中国干旱草原地区蒸腾作用强度对植被绿化响应的敏感性下降：土壤湿度和蒸气压亏缺的作用

《Journal of Hydrology》：Declining sensitivity of transpiration fraction to vegetation greening in China’s arid grasslands: Role of soil moisture and vapor pressure deficit

地下水动态对降水响应研究——以内蒙古霍林郭勒沙漠东南部为例，整合STL分解、小波变换及交叉相关分析等方法，揭示自由含水层中沙丘地下水年升0.64-0.97m，草地稳定或下降；弱受限含水层沙丘滞后最长达113.5天，草地63天。时空异质性受土壤渗透性（0.29-11.2m/d）、植被覆盖及地貌结构调控，为沙漠化地区水文管理提供依据。

　　在内蒙中部的科尔沁沙地，科学家们对地下水响应降水的动态特性进行了深入研究，旨在揭示不同地貌单元（移动沙丘、固定沙丘、半固定沙丘和草地）的地下水变化机制。研究区域选择在科尔沁沙地东南边缘的阿古拉生态水文实验站，该地区具有干旱的气候特征，降水较少，蒸发强烈，同时面临着高人口密度、快速城市扩张和持续的经济发展带来的生态压力。研究的时间跨度为2016年至2023年，期间通过多种时间序列分析方法，包括STL分解、小波分析、交叉相关性分析等，对浅层潜水含水层和弱承压含水层的地下水动态进行了系统研究，重点在于季节性变化、解相关时间以及降雨滞后效应。

地下水作为水资源的重要组成部分，在塑造生态系统过程中扮演着关键角色。它不仅在维持生态系统运作和物种持续生存方面具有不可替代的生态功能，还在全球水文循环中发挥着重要影响。在生态脆弱的干旱和半干旱地区，地下水更是关键的水文调节因素，参与水的再分配和空间时间水可用性的调控。稳定且充足的地下水供应是植被恢复、土壤改良和土地退化控制的基石，因此地下水在这些区域的生态平衡和长期生态功能保障中具有不可或缺的作用。研究地下水与降水之间的关系，对于理解区域水文循环模式和确保水资源的可持续管理至关重要。

此前关于黄土高原的研究表明，潜水含水层主要依赖于局部降水进行补给，其补给机制包括 piston 流和优先流。在某些区域，如加拿大阿尔德溪流域，降水空间异质性被认为是补给不确定性的主要来源。在动态地下水变化的研究中， Hao Yonghong 等人开发了一维 DWT 模型，揭示了地下水波动主要由长期蒸发和降水的季节性模式驱动。这一模型已被证明对模拟区域地下水位动态和预测时间变化非常有效。时间序列分析方法在含水层研究中被广泛应用于刻画含水层结构和阐明水动力过程。然而，现有研究存在一些局限性，包括研究算法往往过于简单，仅依赖单一模型或分析方法，这限制了对地下水-降水响应动态复杂性的全面理解。此外，研究范围较为狭窄，主要集中在特定地区的单一含水层类型，忽略了不同地貌和含水层之间响应变化的多样性。这种忽略使得无法全面描绘区域地下水动态的异质性。

为了克服这些研究局限，本研究引入了多种时间序列分析技术，包括归一化地下水位（GWL）方法、STL 分解方法、小波分析、自相关分析和交叉相关性分析。这些方法可以准确分类地下水位时间序列的趋势，揭示地下水位与降水之间的滞后效应，并定量评估不同地貌单元和含水层类型的地下水动态。研究结果表明，潜水含水层中的地下水位在沙丘地区上升了 0.64–0.97 米，而在草地中则保持稳定或略有下降；弱承压含水层则呈现出显著上升趋势，上升幅度为 0.33–1.08 米。草地潜水含水层的季节性波动幅度达到 1 米，而草地弱承压含水层的季节性波动幅度为 0.55 米。弱承压含水层的滞后效应范围在 1–2 个月之间，而潜水含水层的滞后效应范围则从 1 天（草地）到 113.5 天（固定沙丘弱承压含水层）。这些滞后效应主要由土壤渗透性和地下水深度决定。

研究还揭示了地下水位的“记忆效应”和解相关时间的显著差异。在潜水含水层中，解相关时间在 21–40 天之间，而在弱承压含水层中，解相关时间在 16–29 天之间。这表明，地下水位的变化受到历史水文过程的显著影响，如过去的降水和蒸发。研究结果还表明，土壤渗透性是影响地下水响应时间的关键因素，渗透性越强，地下水位对降水的响应越迅速，滞后效应越短。

