中国西北何方台黄土台地：地下水位上升介导灌溉用水分配引发多灾害级联效应

《CATENA》：Irrigation partitioning triggers multi-hazard cascades mediated by rising groundwater in Heifangtai loess terrace, NW China

　　

•灌溉分割控制着黑方台地下水位上升的空间异质性。
•浅层地下水（深度<2 米）是地表盐分积累的主要控制因素。
•土地利用类型通过地下水动力学作用充当触发多灾害链的主要中介。
•提出了一种人 - 水 - 土相互作用框架，以分析系统风险并指导缓解措施。

**引言**
农业灌溉的扩张是一种普遍的人类活动，能深刻改变区域水文地质系统，通常带来非预期的后果（Foley 等，2005 年；Rajan 等，2025 年）。在全球半干旱和干旱地区，集约化漫灌常被认定为主要驱动因素，导致地下水位上升。这种水文变化反过来会引发一系列地质灾害。例如，灌溉导致的高孔隙水压力可能引发广泛且灾难性的滑坡。2018 年帕鲁地震期间的液化和侧向扩展以及 Lacroix (2020 年) 记录的类似灌溉触发滑坡失效，戏剧性地证明了这一点。水平衡的扰动导致了次生环境问题，包括由于毛细上升和蒸发引起的土壤盐渍化（Shokri 等，2024 年），以及硝酸盐等污染物淋溶进入深层包气带和地下水（Jiang 等，2026 年；Li 等，2025a, Li 等，2025b）。有效管理这些相互关联的风险需要对水 - 经济 - 社会 - 生态纽带有整体性的理解（Wu 等，2025 年）。破译土地利用、地下水补给和由此产生的灾害之间的耦合关系，对于全球可持续环境管理和主动风险缓解至关重要。

中国黄土高原拥有广阔而深厚的黄土沉积，是人类与环境相互作用观察最典型的地区之一（Derbyshire, 2001 年）。其半干旱气候需要广泛灌溉以进行农业生产，导致依赖河流阶地，并经常导致集约化漫灌（Xu 等，2021 年）。中国甘肃省的黑方台（HFT）是一个典型例子。自 20 世纪 60 年代以来，那里的大规模灌溉导致了大量水分入渗（Zeng 等，2016 年；Zhao 等，2020 年）。黄土对水的固有敏感性，加上透水性差的基底层，导致地下水位迅速上升和悬挂含水层的形成（Peng 等，2018 年；Qi 等，2018 年）。这种水文地质变化严重影响黄土层的渗透性和结构稳定性（Li 等，2024 年）。因此，地下水位上升是滑坡不稳定性的公认前兆。它在黑方台触发了超过 200 起滑坡，并造成了巨大的社会经济损失（Guo 等，2015 年；Peng 等，2018 年）。

黄土对水的机械响应已通过室内试验（Xu 等，2018 年）、现场监测（Xu 等，2011 年）和离心机模型（Zhao 等，2024 年）得到了广泛研究。这些研究严格表征了黄土对水力 - 机械弱化的敏感性，包括应变软化及液化（Xu 等，2018 年；Zhang and Wang, 2018 年）。随后的研究进一步阐明了失效机制，如土体界面处的机制（Ma 等，2025 年），坍塌型侧压力的影响（Yu 等，2025 年），以及干湿和冻融循环引起的蠕变行为（Lian 等，2022 年；Liu 等，2025a, Liu 等，2025b；Kong 等，2023 年）。已建立黑方台滑坡管理的综合框架。它包括时空分布和演化分析以实现早期识别（Yang 等，2021 年；Liu 等，2020 年），体积膨胀效应的评估（Kong 等，2024 年），失效后的动力学（Wang 等，2024a；Wang 等，2024b）以及滑坡坝的形成（Li 等，2025a, Li 等，2025b）。同时，水分入渗的关键作用已得到澄清（Hou 等，2025a；Li 等，2024 年；Hou 等，2025b）。虽然现场入渗测试最初表明完整黄土中的渗透有限，但电阻层析成像（ERT）等先进技术明确表明，通过裂隙和大孔隙的优先流可导致地下水快速补给（Zhao 等，2020 年；Zeng 等，2016 年；Wang 等，2026 年）。这些多方面的研究为理解单一灾害过程奠定了坚实基础。然而，黑方台地下水系统与连锁环境 - 地质灾害之间的相互关系和反馈机制仍未得到充分定量和综合。

