全球气候变化背景下,冰冻圈的剧烈消融一方面引起固体水资源的锐减,另一方面增加的融水量正逐步改变着流域水文过程和水循环特征,特别是液态降水增加和冰雪、冻土剧烈消融引起的寒区径流成分改变及其水文效应变化,对流域径流演变规律及水循环机制产生了深刻影响,进而对水资源的时空配置及其水利资源的开发利用带来了新的挑战。那么如何量化气候变暖和冰冻圈剧烈消融背景下径流成分的变化,已成为寒区水文学研究亟待解决的关键科学问题。为此,本文以长江源区为研究区,共采集大气降水、冰雪融水、冻土层上水和河水样品1770组,应用稳定同位素示踪和端元混合径流分割模型等方法,分析了长江源区径流稳定同位素特征及指示的水文过程,然后基于稳定同位素示踪剖析了径流与大气降水、冰雪融水和冻土层上水的紧密联系,确定了径流组成成分,最后运用端元混合径流分割模型量化了出山口径流、不同类型支流和冻土层上水的补给源。得出的主要结论如下:(1)受局地环境及不同水源补给比例差异的影响,河水稳定同位素时空变化差异显著,其空间变化主要反映了3个因素的影响:不同海拔的河水补给源及补给比例的差异性;不同海拔降水汇流量及稀释作用的程度差异;不同海拔蒸散发程度的差异。(2)长江源区冰雪融水和冻土层上水稳定同位素特征主要受消融过程、蒸散发和补给源变化的影响。冻土层上水氧同位素以4400-4600 m为界,低于该海拔时呈现出显著的反海拔效应,高于该海拔时呈现显著的海拔效应,这一现象主要是由于地下冰融水对冻土层上水补给比例随海拔的增加而引起的。(3)冻土层上水是长江源区径流的主要补给源。与降水、冰雪融水和冻土层上水相比,河水稳定同位素年际变化比较平稳、波动小,反映了各水体先混合转化为地下水,然后补给径流。更为重要的是,河水局地蒸发线与大气水线交点的稳定同位素组成与冻土层上水极为相近。各水体稳定同位素的聚类分布和紧密联系表明,长江源区径流主要由冻土层上水、大气降水和冰雪融水混合补给而成。(4)2016年6月至2018年5月,沱沱河站冻土层上水、大气降水和冰雪融水分别贡献了河水的约51%、26%和23%,直门达站冻土层上水、大气降水和冰雪融水分别贡献了河水的约49%、34%和17%。研究区冰雪融水对径流的贡献率从源区到出山口呈下降趋势,而大气降水呈增加趋势,冻土层上水则保持稳定态势,5月、6月和10月冻土层上水主导研究区径流补给,而7月和8月降水的贡献率达50%左右。(5)冻土层上水也是冰川冻土区支流河水、冻土区支流河水和不同海拔干流河水的主要补给源。在强消融期,冻土层上水对冰川冻土区支流河水的补给比例与大气降水和冰雪融水的补给比例相差不大。对冻土区支流河水而言,大气降水和冰雪融水的补给比例相对较低。强消融期不同海拔干流河水的主要补给源是大气降水。(6)大气降水是长江源区冻土层上水的主要补给源,其次是地下冰融水,但其贡献率远低于大气降水,而冰雪融水仅在消融初期和消融末期补给冻土层上水,并且冰雪融水对冻土层上水的补给仅限于高海拔区,其贡献比例较小。本文首次将冻土层上水及其对寒区径流的影响作为研究内容,确认了冻土层上水是径流的主导,并从寒区水循环过程的角度开展同位素水文学研究,率先量化确定了不同类型支流和冻土层上水的补给源及补给源的时空变化特征,拓展了寒区同位素水文学,为深入揭示气候变暖背景下寒区径流的演变机制提供理论基础,为寒区径流变化模拟和预测研究提供参数支持,进而为更准确的评估冰冻圈快速变化对水文水资源和生态系统的影响提供科学依据。