《CATENA》：Topography and unsaturated zone thickness influence groundwater drought response and recovery in karst critical zone
编辑推荐：
•岩石裸露的斜坡表现出更快的干旱响应，但恢复潜力较弱。•土壤覆盖斜坡的下坡段表现出更强的地下水干旱调节作用。•干旱使地下水响应从降雨强度触发转变为降雨量驱动。•坡度与岩石露头率与更高的响应阈值和更大的地下水变异性相关。引言随着气候变暖持续加剧，气象干旱变得更加持久和强烈，引发
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岩石裸露的斜坡表现出更快的干旱响应，但恢复潜力较弱。
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土壤覆盖斜坡的下坡段表现出更强的地下水干旱调节作用。
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干旱使地下水响应从降雨强度触发转变为降雨量驱动。
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坡度与岩石露头率与更高的响应阈值和更大的地下水变异性相关。
引言
随着气候变暖持续加剧，气象干旱变得更加持久和强烈，引发了对水安全和生态系统稳定性的担忧（Chen等，2025；Gebrechorkos等，2025）。2022年，破纪录的干旱事件影响了欧洲、北美和中国的大部分地区，导致广泛的生态退化、农业损失和供水危机（Bevacqua等，2024；Akl等，2025）。与大气和地表水系统相比，地下水系统具有更大的储水能力和更强的水文记忆效应，使其能够在降水亏缺期间维持生活、农业、工业和生态用水需求（Scanlon等，2023）。然而，地下水储存和水文记忆效应可能延迟地下水对气象干旱的响应（Akl等，2025）。因此，定量阐明地下水系统对气象干旱的响应与恢复机制，对于深化对流域水文调节能力和生态水文韧性的理解至关重要。
气象干旱通常源于降雨亏缺，并以非线性方式在地下水系统中传播（Liu等，2024；Huang等，2025）。地下水干旱越来越多地通过多种方法被识别和评估，包括地下水位监测、水文模型、基于GRACE的储量观测以及标准化干旱指数（Tweed等，2009；Schilling等，2021；Wang等，2022）。现有证据表明，气象干旱向地下水系统的传递速率因含水层特性和水文地质条件而异（Aon等，2024；Liu等，2026）。例如，有报道指出珠江流域地下水对气象干旱的响应滞后约6至24个月，恒河流域滞后14至21个月，而浅层含水层可能需要约三年才能恢复因干旱造成的地下水储量损失（Schreiner-McGraw和Ajami，2021；Yuan等，2026）。此外，观测表明全球变暖增加了干旱与恢复周期以及极端事件的频率，导致补给过程表现出阈值行为和非线性响应（Wright和Novakowski，2020；Swain等，2025）。然而，以往研究主要关注地下水干旱的识别、传播特征和未来趋势，对干旱发生和发展期间地下水响应、补给和储存过程的实地证据仍十分有限（Halder等，2020；Akl等，2025）。
水文气候条件和含水层非均质性共同控制着地下水补给和干旱响应（Ebeling等，2025）。在区域尺度上，降雨量、降雨强度和降雨持续时间决定了降水能否补偿前期储量亏缺并产生有效补给（Bai等，2025）。然而，在给定流域内，即使在水文气候强迫相似的情况下，地下水响应也可能存在显著差异。这种流域内的变异性与当地景观和地表特性更为密切相关，包括土地利用、地形以及土壤-基岩结构（Tarasova等，2024）。地形通过调节水力梯度来控制地下水流向和流速，而风化带厚度则通过调节入渗和地下储存进一步影响补给比例、地下水位波动和水停留行为（Callahan等，2024）。此外，水文特性和水力梯度在短距离内也可能发生显著变化（Meng等，2023）。因此，从斜坡结构的角度考察地下水对干旱的响应，对于推动斜坡水文学的发展具有重要意义。