研究结果对于科尔沁沙地乃至全球其他类似干旱和半干旱沙地的地下水管理和生态系统恢复具有重要的科学基础。通过综合分析地下水与降水的相互作用，研究为制定科学的水资源管理策略和生态保护措施提供了理论依据。此外，研究还强调了土壤渗透性和地下水深度在地下水响应时间中的核心控制作用，这为未来研究提供了方向，即进一步探讨其他外部环境因素（如蒸散发和人为活动）对区域地下水系统的影响。

通过应用每日降水和地下水位数据，研究还分析了不同地貌单元和含水层类型的地下水动态变化模式。研究发现，不同地貌单元的地下水位变化模式存在显著差异。例如，移动沙丘和固定沙丘的地下水位变化趋势与草地不同，前者通常呈现上升趋势，而后者则保持稳定或略有下降。此外，研究还揭示了不同含水层类型对降水的响应滞后效应，为地下水管理提供了科学依据。

在研究方法上，采用了归一化地下水位（GWL）分析、STL 分解算法、小波分析、自相关分析和交叉相关性分析等多种时间序列分析方法。归一化地下水位（GWL）分析通过减去每个数据点的均值，生成一个均值为零的标准化序列，有助于趋势分类。STL 分解方法则通过分离趋势、季节性和残差成分，揭示地下水动态的长期趋势和季节性变化。小波分析则用于捕捉降水和地下水位变化之间的周期性和相位关系，特别是在不同尺度上的响应。自相关分析和交叉相关性分析则用于量化地下水位对降水的响应时间，揭示地下水系统的“记忆效应”。

研究结果表明，地下水位的变化不仅受到降水的直接影响，还受到土壤渗透性、地下水深度和地貌特征的综合影响。例如，移动沙丘的地下水位变化趋势与固定沙丘和半固定沙丘不同，前者通常呈现较短的滞后效应，而后者则受到更复杂的水文过程影响。此外，草地的地下水位变化趋势与沙丘不同，前者通常保持稳定或略有下降，而后者则呈现显著上升趋势。

研究还探讨了不同地貌单元和含水层类型的地下水位变化模式。例如，移动沙丘的地下水位变化幅度较小，呈现出清晰的季节性趋势，而在草地中，地下水位的变化幅度较大，且缺乏一致的季节性变化。此外，研究还发现，不同含水层类型的地下水位变化趋势和季节性波动存在显著差异。移动沙丘的地下水位变化趋势与固定沙丘和半固定沙丘不同，前者通常呈现较短的滞后效应，而后者则受到更复杂的水文过程影响。

研究还揭示了地下水位的变化不仅受到降水的直接影响，还受到土壤渗透性、地下水深度和地貌特征的综合影响。例如，移动沙丘的地下水位变化趋势与固定沙丘和半固定沙丘不同，前者通常呈现较短的滞后效应，而后者则受到更复杂的水文过程影响。此外，研究还发现，不同地貌单元的地下水位变化模式存在显著差异，例如，移动沙丘的地下水位变化趋势通常较短，而固定沙丘和半固定沙丘则表现出更复杂的水文响应。

通过综合分析不同时间尺度下的地下水位变化，研究还揭示了地下水位的“记忆效应”和解相关时间。这些参数不仅反映了地下水位对历史水文过程的响应能力，还为地下水管理提供了科学依据。例如，解相关时间在 21–40 天之间，表明地下水位的变化受到历史水文过程的显著影响。此外，研究还发现，不同地貌单元和含水层类型的地下水位变化模式存在显著差异，例如，移动沙丘的地下水位变化趋势通常较短，而固定沙丘和半固定沙丘则表现出更复杂的水文响应。

研究结果对于科尔沁沙地乃至全球其他类似干旱和半干旱沙地的地下水管理和生态系统恢复具有重要的科学基础。通过综合分析地下水与降水的相互作用，研究为制定科学的水资源管理策略和生态保护措施提供了理论依据。此外，研究还强调了土壤渗透性和地下水深度在地下水响应时间中的核心控制作用，这为未来研究提供了方向，即进一步探讨其他外部环境因素（如蒸散发和人为活动）对区域地下水系统的影响。