揭示水资源匮乏地区地下水的长期演变过程：一种结合大地测量与统计建模的方法（研究时间跨度为36年）

《Groundwater for Sustainable Development》：Unraveling the Long-term Evolution of Groundwater in Water-Limited Region : An integrated Geodetector-statistical Modeling Approach Over 36 Years

地下水可持续性研究 通过STL-Mann-Kendall分析结合Geodetector模型，揭示宋排水地区36年地下水演变三阶段特征：1980s-1990s缓慢下降、2000s-2010s加速枯竭、2010s后部分恢复，脆弱含水层持续下降。驱动因素从降水主导（1986-2010年占比22%）转向人类活动主导（2000年后占比18%），自然与人为因素非线性交互作用显著（q值>0.6）。

　　

王伍香|叶学燕|吴海迪|董伟红|杜新强|李红岩

教育部地下水资源与环境重点实验室（吉林大学），中国长春，130021

摘要：

作为中国东北地区的主要粮食生产区，松嫩平原面临着由于气候变化和人类活动导致的地下水可持续性日益严峻的挑战，尤其是在农业密集区。了解其对这两种压力的时空响应对于实现可持续管理至关重要。本研究创新性地结合了STL–Mann–Kendall分析与地理探测器建模方法，分析了1986年至2021年36年的数据，揭示了地下水变化的三个明显阶段：逐渐下降（1980年代至1990年代）、加速枯竭（2000年代至2010年代）以及2010年后的部分恢复，同时脆弱含水层的持续下降。地理探测器分析量化了从降水控制（解释力22%）到人为因素（2000年后变化量的18%）的主导作用变化，并发现土地利用与降水之间存在显著的因素交互作用（q-值 > 0.6）。这些发现表明人类活动对地下水系统的影响正在加剧，强调了在水资源短缺地区需要建立一个平衡农业需求与含水层恢复力的区域管理框架。

引言

地下水可持续性已成为人类-自然系统耦合研究中的关键前沿领域，特别是在农业密集的干旱和半干旱地区，含水层枯竭对生态系统完整性和粮食安全构成重大威胁（Dalin等人，2019；Famiglietti，2014）。松嫩平原是中国东北部一个面积为1.87 × 10⁵平方公里的农业核心地带，贡献了全国6.4%的粮食产量，这一挑战尤为突出。在该地区，作为主要灌溉水源的非承压含水层显示出明显的下降趋势，关键区域的下降速率为每十年0.795米。这一趋势凸显了该系统对气候变率和人为活动的双重压力的高度脆弱性（Sun等人，2013；Wu等人，2025）。

尽管形势紧迫，但我们对半干旱流域长期地下水动态的理解仍存在三个主要障碍：（1）气候驱动的补给周期与抽水制度之间的时间脱节，这使得水资源可用性的评估变得复杂；（2）不同含水层子单元间驱动因素的主导地位存在空间差异，导致管理策略不一致；（3）对非线性人自然交互作用的量化不足，而这些交互作用对于理解复杂的反馈机制至关重要（Fu等人，2023；Zhao等人，2025）。在松嫩平原的非承压含水层背景下，这些挑战因直接受到农业活动和降水模式变化的影响而加剧。以往的研究主要依赖于短期（<20年）的局部分析（Xu等人，2024）或线性回归方法（Liu等人，2023），这些方法无法捕捉驱动因素之间的时空复杂性。

为了解决这些限制，本研究开发了一个综合的时空分析框架，包含三个关键创新点。首先，我们将STL–Mann–Kendall框架的时间分解与Geodetector的空间分层异质性分析相结合，这是该结合方法在地下水演变研究中的首次应用。这种方法克服了传统线性趋势分析在揭示非线性驱动机制方面的局限性。Geodetector方法特别适用于含水层系统，因为它能够（1）处理共线驱动因素（如灌溉、降水和土地利用），（2）识别空间分层的主导因素，（3）通过交互作用检测量化非线性交互作用——这是以往区域研究中缺乏的能力（Wang等人，2016）。这使我们能够系统地揭示自然因素和人为因素之间的非线性增强效应，并定量描述气候变化和抽水活动的复合影响。

