长期干旱对不同土地利用方式下景观蓄水与恢复的影响

北京世纪朝阳科技发展有限公司

2024/10/12 09:44

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摘要

欧洲最近发生的极端干旱凸显了迫切需要量化其对景观生态水文通量（蒸散量、地下水补给）和水储存（主要是土壤湿度）的影响。为此，结合基于EcH₂O-iso和(NARX模型来估计长期干旱对水通量和储存的持久影响，并预测未来短期地下水位和各种降水条件下的恢复潜力场景。这项工作是在德姆尼茨米尔溪(DMC)进行的，这是德国北部一个70平方公里的混合土地利用（耕作作物和林业）集水区。模拟表明，2018年和2022年的极端干旱年份影响最为显着，导致地下水补给量(>40%)、蒸散量(高达16%)和土壤湿度(高达6%)大幅下降。模拟表明，如果最近的降水异常持续存在，地下水位可能在未来15年内不会恢复。这些发现强调迫切需要增强抵御能力并促进土地和水资源管理综合战略，以优化景观保水并更好地应对干旱。

研究目的

量化长期干旱对景观水文通量（如蒸散发、地下水补给）和水储存（主要是土壤湿度）的持久影响，并预测未来短期地下水位和恢复潜力。研究旨在评估不同降水情景下干旱对水资源恢复的影响，并提出增强抗旱能力和综合管理土地与水资源的策略，以优化景观中的水分保持并更好地应对干旱。

研究方法

采用基于EcH₂O-iso和NARX模型相结合的方法来估计长期干旱对水通量和储存的持续影响，并预测未来地下水位。研究使用了位于德国北部一个70平方公里的混合土地利用（农作物和林业）流域作为研究区域。研究中还包括了对环境同位素示踪剂的分析，以帮助更好地理解干旱条件下的生态水文通量、水分分配和景观水储存动态。

如下图所示，不同土地利用类型和观测点的同位素模拟结果与观测数据的比较，支持模型的准确性和研究结论的有效性。

溪水同位素（δ²H和δ¹⁸O）在三个不同地点（Demnitz Mill、Bruch Mill 和 Peat North）的模拟与观测值的对比。

地下水同位素在GW4观测点的模拟与观测值的对比。

土壤水同位素在森林地点的第1层（顶部15厘米）和第2层（顶部15-35厘米）的模拟与观测值的对比。

通过这些数据，研究者能够确保模型在模拟干旱条件下的水分动态时具有可靠性和有效性。

结论

研究结果表明，最近的干旱对德国北部低地集水区的生态水文学产生了深远的负面影响。集水区规模的地下水补给、土壤湿度和蒸发量都大幅减少，特别是在2018年和2022年的主要干旱年份。当时我们观察到，在持续缺水的情况下，整个集水区的水通量表现出最小的空间变化（跨不同的土地用途）。然而，我们仍然观察到，农田和针叶林的不同土地利用方式在干旱的生态水文途径上存在明显的脆弱性，这主要是由于它们的地下储存能力不同。假设最近的负降水异常持续存在，我们对地下水恢复的预测是悲观的，一口井不太可能恢复，另外三口井可能平均需要6年才能恢复到干旱前的水位。