《Journal of Hydrology》：An integrated assessment of groundwater controls on streamflow and ecosystem functioning in the Guarani aquifer outcrop zone
编辑推荐：
摘要专业翻译
地下水与地表水之间的界面，即潜流带（HZ），在维持健康的河流生态系统和生物地球化学过程中发挥着基础性作用。然而，在热带地区，关于潜流带的跨学科研究仍然十分有限。本研究提出一种可扩展的跨学科方法，在瓜拉尼含水层系统（GAS）露头区的河段尺度上评估河
摘要专业翻译
地下水与地表水之间的界面，即潜流带（HZ），在维持健康的河流生态系统和生物地球化学过程中发挥着基础性作用。然而，在热带地区，关于潜流带的跨学科研究仍然十分有限。本研究提出一种可扩展的跨学科方法，在瓜拉尼含水层系统（GAS）露头区的河段尺度上评估河流-含水层相互作用。研究人员在昂萨溪流域（OCW）选取了三个具有对比性河流-含水层交互条件的断面（S1、S2和S3），其中断面S2被识别为地下水上升流热点。研究方法整合了：（i）以温度作为天然示踪剂，结合分布式温度传感（DTS）系统和点温度传感器进行监测；（ii）水质分析；（iii）以大型无脊椎动物作为生物指示物；（iv）棉条试验以量化有机质分解速率。研究结果表明，地下水热点断面（S2）表现出显著较低的溪流水温变异性，表明其具有热缓冲效应；地下水补给河段具有较高的大型无脊椎动物多样性；多个指标共同揭示了地下水对溪流过程的综合影响。本研究提出的方法可为热带地区的水资源综合管理提供科学支撑。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
地表水与地下水之间的交互界面，即潜流带（HZ），在维持河流生态系统健康与生物地球化学过程中扮演着至关重要的角色。它调控着地下水补给、养分循环和有机质转化，同时为水生生物提供栖息地，对水资源管理具有重要影响。然而，尽管潜流带研究在过去数十年间取得了显著进展，相关研究往往局限于单一学科领域，反映出将水文学、生态学和生物地球化学整合到统一框架中的挑战。
当前全球水资源管理实践中存在一个突出问题：大多数国家的水资源管理仍主要聚焦于维持地表水流量，往往忽视地表水-地下水交互作用及其潜流带功能。这一问题的根源部分在于潜流带高密度分布式测量的数据极为有限，许多监测项目面临制度整合薄弱、连续性不足以及与全球政策目标（如可持续发展目标SDGs和昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架）对齐不够等问题。
在热带地区，潜流带的跨学科研究更为有限，主要受制于资金和后勤约束。与此同时，气候不确定性、地表水质量持续恶化、水资源需求不断增加以及灌溉农业快速扩张等因素，共同推动了巴西近几十年来地下水使用量的持续增长。因此，巴西迫切需要以长远视角实施有效的地表水-地下水联合管理，以保障环境可持续性以及国家的水资源和粮食安全。
在南美洲，瓜拉尼含水层系统（GAS）作为世界上最大的跨界含水层之一，已得到广泛研究。尽管其分布广泛，约94%的开采量发生在巴西，其中圣保罗州占全国开采量的近80%。环境示踪剂研究表明，在低流量时期，GAS非承压部分对圣保罗州河流径流的贡献可达约70%-80%，凸显了其在水资源安全和生态系统可持续性方面的重要性。然而，即使对于GAS，河流-含水层相互作用的研究传统上主要集中于水量（如补给评估）或水质（如污染热点），仅有少数例外。地表水-地下水交互作用的影响远超这些维度——水文连通性、栖息地条件和生物多样性等因素对维持生态系统健康同样至关重要。
基于上述背景，本研究提出一种可扩展的跨学科方法，在GAS露头区的单个河段尺度上评估河流-含水层相互作用。研究人员通过以下关键指标评估地下水对河流径流和生态系统功能的主要贡献：（i）以温度作为天然示踪剂；（ii）水质分析；（iii）以大型无脊椎动物作为生物指示物；（iv）棉条试验以量化有机质分解，同时辅以流量测量和物理化学参数测定。这些方法共同为GAS露头区局部河段尺度上地表水-地下水界面生态系统过程提供了综合视角，同时提供了一种可适用于具有相似气候和水文地质条件的其他溪流和地区的研究方法。
