植树造林，是生态建设的主要手段，中国自上个世纪70年代开始建设的“三北防护林”和退耕还林还草工程，已经植树造林63万km²，相当于一个法国的面积。这些大规模的土地利用和覆盖变化（LUCC），强烈地影响着当地的水资源。干旱半干旱地区约占全球陆地面积的45%，水资源利用上主要依赖地下水，因而评估生态工程对地下水补给的影响至关重要。氯质量平衡方法（CMB）是估算干旱半干旱地区地下水补给量最为常用的方法，然而，在评价LUCC对地下水补给影响时，前提条件是包气带土壤氯含量分布的代表性，以及曲线达到稳态。缺乏对于这些条件的判别方法在很大程度上限制了CMB方法的应用。 

    针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室黄天明副研究员、庞忠和研究员等人基于多年摸索，建立了一种在LUCC条件下判别土壤氯含量分布曲线是否达到稳态的方法。方法的原理包括两方面内容：第一是LUCC变化时间与特定深度的土壤水分年龄对比判断氯剖面的代表性，即对比特定深度上土地利用变化历史延时（A_L）与氯累积年龄（A），如果前者大于后者，说明这个深度以上的土壤水是新植被覆盖条件下补给的，可以利用包气带氯质量平衡方法评价地下水补给及其变化；反之，说明土壤水是新旧两种条件下补给水的混合物，系统水分分布尚未达到新的平衡。第二是利用氯累积和水分累积的相关曲线来识别土壤氯剖面是否为稳态，线性曲线为稳态，否则，为非稳态（图1）。 

 

图1 土地利用与覆盖变化（LUCC）条件下包气带氯剖面特征及稳态识别 

    毛乌素沙地（图2）虽然降水量较小（320 mm/yr），但是裸地补给量较大（50–54 mm/yr）。原因是包气带岩性为细砂和粉砂，土壤水入渗较快。利用本文提出的方法进行判别，作者发现在盖度较低的稀疏草地、灌木和林地下面的土壤剖面已达到稳定状态（图3），可直接利用CMB方法估算补给。但在盖度较高的灌木条件下，土壤剖面尚未达到新的平衡。不能用此方法。评估结果表明，毛乌素沙地的地表植被为沙蒿、柠条、沙柳、杨树等的时候，相对于裸地条件下，在补给区地下水补给量就会减少到67%，甚至10%以下，在排泄区则应该更少。因此，毛乌素沙地的地下水受防护林建设的影响是比较显著的。 

    本文提出的评估方法，可用于区域水文模型的标定或遥感方法估算补给量的校正。综合应用上述技术方法，有望在更大的时空尺度上，对干旱半干旱地区实施的植树造林等生态工程对地下水补给的影响进行更加系统的评价。 

 

图2 毛乌素沙地研究区土壤剖面和地下水采样点位置图 

 

图3 毛乌素沙地土壤氯剖面稳态曲线（A_L>A） 

    研究成果发表于国际权威学术期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres。（Huang T, Pang Z, Yang S, Yin L. Impact of afforestation on atmospheric recharge to groundwater in a semiarid area. Journal of Geophysical Research: Atmospheres，2020, 125(9): e2019JD032185. DOI: 10.1029/2019JD032185）（原文链接）。该成果受国家自然科学基金委、中国地调局西安地质调查中心、中科院青年创新促进会和国际原子能机构（IAEA）等项目资助。