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，并可能誘發廣泛的生態效應，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境。因此，準確模擬淺層地下水的水鹽分布對于生態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具有水力聯系復雜、空間分布不均、影響因素多元化等特點，加之野外觀測數據有限，干旱區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、廢物處置）之間的水力聯系與相互作用，以及它們對地下水系統的綜合影響。
針對這一挑戰我所濕地遙感學科組團隊創新性地提出了融合生態建模思想的地下水研究新范式。將生態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，通過整合傳統水文模型與機器學習方法，成功構建了大尺度干旱區地下水溶質分布模擬模型，為地下水質量監測與鹽堿化防控提供了新的技術手段。
該研究系統采集了淺層地下水、深層地下水和地表水樣本，建立了包含地形、氣候、水力聯系、土壤特性和人類活動等五大類環境因子的多維數據庫。創新性地將溶質濃度類比為生態系統中的物種"適生性"，利用SDM模型模擬其在地下水系統中的空間分布規律。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據不足的難題，預測精度較傳統空間插值方法（如克里金法）提升30%以上。
研究發現：研究區內淺層地下水中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），在農業灌溉區表現尤為突出；氣候因子中，降水（負相關）和蒸發量（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
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