東北地理所在淺層地下水溶質運移空間模擬研究方面取得重要進展
淺層地下水溶質運移是土壤鹽堿化的關鍵驅動因素，并可能誘發(fā)廣泛的生態(tài)效應，包括植被和土壤退化等問題，嚴重威脅土地生產力和生物多樣性，進而影響人類生存環(huán)境。因此，準確模擬淺層地下水的水鹽分布對于生態(tài)保護和資源管理具有重要的科學意義。然而，由于淺層地下水系統(tǒng)具有水力聯(lián)系復雜、空間分布不均、影響因素多元化等特點，加之野外觀測數(shù)據(jù)有限，干旱區(qū)地下水溶質分布的精準模擬一直是國際研究難點。
圖1 地下水溶質動態(tài)示意圖，展示了自然過程（如氣候、土壤性質、植物吸收和地下水-地表水相互作用）與人為干擾（如城市化、農業(yè)、廢物處置）之間的水力聯(lián)系與相互作用，以及它們對地下水系統(tǒng)的綜合影響。
針對這一挑戰(zhàn)我所濕地遙感學科組團隊創(chuàng)新性地提出了融合生態(tài)建模思想的地下水研究新范式。將生態(tài)學領域的物種分布模型（Species Distribution Model,SDM）應用于淺層地下水主要溶質（Na?、K?、SO?2?、Cl?等）的空間預測，通過整合傳統(tǒng)水文模型與機器學習方法，成功構建了大尺度干旱區(qū)地下水溶質分布模擬模型，為地下水質量監(jiān)測與鹽堿化防控提供了新的技術手段。
該研究系統(tǒng)采集了淺層地下水、深層地下水和地表水樣本，建立了包含地形、氣候、水力聯(lián)系、土壤特性和人類活動等五大類環(huán)境因子的多維數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)新性地將溶質濃度類比為生態(tài)系統(tǒng)中的物種"適生性"，利用SDM模型模擬其在地下水系統(tǒng)中的空間分布規(guī)律。通過引入端元混合分析（EMMA）、隨機森林和AICc模型選擇等先進算法，有效解決了野外觀測數(shù)據(jù)不足的難題，預測精度較傳統(tǒng)空間插值方法（如克里金法）提升30%以上。
研究發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)內淺層地下水中Na?、K?、SO?2?和Cl?的濃度主要受地表水化學組成調控；Ca2?的分布則與深層地下水聯(lián)系密切；人類活動（如人口密度、土地利用）與溶質濃度呈顯著正相關（p<0.05），在農業(yè)灌溉區(qū)表現(xiàn)尤為突出；氣候因子中，降水（負相關）和蒸發(fā)量（正相關）對溶質遷移具有顯著調控作用。該成果可為淺層地下水溶質運移機制研究提供新的視角，為精準識別鹽分富集區(qū)和科學管理地下水資源提供技術支撐。
圖2 本研究方法與物種分布模型（SDM）和克里金插值法（Kriging）的對比圖
該成果近期在線發(fā)表在水文水資源頂級期刊《Water Resources Research》，由我所李建國助理研究員（第一作者）、毛德華研究員、王宗明研究員，聯(lián)合河南大學謝遵義教授（通訊作者）、蘭州大學龍瑞軍教授、深圳大學劉安教授、西北農林科技大學于強教授等共同完成。由國家自然科學基金（42371311）、"黑土糧倉"科技會戰(zhàn)人才專項基金（E455S30401）和吉林省自然科學基金（YDZJ202501ZYTS495）等共同資助。
論文信息如下：
Li,J.,Xie,Z.,Mao,D.,Long,R.,Liu,A.,Yu,Q.,Wang,Z.,Yang,X.,Zhong,C.,Solomon,M.,Ramp,D. (2025). Mapping shallow groundwater solute footprints in arid regions using a hydrologically enhanced species distribution model. Water Resources Research,61,e2024WR037753.
論文鏈接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024WR037753
附件下載：
吉公網(wǎng)安備22017302000214號
