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研究背景

隨著全球氣候變化和人類活動的不斷發(fā)展，地下水作為最大的淡水資源之一以及全球水文循環(huán)的重要組成部分引起了越來越多的關(guān)注。地下水供應(yīng)了數(shù)十億人的飲用水，同時也滿足了全球40%左右的灌溉需求，但隨著地下水資源的開采和管理問題逐漸凸顯，對其進行更深入的研究變得尤為重要。尤其是氣候變化引發(fā)的環(huán)境變化對地下水系統(tǒng)的影響日益凸顯，這引發(fā)了對地下水補給、流動、存儲和分布等方面的更深入探討。然而，對于全球地下水系統(tǒng)的理解仍然存在許多問題。地下水資源的過度開采導(dǎo)致了地下水枯竭和水位下降的問題，而氣候變化則引發(fā)了地下水補給和流動模式的變化，對地下水系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了威脅。此外，地下水與海平面上升之間的關(guān)系以及海岸地區(qū)地下水淹沒問題也備受關(guān)注。

成果簡介

鑒于此，南方科技大學(xué)劉俊國和鄭春苗教授團隊等人于Science頂刊發(fā)表“The changing nature of groundwater in the global water cycle”的研究綜述。本綜述旨在全面分析近幾十年來全球地下水系統(tǒng)的變化情況，特別關(guān)注氣候變化和人類活動對地下水補給、流動、存儲和分布的影響。通過對地下水在全球水文循環(huán)中的作用進行綜合評估，以及對不同地質(zhì)、氣候和人類活動影響下的地下水系統(tǒng)進行比較研究。此外，本研究深入了解全球地下水系統(tǒng)的動態(tài)變化，并為地下水資源的可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

圖文導(dǎo)讀

氣候變化是人類關(guān)注的關(guān)鍵因素，也是人類賴以生存的生態(tài)資源。氣候驅(qū)動的改變包括大陸間地下水補給率的變化，在冰川區(qū)流域增加的地下水對河流流量的貢獻。冰川融水滲入地下維持了干旱季節(jié)河流的穩(wěn)定地下水排放。多年凍土融化導(dǎo)致降雨滲入增加，地下水儲存量增加，創(chuàng)造了新的地下流動路徑，并增加了地下水向河流流量的排放。直接的人為活動包括地下水提取、非常規(guī)油氣生產(chǎn)、地?zé)崮芸碧?、管理式含水層補給、造林、土地開墾、城市化和國際糧食貿(mào)易。這些活動導(dǎo)致了地下水的提取和注入，重塑了區(qū)域地下水流動模式，影響了地下水位和儲存量，并在全球范圍內(nèi)重新分配了嵌入式地下水資源。地下水枯竭現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)普遍存在，并在近幾十年內(nèi)加劇。從含水層抽取的地下水通過對河流的排放和蒸發(fā)參與到全球水循環(huán)中。地下水提取將長期儲存的淡水轉(zhuǎn)移到地球表面的活躍水循環(huán)中。此外，從深層含水層抽取的不可再生地下水將古老的深層化石地下水整合到活躍的當(dāng)代水循環(huán)中，最終導(dǎo)致海平面上升。海平面上升加劇了沿海地區(qū)的鹽水入侵和地下水淹沒的風(fēng)險。地下水對飲用水和灌溉的重要性預(yù)計將隨著氣候變化而增加。因此，地下水枯竭對海平面上升的影響預(yù)計將在未來變得更加顯著。

圖1：全球水文循環(huán)及其組成部分。

圖2.?地下水補給、開采、水位下降和儲存變化

為了深入了解全球地下水系統(tǒng)在全球水循環(huán)中的變化以及氣候變化和人為活動對其影響的機制，研究者通過綜合分析地下水補給、排放、流動、儲存等方面的變化，研究者繪制了幾個圖示來呈現(xiàn)其研究結(jié)果。在圖示中，研究者首先呈現(xiàn)了全球水文循環(huán)的結(jié)構(gòu)，并突出地下水在其中的重要性（圖1）。隨后，研究者詳細(xì)討論了氣候變化和人為活動對地下水系統(tǒng)的影響。通過圖示展示了氣候變化導(dǎo)致的地下水補給率變化、冰川退縮和多年凍土融化對地下水系統(tǒng)的影響（圖6），以及人為活動如地下水開采、非常規(guī)油氣生產(chǎn)、土地開墾和城市化對地下水系統(tǒng)的影響。綜合分析顯示，氣候變化和人為活動對地下水系統(tǒng)的影響十分復(fù)雜。氣候變化導(dǎo)致的地下水補給率和排放量的變化可能會影響全球水循環(huán)的穩(wěn)定性，而人為活動則可能引起地下水過度開采、地下水質(zhì)量下降等問題。另外，地下水系統(tǒng)的變化還可能對地表水系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和人類社會產(chǎn)生重要影響。綜上所述，通過綜合分析全球地下水系統(tǒng)的變化情況以及氣候變化和人為活動對其影響的機制，本研究為進一步了解全球水資源的可持續(xù)性提供了重要線索。這些研究結(jié)果為未來全球水資源管理和保護提供了科學(xué)依據(jù)，有助于制定相應(yīng)的政策和措施，促進全球水資源的可持續(xù)利用。

圖3.?冰川流域和多年凍土區(qū)地下水流系統(tǒng)示意圖

圖4.?不同類型的地下水開采和補給示意圖

全球水循環(huán)中地下水的作用日益變得動態(tài)和復(fù)雜，而地下水資源的安全性在數(shù)量和質(zhì)量方面在全球范圍內(nèi)面臨著相當(dāng)大的威脅。地下水資源的可持續(xù)利用已成為全球關(guān)注的重要問題。在規(guī)劃更加可持續(xù)的未來時，應(yīng)該從區(qū)域和全球的角度考慮地下水資源，尤其是對于大型跨境地下水系統(tǒng)。隨著全球變化繼續(xù)影響這些資源，將地下水和地表水作為單一資源進行管理至關(guān)重要。此外，必須同時解決糧食和水資源安全問題，并維護生態(tài)系統(tǒng)的健康?？梢圆捎酶鞣N管理策略，包括森林和濕地保護、海水淡化、廢水回收、管理式含水層補給、水資源轉(zhuǎn)移項目和綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以增強地下水的韌性。存在一些重要的研究空白需要進一步探索，包括對高緯度和山地地區(qū)地下水的詳細(xì)研究、地下水補給的更準(zhǔn)確預(yù)測、注入和排放地下水量的定量評估以及全球水平衡的精確建模。為了有效解決這些空白，全面的觀測數(shù)據(jù)集至關(guān)重要，因為它們可以對地下水資源的當(dāng)前狀態(tài)和未來變化進行全面評估。

圖5.?土地開墾和城市化導(dǎo)致的地下水流系統(tǒng)變化

圖6. 地下水提取、海平面上升和淹沒的示意圖

總結(jié)展望

本文科學(xué)啟示了地下水在全球水循環(huán)中的重要性以及其受氣候變化和人類活動影響的復(fù)雜性。通過深入分析地下水的動態(tài)變化和面臨的挑戰(zhàn)，揭示了可持續(xù)利用地下水資源的緊迫性和關(guān)鍵性。同時，強調(diào)了全球性管理和綜合性解決方案的必要性，以確保地下水資源的長期可持續(xù)性，并為未來的水資源管理提供了科學(xué)依據(jù)。

文獻信息

Xingxing Kuang et al. ,The changing nature of groundwater in the global water cycle.Science383,eadf0630(2024).

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