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稳定同位素蒸发的概算：一个横穿美国的用于评估国家湖水质量的流入量和水停留时间的湖

J. Rene acute;e Brooks, John J. Gibson, S.Jean Birks, Marc H. Weber, Kent D. Rodecap, and John L. Stoddard

1 美国环境保护署西部生态部门，俄勒冈州 科瓦利斯

2 亚伯达革新科技未来研究所，加拿大 不列颠哥伦比亚

3 亚伯达革新科技未来研究所，加拿大 亚伯达

摘要：我们使用了2007年美国环境保护署的国家湖水评估项目中大约1000多个样本中的和去评估两个水文学变量——2007年夏季蒸发量和流入量之比，以及和水停留时间的关系。我们使用了人口调查设计，样本湖都分布在邻接的美国，结果用于推断人口（约50000美国湖）。这些水文学变量与湖中营养成分和生态情况连接起来，表现了它们在国家水质量监控中的作用。对于50%的湖来说，蒸发量小于25%的流入量，在2007年时值升高到113%。对于一半的湖来说，停留时间小于0.52年，75%的湖停留时间小于1.12年。按照水流动态分类的话，66.1%的湖为流入湖（60%或更多的水流经湖，E:I小于0.4），33.6的为受限湖（40%或更多的流入水蒸发，E小于0.4，I小于1），0.3%的湖为封闭湖（所有的流入水通过蒸发离开湖，E:I大于1）。气象模式对于参数E:I和t有一定影响，湖的深度和流域面积（影响沉淀量）也是重要的驱动因素。湖的水文化学也与E:I强烈相关，但和t联系较弱。在糟糕生态环境下的湖（基于浮游生物的分类单元的可预测模型）与良好生态环境下的湖相比更容易蒸发。

全球范围内的生态化学和水文循环的净水淡水生态系统的重要性一直在明显的上升。全球范围内，湖水的蒸发量估计已经达到了六千四百万并且覆盖了三千八百万平方公里的区域。人类活动导致了这些湖在生态圈中的角色演变，并且可能在未来随着气候变化和人类活动继续改变。但是，去描绘这些湖的现有状况的数据是十分有限的。一个国家范围内的详细湖泊信息来源于美国环境保护署的国家湖水评估，从2007年开始，计划每5年重复湖水评估。

在2007年国家湖水评估中，许多生态的，休养的，化学的和物理的指标都被用于测量横跨美国的1000多个湖，并用来评估国家湖的情况。用一个基于概率的调查设计，国家湖水测量结果被用来表示接近50000个湖周围的推断人口数。尽管采集到的信息对于水的质量和生物多样性来说是广泛的，在最开始，湖水区域和深度，盆底区域，年降水量和其他气候数据的水文指标是很有限的。美国环境保护署按照生物指标定义了湖水生态情况。但是，美国环境保护署也对理解压力因素和损伤来源如营养过剩，在国家调查中能帮上很大忙的包括许多详细的水文指标也很感兴趣。湖水质量和生态情况不仅依赖于本地土地使用和湖水海岸的扰动，也与将周围陆地、气候和湖连接起来的湖水水文进程有关。水文特征如停留时间和湖水中流进量的比例与蒸发量相比较，并于化学压力因素相连接。一个去提高国家湖水评估并让我们提高对陆地范围内静水系统的理解的方式将会包含更多详细的措施，在国家调查中去测得湖水水文特征。

许多影响压力因素和湖水生态的生地化功能被湖水水文特征强烈影响。举个例子，蒸发浓度也许会随着保守离子的浓度上升而上升，有时对盐分有着很大的影响，并且一般会和更高的营养浓度有关联。更长的停留时间增加了循环并潜在保留了生物动态例子，包括磷和氮等营养物。更长的停留周期也许会增加有毒金属的沉淀率，减少汞和重金属的浓度。水文功能对潜在生物聚集体的压力因素的影响强调了区域评估和国家湖水评估的重要性。在未来，当气候改变影响到湖水蒸发性和液压渡越时间时，这个重要性还会持续上升。然而，许多水文进程的直接测量在一个空间广泛调查中不能直接被实施，当地点是随机分布时而且经常很遥远时，数据采集就会被一天的测量数量所限制。

