研究背景
在全球变化与人类活动共同作用下，地下水系统正面临越来越显著的压力。尤其在半干旱地区，降水时空分布不均、生态修复改变下垫面结构以及深厚包气带对水分下渗的阻滞，使得“地下水何时得到补给、以何种方式得到补给、补给量究竟有多大”成为关键科学问题。黄土高原丘陵沟壑区是我国典型的生态脆弱区，退耕还林和沟道土地整治等生态修复工程显著重塑了坡面—沟道水文过程，但其对地下水补给的影响仍缺乏长期、直接的实测证据。
基于此，中国科学院地球环境研究所王云强老师团队以陕西省延安市顾屯流域为研究对象，开展了为期七年的连续野外观测实验，相关研究成果发表于《Ecological Engineering》。研究系统监测了降水、土壤水分、地下水水位及多水体稳定同位素等指标。其结果揭示了事件尺度与年尺度降水极值通过优先流路径和地下水位上升显著强化了生态修复集水区的地下水补给过程，为理解黄土高原厚层非饱和带中降水—土壤水—地下水之间的快速水力连通性提供了关键数据支撑，并对生态修复工程背景下的地下水可持续管理具有重要科学指导意义。
图1. 研究区域和采样点的位置。
研究方法
研究团队依托陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站，在延安固屯流域开展了长达7年（2017–2023 年）的连续野外监测；
监测体系：涵盖了气象站、表面水、土壤水及地下水水位监测；
值得一提的是，研究团队采用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司）提取样品中的土壤水，该设备采用超低压真空蒸馏冷冻的原理，不仅能高效（98%）获取土壤水，而且可严格控制提取过程、避免蒸发引发的同位素分馏，确保氢氧同位素分析结果的准确性；
图2.阳坡和阴坡4000 cm土壤剖面含水量的垂直分布。
图3.2021年7月至2022年3月4000 cm土壤剖面土壤水分月动态。
图4.降水事件期间地下水位的时间序列 (a)，以及地下水位变化与各类因素之间的关系 (b-g)。
图5.时间动态变化（a）和降水年份间地下水位的显著差异（b）。
图6.降雨事件后沿坡长沿着0-500 cm土壤剖面的土壤含水量（P）格局。
研究结果
（1）降水极值主要通过优先流路径触发非饱和带与饱和带间的深层水力连通；
（2）在事件尺度上，低强度、长历时降水更利于地下水补给；
（3）年尺度：丰水年补给增强，枯水年补给减弱；
（4）坡面土壤水：坡面深层土壤长期存在水分亏缺；
（5）生态修复效应：坡面耗水增强，沟道补给提升；
结语
该研究基于长期连续观测，从事件尺度和年尺度两个层面揭示了黄土丘陵沟壑区生态修复流域地下水补给的关键机制，表明降水极值能够通过优先流和坡沟水文联系显著增强地下水补给，但同时也会加剧补给过程的空间异质性，并带来一定的生态水文风险。该成果不仅深化了我们对半干旱区“降水—土壤水—地下水”耦合过程的认识，也为生态修复背景下的地下水资源管理、水土保持和区域可持续发展提供了重要的科学依据。未来应进一步加强长期连续观测和机制研究，更好服务于生态修复成效评估与地下水资源可持续管理。
发表期刊：Ecological Engineering【影响因子：12.4】
研究单位：中国科学院地球环境研究所、西北工业大学、西安交通大学等
研究地点：陕西延安固屯流域
使用设备：LI-2100全自动真空冷凝抽提系统
DOI：https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2025.107868