二、研究设计与关键方法
研究人员在巴西圣保罗州布罗塔斯市的昂萨溪流域（OCW）开展研究。该流域面积约65 km2，地质构成以GAS露头地层为主，包括侏罗纪风成砂岩（Botucatu组）和三叠纪河流-风成砂岩（Piramboia组），流域出口附近还分布有白垩纪玄武岩流（Serra Geral组）。流域内建有完善的水文气候监测网络，包括自动气象站、两个帕歇尔水槽（PFs）、监测井网络以及分布式温度传感（DTS）系统。
基于前期研究识别的地下水上升流位置，研究人员选取了三个间隔约80 m的断面（S1、S2和S3），具有对比性河流-含水层交互条件。断面S2在低流量条件下表现出可见的地下水上升流，而S1和S3未表现出可见上升流。三个断面具有相似的河道形态、平均流速、冠层覆盖度和河岸植被，使得生态和生物地球化学条件的差异可以主要归因于其对比性的河流-含水层交互作用。
本研究采用的主要关键技术方法包括：（1）温度示踪法——利用光纤分布式温度传感（FO-DTS）系统（采样分辨率25 cm）和点温度传感器（HOBO UA-002-64）进行连续监测，通过线性化静态正弦模型拟合温度时间序列，提取振幅（A）和相位（φ）等信号指标，评估地下水贡献的有效深度；（2）水质分析——采用便携式多参数探头（HI9829）和多种分光光度法测定硝酸盐氮（NO??-N）、总凯氏氮（TKN）、可溶性活性磷（SRP）、总磷（TP）等指标；（3）大型无脊椎动物生物指示——通过标准化采样评估生物多样性；（4）棉条试验——使用95%纤维素棉条（Fredrix Style #548）量化有机质分解速率，通过拉伸强度损失估算微生物纤维素分解活性。统计分析采用Kruskal-Wallis检验、Wilcoxon符号秩检验、Dunn事后检验和PERMANOVA等方法。
三、主要研究结果
温度示踪结果：通过对30天连续监测的温度数据拟合正弦模型，研究发现地下水热点断面（S2）表现出显著较低的溪流水温变异性，表明其具有热缓冲效应。S2断面的温度振幅显著小于S1和S3断面，相位滞后特征也表明地下水贡献的深度差异。基于空气和溪流水温信号的配对指标（振幅比、相位滞后和平均温度比），研究人员能够推断影响溪流热信号的地下水贡献有效深度，区分浅层和深层地下水输入。
水质分析结果：通过10次野外采样（2023-2024年）获取的物理化学参数和营养盐数据，研究人员计算了S2断面上游和下游的浓度梯度（ΔS2-S1和ΔS3-S2），作为河段尺度净累积或损失/衰减的定性指标。统计检验表明，S2断面作为生物地球化学不连续面，河流-含水层相互作用促进了营养盐浓度的纵向不连续性。与深层监测井（161 m深，筛段约61-149 m）的数据对比，进一步揭示了与溪流积极交互的地下水和更深层老地下水之间的化学差异。
生态水文学结果：棉条试验（30天孵育期）表明，S2断面支持更高的有机质分解速率，反映了该断面更强的微生物活性。大型无脊椎动物采样结果显示，地下水补给河段（S2）具有更高的大型无脊椎动物多样性，表明该断面作为优先栖息地的生态功能。这些结果表明，地下水上升流热点不仅是水文过程的集中区域，同时也是生物地球化学和生态过程的热点区域。
四、讨论与结论
研究人员在讨论部分指出，地下水对河流生态系统的影响取决于主导的地表水-地下水混合过程。浅层地下水流主导的交互作用可能不会产生强烈的热缓冲效应，而较深层的地下水贡献可能增加热稳定性，但也可能引入缺氧条件。因此，地表水-地下水交换的热点不一定就是生物地球化学或生态热点。本研究通过整合多学科指标，证实了S2断面同时作为热缓冲区和生态热点区，表明深层地下水贡献在该断面中占主导地位。
研究结论部分指出，本研究提出的综合结构-功能方法能够有效评估河段尺度上地下水对河流径流和生态系统功能的影响。地下水热点断面表现出显著较低的温度变异性、更高的有机质分解速率和更高的大型无脊椎动物多样性，多个指标共同揭示了地下水对溪流过程的综合影响。该研究方法具有可扩展性，可适用于具有相似气候和水文地质条件的其他溪流和地区，为热带地区的水资源综合管理提供科学支撑。研究也指出了局限性，包括监测时间尺度有限、缺乏流量数据以计算净质量通量等，未来研究应扩展监测周期并整合更多水文变量。