氢和氧稳定同位素提供了关于补给转化、水混合、地下运移和流动路径的保守示踪信息，使其有助于识别地下水补给来源、循环过程和含水层系统演化（Nakaya等，2007）。传统同位素方法，如卷积模型和正弦拟合方法，通常适用于表征长期地下水停留行为，但在解析干旱期间短期补给和混合变化方面能力有限（Zheng等，2026b）。仅依靠地下水位观测可以识别响应幅度和滞后时间，但无法区分水位变化是由近期降雨输入驱动还是由储存地下水的释放引起（Alfio等，2024）。反复进行地下水同位素观测并结合分段混合分析，可以估算采样期间的降水补给比例和平均传输时间（Luo等，2023；Zhang等，2025a）。降水补给比例反映了近期降雨对地下水补给的贡献，而平均传输时间则综合了地下储存、混合和释放的影响（Benettin等，2022）。因此，将地下水位观测与基于同位素的降水补给比例和平均传输时间相结合，能够为地下水响应、补给、储存和释放过程提供有用信息。
岩溶地区通常以高度发育的裂隙和管道、浅薄且不连续的土壤覆盖层以及有限的水储存能力为特征（Schmidt等，2014）。这种水文地质条件增加了岩溶含水层对气候扰动的敏感性（Shi等，2024）。中国西南岩溶地区具有独特的地质和气候环境，包括高度可溶的碳酸盐岩基岩以及雨热同期的湿润亚热带季风气候，这些特征可能放大了地下水对干旱的敏感性（Guo等，2025）。此外，该地区的极端干旱事件变得更加显著，局部增幅超过20%，加剧了岩溶含水层系统所面临的气候胁迫（Wang等，2025）。在亚热带季风气候下，岩溶干旱事件通常具有高度突发性，可以快速发展并迅速消退（Liu等，2023）。因此，地下水系统可能在相对较短的时间内经历补给减少、储量耗竭和恢复重建的连续过程（He等，2018）。然而，以往研究通常通过泉流量或排水点水位来推断岩溶地下水干旱过程（Jiang等，2025）。尽管这些观测能够捕获流域尺度的综合响应，但它们对于不同地貌单元之间补给、储存和释放过程的差异，以及这些差异如何调节地下水干旱响应与恢复所提供的见解有限。
为解决上述问题，本研究在SH和RH区域建立了7个地下水监测井，分布在上坡、中坡、下坡和洼地位置。在涵盖干旱前、干旱期和干旱恢复期的三年中，持续采集了每小时地下水位和每周稳定同位素观测数据。本研究旨在：(1) 量化地下水降雨响应阈值、降水补给比例和平均传输时间的时空变化；(2) 考察斜坡结构、非饱和带厚度和降雨特性如何通过补给、储存、传输和释放过程与地下水干旱响应和恢复相关联。
章节摘要
研究流域
研究区域位于中国西南部的木莲流域（图1）。流域中部由洼地组成，三面被陡峭斜坡环绕。周围的峰丛由阶梯状岩溶丘陵和连续滑坡面组成。流域面积为1.14 km2，其中斜坡面积占总面积的78.7%。主要岩性为白云岩和白云质灰岩（Wang等，2022）。该流域具有亚热带
地下水位响应特征
2022年干旱期间，SH和RH的地下水响应特征存在差异。RH对气象干旱的响应更快，平均响应滞后为76天。然而，地下水干旱影响持续时间更长，达到279天（表1）。干旱期间，RH的平均地下水位下降幅度较小，为1.75 m，但表现出更强的变异性（CV = 1.67）和较小的低水位维持指数（0.12）。此外，RH的下坡部分具有最大的
地下水对干旱的响应及水文恢复
全球和区域研究通常使用水文模型或GRACE卫星反演来评估地下水干旱和恢复情况，但这些方法在解析流域尺度响应和恢复过程方面存在局限（Tweed等，2009；Schilling等，2021）。相比之下，本研究在白云岩岩溶流域中利用连续地下水位观测结合稳定同位素，直接表征了地下水干旱响应滞后、干旱持续时间、补给及
结论
本研究利用每小时地下水位记录和每周δ2H及δ18O观测数据，考察了极端干旱及其后水文恢复期间岩溶地下水的响应特征和相关过程。结果表明，岩溶化程度更强的RH对气象干旱更为敏感，恢复能力较弱，且表现出更强的空间异质性。干旱期间，RH表现出更高的地下水位变异性，更大的
CRediT作者贡献声明
Huimin Ren：撰写——初稿撰写、可视化、调研、概念化。Fa Wang：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。Jiajie Li：方法论。Wenna Liu：撰写——审阅与编辑、调研。Hongsong Chen：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究由中国国家自然科学基金资助（U2344201，42207096）。
Huimin Ren|Fa Wang|Jiajie Li|Wenna Liu|Hongsong Chen
