地下水是水循環(huán)的關(guān)鍵組成部分，其向河道補給的基流是河川徑流的重要來源，基流在水資源供給、夏季河流水溫調(diào)節(jié)、為魚類提供全年性棲息地等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面有重要作用。此外，由于地表水和地下水中的污染物濃度不一樣，地下水維持的基流大小直接影響河流的污染物濃度。

基流的形成涉及到降水入滲、包氣帶水分運移、潛水層地下水向河道補給等過程，一般用水化學(xué)示蹤方法來觀測基流。然而，水化學(xué)示蹤方法費時費力，難以在全球開展大范圍的觀測；而水文模型、陸面模型、地球系統(tǒng)模型等機理模型通常簡化地下水模擬，導(dǎo)致全球基流指數(shù)的估算存在較大爭議：美國普林斯頓大學(xué)的研究認(rèn)為全球基流指數(shù)為71%；全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的Noah陸面模式計算的全球基流指數(shù)為86%；IPCC第六次評估報告認(rèn)為全球基流指數(shù)不超過28%。

基于此，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所劉小莽研究組整合了全球1.55萬個流域的逐日徑流觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于觀測約束的全球基流指數(shù)估算方法，在三條有水化學(xué)示蹤劑觀測的河流（亞馬遜河、密蘇里河、科羅拉多河），驗證了方法的可靠性。研究得到全球基流指數(shù)為59%( ± 7%)，這表明IPCC第六次評估報告的全球水循環(huán)通量圖（圖8.1b）低估了地下水在全球水循環(huán)中的重要作用。

IPCC最新的模式比較計劃（CMIP6）中，50個地球系統(tǒng)模式模擬的全球基流指數(shù)差異較大，基流指數(shù)從12%到94%不等（圖1）?；谟^測數(shù)據(jù)和可解釋的機器學(xué)習(xí)方法，發(fā)現(xiàn)土壤與基巖屬性是基流指數(shù)空間分布差異的首要影響因素，可以解釋基流指數(shù)空間差異的31%；而大部分地球系統(tǒng)模式認(rèn)為降水量是首要影響因素（圖2）。地球系統(tǒng)模式大多不能模擬土壤大孔隙流在滲透中的關(guān)鍵作用。此外，許多地球系統(tǒng)模式對于水文地質(zhì)條件的簡化處理，也可能導(dǎo)致模擬與實際的水文要素存在偏差。未來，可從以下三個方面改進地球系統(tǒng)模式的地下水模擬：增加土壤大孔隙快速水分下滲的過程表達(dá)、改善地下水與植被間的相互作用模擬、加強含水層導(dǎo)水系數(shù)的空間異質(zhì)性表征。

該研究成果近期發(fā)表于Nature Geoscience，第一作者為地理資源所博士生謝佳鑫，通訊作者為劉小莽研究員，還有來自美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校、荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)、德國馬普研究所的合作研究人員。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金的共同支持。

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論文信息：?

Xie Jiaxin,Liu Xiaomang*,Scott Jasechko,Wouter Berghuijs,Wang Kaiwen,Liu Changming,Markus Reichstein,Martin Jung,Sujan Koirala. (2024). Majority of global river flow sustained by groundwater.?Nature Geoscience.

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-024-01483-5

圖1. ?15496個小流域中基于觀測計算和CMIP6模擬的基流指數(shù)

圖2. ?18個環(huán)境因子對基流指數(shù)全球分布差異的解釋度

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