为了准确表征地下水补给过程，传统示踪剂和建模方法常用于估算补给率和机制（Allison and Hughes, 1978 年；Flint 等，2002 年；Huang 等，2017 年）。最近的进展进一步证明了将水文模拟与作物产量模型和机器学习方法相结合在评估气候变化条件下灌溉可持续性方面的价值（Karunanidhi 等，2026 年；Sridhar 等，2026a）。与此同时，ERT 结合 GIS 技术在非侵入式测绘农业景观中的土壤水分变化和地下水位方面被证明非常有效（Rhishi Hari Raj 等，2025 年），无论在全球范围（Beff 等，2013 年；Samou?lian 等，2005 年）还是在黑方台具体应用中（Zeng 等，2016 年）。这些研究证实，仅基质流不足以解释黑方台地下水位的快速上升（Huang 等，2020 年），明确指出了通过裂隙和塌陷坑的优先流的关键作用（Zeng 等，2016 年）。补给模式影响地下水位的空间异质性，例如土地利用（Xu 等，2021 年；Zhang 等，2018 年），因为作物类型决定了灌溉强度。虽然黑方台水分如何入渗和含水层如何补给的机制现在已相对清晰，但这如何精确驱动滑坡之外（即沉降和土壤盐渍化）的连锁环境影响的分布和强度，仍有待系统关联。

像黑方台这样的灌溉黄土景观中地下水位上升引发了显著的环境挑战，如地面沉降，这是全球农业区普遍存在的现象（Galloway 等，1999 年），已使用多时相干涉合成孔径雷达（InSAR）在黑方台定量检测到。这揭示了与地下水动力学和地表荷载的直接联系（Shi 等，2019 年；Liu 等，2020 年；Xu 等，2025 年）。同时，在地下水位接近地表的区域，高蒸发率不可避免地触发土壤盐渍化，这是全球干旱和半干旱地区土地退化的主要过程（Rengasamy, 2006 年）。其他半干旱地区也提出了类似的担忧，地下水受氟和硝酸盐污染对灌溉适宜性和人类健康构成重大风险（Sridhar 等，2026b）。这种灌溉引发的灾害链（即滑坡、沉降和盐渍化）日益被视为不同环境中集约化农业的常见后果（Lacroix 等，2020 年；Liu 等，2024 年）。根本驱动因素是灌溉分割改变当地水平衡。在此过程中，水输入超过自然排水，迫使地下水位上升（Li 等，2014 年）。一旦毛细带达到根区，蒸发会在表层土壤浓缩盐分，这一过程可在控制条件下进行模拟和量化（Wang 等，2025 年）。尽管盐渍化的一般机制已得到理解，且在黑方台及类似灌溉区已注意到其发生（Mu 等，2025 年），但大多数研究将其视为孤立结果而非关联灾害。在定量关联灌溉实践的空间异质性到浅层盐水系统的形成以及最终到地表土壤盐渍化模式方面，仍存在关键的知识空白。

像黑方台这样地区灌溉农业的扩张深刻改变了当地人 - 水 - 土纽带，触发了相互关联的环境和社会影响链。研究定量建立了集约化灌溉与滑坡活动加剧之间清晰的空间时间相关性（Hao 等，2025 年；Xu 等，2021 年）。然而，环境影响超出了直接的滑坡失效范围，地面沉降成为与这些水文变化相关的另一种广泛地质灾害（Xu and Yan, 2019 年）。在其他半干旱农业地区，地下水质量退化与城市化和集约化农业实践相关联，对不同年龄组的人类健康有重大含义（Kalaivanan 等，2025 年）。针对这个复杂系统，学术研究逐渐采用了更具整合性的框架。这些研究考察了生计、农业实践和地质灾害风险之间的深度交织（Wang 等，2024c），从而将焦点从单纯的物理风险扩展到关键的社会维度。这包括量化人类对滑坡的脆弱性（Zhou 等，2022 年）以及理解在反复发生的地质灾害中影响农民采用节水实践意愿的因素（Wang 等，2023 年）。中国其他灌溉地区的比较研究进一步为背景化这些发现提供了背景。它们揭示了类似的地下水 - 地表相互作用模式（Lu 等，2025 年），并强调了在敏感环境中管理农业水的普遍挑战（Zhang 等，2025 年）。虽然灌溉对社会方面的影响已得到充分研究，但异质灌溉分割通过地下水介导导致空间可变盐渍化的具体过程链仍未量化。

