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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展，地下水作為最大的淡水資源之一以及全球水文循環的重要組成部分引起了越來越多的關注。地下水供應了數十億人的飲用水，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的環境變化對地下水系統的影響日益凸顯，這引發了對地下水補給、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的理解仍然存在許多問題。地下水資源的過度開采導致了地下水枯竭和水位下降的問題，而氣候變化則引發了地下水補給和流動模式的變化，對地下水系統的穩定性造成了威脅。此外，地下水與海平面上升之間的關系以及海岸地區地下水淹沒問題也備受關注。

成果簡介

鑒于此，南方科技大學劉俊國和鄭春苗教授團隊等人于Science頂刊發表“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的變化情況，特別關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中的作用進行綜合評估，以及對不同地質、氣候和人類活動影響下的地下水系統進行比較研究。此外，本研究深入了解全球地下水系統的動態變化，并為地下水資源的可持續管理提供科學依據。

圖文導讀

氣候變化是人類關注的關鍵因素，也是人類賴以生存的生態資源。氣候驅動的改變包括大陸間地下水補給率的變化，在冰川區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河流的穩定地下水排放。多年凍土融化導致降雨滲入增加，地下水儲存量增加，創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、非常規油氣生產、地熱能勘探、管理式含水層補給、造林、土地開墾、城市化和國際糧食貿易。這些活動導致了地下水的提取和注入，重塑了區域地下水流動模式，影響了地下水位和儲存量，并在全球范圍內重新分配了嵌入式地下水資源。地下水枯竭現象在全球范圍內普遍存在，并在近幾十年內加劇。從含水層抽取的地下水通過對河流的排放和蒸發參與到全球水循環中。地下水提取將長期儲存的淡水轉移到地球表面的活躍水循環中。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代水循環中，最終導致海平面上升。海平面上升加劇了沿海地區的鹽水入侵和地下水淹沒的風險。地下水對飲用水和灌溉的重要性預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計將在未來變得更加顯著。

圖1：全球水文循環及其組成部分。

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在全球水循環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其研究結果。在圖示中，研究者首先呈現了全球水文循環的結構，并突出地下水在其中的重要性（圖1）。隨后，研究者詳細討論了氣候變化和人為活動對地下水系統的影響。通過圖示展示了氣候變化導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的影響（圖6），以及人為活動如地下水開采、非常規油氣生產、土地開墾和城市化對地下水系統的影響。綜合分析顯示，氣候變化和人為活動對地下水系統的影響十分復雜。氣候變化導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的穩定性，而人為活動則可能引起地下水過度開采、地下水質量下降等問題。另外，地下水系統的變化還可能對地表水系統、生態系統和人類社會產生重要影響。綜上所述，通過綜合分析全球地下水系統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性提供了重要線索。這些研究結果為未來全球水資源管理和保護提供了科學依據，有助于制定相應的政策和措施，促進全球水資源的可持續利用。

圖3.?冰川流域和多年凍土區地下水流系統示意圖

圖4.?不同類型的地下水開采和補給示意圖

全球水循環中地下水的作用日益變得動態和復雜，而地下水資源的安全性在數量和質量方面在全球范圍內面臨著相當大的威脅。地下水資源的可持續利用已成為全球關注的重要問題。在規劃更加可持續的未來時，應該從區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。隨著全球變化繼續影響這些資源，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，并維護生態系統的健康。可以采用各種管理策略，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、水資源轉移項目和綠色基礎設施建設，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地下水的詳細研究、地下水補給的更準確預測、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，全面的觀測數據集至關重要，因為它們可以對地下水資源的當前狀態和未來變化進行全面評估。

圖5.?土地開墾和城市化導致的地下水流系統變化

圖6. 地下水提取、海平面上升和淹沒的示意圖

總結展望

本文科學啟示了地下水在全球水循環中的重要性以及其受氣候變化和人類活動影響的復雜性。通過深入分析地下水的動態變化和面臨的挑戰，揭示了可持續利用地下水資源的緊迫性和關鍵性。同時，強調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性，并為未來的水資源管理提供了科學依據。

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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