小型水體（< 1 km²）占全球內(nèi)陸水體總數(shù)量的99%以上，其蒸發(fā)估算是預(yù)測未來水資源儲量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（Verpoorter et al., 2014; Messager et al., 2016)。在小型水體上，傳統(tǒng)蒸發(fā)方法的應(yīng)用準(zhǔn)確度大大降低，例如Priestly-Taylor模型的模擬結(jié)果因平流效應(yīng)的增強而存在較大偏差（Bello and Smith, 1990），通量梯度法和渦度相關(guān)法因小型水體的風(fēng)浪區(qū)有限和儀器安裝高度的限制導(dǎo)致數(shù)據(jù)有效性較低（Zhao et al., 2019），然而穩(wěn)定同位素質(zhì)量守恒法在小型水體上的應(yīng)用凸顯了它獨特的優(yōu)勢，為蒸發(fā)估算提供了新的思路和方法，但是該方法的技術(shù)難題在于其耦合的Craig-Gordon模型中同位素動力分餾系數(shù)ε_k的準(zhǔn)確量化。

同位素動力分餾效應(yīng)是指在水循環(huán)的相變過程中（例如蒸發(fā)、降水等），因互為同位素的不同原子（例如¹⁶O和¹⁸O）的分子擴散速率不同造成水體中各同位素富集程度發(fā)生變化的一種過程。同位素動力分餾系數(shù)ε_k表征該效應(yīng)的強弱，代表大氣湍流削弱動力分餾效應(yīng)的強弱，目前如何量化這種削弱作用仍不明確，致使動力分餾效應(yīng)的估算不準(zhǔn)確（Craig and Gordon, 1965；Horita et al., 2008；Gonfiantini et al., 2018）。傳統(tǒng)ε_k算法方法主要有兩種：一種為基于實驗室蒸發(fā)皿觀測總結(jié)的經(jīng)驗值，ε_k分別為12.5‰（²H）和14.2‰（¹⁸O），簡稱LK算法；另一種基于海洋觀測數(shù)據(jù)和物理模型推導(dǎo)，通過風(fēng)速進行求算 (Merlivat and Jouzel, 1979) ，簡稱OS算法。有研究對比發(fā)現(xiàn)基于OS算法（ε_k¹⁸O = 6.2‰）計算的太湖年蒸發(fā)量比基于LK算法估算的蒸發(fā)量高72%（Xiao et al., 2017）。因此，ε_k的兩種算法在實際應(yīng)用中產(chǎn)生的分歧極大，自然水體的ε_k真實值需要野外實驗進一步觀測研究。迄今為止研究ε_k的野外實驗僅有Gonfiantini等人(2018)和Xiao等人（2017）。前者主要通過Unified Craig-Gordon模型基于前人觀測的水體同位素組分?jǐn)?shù)據(jù)推導(dǎo)ε_k，缺點是模型中大氣水汽同位素組分δ_V輸入的是一個固定值；后者是基于通量梯度法在太湖（2400 km²）觀測δ_E計算ε_k，但是太湖屬于超大型水體（>1000 km²），風(fēng)浪區(qū)大，風(fēng)速或者湍流強度也大，估算的ε_k較小。所以ε_k的真實值需要在分布最為廣泛的小型水體上進一步得到檢驗。為探討小型水體蒸發(fā)中的最佳動力分餾，本研究在安徽的官渡實驗基地，選擇了一個小型水體（魚塘，面積約為6900 m²）和常規(guī)氣象觀測的大小兩種蒸發(fā)皿（直徑20 cm和60 cm）進行觀測實驗，反算各水體的ε_k（圖1）。結(jié)果表明：（1）基于IMB模型和CG模型估算的魚塘、大蒸發(fā)皿和小蒸發(fā)皿ε_k最優(yōu)值分別為10.2 ± 4.9 ‰、14.3 ± 6.8 ‰和7.0 ± 3.1 ‰（圖1）。（2）在小型水體中，動力分餾系數(shù)的參數(shù)化方案中，OS算法要比LK算法更接近真實值（圖1）。（3）ε_k與T_s – T_a存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（y = -3.69 x + 18.16; r = -0.67，p < 0.01），這也說明了對流湍流強度越強，動力分餾效應(yīng)強度越弱（圖2）。（4）ε_k與水體面積無顯著相關(guān)性。小型水體的ε_k（¹⁸O）平均值（9.64 ± 2.80 ‰）與大型水體的平均值（10.10 ± 2.60 ‰）沒有明顯差別（p = 0.85, t = -0.20, 雙邊T檢驗）。基于表1中的10個數(shù)據(jù)，ε_k(¹⁸O)的總體平均值為9.74 ± 2.60 ‰，對應(yīng)的湍流參數(shù)n為0.34，ε_k（D）則為8.5 ± 2.29 ‰。以上成果將為小型水體蒸發(fā)過程同位素動力分餾過程提供科學(xué)依據(jù)，推進氫氧穩(wěn)定同位素在內(nèi)陸水循環(huán)中的研究。研究成果以“Isotopic kinetic fractionation of evaporation from small water bodies”為題發(fā)表在《Journal of Hydrology》雜志上。南京信息工程大學(xué)肖薇教授為通訊作者，謝成玉博士為第一作者，南京信息工程大學(xué)劉壽東教授和張彌副教授、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所王晶苑副研究員以及南京信息工程大學(xué)博士研究生張圳、胡勇博、劉強、碩士研究生錢雨妃和朱昊為合作作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃和中國國家自然科學(xué)基金的支持。

來源：網(wǎng)絡(luò)