因此，本研究专注于黑方台地下水介导的土壤盐渍化过程。利用土壤离子和地下水深的现场测量，我们定量关联灌溉分割与异质地下水位和空间盐分模式。我们的具体目标是：1) 使用经验证的电导率 - 盐度模型阐明黑方台土壤盐度的高分辨率空间分布；2) 通过双变量分析和回归量化地下水深度对盐度变异的控制；3) 证明特定土地利用灌溉制度如何驱动地下水位异质性和随后的盐分积累。这项工作将盐渍化纳入多灾害链，并实证展示了灌溉驱动的地下水位上升和地表盐渍化链，支持基于科学的土地和水管理。

**部分摘录**
**一般条件**
20 世纪 60 年代，刘家峡水库在黄河主流上建成，以缓解中国西北地区的电力短缺（图 1a）。因此，水库区域的居民被搬迁至约 50 公里外的黑方台黄土阶地（图 1b）。最初，黑方台是黄河第四阶地（IV），其特征是地下水资源匮乏、斜坡稳定以及缺乏人类农业或工程活动。移民安置后，三
**土壤物理性质**
黄土的独特物理性质——主要由盐、粘土和其他胶结物连接的粉砂级颗粒组成——从根本上决定了其盐渍化行为。这种材料具有高孔隙率和各向异性，特征是发育良好的垂直节理。原位饱和水力传导率通常相对较低，并可受优先流路径的显著影响。这些结构特征控制水的运动，水携带 Na+、Cl?等可溶性离子，和
**黑方台不同样品的离子组成和总盐含量**
从黑方台表面收集的样品包括灌溉水、泉水、钻孔地下水、盐渍化土壤和非盐渍化土壤。展示不同样品类型化学成分的三元图如图 3a-3b 所示。在三种水样品中，灌溉水以钙（Ca2+）、硝酸盐（NO??）和碳酸氢盐（HCO??）离子为主，整体离子含量较低。相比之下，钻孔地下水和泉水均表现出高离子
**土地利用、地下水位与环境灾害之间的关系**
地面沉降是黑方台的另一个重要地质灾害（Shi 等，2019 年），与土地利用和地下水动力学内在相关。通过整合 InSAR 数据（Shi 等，2019 年）与我们的盐度和地下水位观测，我们界定了更广泛的灾害链。先前证据与我们新结果的综合支持了概念模型的发展。长期灌溉不仅使黄土饱和，还可能通过土壤结构软化和
**结论**
本研究系统地调查了黑方台黄土阶地的土壤盐度空间分布及其与地下水深度的关系，使用现场采样、实验室分析和地理空间建模的组合。主要结论是：
(1) 黑方台可溶性盐的空间分布表现出显著异质性，数值范围为 0.75 至 1.10 克/千克。高盐度区（>0.90 克/千克）集中在中阶地，特别是在
**CRediT 作者贡献声明**
赵宽耀：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，监督，软件，资源，项目管理，方法论，资金获取，数据管理，概念化。徐强：监督，资源，项目管理，资金获取。陈万林：资金获取，形式分析，数据管理。彭大磊：资源，调查，数据管理，概念化。李永松：方法论，形式分析。

Haoche Shui：可视化，验证，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：
致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号：42207200, 42307235, 42007275）、河南省科技计划项目（批准号：252102321015, 262102220045）、驻马店市重点研发项目（批准号：ZMDSZDYF2025014, QNZX202525）、黄淮学院青年骨干教师培养计划以及黄淮学院教育教学改革研究项目（批准号：2026XJGLX27, 2024XJGLX27）的支持。
我们是
Kuanyao Zhao|Qiang Xu|Wanlin Chen|Dalei Peng|Yongsong Li|Haoche Shui|Zhaozhao Liu|Beibei Zhou|Jiayu Qiu|Hongxuan Jiang