其次，我们分析了一个涵盖36年（1986–2021年）的全面高分辨率多源数据集，包括监测井数据、1公里分辨率的气象数据和30米分辨率的土地利用数据，首次实现了对松嫩平原非承压含水层的完整时空覆盖，为干旱和半干旱平原地区建立了可推广的研究范式。

第三，我们的物理约束敏感性分析解决了纯统计方法中的固有局限性，特别是与空间自相关效应和离散化主观性相关的问题。

通过关注半干旱地下水系统中最脆弱但尚未充分研究的方面，本研究提出了一个旨在解决可持续性科学中持续挑战的方法论框架。我们工作的核心创新在于它不仅能够追踪地下水平的长期变化轨迹，还能通过综合的时空框架和定量因素交互作用分析，定量分配不同地质单元间竞争驱动因素的解释力和交互作用。具体来说，它试图回答以下问题：长期气候趋势如何影响浅层含水层的人为影响？哪些空间尺度决定了不同驱动因素在异质系统中的主导地位？非线性交互作用如何为管理阈值提供信息？从这些研究中获得的见解对全球农业流域具有重大意义，因为类似的水资源可持续性危机正在气候变化背景下出现。

研究区域

松嫩平原面积约为6.4 × 10⁴平方公里，包括长春、松原和白城等主要城市（图1）。该平原地形呈轻微倾斜的半封闭状，南部海拔较高，中部和北部海拔较低。平原具有四个明显的地貌单元：西部山麓倾斜平原（含水层薄且渗透性低）、中部冲积-湖泊低平原（含水层厚）

地下水数据

为了获取地下水水位数据，我们首先从吉林省水利水资源局获取了1986年至2021年的地下水深度数据。然后通过从数字高程模型（DEM）提供的相应地表高度中减去观测到的水深值来计算地下水水位。监测井的空间分布密度为每500平方公里1口井，以确保覆盖均匀性。水深序列中的缺失数据已

地下水水平的空间分布模式

对研究区域地下水水平数据的空间插值分析（图2）显示，其空间分布模式相对稳定，主要受地形控制。东部高平原阶地的水位最高，这与它作为区域补给区的位置一致，该区域有厚厚的未固结沉积物。河谷地区由于含水层连通性增强和地表

1980年代至2020年代研究区域地下水水平变化动态

研究区域的地下水水平受多种因素影响，表现出显著的空间异质性和阶段性特征（图2）。1980年代至1990年代期间，整个研究区域的地下水水平普遍下降，但下降幅度相对较小。榆树、齐沟、农安和德惠等地的水位下降尤为明显，其中榆树的下降幅度最大。到了2000年代，整个研究区域的地下水水平

主要发现

本研究调查了1980年代至2020年代松嫩平原的地下水水平变化，阐明了其时空演变趋势、空间模式和驱动因素。通过结合STL–Mann–Kendall趋势分析和地理探测器建模，我们开发了一个新的框架来量化地下水动态中的非线性驱动因素和相位转变。主要发现总结如下：

(1)

识别出了地下水动态的三个明显演变阶段。

作者贡献声明

董伟红：资金获取、数据整理。吴海迪：数据整理。杜新强：监督、方法论指导。李红岩：数据整理。叶学燕：撰写——审稿与编辑、资金获取。王伍香：撰写——初稿

资金来源

本项目得到了中国国家自然科学基金联合资金的支持（项目编号：U23A2024）。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本工作得到了中国国家自然科学基金联合资金的支持。所有作者声明他们没有可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢：

本工作得到了中国国家自然科学基金联合资金（项目编号：U23A2024）的支持。我们特别感谢王金凤教授团队提供的Geodetector方法和代码。同时感谢吉林省水利水资源局和国家青藏高原数据中心提供的数据支持。