黃天明等-JGR：植被覆蓋變化對地下水補給的影響
植樹造林，是生態建設的主要手段，中國自上個世紀70年代開始建設的「三北防護林」和退耕還林還草工程，已經植樹造林63萬km2，相當於一個法國的面積。這些大規模的土地利用和覆蓋變化（LUCC），強烈地影響著當地的水資源。乾旱半乾旱地區約佔全球陸地面積的45%，水資源利用上主要依賴地下水，因而評估生態工程對地下水補給的影響至關重要。氯質量平衡方法（CMB）是估算乾旱半乾旱地區地下水補給量最為常用的方法，然而，在評價LUCC對地下水補給影響時，前提條件是包氣帶土壤氯含量分布的代表性，以及曲線達到穩態。缺乏對於這些條件的判別方法在很大程度上限制了CMB方法的應用。
針對上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程院重點實驗室黃天明副研究員、龐忠和研究員等人基於多年摸索，建立了一種在LUCC條件下判別土壤氯含量分布曲線是否達到穩態的方法。方法的原理包括兩方面內容：第一是LUCC變化時間與特定深度的土壤水分年齡對比判斷氯剖面的代表性，即對比特定深度上土地利用變化歷史延時（AL）與氯累積年齡（A），如果前者大於後者，說明這個深度以上的土壤水是新植被覆蓋條件下補給的，可以利用包氣帶氯質量平衡方法評價地下水補給及其變化；反之，說明土壤水是新舊兩種條件下補給水的混合物，系統水分分布尚未達到新的平衡。第二是利用氯累積和水分累積的相關曲線來識別土壤氯剖面是否為穩態，線性曲線為穩態，否則，為非穩態（圖1）。
圖1 土地利用與覆蓋變化（LUCC）條件下包氣帶氯剖面特徵及穩態識別
毛烏素沙地（圖2）雖然降水量較小（320 mm/yr），但是裸地補給量較大（50–54 mm/yr）。原因是包氣帶巖性為細砂和粉砂，土壤水入滲較快。利用本文提出的方法進行判別，作者發現在蓋度較低的稀疏草地、灌木和林地下面的土壤剖面已達到穩定狀態（圖3），可直接利用CMB方法估算補給。但在蓋度較高的灌木條件下，土壤剖面尚未達到新的平衡。不能用此方法。評估結果表明，毛烏素沙地的地表植被為沙蒿、檸條、沙柳、楊樹等的時候，相對於裸地條件下，在補給區地下水補給量就會減少到67%，甚至10%以下，在排洩區則應該更少。因此，毛烏素沙地的地下水受防護林建設的影響是比較顯著的。
本文提出的評估方法，可用於區域水文模型的標定或遙感方法估算補給量的校正。綜合應用上述技術方法，有望在更大的時空尺度上，對乾旱半乾旱地區實施的植樹造林等生態工程對地下水補給的影響進行更加系統的評價。
圖2 毛烏素沙地研究區土壤剖面和地下水採樣點位置圖
圖3 毛烏素沙地土壤氯剖面穩態曲線（AL>A）
研究成果發表於國際權威學術期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres。（Huang T, Pang Z, Yang S, Yin L. Impact ofafforestation on atmospheric recharge to groundwater in a semiarid area.Journal of Geophysical Research: Atmospheres，2020, 125(9): e2019JD032185. DOI:10.1029/2019JD032185）。該成果受國家自然科學基金委、中國地調局西安地質調查中心、中科院青年創新促進會和國際原子能機構（IAEA）等項目資助。