東北地理所在淺層地下水溶質(zhì)運(yùn)移空間模擬研究方面取得重要進(jìn)展
淺層地下水溶質(zhì)運(yùn)移是土壤鹽堿化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，并可能誘發(fā)廣泛的生態(tài)效應(yīng)，包括植被和土壤退化等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅土地生產(chǎn)力和生物多樣性，進(jìn)而影響人類(lèi)生存環(huán)境。因此，準(zhǔn)確模擬淺層地下水的水鹽分布對(duì)于生態(tài)保護(hù)和資源管理具有重要的科學(xué)意義。然而，由于淺層地下水系統(tǒng)具有水力聯(lián)系復(fù)雜、空間分布不均、影響因素多元化等特點(diǎn)，加之野外觀測(cè)數(shù)據(jù)有限，干旱區(qū)地下水溶質(zhì)分布的精準(zhǔn)模擬一直是國(guó)際研究難點(diǎn)。
圖1 地下水溶質(zhì)動(dòng)態(tài)示意圖，展示了自然過(guò)程（如氣候、土壤性質(zhì)、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(nóng)業(yè)、廢物處置）之間的水力聯(lián)系與相互作用，以及它們對(duì)地下水系統(tǒng)的綜合影響。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)我所濕地遙感學(xué)科組團(tuán)隊(duì)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(xué)領(lǐng)域的物種分布模型（Species Distribution Model,SDM）應(yīng)用于淺層地下水主要溶質(zhì)（Na?、K?、SO?2?、Cl?等）的空間預(yù)測(cè)，通過(guò)整合傳統(tǒng)水文模型與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，成功構(gòu)建了大尺度干旱區(qū)地下水溶質(zhì)分布模擬模型，為地下水質(zhì)量監(jiān)測(cè)與鹽堿化防控提供了新的技術(shù)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(lèi)活動(dòng)等五大類(lèi)環(huán)境因子的多維數(shù)據(jù)庫(kù)。創(chuàng)新性地將溶質(zhì)濃度類(lèi)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(guò)引入端元混合分析（EMMA）、隨機(jī)森林和AICc模型選擇等先進(jìn)算法，有效解決了野外觀測(cè)數(shù)據(jù)不足的難題，預(yù)測(cè)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(nèi)淺層地下水中Na?、K?、SO?2?和Cl?的濃度主要受地表水化學(xué)組成調(diào)控；Ca2?的分布則與深層地下水聯(lián)系密切；人類(lèi)活動(dòng)（如人口密度、土地利用）與溶質(zhì)濃度呈顯著正相關(guān)（p<0.05），在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)表現(xiàn)尤為突出；氣候因子中，降水（負(fù)相關(guān)）和蒸發(fā)量（正相關(guān)）對(duì)溶質(zhì)遷移具有顯著調(diào)控作用。該成果可為淺層地下水溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)制研究提供新的視角，為精準(zhǔn)識(shí)別鹽分富集區(qū)和科學(xué)管理地下水資源提供技術(shù)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(duì)比圖
該成果近期在線發(fā)表在水文水資源頂級(jí)期刊《Water Resources Research》，由我所李建國(guó)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(xué)謝遵義教授（通訊作者）、蘭州大學(xué)龍瑞軍教授、深圳大學(xué)劉安教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)于強(qiáng)教授等共同完成。由國(guó)家自然科學(xué)基金（42371311）、"黑土糧倉(cāng)"科技會(huì)戰(zhàn)人才專(zhuān)項(xiàng)基金（E455S30401）和吉林省自然科學(xué)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
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