东北地理所在浅层地下水溶质运移空间模拟研究方面取得重要进展
浅层地下水溶质运移是土壤盐碱化的关键驱动因素,并可能诱发广泛的生态效应,包括植被和土壤退化等问题,严重威胁土地生产力和生物多样性,进而影响人类生存环境。因此,准确模拟浅层地下水的水盐分布对于生态保护和资源管理具有重要的科学意义。然而,由于浅层地下水系统具有水力联系复杂、空间分布不均、影响因素多元化等特点,加之野外观测数据有限,干旱区地下水溶质分布的精准模拟一直是国际研究难点。
图1 地下水溶质动态示意图,展示了自然过程(如气候、土壤性质、植物吸收和地下水-地表水相互作用)与人为干扰(如城市化、农业、废物处置)之间的水力联系与相互作用,以及它们对地下水系统的综合影响。
针对这一挑战我所湿地遥感学科组团队创新性地提出了融合生态建模思想的地下水研究新范式。将生态学领域的物种分布模型(Species Distribution Model,SDM)应用于浅层地下水主要溶质(Na⁺、K⁺、SO₄²⁻、Cl⁻等)的空间预测,通过整合传统水文模型与机器学习方法,成功构建了大尺度干旱区地下水溶质分布模拟模型,为地下水质量监测与盐碱化防控提供了新的技术手段。
该研究系统采集了浅层地下水、深层地下水和地表水样本,建立了包含地形、气候、水力联系、土壤特性和人类活动等五大类环境因子的多维数据库。创新性地将溶质浓度类比为生态系统中的物种"适生性",利用SDM模型模拟其在地下水系统中的空间分布规律。通过引入端元混合分析(EMMA)、随机森林和AICc模型选择等先进算法,有效解决了野外观测数据不足的难题,预测精度较传统空间插值方法(如克里金法)提升30%以上。
研究发现:研究区内浅层地下水中Na⁺、K⁺、SO₄²⁻和Cl⁻的浓度主要受地表水化学组成调控;Ca²⁺的分布则与深层地下水联系密切;人类活动(如人口密度、土地利用)与溶质浓度呈显著正相关(p<0.05),在农业灌溉区表现尤为突出;气候因子中,降水(负相关)和蒸发量(正相关)对溶质迁移具有显著调控作用。该成果可为浅层地下水溶质运移机制研究提供新的视角,为精准识别盐分富集区和科学管理地下水资源提供技术支撑。
图2 本研究方法与物种分布模型(SDM)和克里金插值法(Kriging)的对比图
该成果近期在线发表在水文水资源顶级期刊《Water Resources Research》,由我所李建国助理研究员(第一作者)、毛德华研究员、王宗明研究员,联合河南大学谢遵义教授(通讯作者)、兰州大学龙瑞军教授、深圳大学刘安教授、西北农林科技大学于强教授等共同完成。由国家自然科学基金(42371311)、"黑土粮仓"科技会战人才专项基金(E455S30401)和吉林省自然科学基金(YDZJ202501ZYTS495)等共同资助。
论文信息如下:
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.
论文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024WR037753
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