgyzstanand
teleconnectionstoNorthAtlanticclimatevariabilityduringthelast
6000 years. The Holocene, 2014, 24 (6): 10.1177/
0959683614534741
124ChenFahu,WuWei,HolmesJAetal.AmidHolocenedrought
intervalasevidencedbylakedesiccationintheAlashanPlateau,
InnerMongolia,China.ChineseScienceBulletin,2003,48(1):
1~10
125ChenF,YuZ,YangMetal.Holocenemoistureevolutioninarid
centralAsiaanditsoutofphaserelationshipwithAsianmonsoon
history.QuaternaryScienceReviews,2008,27(3~4):351~364
126HartmannK,WünnemannB.HydrologicalchangesandHolocene
climatevariationsinNW China,inferredfrom lakesedimentsof
Juyanzepalaeolakebyfactoranalyses.QuaternaryInternational,
2009,194(1~2):28~44
127ZhuB,YangX,LiuZetal.Geochemicalcompositionsofsoluble
saltsinaeoliansandsfromtheTaklamakanandBadanjilindesertsin
NorthernChina,andtheirinfluencingfactorsandenvironmental
implications.EnvironmentalEarth Sciences, 2012, 66(1):
337~353
128朱秉启,杨小平,PatrickRioual等.沙漠风成沙的可溶盐组成及
其环境意义.第四纪研究,2011,31(6):1029~1044
ZhuBingqi,YangXiaoping,PatrickRioualetal.Compositionsof
solublesaltsinaeoliansandsfromsandydesertsofNorthernChina
andtheirenvironmentalimplications.QuaternarySciences,2011,31
(6):1029~1044
1101
第 四 纪 研 究 2014年
ATMOSPHERICPRECIPITATIONRECHARGEONGROUNDWATERINDESERTAREASANDITSENVIRONMENTALIMPLICATIONS———ACASEREVIEWOFTHELATEHOLOCENERECORDSFROM THEALASHANPLATEAU
ZhuBingqi① YuJingjie① PatrickRioual② YanGao③ WangPing①④
ZhangYichi① MinLeilei⑤ DuChaoyang① WangXunming① XiongHeigang⑥
(①KeyLaboratoryofWaterCycle&RelatedLandSurfaceProcesses,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101;②KeyLaboratoryofCenozoicGeologyandEnvironment,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029;③CentrodeInvestigacionesenGeografiaAmbiental,UniversidadNacionalAutonomadeMexico,CampusMorelia,Mexico(CenterofResearchinEnvironmentalGeography,NationalUniversityofMexico,Mexico);④DepartmentofHydrologyandWaterResources,UniversityofArizona,Tucson,USA85721;⑤CenterforAgriculturalResourcesResearch,InstituteofGeneticsandDevelopmentalBiology,ChineseAcademyofSciences, Shijiazhuang050021;⑥KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,rümqi830046)
Abstract
Adifficultbutkeyquestionforhydrologistsisconcernedwiththechoiceoftherightmethodsforquantitativelyevaluatingthegroundwaterrechargeanditsrelatedenvironmentalresponseinaridlands.Inthispaper,wereviewedtheliteraturetoassessthecurrentresearchworkandexistingproblemsrelatedtothetracingmethodsandtheoriesselectedtostudytheunsaturated(vadose)zonerechargeindesert.A lotofinformationabouttheregionalgroundwaters,theirrechargeandevolutionwasobtainedfromcasestudiesontheAlashanPlateauinNorthwesternChina,aimingtoshedlightonthehistoryofrelatedpalaeoenvironmentalchangeinthisdesertduringtheLateHolocene.Basedonchronologicalsequencesandcalculatedrechargeratesinmultipleunsaturatedzoneprofilesfromthedesertusingthechloridemassbalancetheory,resultsindicatethattheBadanjilindesertinthecentralpartoftheAlashanPlateauandsurroundingGobiareashaveexperiencedseveralcentennialscalefluctuationsingroundwaterrechargeduringtheLateHoloceneinthelast700to2000years,whichwerecloselyrelatedtothewetanddryfluctuationsinregionalclimate.Fourrelativelyhumid(1330~1430A.D.,1500~1620A.D.,1700~1780A.D.and1950~1990A.D.)andthreerelativelyaridphases(1430~1500A.D.,1620~1700A.D.and1900~1950A.D.)arediscernableacrosstheseunsaturatedprofiles.TheserecordsareconsistentwithotherpalaeoclimaticrecordsfromthenorthernfringesoftheQinghaiTibetanPlateauandaresomewhatcorrespondingtotheclimaticrecordsfromEasternChina,indicatingthatthegroundwaterrechargehistoryontheAlashanPlateaubroadlyreflectcenturialtimescaleprecipitationchangesinthelargeareasofNorthwesternChina.ItalsosuggeststhatvariationsintheEastAsianSummerMonsoonintensitycouldhaveaffectedthedesertrechargerates.Theevaluatedaveragegroundwaterrechargerateisabout13~26mm/aontheAlashanPlateauoverthelastthousandyears.Thisevaluationprovidesanewgeologicalevidencefortheunderstandingofthesourcesoftheregionalgroundwaterrechargebutissomewhatconflictingwithpreviousconclusionsderivedfromotherenvironmentalproxyrecordsfromtheplateau.Wepointoutthattheenvironmentalrecordsderivedfromunsaturatedprofileshavemanyuncertainties,causedmainlybytheassumptionsabouttheatmosphericoriginoftheClinputinthechloridemassbalancetheoryandtheselectionofhomogeneousstructureofsoilunsaturatedzone(pistonflowprofile).WesuggestthatabroadertestisneededtoexaminetheuncertaintiesoftheatmosphericClinputandtheirerrorrangesthroughcomparisonbetweenthedeterministicdata(suchasregionalbaseweatherstation)andthelargescalerandom Clinputsettingsofdustand precipitations(dryand wetdeposition) in Northwestern China.Sedimentological,hydraulicandgeochemicalevidencesshouldalsobeprovidedforthepotentialconstraintsonthestructurehomogeneityofunsaturatedprofiles,therelativeimportanceofsoilmoisturetransportmechanismsbetweenhorizontalanddiffuseprocesses,andthechloridebulgeshapedcurvesofsaltsequencesindicatingcharacteristicperiodsinunsaturatedzoneprofiles.
Keywords groundwaterrecharge,unsaturatedzone(vadosezone),Chloridemassbalance,palaeoatmosphericprecipitation,LateHolocene,theAlashanPlateau
2101