一个有效的去评估湖中水文进程的方法就是去测量和。测量蒸发：流入量（E:I）和从稳定同位素测量湖水停留时间的理论早已被完好无损的记录并且优化了很多次。理论是基于同位素的质量平衡和详细的在湖水蒸发中的同位素分别法。如果流入湖中的水的同位素值是已知的（表面水，地下水和直接沉淀的同位素值的平均值），那么从湖水中蒸发出去的比例可以通过湖水中和值的升高被估计出来。过去几年间大部分采用同位素方法进行的研究已经包含了几个湖的样本。Pham et al.使用水中的同位素，测定出湖中的溶质浓度和湖水蒸发量、土地使用情况之间的关系。Gibson and Reid阐述了湖水同位素模型是如何决定每年流入湖中的水通过蒸发离开的以及在湖和流域之间的未来分散的水流失机理。用于测量基础的湖水水文特征的同位素方法实际的可选择的去监控水文情况，理解水平衡效应对水的质量和那些湖水水文数据不可用的湖的生态情况是可行的。

在一个广阔的区域内使用同位素方法去测量湖水水分参数的一个潜在挑战是在夏天只有一份水样本可以采集，只有百分之十的湖可以采样两次。估算E:I和剩余时间的稳定状态模型假设了一个稳定且充分混合的水的体积，这两种对于许多湖来说都是不精确的。但是，稳定状态模型代表了采集期间的样本情况，即时这些情况是动态的而且会季节性的改变。湖中的水同位素信号代表了在水的停留时间内湖水蒸发的一个完整的信号。更长的停留时间能更好的反映平均湖水水文情况。Henderson and Shuman调查了美国西部山区的100个湖，发现湖中同位素值反射出年降水量与河流相比，更多的收到同位素季节性的影响。此外，国家湖水评估的额外调查不试图去预测任何特殊河流的情况但是评估2007年夏季横跨大洲的分布情况，一个数据性调查设计被应用于推断美国湖周围的人口分布（采用测量周期内停留时间大于1年的部分）可以了解样本单天内的置信区间（Peck et al. 2013.）。然而，对于动态参数的点对点测量如湖中营养成分和水文参数反射出了一个在样本调查期间内广阔范围内的情况，但不针对于任何特定的湖。有些广阔的区域湖研究成功估算出单个样本中湖水同位素的水文参数，去评估湖的区域状态。使用单同位素样本方法，Gibson and Edwards(2002)使用加拿大北部三个不同的生态群落：苔原，北部针叶林和其中间的区域，成功描述了湖中清晰的水文机制。北部针叶林湖的蒸发明显高于北部苔原的流入湖。Wolfe et al.(2007)使用从亚伯达北部57个湖中获得的单样本E:I发现了这些湖分类与湖中化学物质的强烈联系。使用这种评估水文状态的方法采用了一种同位素质量平衡模型，湖水中氢和氧同位素成分取决于一个合适于国家湖水评估的逻辑限制的单样本，并且可以提供有关水文特征的信息，在调查期间同时期的生物，化学以及物理指标。

这里，我们在2007年夏季评估周期对分布在美国的1000多个湖使用湖水蒸发理论作为水同位素比例去预测E:I和停留时间，并推断这些结果，基于国家湖水评估的数据量级调查设计去预测整个湖的推断人口（将近50000个湖）。2007年国家湖水评估调查代表了美国最权威最广阔的湖水调查，并且是唯一的基于数据设计的去推断大陆范围内的湖水情况调查。我们的目标是评估分析同位素对单个水样本的潜在影响，去探究大陆范围内的水文数据，并提供湖水质量和生物的水文洞察情况。

方法

国家湖水评估——2007年夏天，美国环境保护署实施了它的第一次国家湖水评估作为国家水资源调查。美国接壤的共计1028个湖被选为基于可能性的调查设计中，大约10%在夏天背随机选择去用于二次采样(Peck et al.)。调查设计试图用1028湖所得到的结果去推断整个美国湖的推断人口。推断人口包括大于0.04平方千米，至少1米深，开放水最小值0.001平方千米的自然湖和人造湖。每个湖是人造或是自然形成的基于地图的视觉检测。所有内陆湖都被看作人造湖。调差排除了五大湖，大盐湖，商业交易池塘，处理池，含盐湖和短暂存在的湖。通过使用国家水文学资料组，Peck et al.(2013)估计出美国大陆上大约68233个湖符合这个标准。但是一个确切的百分值是无法获得的，使49546个样本湖的推断人口被排除。推测湖由州和湖的标准分层。每个湖的推断人口被随机采样，基于可能性的湖的数量代表了分层和州-大小的组。这些权重被用于我们的同位素结果中，去推断整个推断人口数。

国家湖水评估重点关注于评估湖的生物情况，它引出了两个生态指标：浮游生物的可观测：预期（O:E）分类群丢失模型(Hawkins 2006)和生物完整性沉淀硅藻指标(Stoddard et al. 2008)。两个生物指标的具体细节可以在国家湖水评估技术附录上找到（U.S 环境保护署 2010）。美国环境保护署基于浮游生物的O:E分类群丢失模型将湖分成三种生态类型：好（分类群丢失小于20%），中等（分类群丢失在20%到39%），差（分类群丢失大于40%）。我们用自己的水文指标与上述的指标相比较，去帮助评估我们的指标在国家评估中的用处。

