极端降水对浅根植被下潜在地下水补给的主导作用及其水文意义

本研究通过氚峰值法(35个剖面)揭示黄土高原浅根植被下潜在地下水补给(PGR)主要受极端降水(EP)驱动(解释50.5%方差)，土壤质地与根系特征影响微弱，为全球干旱区水文建模提供了以EP为核心的新框架。

　　

Highlight

浅根植被下的土壤水分与颗粒组成剖面

图3清晰展示了浅根植被深层土壤剖面中水分与颗粒组成的紧密关联。以富县、闻喜和朔州剖面为例，黏土含量越高土壤湿度越大，而砂质含量升高则水分降低。这种关系源于黄土-古土壤交替沉积形成的层状结构，造就了独特的水文地质特征。

氚峰值法定量PGR：方法学在变量简化和时间一致性上的优势

本研究开创性地使用35个氚峰值剖面（深度范围3.6–26.4米，平均11.1米）量化区域尺度潜在地下水补给(PGR)，测得补给率为8.8–93.0毫米/年（平均43.0±3.7毫米/年）。值得注意的是，该方法得出的变异性显著小于先前模拟研究(Hu et al., 2019; Turkeltaub et al., 2018)和氯离子示踪法(Huang et al., 2022; Lu et al., 2024)的估算结果，这主要归因于氚峰值法独特的方法学优势——它通过单一变量（峰值位移）直接计算补给通量，无需依赖易变的土壤水力参数（如饱和导水率(Ks)）或植物根系参数。这种设计有效规避了多参数方法中常见的误差累积问题。

更重要的是，所有剖面均捕获了1963年大气核试验产生的氚峰值，这意味着所有补给估算均基于完全相同的时间尺度（过去五十年）。这种时间一致性彻底消除了不同时间维度对因子分析造成的干扰，为准确解析控制因子提供了理想条件。与传统方法相比，氚峰值法通过时标统一和变量精简，实现了更高精度的PGR量化，尤其适用于相对均质的黄土环境。

极端降水主导PGR：气候驱动机制超越土壤和根系控制

基于PLS-SEM（偏最小二乘结构方程模型）的驱动因子分析揭示了一个突破性发现：极端降水(EP)是控制PGR的唯一显著驱动因子（路径系数=0.667, p<0.001），单独解释了50.5%的PGR变异。与之形成鲜明对比的是，土壤质地（以粉粒为主）、浅根系（95%根系分布在2.0米以上）和土壤水力特性均未显示出显著影响。

这一发现颠覆了传统认知——在黄土高原这类相对均质的土壤环境中，EP驱动的大脉冲 infiltration（入渗）可直接穿透浅根层，快速通过包气带补给地下水。这种" bypass机制"（旁路机制）使得土壤和根系等局部因素的控制作用被显著弱化。我们的结果表明，在该类生态系统中，PGR本质上是一个气候主导的过程。

结论

本研究通过氚峰值法定量了黄土高原浅根植被下的潜在地下水补给(PGR)，揭示极端降水(EP)是唯一主导驱动因子，解释了50.5%的PGR变异（PLS-SEM路径系数=0.667, p<0.001）。土壤质地（以低变异性粉粒为主）、浅根系（95%根系分布于2.0米以上）和土壤水力特性对PGR无显著影响，因为EP驱动的大脉冲入渗可直接穿透根系层和相对均质的黄土层。该研究确立了以EP为核心的区域水文建模框架，对全球类似地区的可持续水资源管理具有重要指导意义。