水同位素测量——在2007年5月8日到2007年10月18间采样的湖水样本中，三个湖在5月采样，175个湖在6月采样，409个湖在7月采样，375个湖在8月采样，157个湖在9月采样，9个湖在10月采样。在湖最深的地方，从一个湖的完整样本的底部向上2米采集了1公升的水（浅于2米采集底部）存放到一个完整的存储容器中。这个完整的夏天样本来自深湖的变温层，或者浅湖中的整个部分，它用来表示用于水质监测的湖的完好混合层。样本被日夜运送到美国俄勒冈州，科瓦利斯市的环境保护署水化学实验室，去进行标准化学分析，包括总氮量，磷浓度和叶绿素alpha;浓度。对于10%的湖来说，复制区样本在相同的时间被采集并运送。在过滤之后，一个子样品在一个20毫升的玻璃瓶中被提取，并插入了一个锥形盖以防止蒸发。瓶子都被填满了以避免顶端空隙，直到分析之前，样本都被盖着。实验室的复制品是从样本中剔除了5%。在2010年，所有的样本都通过坐落于美国俄勒冈州科瓦利斯市的环境保护署西方生态分区的完整稳定同位素研究设施中的一个激光吸收水蒸汽同位素光谱仪（型号9080004，Los Gatos Research）被用作分析水同位素比率(和)。所有的和值被VSMOW通过千分比形式表示出来，

R是样本中和VSMOW中和原子的比率或和原子的比例。测量精确的估计（plusmn;1标准差）在测定点和实验复制品处分别为0.035%和0.011%，0.027%和0.01%，分别对和来说，代表了仪器的分析精确度。这些复制样本的精确度与我们重复测量的标准变化值：0.026和0.014，和，代表了仪器的分析精确度。场和实验复制品的相似性表明了样本没有在运送途中或者分析之前的储存中蒸发。

我们计算了氘过度量作为一个蒸发是否影响了每个水样本表面的同位素值参考值，公式如下：

d-excess值表明了活跃分馏法（蒸发）与均等分馏法对水同位素的影响。在标准大气情况下，均等分馏法和的比率因子约为8。海水的平均d-excess值为0，然而对于沉淀物来说是10.在陆地环境中，表明水d-excess值小于10时被假定为经历过一定的蒸发。湖中更低的d-excess值通常意味着更高的蒸发值。

E:I的同位素估计值和湖水停留时间——我们通过假设湖是充分混合的和维持一个恒定体积的应用稳定状态质量均衡等式，从湖水中同位素值去估计水文参数(Gibson and Edwards 2002;Gat 2010)。因为湖是动态系统，这些假设通常是无效的。但是对动态系统如湖之类的应用稳定状态等式提供了在采样时期内有效的水文情况定量指标，并且比停留时间更多的湖的平均水文特征更有代表性。我们使用了如下等式：

式中表示流入量，是流出量，是湖水蒸发量。流入量，流出量，蒸发量的同位素值分别为，，。是按照上述方法从湖水样本中测得。

我们使用了WaterIsotopes.org的的沉淀同位素，它使用了全球沉淀氧和氢同位素数据并且根据经验计算了在任何地点的长期的阅读和年度同位素浓度的平均组成方式，这个方法由Bowen和Wilkinson(2002)发明，由Bowen和Revenaugh(2003)和Bowen et al.(2005)优化。这个假设沉淀同位素的年度平均值为，包括了所有水到湖的流动路径和平均年度沉淀。使用这个圈子的平均年度沉淀同位素去大约估算它们的结合表面和地下水流入量对于大部分水文地理参数设定是合适的，除了那些湖是由深部区域水维持的湖。使用沉淀物同位素也假设了所有由湖中蒸发导致的水中同位素变动，并且不随着湖的流径移动，这可能会导致区域内E:I值被高估。我们使用了三种方法去测量。使用了WaterIsotopes.org，同位素沉淀物是使用湖的位置和分水岭中心点和平均分水岭海拔。此外，我们通过计算本地蒸发曲线的双重同位素斜率去推测同位素沉淀量，并且推断出全球大气水线的湖水值。这个LEL斜率方法让我们估计湖的流入量而不太适合表示沉淀同位素时，就如上文提到的那样。LEL斜率可以通过假设流入的水分和大气湿度是在同位素等式中来进行计算，等式如下：

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